典型环节的模拟研究自动控制实验报告.doc

实 验 报 告实验课程： 自动控制理论 学生姓名： 学 号： 专业班级： 2013年 12 月 20日 南昌大学实验报告学生姓名： 学 号： 专业班级： 实验类型： 验证 综合 设计 创新 实验日期： 实验成绩： 典型环节的模拟研究一、实验要求：1 了解和掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式2 观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响二、主要仪器设备及耗材：1计算机一台（windows xp操作系统）2aedk-labact自动控制理论教学实验系统一套3labact6_08软件一套三、实验内容和步骤： 选用虚拟示波器，只要运行labact 程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（b3）单元的ch1测孔测量波形。具体用法参见用户手册中的示波器部分。1)观察比例环节的阶跃响应曲线典型比例环节模拟电路如图3-1-1所示。图3-1-1 典型比例环节模拟电路实验步骤： 注：s st不能用“短路套”短接！（1）用信号发生器（b1）的阶跃信号输出 和幅度控制电位器构造输入信号（ui）： b1单元中电位器的左边k3开关拨下（gnd），右边k4开关拨下（0/+5v阶跃）。阶跃信号输出（b1的y测孔）调整为4v（调节方法：按下信号发生器（b1）阶跃信号按钮，l9灯亮，调节电位器，用万用表测量y测孔）。（2）构造模拟电路：按图3-1-1安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线（3）运行、观察、记录：（注：ch1选1档。时间量程选1档） 打开虚拟示波器的界面，点击开始，按下信号发生器（b1）阶跃信号按钮（0+4v阶跃），用示波器观测a6输出端（uo）的实际响应曲线uo（t）。2)观察惯性环节的阶跃响应曲线典型惯性环节模拟电路如图3-1-4所示。 图 3-1-4 典型惯性环节模拟电路（1）用信号发生器（b1）的阶跃信号输出 和幅度控制电位器构造输入信号（ui）：b1单元中电位器的左边k3 开关拨下（gnd），右边k4 开关拨下（0/+5v阶跃）。阶跃信号输出（b1的 y 测孔）调整为4v（调节方法：按下信号发生器（b1）阶跃信号按钮，l9 灯亮，调节电位器，用万用表测量y 测孔）。（2） 构造模拟电路：按图接线 （3）运行、观察、记录：（注：ch1选1档。时间量程选1档）打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测a6输出端（uo），按下信号发生器（b1）阶跃信号按钮时（0+4v阶跃），等待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到4v（输入）0.632处，得到与惯性的曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得惯性环节模拟电路时间常数t。a6输出端（uo）的实际响应曲线uo（t）。3)观察积分环节的阶跃响应曲线典型积分环节模拟电路如图3-1-5 所示。 图 3-1-5 典型积分环节模拟电路（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（b5）所产生的周期性矩形波信号（out），代替信号发生器（b1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（ui）；该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择（d1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。 量程选择开关s2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1 秒左右（d1 单元左显示）。 调节b5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 1v（d1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图接线（3）运行、观察、记录：（注：ch1 选1档。时间量程选1档）打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测a6输出端（uo），调节调宽电位器使宽度从0.3秒开始调到积分输出在虚拟示波器顶端（即积分输出电压接近+5v）为止。等待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到0v处，再移动另一根横游标到v=1v（与输入相等）处，得到与积分的曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得积分环节模拟电路时间常数ti。a6输出端（uo）的实际响应曲线uo（t）。4)观察比例积分环节的阶跃响应曲线典型比例积分环节模拟电路如图3-1-8所示.。 