北京交通大学自动控制原理实验报告.docx

自动控制原理孙宇杰 13212159自动化1302班自动控制原理实验报告姓 名 孙宇杰 学 号 13212159 班 级 自动化1302 指导老师 蒋大明 时 间 2015.12.28 目 录实验概述：2硬件资源：2软件操作：3软件使用说明：3实验一 典型环节及其阶跃响应4一、实验目的4二、实验仪器4三、实验原理4四、实验内容5五、实验步骤6六、实验波形及数据6七、计算（数据分析）9实验二 二阶系统阶跃响应10一、实验目的10二、实验仪器10三、实验原理10四、实验内容10五、实验步骤10六、实验报告10七、实验波形及数据12八、计算（数据分析）15实验三 控制系统的稳定性分析17一、实验目的17二、实验仪器17三、实验内容17四、实验步骤17五、实验报告18实验四 连续系统串联校正20一、实验目的20二、实验仪器20三、实验内容20四、实验步骤23五、实验报告23六、实验波形及数据23七 实验结果分析26实验连接图：29实验总结与感想：30实验概述：本次实验，用于验证自动控制原理书中所见的一些常见系统的功能与作用，以进一步的了解及掌握原理其运用的方法。本次实验由硬件连接以及软件操作两部分组成。硬件资源：EL-AT-III型实验系统主要由计算机、AD/DA采集卡、自动控制原理实验箱、打印机（可选）组成如图1，其中计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制和数据处理的作用，打印机主要记录各种实验数据和结果，实验箱主要构造被控模拟对象。显示器打印机计算机AD/DA卡实验箱电路图1 实验系统构成实验箱面板如图2：图2 实验箱面板图3 AD/DA采集卡 软件操作：1软件启动：在Windows桌面上双击图标 自动控制理论 运行软件，便可启动软件如图52实验前计算机与实验箱的连接：用实验箱自带的USB线将实验箱后面的USB口与计算机的USB口连接。软件使用说明：本套软件界面共分为三个组画面A.软件说明和实验指导书画面（如图4）B.数据采集显示画面（如图5） 图4图5实验一 典型环节及其阶跃响应一、实验目的1. 掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。2. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法。二、实验仪器1 EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台2 计算机一台三、实验原理1模拟实验的基本原理：控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。四、实验内容构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：1. 比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1。 G（S）= -R2/R12. 惯性环节的模拟电路及其传递函数如图1-2。 G（S）= - K/TS+1 K=R2/R1，T=R2C3. 积分环节的模拟电路及传递函数如图1-3。 G（S）=1/TS T=RC 4. 微分环节的模拟电路及传递函数如图1-4。G（S）= - RCS5. 比例微分环节的模拟电路及传递函数如图1-5（未标明的C=0.01uf）。 G（S）= -K（TS+1） K=R2/R1，T=R1C 五、实验步骤 1.启动计算机，在桌面双击图标 自动控制实验系统 运行软件。2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。3.连接各个被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接DA1，电路的输出U2接AD1。检查无误后接通电源。4.在实验项目的下拉列表中选择实验一一、典型环节及其阶跃响应 。5.鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置，相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。6.观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。7.记录波形及数据。六、实验波形及数据比例环节图1-6 比例环节响应曲线惯性环节图1-7 惯性环节响应曲线积分环节图1-8 积分环节响应曲线微分环节（带有噪声）图1-9 微分环节响应曲线比例微分环节（带有噪声）图1-10 比例微分环节响应曲线七、计算（数据分析）1. 