自动控制原理实验报告.doc

自控实验报告 目录实验一 典型环节及其阶跃响应1一、实验目的1二、实验仪器1三、实验原理1四、实验内容1五、实验步骤2六、实验结果3七、实验分析6实验二 二阶系统阶跃响应7一、实验目的7二、实验仪器7三、实验原理7四、实验内容8五、实验步骤9六、实验结果及分析9实验三 连续系统串联校正15一、实验目的15二、实验仪器15三、实验内容15四、 实验步骤17五、 实验结果17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。2. 惯性环节的模拟电路及其传递函数。3. 积分环节的模拟电路及传递函数。 4. 微分环节的模拟电路及传递函数。5. 比例+微分环节的模拟电路及传递函数。 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。比例环节：3.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-1)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。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（由实验报告确定）。惯性环节：8.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-2)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。9.实验步骤同47积分环节：10.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-3)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将积分电容两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。11.实验步骤同47微分环节：12.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-4)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。13.实验步骤同47比例+微分环节:14.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-6)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将积分电容连在模拟开关上。检查无误后接通电源。15.实验步骤同4716. 测量系统的阶跃响应曲线，并记入上表。六、实验结果记录比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、比例微分环节的响应曲线。图 1-1 比例环节响应曲线图 1-2 惯性环节响应曲线曲线经过点（160，-1000）图 1-3 积分环节响应曲线曲线过点（0，-1600）和（360，-5000）图 1-4 微分环节响应曲线图 1-5 比例+微分环节响应曲线七、实验分析计算惯性环节与积分环节的传递函数，并与由电路计算的结果相比较。惯性环节：由模拟电路得： 由阶跃曲线得： 积分环节：由模拟电路得： 由阶跃曲线得：分析：从以上惯性环节和积分环节的电路计算传递函数与阶跃曲线计算的传递函数比较可知，实际与理论值比较接近。但是在积分环节的阶跃曲线中可以看出，系统中含有绝对值小于1的比例环节。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，阻尼比和无阻尼自然频率n 对系统动态性能的影响。定量分析 和n 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1模拟实验的基本原理：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。2.时域性能指标的测量方法：超调量 %：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) 检查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击按钮，出现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验。3) 连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。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) 用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，代入下式算出超调量： TS：利用软件的游标测量水平方向上从零到达稳态值所需的时间值。四、实验内容典型二阶系统的闭环传递函数为：其中和n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。把不同和n 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=100K，C=1uf；分别取=0、0.25、0.5、1、2，即取R1=100K，R2 分别等于0、50K、100K、200K、400K。输入阶跃信号，测量不同的时系统的阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量%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=0.5,wn=100rad/s, 即取R=100K，改变电路中的电容C=0.1uf(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%和调节时间ts。六、实验结果及分析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，图 2-2 二阶系统模拟电路图 2-3 二阶系统结构图系统闭环传递函数：与比较可得：改变比值，可以改变二阶系统的阻尼比；改变RC值可以改变无阻尼自然频率。令R1=100K，R2分别等于0、50K、100K、200K、400K。可得：=0、0.25、0.5、1、2。令电阻R取100K，电容C分别取1uf和0.1uf,可得: =10rad/s、100rad/s。2.把不同和条件下测量的%和值列表，根据测量结果得出相应结论。超调量： 调节时间： 表 2-1 由系统响应曲线得出的超调量与调节时间R1/kR2/kC/ufwn(rad/s)/%ts/ms10001010-1005010.251050.2%123710010010.51018.0%675100200111004781004001210012161001000.10.510018.0%62由表2-1可知：当=0时系统为临界阻尼状态，等幅振荡；当00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wn，可以减小系统的响应时间并减少超调量。表 1-2 理论值与真实值的比较wn(rad/s)%/真实值ts(ms)/ 真实值%/理论值ts(ms)/理论值010-0.251050.2%123744.4%12120.51018.0%67516.3%62911004780-210012160-0.510018.0%6216.3%63由表2-2可知：真实值与与理论值接近，普遍要大一点。且真实值与表1中的特性相同。4. 画出系统响应曲线，再由%和计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。依次将图中得出的超调量%与调节时间代入公式反解出、wn。图 2-4 =0，wn=10rad/s的响应曲线图2-4中无法得出准确的超调量%与调节时间，若令%=96%，=20s，可得：可见真实的传递函数与理论差别不大，在误差允许范围之内。图 2-5 =0.25，wn=10rad/s的响应曲线图2-5中超调量%=50.2%、调节时间=1237ms，分别代入公式中得：可见真实的传递函数与理论差别不大，在误差允许范围之内。图 2-6 =0.5，wn=10rad/s的响应曲线图2-6中超调量%=18.0%、调节时间=675ms，分别代入公式中得：可见真实的传递函数与理论有些误差。图 6-7 =1，wn=10rad/s的响应曲线图2-7中超调量%=0、调节时间=478ms，分别代入公式中得：可见真实的传递函数与理论差别不大，并在误差允许范围之内。图 2-8 =2，wn=10rad/s的响应曲线图2-8中超调量%=0、调节时间=1216ms，分别代入公式中得：可见真实的传递函数与理论差别不大。图 2-9 =0.5，wn=100rad/s的响应曲线图2-9中超调量%=18.0%、调节时间=62ms，分别代入公式中得：可见真实的传递函数与理论差别不大，并在误差允许范围之内。实验三 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 超前校正电路图图 3-2 超前校正系统结构图（2）系统结构图如图3-2图中 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 3串联超前滞后校正（1） 模拟电路图如图3-5，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 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3-1)，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%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3-3)，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%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3-5)。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%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、 实验结果1计算串联校正装置的传递函数Gc(s)和校正网络参数。串联超前校正：串联滞后校正：串联超前-滞后校正：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。串联超前校正：之前：之后：MATLAB: b1=40;a1=0.2,1,0;subplot(1,2,1);bode(b1,a1);margin(b1,a1);b2=2.2,40;a2=0.0001,0.205,1,0;subplot(1,2,2);图 3-7 串联超前校正前后波特图bode(b2,a2);margin(b2,a2);由图3-7可得: 图 3-8 串联超前校正前后波特图对比由图3-8可见校正后的相角裕度得到增加，系统的稳定性和平稳性得到了改善。串联滞后校正：之前：之后：MATLAB: b1=50;a1=0.005,0.15,1,0;subplot(1,2,1);bode(b1,a1);margin(b1,a1);b2=50,50;a2=0.03,0.905,6.15,1,0;subplot(1,2,2);图 3-9 串联滞后校正前后波特图bode(b2,a2);margin(b2,a2);由图3-9可得: 图 3-10 串联滞后校正前后波特图对比由图3-10可见校正后的相角裕度得到增加，校正通过快速性换取了系统的稳定性。超前-滞后校正：之前：之后： MATLAB: b1=10;a1=0.001,0.11,1,0;subplot(1,2,1);bode(b1,a1);margin(b1,a1);b2=10.8,81,60;a2=0.0003,0.03905,0.9665,6.16,1,0;subplot(1,2,2);bode(b2,a2);margin(b2,a2);图 3-11 串联超前-滞后校正前后波特图由图3-11可得: 图 3-12 串联超前-滞后校正前后波特图对比由图3-12可见校正后的相角裕度得到增加，超前滞后校正综合了超前与滞后校正的优点，全面改善了系统的控制