自控实验报告0805034227.doc

实验一 典型环节、二阶系统及其阶跃响应实验一、实验目的与要求1、学习设计构成典型环节、二阶系统的模拟电路，掌握典型环节、二阶系统的特性以及电路参数对特性的影响。2、学习典型环节、二阶系统阶跃响应的测量方法，对比实验结果与理论分析。二、实验装置1、 计算机一台，实验软件一套。2、 实验箱一套。3、 面包板、导线、电阻、电容、运算放大器等器件若干。三、实验原理设计构成下列典型环节的模拟电路，测量其阶跃响应1、 比例环节：利用运算放大器、电阻、电容等元件设计一模拟电路，输入输出之间满足如下运动方程：C(t)=KR(t)传递函数G(s)=K设计模拟电路图如下： 分析：理论值k=-2,硬件检测出是k=-1.94，在比例环节中输出量和输入量之间是固定的比例关系，即输出量比上输入量是一个常数，输出量能够无失真地、无滞后地，按一定地比例复现输入量，由图可见延迟时间是24ms。如图中横坐标显示。2、 惯性环节利用运算放大器、电阻、电容等元件设计一模拟电路，输入输出之间满足如下运动方程：传递函数G(s)=K/(s+1) 分析：此环节是惯性环节，此环节地输出量不能立即随输入量变化，存在时间上的延迟，这可以用时间常数来衡量，增大，延迟时间也变大，当输出量达到系统稳态值的95%，时间T=3=570ms,所以是190ms 的理论值是200ms。3、积分环节利用运算放大器、电阻、电容等元件设计一模拟电路，输入输出之间满足如下运动方程：传递函数G(s)=K/s 模拟电路图如下： 分析：此环节是积分环节，由图得理论值=0.1 图中显示实际值=1/k=0.0992=0.1s，积分环节的单位阶跃响应才c（t）=kt，只要有一个恒定的输入量作用于积分环节，其输出量就与时间成正比地无限增长，实际上的放大器都有饱和特性，其输出电压不能无限制地增加。4、微分环节利用运算放大器、电阻、电容等元件设计一模拟电路，输入输出之间满足如下运动方程： 传递函数G(s)=Ks 模拟电路如下：分析：的理论值是0.001s，根据上图可以算出实际值：=0.028*4.83=0.13s。微分环节输出的单位阶跃响应为c(t)= (t),这是一个面积是，宽度是0，幅值是无穷大的脉冲，因为任何实际的物理原件或装置都具有一定质量和有限地容量，所以这在实际中是得不到的。5、二阶系统利用运算放大器、电阻、电容等元件设计一模拟电路，输入输出之间满足如下运动方程： 传递函数模拟电路如下：1. 无阻尼（=0）分析：因为R1=200K, R2=0,R=100K,C=f，理论值：n=1/RC=10, =0.1s系统处在无阻尼状态，其暂态响应时恒定振幅的周期函数，n是无阻尼自然振荡频率 周期T=0.616s2欠阻尼（01）分析：由图得：峰值时间tp=0.18s 超调量：Mp=70% 调整时间：ts=0.71s，系统为衰减振荡。3.临界阻尼（=1） 分析：此时，系统的单位阶跃响应随时间推移而单调增大，在t=时达到稳态，最大超调量是0，调整时间是ts=4.7/n=0.47s4.过阻尼（1）分析：系统的单位阶跃响应也是随时间的增长而单调增长，当t=时达到稳态，最大超调量是0，调整时间是ts=（34）/（1.5-（1.5 -1）n=0.81.05s实验二 系统频率特性的测量与PID校正一、实验目的1、加深了解系统及元件频率特性的物理意义。2、掌握系统及元件频率特性的测量方法。3、 加深对PID控制原理与设计方法的理解。二、实验内容10/s1/(0.1s+1)5U1U21、 利用运算放大器、电阻、电容等元件设计一模拟电路，其数学模型可用如下框图描述。