中南大学自动控制原理实验报告材料

1、实用标准文档申南犬垮信息科学与工程学院本科生实验名称自动控制原理实验 预定时间 实验时间 姓名学号 授课教师 实验台号 专业班级文案大全装订线实验一 1.1 典型环节的时域分析实验目的：1.熟悉并掌握TD-ACC+或TD-ACS)设备的使用方法及各典型环节模拟电路的构成 方法。2熟悉各种典型环节的理想阶跃响应曲线和实际阶跃响应曲线。对比差异、分析原 因。3.了解参数变化对典型环节动态特性的影响。实验设备：PC 机一台，TD-ACC+(或 TD-ACS )实验系统一套。模拟电路图如下：实验结果：当 R0=200K R1=100KIV1-W r 583 5 ft-1Lri4_R-T-II!-1 a

2、. i. . U. IIL JI1.1-T lOOrns/lwCHTCHZ 讪格输出电压约为输入电压的1/2，误差范围内满足理论波形, 当 R0 = 200K; R1 = 200K。21= siTfinrV11 J d d 1. J h .i. j L J B dil h ii 丄 i. j i. J fa ri1 i 卜 w iT 2s牯CHF 1v：tCH2: Iv-i积分环节模拟电路图:当 R0=200K C=1uF实验结果： 42.6T HzW1*VZ* E17.6IW当 R0 = 200K; C = 2uF。比例积分环节（PI）模拟电路图：比例枳井环竹反相器取 R0 = R1 = 2

3、00K ; C = 1uF。实验结果ZV1-V21-P.315!,1.Vn1*St1CH1-扣格CH?鱼 tS取 R0=R1=200K C=2uF。(T1-T2I ? 117.2 rrt=11Ti.r2l?t.WHzIVtZJI-JIBSv惯性环节（T）模拟电路图：取 R0=R1=200K C=1uF。0 g帼取 R0=R1=200K C=2uF。fTI-21* M7.2 ith|VI-V2| = 517 t irv1|Tl-T218.5aH：|V1-V2|-r1I! !iisiiII-j:|_.j- i *!ii” 1 11 1iii1iiII_iiiiiiSOOriis.楷CHI 山榕CH

4、2 格比例微分环节（PD）模拟电路图：比创檄仆川节- |(MK K 1C - I h. R -1(3K 丁诙取 RO = R2 = 100K, R3 = 10K , C = 1uF ; R1 = 100K。T -TZ|= I ir.2 IlaVI-V2 = m1小-広注3立.I心=J上，取 R0=R2=100K R3=10K, C=1uF; R1=200K。v 1 - Stj b ifV1-V2 = 1.8121. 200ms.fCH13H2. 2v 椿比例积分微分环节（PID）模拟电路图：11,HR 1:1 :1 1i1RPJlinRV1u iiiBhi1H |i1R11 K JIJ ilO

5、IK . IU HOOK. Cl Cl H卜一 MJ I 0DK 2uCI|ft取 R2 = R3 = 10K , R0 = 100K , C1 = C2 = 1uF ; R1 = 100K。rri-ra i S msrviA2 = 471 1卜 -1 1-r-| rIL.-iiLiir11!-11r4id山H J-L J. 1. J -J -F 4,厂. 11 II 11Fln n i i v u ni n i i i vii-iir-Biii-iiii1i卜1Lii-iiT 2D0mCHf: N/格CH2:勿/格取 R2 = R3 = 10K , R0 = 100K , C1 = C2 =

6、 1uF ; R1 = 200K。f一 J i X L L J if I 1 1 I 1 1 bI 11 1 I il HH il h d li dL u J L-iL 丄一 L i. L i 1 i L1i-CH1:飢CH2 如j桔实验步骤1. 按1.1.3 节中所列举的比例环节的模拟电路图将线接好。检查无误后开启设备电源。2. 将信号源单元的“ ST端插针与“ S”端插针用“短路块” 短接。由于每个运 放单元均设臵了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。将开关设在“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“ OUT端输出的方波幅值为1V，周期为10s左右。3. 将2中的方波信号加至环节的输入