图3-1-8 典型比例积分环节模拟电路（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（b5）所产生的周期性矩形波信号（out），代替信号发生器（b1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（ui）；该信号为零输出时将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择（d1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。 量程选择开关s2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1 秒秒左右（d1单元左显示）。 调节b5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 1v（d1 单元右显示）。（2） 构造模拟电路：按图接线（3） 运行、观察、记录：（注：ch1选1档。时间量程调选1档）打开虚拟示波器的单迹界面，点击开始，用示波器观测a6输出端（uo）。待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到1v（与输入相等）处，再移动另一根横游标到v=kp输入电压处，得到与积分曲线的两个交点。再分别移动示波器两根纵游标到积分曲线的两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数ti。5).观察比例微分环节的阶跃响应曲线典型比例微分环节模拟电路如图3-1-9所示。 图 3-1-9 典型比例微分环节模拟电路（1）将函数发生器（b5）单元的矩形波输出作为系统输入r。（连续的正输出宽度足够大的阶跃信号) 在显示与功能选择（d1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。 量程选择开关s2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1 秒左右（d1 单元左显示）。 调节b5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 0.5v（d1单元右显示）。（2） 构造模拟电路：按图接线（3）运行、观察、记录： ch1 选1档。 打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测系统的a6输出端（uo），响应曲线见图3-1-10。等待完整波形出来后，把最高端电压（4.77v）减去稳态输出电压（0.5v），然后乘以0.632，得到v=2.7v。 移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到v=2.7v处为止，得到与微分的指数曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得t=0.048s。 已知kd=10，则图3-1-9的比例微分环节模拟电路微分时间常数：四、 思考、讨论或体会或对改进实验的建议： 在进入实验室之前，我们从课本上面基本上掌握了各种典型环节模拟电路、传递函数表达式和对仪器基本的了解。本次实验当中由于没有认真看实验指导书，实验没有完成的很好，直接忽略了改变系数再一次的实验。以后的实验当中尽量实验前做到认真预习。通过这次实验，使我学到了不少实用的知识，加深了对课本上知识的理解，受益匪浅 南昌大学实验报告学生姓名： 学 号： 专业班级： 实验类型： 验证 综合 设计 创新 实验日期： 实验成绩： 二阶系统瞬态响应和稳定性一、实验要求1、了解和掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法及型二阶闭环系统的传递函数标准式。2、研究型二阶闭环系统的结构参数-无阻尼振荡频率n、阻尼比对过渡过程的影响。3、掌握欠阻尼型二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标mp、tp、ts的计算。4、观察和分析型二阶闭环系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼的瞬态响应曲线，及在阶跃信号输入时的动态性能指标mp、tp、ts值，并与理论计算值作比对。二、主要仪器设备及耗材1计算机一台（windows xp操作系统）2aedk-labact自动控制理论教学实验系统一套3labact6_08软件一套三、实验内容及步骤本实验用于观察和分析二阶系统瞬态响应和稳定性。图3-1-8 型二阶闭环系统模拟电路图3-1-8的二阶系统模拟电路的各环节参数及系统的传递函数：当r=100k， k=1 =1.58 1 为过阻尼响应，当r=40k， k=2.5 =1 为临界阻尼响应，当r=4k， k=25 =0.316 01 为欠阻尼响应。 欠阻尼二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态指标mp、tp、ts的计算：（ k=25、=0.316、=15.8）型二阶闭环系统模拟电路见图3-1-8。该环节在a3单元中改变输入电阻r来调整衰减时间。（1）用信号发生器（b1）的阶跃信号输出 和幅度控制电位器构造输入信号（ui）： b1单元中电位器的左边k3开关拨下（gnd），右边k4开关拨下（0/+5v阶跃）。