2、 求出其开环传递函数与闭分析：二阶系统的频谱 G(jw)=500/(jw+10jw+500)A(w)=|G(jw)|=1/（1-0.002w）+(0.02w) (w)= 系统的频率特性反映了在正弦信号作用下，系统稳态响应与输入正弦信号的关系，系统稳态输出信号与输入信号的幅值比叫做幅频特性，反映了系统对于不同频率的正弦信号的衰减特性，相频特性反映了系统输出对于不同频率正弦输入信号的相移特性。二连续系统串联校正 一、实验目的 1研究串校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响。 2熟悉和掌握系统过渡过程的测量方法。 二、实验内容 1串联超前校正 (1) 系统模拟电路图如图7-1，图中开关S断开对应未校情况，接通对应超前校正 分析：超前校正的基本原理是利用超前校正网络的相角超前特性去增大系统的相角裕度以改善系统的暂态响应，在设计的时候应使最大的超前相角尽可能出现在校正后系统的剪切频率处，相位超前校正装置的传递函数是Gc(s)= （s+1）s+1，=R1C, =R2/(R1+R2)=1，零点靠近坐标原点，因为1，所以系统开环增益减小2串联滞后校正 (1)模拟电路图如图8-1，开关S断开对应未校状态，接通对应滞后校正。 (2)系统结构图示如图8-2 分析：串联滞后校正装置作用有二：一是提高系统低频响应的增益，减小系统的稳态误差，同时基本保持系统的暂态性能不变，二是它的低通滤波器特性，使系统的高频响应的增益衰减，降低系统的剪切频率，提高系统的相角稳定裕度，改善系统的稳定性和某些暂态性能。Gc(s)= （s+1）/（s+1），=R2C, =(R1+R2)/R21，极点靠近坐标原点。3串联超前一滞后校正 (1)模拟电路图如图9-1，双刀开关断开对应未校状态，接通对应超前一滞后校正。 (2)系统结构图示如图9-2。 分析：单纯采用超前校正或滞后校正均只能改善系统暂态或者稳态中的一个方面的性能，若校正前的系统不稳定，且对校正后的系统的稳态和暂态的要求较高，应采用串联滞后超前校正装置，利用校正网络的超前部分改善系统的暂态性能，而校正网络的滞后部分则可以提高系统的稳态特性。数字PID控制 一、实验目的 1研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。 2研究采样周期T对系统特性的影响。 3研究1型系统及系统的稳定误差。 二、实验内容 1系统结构图如下图。 图中 Gc(s)=Kp(1+Kis+Kds) Gh(s)=(1-e-TS)s Gpl(s)=5( (0.5s+1) (0.1s+1) ) Gp2(s)=1(S (0.1s+1) ) 2开环系统(被控制对象)的模拟电路图如图1和图2，其中图l对应GPl(s)，图2对应Gp2(s)。 3被控对象GPl(s)为“0型”系统，采用PI控制或PID控制，可使系统变为“1型”系统，被控对象Gp2(s)为“l型”系统，采用PI控制或PID控制可使系统变成“2型”系统。 4当r(t)=1(t)时(实际是方波)，研究其过渡过程。 5PI调节器及PID调节器的增益 Gc(s)=Kp(1+K1s) =KpKl( (lkl)s+1)s =K(Tis+1)s 式中 K=KpKi，Ti=(lK1) 不难看出PI调结器的增益K=KpKi，因此在改变Ki时，同时改变了闭环增益K，如果不想改变K，则应相应改变Kp。采用PID调节器相同。 6“2型”系统要注意稳定性。对于Gp2(S)，若采用PI调节器控制，其开环传递函数为 G(s)=Gc(S)Gp2(S) =K(Tis+1)s 1s(0.1s+1) 为使用环系统稳定，应满足TiO.1，即KllO。 7PID递推算法 如果PID调节器输