7、端 Ui，用示波器的“ CH1和“ CH2 表笔 分别监测模拟电路的输入Ui端和输出U0端，观测输出端的实际响应曲线 UO(t)，记录实 验波形及结果。4. 改变几组参数，重新观测结果。5. 用同样的方法分别搭接积分环节、比例积分环节、比例微分环节、惯性环节和比例积分微分环节的模拟电路图。观测这些环节对阶跃信号的实际响应曲线，分别记录实验波形及结果。实验二1.2典型系统的时域响应和稳定性分析 实验目的：1 研究二阶系统的特征参量(E、 3 n)对过渡过程的影响。2 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。3 熟悉Routh判据，用Routh判据对三阶系统进行稳定性分析。实验设备:P

8、C机一台，TD-ACC+或TD-ACS)教学实验系统一套模拟电路图：实验步骤:1 将信号源单元的“ ST端插针与“ S”端插针用“短路块” 短接。由于每个运 放单元均设臵了锁零场效应管， 所以运放具有锁零功能。 将开关设在“方波”档，分 别调节调幅和调频电位器，使得“ OUT端输出的方波幅值为1V，周期为10s左右。2 典型二阶系统瞬态性能指标的测试。(1) 按模拟电路图接线，将1中的方波信号接至输入端，取 R = 10K。(2) 用示波器观察系统响应曲线 C(t)，测量并记录超调MP、峰值时间tp和调节时 间tS。(3) 分别按R = 50K ;160K; 200K;改变系统开环增益，观察响

9、应曲线 C(t)，测量并记录性能指标MP、tp和tS，及系统的稳定性。并将测量值和计算值进行比较(实 验前必须按公式计算出)。将实验结果填入表1.2-1中。表1.2-2 中已填入了一组参 考测量值，供参照。3.典型三阶系统的性能(1) 按图1.2-4接线，将1中的方波信号接至输入端，取 R = 30K。(2) 观察系统的响应曲线，并记录波形。(3) 减小开环增益(R = 41.7K ； 100K)，观察响应曲线，并将实验结果填入表1.2-3 中。表1.2-4中已填入了一组参考测量值，供参照。实验现象分析丧iR(KQ)KCttprCMp (%)m町应情理Ml理 论理论值MlXHLAi4-1过阳尼

10、黑 1.2-2璃目R(KD)ICQjii%cCqp)CMp (%)如(S)庖 悄 fii理论值V值理it值理it值102HLU141.4I4440.110.381.613窝5042 J?空4LI1II100.851.61,7A1阴尼1405 T2.5i无1尤1.92,5单调A过限尼240LJ?迴T无无无2.93单调ftR网）开环増益K稳定性表 124R(KQ)开环增益K稳定性301筑7不稳定发散41 .712临界稳崖等幅振荡1005稳定哀诚收敛注意：在做实验前一定要进行对象整定，否则将会导致理论值和实际测量值相差较大。首先调节电阻使系统处于临界稳定的状态: 1172 m*|V1517 tfF1

11、T3 - .Ej H:V1-V3517 xi . _ - . crCTT.制知朋CH1. Iv/tCH?：当R160时系统处于过阻尼状态i111-11r1i-!l1r 1 1 - -|- - 1T k F T h E T HW 冃W ： 2 1 nr= 一11 1*_ 1 1-Li11!L111I11L11_iiiiCH1 1”格CH：格当R160时，由可知道该系统的自然频率和阻尼比均与R值大小有关，当R处于160左右处于临界阻尼状态，则R160时阻尼比增大，系统则应处于过阻尼状态，输出波形如上图所示。同理当R的阻值减小时，系统应该趋于欠阻尼状态；如R=50时，系统处于欠阻尼状态，其输出波形如

