自动控制原理实验报告 典型环节及其阶跃响应 二阶系统阶跃响应 连续系统串联校正.docx

自动控制原理实验报告班 级： 自动化0906班 学 生: 伍振希（09213052） 张小维（合作） 任课教师： 苗宇老师 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实验二 二阶系统阶跃响应6一、实验目的6二、实验仪器6三、实验原理6四、实验内容6五、实验步骤7六、实验结果7实验三 连续系统串联校正13一、实验目的13二、实验仪器13三、实验内容13四、实验步骤15五、实验结果15自动控制原理实验报告 09213052伍振希实验一 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（由实验报告确定）。六、实验结果1、比例环节的单位阶跃响应：2、惯性环节的单位阶跃响应：由模拟电路计算传递函数的公式为：G（S）= - K/TS+1 K=R2/R1，T=R2C其中，R2=200K，R1=100K，C=1uF，带入计算可得：通过实验曲线图直接计算传递函数G(s)得：与理论计算结果相符3、积分环节的单位阶跃响应：由模拟电路计算传递函数的公式为：G（S）=1/TS T=RC 其中，R=100K，C=1uF，带入计算可得：通过实验曲线图直接计算传递函数G(s)得：与理论计算结果相符4、比例环节的单位阶跃响应：5、比例微分环节的单位阶跃响应：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：j（S）= w2n/（s22zwnsw2n）其中 z 和wn对系统的动态品质有决定的影响。构成图2-1典型二阶系统的图2-1 二阶系统模拟电路图模拟电路，并测量其阶跃响应。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、实验结果1、wn=10rad/s，改变z，单位阶跃响应曲线有：（1）取wn=10rad/s, 即令R=100KW，C=1mf时，取z=0，即取R1=100KW， R2=0时，单位阶跃响应曲线为：一定，改变z，单位阶跃响应曲线有：最大超调量误差带定义在时，调节时间Ts=（2）取wn=10rad/s, 即令R=100KW，C=1mf时，取z=0.25，即取R1=100KW， R2=20KW时，单位阶跃响应曲线为：最大超调量误差带定义在时，调节时间Ts=1039ms（3）取wn=10rad/s, 即令R=100KW，C=1mf时，取z=0.5，即取R1=100KW， R2=100KW时，单位阶跃响应曲线为：最大超调量误差带定义在时，调节时间Ts=550ms（4）取wn=10rad/s, 即令R=100KW，C=1mf时，取z=1，即取R1=100KW，R2=200KW时，单位阶跃响应曲线为：最大超调量误差带定义在时，调节时间Ts=530ms（5）取wn=10rad/s, 即令R=100KW，C=1mf时，取z=2，即取R1=100KW， R2=400KW时，单位阶跃响应曲线为：最大超调量误差带定义在时，调节时间Ts=500ms2、取z=0.5。即电阻R2取R1=R2=100KW；wn=100rad/s, 即取R=100KW，当 C=0.1mf时，单位阶跃响应曲线为：最大超调量误差带定义在时，调节时间Ts=65ms3、wn=10rad/s，改变z，得到最大超调量和调节时间Ts列表如下：z00.250.512最大超调量Mp100%41.6%15.8%00调节时间Ts（ms）1039550530500典型二阶系统的闭环传递函数为 j（S）= w2n/（s22zwnsw2n）由最大超调量Mp和调节时间Ts的变化可以得到如下结论：（1）当wn一定时，随着z的增加，最大超调量Mp逐渐减小，调节时间Ts也在逐渐减小；（2）当z=0时，s=100，相当于系统处于无阻尼状态，输出呈等幅震荡。当0z1时，有超调量，系统处于欠阻尼状态。当z=1时，s=0，系统处于临界阻尼状态。当z1时，系统处于过阻尼状态，无超调量。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断开对应未校正情况，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）=5Gc2（s）= 5（s+1）/(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：1.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。2.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 1.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ts2.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、不同校正方式校正前后对比 （1）串联超前校正校正前：校正后：校正前超调量 调节时间 校正后超调量 调节时间 （2）串联滞后校正校正前：测超调量：测调节时间：校正后：测超调量：测调节时间：校正前超调量： 调节时间： 校正后超调量： 调节时间： （3）串联超前滞后校正校正前：测超调量：测调节时间：校正后：测超调量：测调节时间：校正前测得超调量： 调节时间： 校正后测得超调量： 调节时间： 2、不同校正系统校正后的对数幅频特性曲线：（1）串联超前校正Gc1（s）=2 代入可得：用matlab可以画出的对数幅频特性曲线为：从图上可以求得：校正后系统的剪切频率c=1.5rad/s，相角裕度= （2）串联滞后校正 Gc1(s）=5 带入求得： 用matlab可以画出的对数幅频特性曲线为：从图上可以求得：校正后系统的剪切频率c=0.0301rad/s，相角裕度= （3）串联超前滞后校正Gc1（s）=6 代入求得： 用matlab可以画出的对数幅频特性曲线为：从图上可以求得：校正后系统的剪切频率c= -0.0286rad/s，相角裕度= 3、结论分析将不同校正环节校正前后的超调量sp和调节时间ts，以及校正后的剪切频率c、相角裕度列表如下：校正系统参数串联超前校正串联滞后校正串联超前滞后校正超调量s校正前57.9%51.7%73.9%校正后21.5%20.9%28.0%调节时间校正前1548ms1000ms1756ms校正后374ms330ms1060ms校正后c1.5rad/s0.0301rad/