自动控制原理.doc

自动控制原理实验报告学生姓名 赵兴发班级电自094学号09401300417成绩指导教师电气与信息工程学院（部） 2011年12月 实验一 控制系统典型环节的模拟实验一、实验目的1掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。2测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。二、实验内容 1对表一所示各典型环节的传递函数设计相应的模拟电路(参见表二)表一：典型环节的方块图及传递函数典型环节名称方 块 图传递函数比例（P）积分（I）比例积分（PI）比例微分（PD）惯性环节（T）比例积分微分（PID）表二：典型环节的模拟电路图各典型环节名称模拟电路图比例（P）积分（I）比例积分（PI）比例微分（PD）惯性环节（T）比例积分微分（PID）2测试各典型环节在单位阶跃信号作用下的输出响应。3改变各典型环节的相关参数，观测对输出响应的影响。三、实验内容及步骤1观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶跃响应曲线。准备：使运放处于工作状态。将信号发生器单元U1的ST端与+5V端用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管（K30A）夹断，这时运放处于工作状态。阶跃信号的产生：电路可采用图1-1所示电路，它由“阶跃信号单元”（U3）及“给定单元”（U4）组成。具体线路形成：在U3单元中，将H1与+5V端用1号实验导线连接，H2端用1号实验导线接至U4单元的X端；在U4单元中，将Z端和GND端用1号实验导线连接，最后由插座的Y端输出信号。实验步骤：按表二中的各典型环节的模拟电路图将线接好(先接比例)。(PID先不接)将模拟电路输入端(Ui)与阶跃信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端(Uo)接至示波器。按下按钮(或松开按钮)SP时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo(t)，且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果。同理得积分、比例积分、比例微分和惯性环节的实际响应曲线，它们的理想曲线和实际响应曲线参见表三。2观察PID环节的响应曲线。实验步骤：将U1单元的周期性方波信号(U1 单元的ST端改为与S端用短路块短接，S11波段开关置于“方波”档，“OUT”端的输出电压即为方波信号电压，信号周期由波段开关S11和电位器W11调节，信号幅值由电位器W12调节。以信号幅值小、信号周期较长比较适宜)。参照表二中的PID模拟电路图，按相关参数要求将PID电路连接好。将中产生的周期性方波信号加到PID环节的输入端（Ui），用示波器观测PID输出端(Uo)，改变电路参数，重新观察并记录。表三： 典型环节传递函数参数与模拟电路参数关 系单位阶跃响应理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线比例K=o(t)=KRo=250KR1=100KR1=250K惯性K=T=R1Co(t)=K(1-e-t/T)R1=250KRo=250KC=1FC=2FIT=RoCo(t)=Ro=200KC=1FC=2F典型环节传递函数参数与模拟电路参数关系单位阶跃响应理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线PIK=T=RoCo(t)=K+R1=100KRo=200KC=1uFC=2uFPDK=T=理想：o(t)= KT(t)+K实测：o(t)=+e-t/R3CRo=100K R2=100KC=1uFR3=10KR1=100KR1=200KPIDKP=TI=Ro C1TD=理想：o(t)= TD(t)+Kp+实测：o(t)=+1+ ()e-t/R3C2Ro=100KR2=10KR3=10KC1=C2=1FR1=100KR1=200K四、实验结果比例环节波形图比例积分环节惯性环节实验二 自动控制系统的校正一、实验目的1掌握串联校正装置设计的一般方法。2设计一个有源串联超前校正装置，使之满足实验系统动、静态性能的要求。二、实验内容1未校正系统的方块图如图31所示，设计相应的模拟电路图，参见图32。图31 未校正系统的方块图图32 未校正系统的模拟电路图 n=6.32 Mp=60%2由闭环传递函数G(S)= ts=4s =0.158 静态误差系统数Kv=20 1/s3用示波器观测并记录未校正系统在阶跃信号作用下的动态性能指标Mp、ts、tp4根据系统动态性能的要求，设计一个超前校正装置，其传递函数为：Gc(s)=其模拟电路图为33所示。要求校正后系统Kv=20，Mp=0.25，ts1s，图33 校正装置电路 校正后系统的方块图为图34所示由图可知，该系统的开环传递函数为G(S)=与二阶系统标准形式的开环传递函数相比较，得n=20 2n=20 =0.5 Mp=e-=0.1630.25图35 校正后系统的模拟电路图三、实验步骤准备：将“信号发生器单元”U1的ST端和+5V端用短路块短接。1按照图32接线，并核对图中各环节的参数是否完全满足图31所示系统的要求。2加入阶跃输入电压，用示波器观察并记录系统输出响应曲线及其性能指标：超调量Mp和调节时间ts。3按图35的要求接入校正装置。4在图35的输入端引入阶跃控制电压，并用示波器观察和记录校正后系统的超调量Mp和调节时间ts，以检验系统是否完全满足预期的设计要求。5具体参数及响应曲线请参照表3-1。表3-1参数项目Mp(%)Ts(s)阶 跃 响 应 曲 线未校正0.64校正后0.1250.42实验三 线性定常系统的瞬态响应和稳定性分析一、实验目的1通过二阶系统的模拟电路实验，掌握线性定常系统动、静态性能的一般测试方法。2研究二阶系统的参数与其动、静态性能间的关系。二、实验原理1二阶系统图2-1为二阶系统的方块图。由图可知，系统的开环传递函数G(S)=，式中K=相应的闭环传递函数为 二阶系统闭环传递函数的标准形式为= 比较式、得：n= =图中=1s，T1=0.1s图2-1表一列出了有关二阶系统在三种情况(欠阻尼，临界阻尼、过阻尼)下具体参数的表达式，以便计算理论值。图2-2为图2-1的模拟电路，其中=1s，T1=0.1s，K1分别为10、5、2.5、1，即当电路中的电阻R值分别为10K、20K、40K、100K时系统相应的阻尼比为0.5、1、1.58，它们的单位阶跃响应曲线为表二所示。表一：一种情况各参数01=11KK=K1/=K1nn=C(tp)C(tp)=1+e/C()1Mp%Mp= e/tp(s)tp=ts(s)ts=表二：二阶系统不同值时的单位阶跃响应R值单位阶跃响应曲线10K0.520K40K1100K158模拟电路图： G(S)= K1=100K/R = n= 三、实验内容1通过对二阶系统开环增益的调节，使系统分别呈现为欠阻尼01(R=10K，K=10),临界阻尼=1(R=40K，K=2.5)和过阻尼1(R=100K，K=1)三种状态，并用示波器记录它们的阶跃响应曲线。2能过对二阶系统开环增益K的调节，使系统的阻尼比=0.707(R=20K，K=5)，观测此时系统在阶跃信号作用下的动态性能指标：超调量Mp，上升时间tp和调整时间ts。3研究三阶系统的开环增益K或一个慢性环节时间常数T的变化对系统动态性能的影响。4由实验确定三阶系统稳定由临界K值，并与理论计算结果进行比较。四、实验步骤准备工作：将“信号发生器单元”U1的ST端和+5V端用“短路块”短接，并使运放反馈网络上的场效应管3DJ6夹断。1二阶系统瞬态性能的测试按图2-2接