12、下图所示：欠阻尼ci11 1-L：1 1J1L! - - T - 1 1 _ IA”工一.-，! mi -T B V i ii i nr :广 :丿Fl D I 1 Ii u n i h l i H i n ii I n i n i hI i n i iiiiii 1 I11j.|11r | 1-I1 -i” 1 J11CH1.沁怡格欠阻尼状态，是我们所期望的一种状态，相比于过阻尼，系统响应时间比较短，相比于临界阻尼, 系统的超调量比较小。工程上，也是希望系统能够快速平稳准确的追踪输入信号，因此欠阻尼相对比 较理想。三阶系统三阶系统处于临界稳定时(Tl*T2|= 1 17 2 ni|/1-V2

13、|= Sirtirv|VUV2| - 517.6 mi1iii.iirllii! !”11C1 1J-F - s T. “ 習 /p v r 9T .尸 P W ，.曰 n * ： jZx EE 叶k R T r?H, h 1B r v ”、”P k n = .sX、J./11iIi=11-a11i11111i1iin1111111 1T. fiOOrfis.tCM1. 1v：tCH2. lv：4&三阶R30KTVT2J - 11 rs ralYhYSl- 517.SR 3 ;即R 166 K Q时，两条根轨迹进入S右半平面，系统不稳定。(3) 当0 K 166 K Q时，两条根轨迹进入S左半

14、平面，系统稳定。上述分析表明，根轨迹与系统性能之间有密切的联系。利用根轨迹不仅能够分析闭 环系统的动态性能以及参数变化对系统动态性能的影响，而且还可以根据对系统暂态特 性的要求确定可变参数和调整开环零、极点位臵以及改变它们的个数。这就是说，根轨 迹法可用来解决线性系统的分析和综合问题。由于它是一种图解求根的方法，比较直观， 避免了求解高阶系统特征根的麻烦，所以，根轨迹在工程实践中获得了广泛的应用。实验步骤1 绘制根轨迹图：实验前根据对象传函画出对象的根轨迹图，对其稳定性及暂态性能做出理论上的判断。并确定各种状态下系统开环增益K的取值及相应的电阻值R。2 将信号源单元的“ ST端插针与“ S”端

15、插针用“短路块”短接。由于每个运放单元均设臵了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。将开关设在“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“ OUT端输出的方波幅值为1V，周期为10s左右。3按模拟电路图2.1-2接线，并且要求对系统每个环节进行整定，详见附录一； 将2中的方波信号加至输入端。4改变对象的开环增益，即改变电阻 R的值，用示波器的“ CH1和“ CH2表笔 分别测量输入端和输出端，观察对象的时域响应曲线，应该和理论分析吻合。注意：此次实验中对象须严格整定，否则可能会导致和理论值相差较大。当 R=166Kq1 ii- ii- 1111111111!1ii-W T.k JiiL/_：_齐

16、1；_ii1i- iaii .I111111/ I/iiH- 1 11lii-11.11ii=ii=ii1- iiii- ii_11iiiiR=135Krn-T2 = 46E.B msIV1-V21 = 517 6 R=50K当电阻Ry._zN：CHI1:佃箱UH2： W赭实验四3.1线性系统的频率响应分析实验目的：1 掌握波特图的绘制方法及由波特图来确定系统开环传函2 掌握实验方法测量系统的波特图。实验设备：PC机一台，TD-ACC+或TD-ACS）教学实验系统一套。实验原理及内容1. 频率特性当输入正弦信号时，线性系统的稳态响应具有随频率（3由0变至 ）而变化的特性。频率响应法的基本思想是

