自动控制原理硬件仿真实验报告.docx

实验课程名称： 自动控制原理 开课实验室： 学科三号楼s306 学院： 信息与控制学院 班级： 15自动化 姓名： 学号： 指导教师： 日期： 2017.10.28 实验一 典型环节的电路模拟1、 实验目的1. 熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握典型环节的电路模拟研究方法。2.测量各种典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对其动态性能的影响。二、实验设备模拟实验箱、有自动控制实验仿真软件的电脑（已和实验箱连接好）3、 实验内容1. 设计并组建比例环节的模拟电路，测量比例环节的阶跃响应曲线，改变参数K观察曲线的变化规律。2. 设计并组建积分环节的模拟电路，测量积分环节的阶跃响应曲线，改变参数T观察曲线的变化规律。3. 设计并组建惯性环节的模拟电路，测量惯性环节的阶跃响应曲线，改变参数K和T观察曲线的变化规律。4. 设计并组建比例积分环节的模拟电路，测量比例环节的阶跃响应曲线，改变K观察曲线的变化规律。4、 实验过程及结果分析1. 比例环节按照下图在实验箱上完成接线(1)然后在电脑上打开仿真软件，将输入信号调节为单位阶跃信号，幅值为1，点击开始得到如下图的结果：（K=R2/R1）其中红色是响应曲线，黑色为输入曲线。(2)我们改变它的参数K，将图中的R1变小，对其重新接线，根据K的表达式，此时K应该变大，实验结果如下图所示：上图可见相对于黑色曲线，红色响应相较于之前明显抬高。(3) 我们再改变它的参数K，将图中的R2调小，使R2R1，即K1，K变小，对其重新接线，实验结果如下图所示：显然可见K变小，且位于输入曲线的下方。2. 积分环节按照下图在实验箱上完成接线(1)然后在电脑上打开仿真软件，将输入信号调节为单位阶跃信号，幅值为1，点击开始得到如下图的结果：（注：因为屏幕限制，曲线不能继续向上伸展，所以输出后面变成了一条横线，实际应该是一条无限延伸的斜线。）(2) 要改变它的参数T就要改变电阻R的值，这里我们先增大R的值，R的值增大，T就增大，T增大斜率1/T就变小，实验结果如下图所示：显然，斜率变小了，上升变缓。(3) 我们再减小R的值，R的值减小，T就减小，T减小斜率1/T就变小，实验结果如下图所示：显然，斜率变大了，上升变快。3. 惯性环节按照下图在实验箱上完成接线(1) 然后在电脑上打开仿真软件，将输入信号调节为单位阶跃信号，幅值为1，点击开始得到如下图的结果：这里有两个参数K和T，为了方便研究，我们采用控制变量法，即一次只改变一个参数进行研究：(2) 保持T不变，我们改变它的参数K，将图中的R1变小，对其重新接线，根据K的表达式，此时K应该变大，实验结果如下图所示：可以看出，输出的幅值明显增大，类似于比例放大作用。(3) 保持T不变，我们改变它的参数K，将图中的R1变大，对其重新接线，根据K的表达式，此时K应该变小，实验结果如下图所示：可以看出，输出的幅值明显缩小。(4) 保持K不变，我们改变它的参数T，将图中的电容C变大，对其重新接线，根据T的表达式，此时T应该变大，T变大，斜率1/T就会变小，实验结果如下图所示：可以看出，起始斜率较(1)明显减小，但幅值不变。(5) 保持K不变，我们改变它的参数T，将图中的电容C变小，对其重新接线，根据T的表达式，此时T应该变小，T变小，斜率1/T就会变大，实验结果如下图所示：起始斜率明显变大，快接近于竖轴了，但幅值不变。4. 