阶跃信号输出（b1的y测孔）调整为2v（调节方法：按下信号发生器（b1）阶跃信号按钮，l9灯亮，调节电位器，用万用表测量y测孔）。（2）构造模拟电路：按图接线（3）虚拟示波器（b3）的联接：示波器输入端ch1接到a6单元信号输出端out（c(t)）。（4）运行、观察、记录： 运行labact程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的二阶典型系统瞬态响应和稳定性实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（b3）单元的ch1测孔测量波形。也可选用普通示波器观测实验结果。 分别将（a11）中的直读式可变电阻调整到4k、40k、100k，按下b1按钮，用示波器观察在三种增益k下，a6输出端c(t)的系统阶跃响应。r=4k时波形图（该图可以观察出mp=0.7/2.07100%=33.8% tp =0.240s）改变r1的值，使得r1=200k（c1=1uf保持不变），这时ti改变了，波形图如下：实际值为：mp=1.05/2.07*1005=50.7% tp=0.160s ts=0.28s理论值为：wn=25 mp=0.164*100%=16.4% tp=0.145s ts=0.24s改变c2的值，使得c2=2uf（r2保持不变），这时t的值改变，波形图如下：实际值为：mp=1.29/2.07*100%=62.3% tp=0.200 ts=1.32s理论值为：wn=25 mp=0.164*100%=16.4% tp=0.288s ts=1.22s2、r=40k时波形图由图可以得到实际值为： ts=1.52s改变r1的值，使得r1=200k（c1=2uf保持不变），这时ti改变了，波形图如下： ts=0.860改变c2的值，使得c2=2uf（r2保持不变），这时t的值改变，波形图如下：ts=2.000r=100k时波形图ts=3,600s改变r1的值，使得r1=100k（c1=2uf保持不变），这时ti改变了，波形图如下：ts=0.920s3）改变c2的值，使得c2=2uf（r2保持不变），这时t的值改变，波形图如下： ts=2.720s 四、实验心得体会： 通过本次实验我基本上了解和掌握了典型二阶系统模拟电路的构成方法，同时加深了mp tp ts的计算。虽然在实验当中有部分小困难，但是都顺利的解决了。 通过本次实验加深了我对这些知识的了解，并且能更加灵活的应用。 南昌大学实验报告学生姓名： 学 号： 专业班级： 实验类型： 验证 综合 设计 创新 实验日期： 实验成绩： 一阶惯性环节的频率特性曲线一、实验要求： 了解和掌握对数幅频曲线和相频曲线（波德图）、幅相曲线（奈奎斯特图）的构造及绘制方法。二、实验内容及步骤： 惯性环节的频率特性测试电路见图3-2-1。三、实验步骤： （1）将数/模转换器（b2）输出out2作为被测系统的输入。（2）构造模拟电路：按图接线（3）运行、观察、记录： 运行labact程序，选择自动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析-实验项目，选择一阶系统，点击开始，测试被测系统的频率特性，等待将近十分钟，测试结束。 测试结束后，可点击界面下方的“频率特性”选择框中的任意一项进行切换，将显示被测系统的对数幅频、相频特性曲线（伯德图）和幅相曲线（奈奎斯特图），同时在界面上方将显示该系统用户点取的频率点的l、im、re等相关数据。点击停止后，将停止示波器运行。 改变惯性环节开环增益：改变a6的输入电阻r=50k、100k。c=1uf，r2=50k（t=0.05）。改变惯性环节时间常数：改变a6的反馈电容c2=1uf、3uf。r1=50k、r2=50k（k=1）未改变参数时 r1=50k，r2=50k，c=1uf幅频特性相频特性幅相特性改变惯性环节开环增益a6的输入电阻r1=100k，r2=50k，c=1uf（t=0.05）幅频特性相频特性幅相特性改变惯性环节时间常数 a6的反馈电容c2=3uf，r1=50k、r2=50k（k=1）幅频特性相频特性幅相特性二阶开环系统的频率特性曲线一实验要求1研究表征系统稳定程度的相位裕度和幅值穿越频率对系统的影响。2了解和掌握二阶开环系统中的对数幅频特性和相频特性，实频特性 和虚频特性的计算。3了解和掌握欠阻尼二阶开环系统中的相位裕度和幅值穿越频率的计算。4观察和分析欠阻尼二阶开环系统波德图中的相位裕度和幅值穿越频率c，与计算值作比对。二实验内容及步骤本实验用于观察和分析二阶开环系统的频率特性曲线。由于型系统含有一个积分环节，它在开环时响应曲线是发散的，因此欲获得其开环频率特性时，还是需构建成闭环系统，测试其闭环频率特性，然后通过公式换算，获得其开环频率特性。 计算欠阻尼二阶闭环系统中的幅值穿越频率c、相位裕度：幅值穿越频率： （3-2-3）相位裕度： （3-2-4）值越小，mp%越大，振荡越厉害；值越大，mp%小，调节时间ts越长，因此为使二阶闭环系统不致于振荡太厉害及调节时间太长，一般希望：3070 （3-2-5）本实验以第3.2.2节二阶闭环系统频率特性曲线为例，得： c =14.186 =34.93 本实验所构成的二阶系统符合式（3-2-5）要求。