17、：尽管控制系统的输入信号不是正弦函数，而 是其它形式的周期函数或非周期函数，但是，实际上的周期信号，都能满足狄利克莱条 件，可以用富氏级数展开为各种谐波分量；而非周期信号也可以使用富氏积分表示为连 续的频谱函数。因此，根据控制系统对正弦输入信号的响应，可推算出系统在任意周期 信号或非周期信号作用下的运动情况。2. 线性系统的频率特性系统的正弦稳态响应具有和正弦输入信号的幅值比和相位差随角频率3由0变到 ）变化的特性。而幅值比和相位差恰好是函数的模和幅角。所以只要把系统的传 递函数，令S=j 3即可得到我们把。称为系统的频率特性或频率传递函数。当3由0至Z变化时，幅值比随频率3的变化特性成为幅频

18、特性，相位差随频率3的变化特性称为相频特性。幅频特性和相频特性结合在一起时称为频率特性。3. 直接频率特性的测量用来直接测量对象的输出频率特性，适用于时域响应曲线收敛的对象（如：惯性环 节）。该方法在时域曲线窗口将信号源和被测系统的响应曲线显示出来，直接测量对象输 出与信号源的相位差及幅值衰减情况，就可得到对象的频率特性。实验内容：本次实验利用教学实验系统提供的频率特性测试虚拟仪器进行测试，画出对象波特 图和极坐标图。模拟电路图：23装订线阳 11-5开环传函为:闭环传函:D+0.15 + 11005? +J05 + 10027得转折频率：=10 (rad/s ),阻尼比E =0.5实验步骤此

19、次实验，采用直接测量方法测量对象的闭环频率特性及间接测量方法测量对象的 频率特性。1.实验接线：按模拟电路图3.1 -5 接线,TD-ACC的接线：将信号源单元的“ ST插针分别与“ S”插针和“ +5V插针断 开，运放的锁零控制端“ ST此时接至示波器单元的“ SL”插针处，锁零端受“ SL” 来控制。将示波器单元的“ SIN”接至图3.1-5中的信号输入端，TD-ACS的接线：将信号源单元的“ ST插针分别与“ S”插针和“ +5V插针断 开，运放的锁零控制端“ ST此时接至控制计算机单元的“ DOUT0插针处，锁零端受 “ DOUT0来控制。 将数模转换单元的“ /CS”接至控制计算机的

20、“ /IOY1 ”，数模转换 单元的“ OUT1,接至图3.1 -5 中的信号输入端.2.直接测量方法(测对象的闭环频率特性)(1)“CH1路表笔插至图3.1-5中的4 #运放的输出端按钮，在(2)打开集成软件中的频率特性测量界面，弹出时域窗口，点击弹出的窗口中根据需要设臵好几组正弦波信号的角频率和幅值，选择测量方式为“直接” 测量，每组参数应选择合适的波形比例系数，具体如下图所示：(3)确认设臵的各项参数后，点击按钮，发送一组参数，待测试完毕，显示时域波形，此时需要用户自行移动游标，将两路游标同时放臵在两路信号的相邻的波峰(波谷)处，或零点处，来确定两路信号的相位移。两路信号的幅值系统将自动

21、读出。重复操作(3)，直到所有参数测量完毕。(4)待所有参数测量完毕后，点击按钮，弹出波特图窗口,观察所测得的波特图，该图由若干点构成，幅频和相频上同一角频率下两个点对应一组参数下的测量结果。点击极坐标图按钮，可以得到对象的闭环极坐标如下:Re=U.bU, ImpH tO.血二彳LU28装订线41苗号納山叫帕ftfi v?| - rnjvKVib ?| s?底赫（MOvdjfKI V?| = 1,0?v当由搭鞄：电lh： 3v 角柴聿扫 制片方式口接怡号ff1 .niK/H) |V1-V?| = 1.01 V|*1-4?| - 1，系统闭环传函:40S2 +25 + 40系统的特征参量：3 n= 6.32,0.158系统的性能指标：M p = 60 %, tS = 4s，静态误差系数Kv = 20 (1/s)2. 期望校正后系统的性能指标要求采用串联校正的方法，使系统满足下述性能指标：Mp 25%, tS 20 (1/s)3. 串联校正环节的理论推导由公式= 23%系统开环传函为得:lini SG(S)