比例积分环节按照下图在实验箱上完成接线(1)然后在电脑上打开仿真软件，将输入信号调节为单位阶跃信号，幅值为1，点击开始得到如下图的结果：这里有两个参数K和T，为了方便研究，我们采用控制变量法，即一次只改变一个参数进行研究：(2) 保持T不变，我们改变它的参数K，将图中的R2变大，对其重新接线，根据K的表达式，此时K应该变大，实验结果如下图所示：根据传函表达式，曲线应该向上方平移，上图就是此效果。(3) 保持T不变，我们改变它的参数K，将图中的R2变小，对其重新接线，根据K的表达式，此时K应该变小，实验结果如下图所示：根据传函表达式，曲线应该向下方平移，效果如上图所示。(4) 保持K不变，我们改变它的参数T，将图中的电容C变大，对其重新接线，根据T的表达式，此时T应该变大，T变大，斜率1/T就会变小，实验结果如下图所示：可见，斜率较(1)明显变小。(5)保持K不变，我们改变它的参数T，将图中的电容C变小，对其重新接线，根据T的表达式，此时T应该变小，T变小，斜率1/T就会变大，实验结果如下图所示：可见，斜率明显变大。5、 实验收获通过此次实验，我对各个典型信号的阶跃响应更加熟悉，在图上更直观的看出了各个参数对于曲线特性的影响，尤其是对斜率的影响，为研究更多系统的性能打下基础。实验二 二阶系统的瞬态响应一、实验目的1.掌握二阶系统的电路模拟方法及其动态性能指标测试方法。2.研究二阶系统的重要参数对系统动态性能的影响。二、实验设备模拟实验箱、有自动控制实验仿真软件的电脑（已和实验箱连接好）3、 实验内容观测二阶系统的阻尼比分别在01三种情况下的单位阶跃响应曲线;调节二阶系统的开环增益K，使系统的阻尼比=0.707，测量此时系统的超调量、调节时间ts(=0.05)。4、 实验过程及结果分析1. 按照如下的电路图在实验箱上接线图中滑动变阻器在实验箱上没有，所以我们用三个不同的电阻代替。2. 先选用一个R300的电阻接上，对应01的情况，运行如下图所示由图看出300的电阻接上，对应1的情况，运行如下图所示上图可以看出1的情况系统没有超调。4. 选用一个R=300的电阻接上，对应=1的情况，运行如下图所示上图可以看出系统没有超调，且相比较于1的情况，响应速度较快。5. 选用一个R300的电阻接上，并且尽量接近于=0.707的情况，运行如下图所示：=0.707是理论的最佳阻尼比，上图可以看出，它的优点就是调节时间较短，超调小，符合工业生产需要。5、 实验收获此实验的接线较为复杂，容易接错，后来发现采用一条一条通路顺着接的方法比较靠谱，并且对其分红黑色，这在以后的实验要格外注意，可以省去很多不必要的麻烦。实验三 高阶系统的瞬态响应和稳定性分析一、实验目的1.观察系统的不稳定现象。2.研究系统参数变化对典型三阶系统的动态性能及稳定性的影响。二、实验设备模拟实验箱、有自动控制实验仿真软件的电脑（已和实验箱连接好）三、实验内容观测三阶系统在开环增益K为不同数值时的阶跃响应曲线。4、 实验过程及结果分析根据理论知识学习的劳斯判据我们可以算出使系统临界稳定的值为K=12；且K12时系统不稳定，下面我们实验来验证。1.按照如下图所示的电路图在实验箱上接线：2. 因为图中K=500/Rx，Rx代表为变阻器，这里直接用不同的电阻代替，将输入调节为单位阶跃信号，幅值为1。3.选择Rx，使参数K12，实验结果如下图所示：上图可见系统不稳定。五、实验收获通过这个实验，我感受到我们平时所研究的很多系统的稳定与否可以直接在实验箱上进行仿真，而避免繁琐的计算，但我们还是要知道典型的判断方法，如劳斯判据，以便在必要时相互验证。实验四 线性定常系统的稳态误差一、实验目的1.了解不同典型输入信号对于同一个系统所产生的稳态误差。2.