被测系统模拟电路图的构成如图3-2-2所示。（同二阶闭环系统频率特性测试构成）本实验将数/模转换器（b2）单元作为信号发生器，自动产生的超低频正弦信号的频率从低到高变化（0.5hz16hz），out2输出施加于被测系统的输入端r(t)，然后分别测量被测系统的输出信号的开环对数幅值和相位，数据经相关运算后在虚拟示波器中显示。三 实验步骤及数据： （1）将数/模转换器（b2）输出out2作为被测系统的输入。（2）构造模拟电路：安置短路套及测孔联线表同笫3.2.2 节二阶闭环系统的频率特性曲线测试。（3）运行、观察、记录： 将数/模转换器（b2）输出out2作为被测系统的输入，运行labact程序，在界面的自动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析-实验项目，选择二阶系统，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始，实验开始后，实验机将自动产生0.5hz16h等多种频率信号，等待将近十分钟，测试结束后，观察闭环对数幅频、相频曲线和幅相曲线。 待实验机把闭环频率特性测试结束后，再在示波器界面左上角的红色开环或闭环字上双击，将在示波器界面上弹出开环闭环选择框，点击确定后，示波器界面左上角的红字，将变为开环然后再在示波器界面下部频率特性选择框点击（任一项），在示波器上将转为开环频率特性显示界面。可点击界面下方的“频率特性”选择框中的任意一项进行切换，将显示被测系统的开环对数幅频、相频特性曲线（伯德图）和幅相曲线（奈奎斯特图）。 显示该系统用户点取的频率点的、l、im、re 幅值穿越频率c ，相位裕度的测试：在开环对数幅频曲线中，用鼠标在曲线l()=0 处点击一下，待检测完成后，就可以根据十字标记测得系统的幅值穿越频率c ，见图3-2-6 (a）；同时还可在开环对数相频曲线上根据十字标记测得该系统的相位裕度。实验结果可与式（3-2-11）和（3-2-12）的理论计算值进行比对。 改变惯性环节开环增益：改变运算模拟单元a3的输入电阻r=10k、4k。ti=1（c1=2u），t=0.1（c2=1u）（ r減小（減小）。改变惯性环节时间常数：改变运算模拟单元a3的反馈电容c2=1uf、2uf。ti=1（c1=2u），k=25（r=4k），（c2增加 (減小)）。改变积分环节时间常数：改变运算模拟单元a3的反馈电容c1=1uf、2uf。t=0.1（c2=1u），k=25（r=4k） ，(c1減小（減小）)。重新观测结果。改变惯性环节开环增益未改变任何参数 运算模拟单元a3的输入电阻r=4k ti=1（c1=2u），t=0.1（c2=1u）幅频特性相频特性幅相特性改变惯性环节开环增益：运算模拟单元a3的输入电阻2k。ti=1（c1=2u），t=0.1（c2=1u）（ r減小（減小）幅频特性相频特性幅相特性改变惯性环节时间常数 运算模拟单元a3的反馈电容c2=2u，ti=1（c1=2u），k=25（r=4k），（c2增加 (減小)）。幅频特性相频特性幅相特性改变积分环节时间常数运算模拟单元a3的反馈电容c1=1u，t=0.1（c2=1u），k=25（r=4k） ，(c1減小（減小）)。幅频特性相频特性幅相特性四：实验心得 通过此次实验，我加深了课本上的知识，更加理解了一阶及二阶系统的频率响应。 由于疏忽，没有认真看实验要求而忽略了二阶系统的闭环频率响应。以后会更加注意 南昌大学实验报告学生姓名： 学 号： 专业班级： 实验类型： 验证 综合 设计 创新 实验日期： 实验成绩： 频域法串联超前校正一实验要求1了解和掌握二阶系统中的闭环和开环对数幅频特性和相频特性（波德图）的构造及绘制方法。2了解和掌握超前校正的原理，及超前校正网络的参数的计算。3熟练掌握使用本实验机的二阶系统开环对数幅频特性和相频特性的测试方法。4观察和分析系统未校正和串联超前校正后的开环对数幅频特性和相频特性，幅二实验内容及步骤未校正系统的频域特性的测试未校正系统频域特性测试的模拟电路图见图3-3-4。图3-3-4 未校正系统频域特性测试的模拟电路图 实验步骤： （1）将数/模转换器（b2）输出out2作为被测系统的输入。（2）构造模拟电路：按图3-3-4安置短路套及测孔联线，在1。未校正系统时域特性的测试的联线表上增加频率特性测试模块（3）运行、观察、记录将数/模转换器（b2）输出out2作为被测系统的输入，运行labact程序，在界面的自动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析-实验项目，选择二阶系统，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始，则进行频率特性测试。 被测二阶系统的对数幅频特性相频特性3超前校正网络的设计 在未校正系统模拟电路的开环相频特性曲线（图3-3-5）上测得未校正系统的相位裕度=18.9。 如果设计要求校正后系统的相位裕度=50，则网络的最大超前相位角必须为： ，。其中为考虑到时，所需減的角度，一般取510。 据式 3-3-3 可计算出网络的参数： 据式 3-3-4 可计算出网络的最大超前相位角处的对数幅频值为： 在系统开环幅频特性曲线（图3-3-6）上，可测得时的角频率=14.4 rad/s ，该角频率应是网络的最大超前角频率，这亦是串联超前校正后系统的