惯性环节取R2=200K，R1=100K，C=1uF。由K=R2/R1，T=R2C得理论值K=2，T=0.2s所以有传递函数G（S）= - 2/（0.2S+1）又由惯性环节的波形图在上升坐标：当y=1900（5%），x=3T=639ms所以T=0.213s 故传递函数为G（S）= - 2/（0.213S+1）,与理论值有一定误差。2. 积分环节取R=100K,C=1uf,则理论输出值为G（S）=1/0.1S=10/S由实验所得图形看出输出为y2=10000,输入y1=1000.得G（S）=10/S,与理论值相同。实验二 二阶系统阶跃响应一、实验目的 1研究二阶系统的特征参数，阻尼比z和无阻尼自然频率wn对系统动态性能的影响。定量分析 z 和wn与最大超调量Mp和调节时间tS之间的关系。 2学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。二、实验仪器1EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台 2计算机一台三、实验原理控制系统模拟实验利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。四、实验内容 典型二阶系统的闭环传递函数为 w2n j（S）= s22zwnsw2n （1） 其中 z 和wn对系统的动态品质有决定的影响。构成图2-1典型二阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：图2-1 二阶系统模拟电路图根据二阶系统的模拟电路图，画出二阶系统结构图并写出系统闭环传递函数。把不同z和wn条件下测量的Mp和ts值列表，根据测量结果得出相应结论。.画出系统响应曲线，再由ts和Mp计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。五、实验步骤1.取wn=10rad/s, 即令R=100KW，C=1mf；分别取z=0、0.25、0.5、1、2，即取R1=100KW，R2分别等于0、50KW、100KW、200KW、400KW。输入阶跃信号，测量不同的z时系统的阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量Mp和调节时间Ts的数值和响应动态曲线，并与理论值比较。2.取z=0.5。即电阻R2取R1=R2=100KW；wn=100rad/s, 即取R=100KW，改变电路中的电容C=0.1mf(注意：二个电容值同时改变)。输入阶跃信号测量系统阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量sp和调节时间Ts。六、实验报告1.画出二阶系统的模拟电路图，画出二阶系统结构图并写出系统闭环传递函数。2.把不同z和wn条件下测量的Mp和ts值列表，根据测量结果得出相应结论。3.画出系统响应曲线，再由ts和Mp计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。七、实验波形及数据 R2=0，z=0，等幅振荡R2=50K，z=0.25超调量：416 R2=100K, z=0.5超调量：137 R2=200K, z=1超调量 0 987（稳定点坐标）R2=400K, z=2超调 0 987（稳定点坐标）C=0.1uf超调量：497 八、计算（数据分析）1.二阶系统的模拟电路图如下系统结构图如下G3(S)G4(S)G1（S） R(S) C(S)G2(S)系统闭环传递函数G(S)=G1G2G3/(1+G2G3G4+G1G2G3)（其中G1=10/s,G2=10/s,G3=1,G4=R2/R1）2. 不同和n 条件下测量的Mp 和ts 值R1R2CnMP（mv）TS(ms)100K01f010rad/s-无穷大100K50K1f0.2510rad/s416（41.6%）1200100K100K1f0.510rad/s137（13.7%）750100K200K1f110rad/s0582100K400K1f210rad/s01642100K100K0.1f0.5100rad/s166（16.6%）45由表可知，当为0时系统处于临界阻尼状态，等幅振荡。当在（0，1）之间时系统处于欠阻尼状态，当大于0时系统处于过阻尼状态，超调量为0.相同阻尼比的情况下，通过改变n，可以减小系统的响应时间并减少超调量。3.