了解一个典型输入信号对不同类型系统所产生的稳态误差。3.了解系统的型次对稳态误差的影响。二、实验设备模拟实验箱、有自动控制实验仿真软件的电脑（已和实验箱连接好）3、 实验内容观测0 型二阶系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应; 观测1型二阶系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应; 观测II 型二阶系统的单位斜坡响应和单位抛物坡; 实测上述系统的稳态误差。四、实验过程及结果分析1.“0” 型二阶系统按照如下电路在实验箱上接线：其对应的开环传递函数为，根据理论知识学习的稳态误差计算方法，可以算出单位阶跃响应的稳态误差为0.3，单位斜坡响应的稳态误差为，下面我们实验来验证：(1) 将仿真软件中的输入信号调整为单位阶跃信号，运行得到响应如下图所示：最终可见阶跃响应与输入趋于平行，且稳态误差与计算的0.3基本相符。说明“0” 型二阶系统的阶跃响应可以跟踪阶跃信号。(2) 将仿真软件中的输入信号调整为单位斜坡信号，运行得到响应如下图所示：最终可见输入与输出误差越来越大，最终趋于无穷，与计算相符，说明“0” 型二阶系统的斜坡响应无法跟踪斜坡信号。2. “1”型二阶系统按照如下电路在实验箱上接线：其对应的开环传递函数为,根据理论知识学习的稳态误差计算方法，可以算出单位阶跃响应的稳态误差为0，单位斜坡信号的稳态误差为0.1，下面我们实验来验证：(1)将仿真软件中的输入信号调整为单位阶跃信号，运行得到响应如下图所示：最终可见阶跃响应与输入趋于重合，且稳态误差与计算的0基本相符。说明“1” 型二阶系统的阶跃响应可以跟踪阶跃信号。(2)将仿真软件中的输入信号调整为单位斜坡信号，运行得到响应如下图所示：最终可见输入与输出误差接近重合，与计算的0.1基本相符，说明“1” 型二阶系统的斜坡响应可以跟踪斜坡信号。3. “II”型二阶系统按照如下电路在实验箱上接线：其对应的开环传递函数为，根据理论知识学习的稳态误差计算方法，可以算出单位斜坡响应的稳态误差为0，单位加速度信号的稳态误差为0.1，下面我们实验来验证：(1)将仿真软件中的输入信号调整为单位斜坡信号，运行得到响应如下图所示：最终可见输入与输出误差完全重合，与计算的0基本相符，说明“II”型二阶系统的斜坡响应可以跟踪斜坡信号。(2)将仿真软件中的输入信号调整为单位加速度信号，运行得到响应如下图所示：最终可见输入与输出误差基本重合，与计算的0.1基本相符，说明“II”型二阶系统的加速度响应可以跟踪加速度信号。五、实验收获此实验巩固了我对于不同类别系统的不同响应能否跟踪输入信号的认识，直观的仿真出了跟踪情况，当然，这里对于系统参数没有进一步去细化，在实际工程中，我们除了选择合适的系统进行跟踪，还需要考虑响应速度等问题。实验五 控制系统的时域分析一、实验目的进一步认识实验二中为各种情况下的曲线区别二、实验设备模拟实验箱、有自动控制实验仿真软件的电脑（已和实验箱连接好）3、 实验内容1. 仿真01情况下为不同数值的阶跃响应曲线四、实验过程及结果分析按照下图所示的线路图在实验箱上接线：图中变阻器Rx我们直接在实验箱上用不同电阻代替，理论上Rx值越大，的值越大，我们据此来做实验：1.01情况：(1)接好后仿真出图形如下图所示：有超调，显然是01的情况；(2)我们再将电阻调小，减小Rx，使减小，仿真图如下所示：可以看出，与之前相比，超调增加，调节时间增加；(3) 我们再在(1)的基础下，把电阻调大，使阻尼比接近1，仿真图如下所示：可以看出，与(1)相比，超调减小，调节时间减小；(4)