2011.12自动控制原理实验一二

自动控制原理 自动控制原理 1 1 实验一实验一 典型环节的模拟研究典型环节的模拟研究 本实验为验证性实验 一 实验目的一 实验目的 1 学习构成典型环节的模拟电路 了解电路参数对环节特性影响 2 熟悉各种典型环节的阶跃响应 3 学习典型环节阶跃响应的测量方法 并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函 数 二 实验设备二 实验设备 TDN AC 系列教学实验系统 PC 机一台 三 实验原理及电路三 实验原理及电路 下面列出了各典型环节的方框图 传递函数 模拟电路图 阶跃响应 实验前应熟悉 了解 1 各环节的方块图及传递函数 各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 Ui s Uo s 积分 I 比例积分 PI 比例微分 PD Uo s Ui s K K 1 TS Uo s Ui s TSUi s Uo s 1 1 TS Uo s Ui s K K Ui s Uo s TS 1 Ui s 1 TS Uo s 1 K Ui s Uo s TS 1 惯性环节 T 比例积分微分 PID 2 2 各典型环节的模拟电路图及输出响应 各典型环节的模拟电路图及输出响应 各典型 环节名 称 模拟电路图输出响应 比例 P U0 t K t 0 其中 K R1 R0 积分 I U0 t t 0 t T 1 其中 T R0C 比例积 分 PI U0 t t 0 t T K 1 其中 K R1 R0 T R1C 比例微 分 PD U0 t KT t K 其中 t 为单位脉冲函数 0 21 R RR K 21 21 RR RR T Ui s TS 1 K Ui s Uo s K TS 1 Uo s KP TiS 1 Ui s Uo s TdS 惯性环 节 T U0 t K 1 e t T 其中 K R1 R0 T R1C 比例积 分微分 PID t T KtTtU i pdO 1 其中 t 为单位脉冲函数 Kp R1 R0 Ti R0C1 Td R1R2C2 R0 四 实验内容及步骤四 实验内容及步骤 1 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 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 1 实验接线 准备 使运放处于工作状态 将信号源单元 U1 SG 的 ST 端 插针 与 5V 端 插针 用 短路块 短接 使模 拟电路中的场效应管 3DJ6 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 单脉冲单元 U13 SP 及 电位器单元 U14 P 组成 具体线路形成 在 U13 SP 单元中 将 H1 与 5V 插针用 短路块 短接 H2 插针用排 线接至 U14 P 单元的 X 插针 在 U14 P 单元中 将 Z 插针和 GND 插针用 短路块 短接 最后由插座的 Y 端输出信号 以后实现再用到阶跃信号时 方法同上 不再赘述 2 实验步骤 按 2 中的各典型环节的模拟电路图将线接好 先按比例 PID 先不接 将模拟电路输入端 Ui 与阶跃信号的输出端 Y 相联接 模拟电路的输出端 U0 接至示波器 按下按钮 或松开按扭 H 时 用示波器观测输出端 U0 t 的实际响应曲线 且将结果记下 改变比例参数 重新观测结果 同理得出积分 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见表 1 1 2 2 观察 观察 PIDPID 环节的响应曲线 环节的响应曲线 方波信号的产生 将 U1 SG 单元的 ST 插针与 S 插针用 短路块 短接 将 S11 波段开关置 阶跃信号 档 此时 OUT 端的电压即为周期性的阶跃信号输出电压 信号周期由波段开关 S12 与电位器 W11 调节 信号幅值由电位器 W12 调节 可以通过示波 器观察 注意 以信号幅值小 信号周期较长 比较适宜 参照 2 中的 PID 模拟电路图 将 PID 环节搭接好 将 中产生的周期性方波信号加到 PID 环节的输入端 Ui 模拟电路的输出端 U0 接至示波器 用示波器观测 PID 的输出端 U0 的实际响应曲线 改变电路参数 重新观察 并记录参数对响应曲线的影响 五 实验思考题五 实验思考题 1 由运放组成的各种环节的输入电阻 反馈电阻的阻值范围可以任意吗 2 惯性环节在什么情况下可近似为比例环节 在什么条件下 又可以称为积分环节 实验二实验二 典型系统瞬态响应和稳定性典型系统瞬态响应和稳定性 本实验为验证性实验 一 实验目的一 实验目的 1 熟悉有关二阶系统的特性和模拟仿真方法 2 研究二阶系统的两个重要参数阻尼比 和无阻尼自然频率 n 对过渡过程的影响 3 研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性 4 熟悉劳斯判据 用劳斯判据对三阶系统进行稳定性分析 二 实验设备二 实验设备 PC 机一台 TDN AC 系列教学实验系统 三 实验原理及电路三 实验原理及电路 1 1 典型二阶系统 典型二阶系统 典型二阶系统的方块图及传递函数 图 2 1 是典型二阶系统原理方块图 其中 T0 1s T1 0 1s K1 分别为 10 5 2 1 开环函数 11 0 1 1 SS K STS K SG 开环增益 K K1 T0 K1 闭环函数 22 2 2 nn n SS S 其中 01 1 TT K n 11 0 2 1 TK T 模拟电路图 见图 2 2 图 2 2 11 0 100 1 1 1 SS R STS K SG 2 典型三阶系统 典型三阶系统 典型三阶系统的方块图 见图 2 3 图 2 3 开环传递函数为 1 1 21 STSTS K SHSG 其中 K K1K2 T0 开环增益 模拟电路图 见图 2 4 图 2 4 开环传递函数为 其中 K 500 R 15 0 11 0 SSS K SHSG 系统的特征方程为 1 G S H S 0 即 S3 12S2 20S 20K 0 由 Routh 判据得 0 K41 7K 系统稳定 K 12 即 R 41 7 K 系统临界稳定 K 12 即 R 41 7 K 系统不稳定 四 实验内容和步骤四 实验内容和步骤 1 准备 准备 将 信号源单元 U1 SG 的 ST 插针和 5V 插针用 短路块 短接 使运算放大器反馈 网络上的场效应管 3DJ6 夹断 2 阶跃信号的产生 阶跃信号的产生 见实验一中的阶跃信号的产生 将阶跃信号加至输入端 调节单次阶跃单元中 的电位器 按动按钮 用示波器观察阶跃信号 使其幅值为 3V 3 典型二阶系统瞬态性能指标的测试 典型二阶系统瞬态性能指标的测试 按图 2 2 接线 R 10K 用示波器观察系统阶跃响应 C t 测量并记录超调量 峰值时间和调节时间 记录表 1 中 分别按 R 20K 40K 100K 改变系统开环增益 观察相应的阶跃响应 C t 测量并记录性能指标 tp 和 tS 及系统的稳定性 并记录测量值和计算值 实验前必须按公式计算出 进行比较 并将实验结 果填入表 1 中 表 1 tp s ts s 参 数 项 目 R K K n C tp C 理 论 值 测 量 值 理 论 值 测 量 值 理 论 值 测 量 值 阶跃响 应情况 10欠 阻 尼 20 临 界 阻 尼 40 过 阻 尼 100 4 典型三阶系统的性能 典型三阶系统的性能 按图 2 4 接线 将阶跃信号接至输入端 将阶跃信号的幅值调为 1V 取