实际值与理论值的比较（标注为理论值）nMPTS(ms)mp（理论值）ts(ms)(理论值)010rad/s10 （1%）无穷大-无穷大0.2510rad/s416（41.6%）120051.4%12000.510rad/s137（13.7%）75016.3%800110rad/s05820-210rad/s016420-0.5100rad/s166（16.6%）9016.3%80从上表可以看出实验值与理论值在误差范围内，基本相同。实验三 控制系统的稳定性分析一、实验目的 1观察系统的不稳定现象。2研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。二、实验仪器1EL-AT型自动控制系统实验箱一台2计算机一台三、实验内容 系统模拟电路图如图3-1 图3-1 系统模拟电路图其开环传递函数为: G（s）=10K/s(0.1s+1)(Ts+1)式中 K1=R3/R2，R2=100KW，R3=0500K；T=RC，R=100KW，C=C1=1mf或C=1mf C1=0.1mf两种情况。四、实验步骤 1.取C=C1=1mf，改变电位器阻值，使R3从0500 KW方向变化，此时相应的K=10K1。观察不同R3值时显示区内的输出波形(既U2的波形)，找到系统输出产生等幅振荡时相应的R3及K值。观察R3取临界值左右时的响应曲线，并记录其波形。2.在步骤1条件下，使系统工作在不稳定状态，即工作在等幅振荡情况。改变电路中的电容C1 ，由1mf变成0.1mf，观察系统稳定性的变化。五、实验波形及结论R3=194 KWR3=195KWR3=196KWC1=0.1mf由上述波形图可以看出在R3=195KW时，即K=1.95时等幅振荡，则K=1.95为临界放大值。实验四 连续系统串联校正一、实验目的1. 加深理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用。2. 对给定系统进行串联校正设计，并通过模拟实验检验设计的正确性。二、实验仪器1EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台2计算机一台三、实验内容 1串联超前校正（1） 系统模拟电路图如图3-1，图中开关S断开对应未校情况，接通对应超前校正。图3-1 超前校正电路图 （2）系统结构图如图3-2图3-2 超前校正系统结构图图中 Gc1（s）=2 2（0.055s+1） Gc2（s）= 0.005s+1 2串联滞后校正（1） 模拟电路图如图3-3，开关s断开对应未校状态，接通对应滞后校正。图3-3 滞后校正模拟电路图（2）系统结构图示如图3-4 图3-4 滞后系统结构图图中 Gc1(s）=5 5（s+1） Gc2（s）= 6s+1 3串联超前滞后校正（1） 模拟电路图如图5-5，双刀开关断开对应未校状态，接通对应超前滞后校正。 图3-5 超前滞后校正模拟电路图（2） 系统结构图示如图3-6。图3-6超前滞后校正系统结构图图中 Gc1（s）=6 6（1.2s+1）（0.15s+1） Gc2（s）= （6s+1）（0.05s+1）四、实验步骤超前校正：1 连接被测量典型环节的模拟电路(图5-1)，开关s放在断开位置。2 系统加入阶跃信号，测量系统阶跃响应，并记录超调量sp和调节时间ts。3 开关s接通，重复步骤2，并将两次所测的波形进行比较。滞后校正：4 连接被测量典型环节的模拟电路(图5-3)，开关s放在断开位置。系统加入阶跃信号。测量系统阶跃响应，并记录超调量sp和调节时间ts。5开关s接通，重复步骤2，并将两次所测的波形进行比较超前-滞后校正 6. 接被测量典型环节的模拟电路(图5-5)。双刀开关放在断开位置。系统加入阶跃信号。测量系统阶跃响应，并记录超调量sp和调节时间ts7双刀开关接通，重复步骤2，并将两次所测的波形进行比较。五、实验报告1计算串联校正装置的传递函数 Gc（s）和校正网络参数。2画出校正后系统的对数坐标图，并求出校正后系统的c及。3比较校正前后系统的阶跃响应曲线及性能指标，说明校正装置的作用。六、实验波形及数据1) 超前校正：未校正：超调量 630mv 调节时间 1300ms校正后：超调量 124mv 调节时间 280ms2) 滞后校正未校正：超调量 480mv 调节时间 1400ms校正后：超调量 279mv 调节时间 820ms3) 超前-滞后校正未校正：超调量 717mv 调节时间 1340ms校正后：超调量 310mv 调节时间 350ms七 实验结果分析1 超前校正校正前系统传递函数为G=40/（0.2s*s+s）,校正后系统传递函数为G=（2.2s+40）/(0.01s*s*s+0.25s*s+s)波特图如下通过波特图和系统阶跃响应可以看出超前校正增大系统的相角裕度，改善了系统的稳定性和平稳性。2 滞后校正校正前系统传递函数为G=50/（0.005s*s*s+0.5s*s+s） 校正后系统传递函数为G=（50s+50）/(0.03s*s*