创新性实验研究报告

1、山东科技大学电工电子实验教学中心 创新性实验研究报告 2012-2013 学年第 1 学期山东科技大学信息与电气工程学院 创新性实验研究报告实验项目名称 单容水槽的温度控制系统的设计 姓名 山东科技大学 学号 201001101520 姓名 山东科技大学 学号 201001101536 姓名 山东科技大学 学号 201001101839 联系电话 E-mail 专 业 自动化 班级 2010级2班 指导教师及职称 张婧 讲师 开课学期 2012 至 2013 学年 1 学期 提交时间 2013 年 1 月 13 日一、实验摘要 本实验通过两个校正环节来实现单容水槽的温度控制系统的设计，两个校正

2、环节分别是一个串联超前网络，一个数字校正。本设计很好的实现了本实验的基本要求，大幅度的提高了系统的性能，尤其是三个基本要求“稳定性，快速性，准确性”。这样的设计思路和方法是具有普适性，可做为设计控制系统的一种不错的参考。二、实验目的1.掌握线性系统阶跃响应曲线的测试方法及动态性能指标的测试技术； 2.掌握线性控制系统校正 设计方法； 3.了解信号的采样和恢复过程，掌握其基本原理； 4.了解系统构成形式对采样系统性能的影响。 三、实验场地及仪器、设备和材料：1.自动控制原理模拟试验台 1 台； 2.计算机 1 台； 3.万用表 1 只;4.导线 若干。 四、实验内容1、 实验原理 对本实验系统的

3、设计，主要是对校正网络的设计。校正网络由主要分为两个环节，一是串联超前校正环节，利用串联超前校正的相角超前特性，大幅度的提高系统的开环截止频率，使得系统响应慢的问题得到解决。二是数字校正环节，通过计算可以发现原系统虽然是一个稳定的系统，但是系统的稳态误差过大。数字校正器通过提高系统的开环传递系数，来减小系统的稳态误差，使得系统响应有一个很好的跟随效果。2、实验内容（1）温度控制系统的结构图如图1所示，其中对象的传递函数为 且采样周期T=0.5。 （2）采用D(z)=K，求当系统稳定时K的取值范围； （3） 系统可能响应慢并且为过阻尼的，因此设计一个合适的校正装置，确 定,并随后计算D(z)；

4、（4） 求系统在单位阶跃函数下的响应来验证(2)的设计。3、 实验步骤（1） 对其进行z变换: 这就是校正前系统的开环脉冲传递函数。（2） D(z)=K因为本系统是单位负反馈系统，所以特征方程为：1+G(z)=0即故本系统只有一个特征根，如使系统处于稳定，那么这个特征根必须位于z平面单位圆内。 即当系统稳定是K的取值范围为K<-6.924或K>-0.576（3） 解： 低频段v=0，k= -20v db/dec=0 db/dec且过点(1,20lgk)20lgk=20lg0.8= -1.938则其对数特性(幅频)如图一所示。图一：此图为校正前开环对数频率特性曲线。可以看出校正前系统

5、是个稳定的系统，但无截止频率，响应速度慢，这也是本设计所需要解决的主要问题。得T=3 w=1/3即本系统只有一个转折频率，即w=1/3,不再赘述。如图二所示。画出其奈氏曲线。v=0，A(0)=0.8，n=1,m=0 n>m A()=0 图二：此图为校正前奈氏曲线由此曲线可知，该曲线与单位圆无交点，属于所学知识中的求相角裕度中的一种特殊情况，相角裕度，则该系统为一阶稳定的系统，这一点是毫无疑问的。先假定，采用串联超前校正。则超前网络的传递函数可写为：低频段：显然开环增益须增加，以减小稳态误差。取D(z)=12.5,则这个就是所要加入的数字校正器。综上所述：加上了两个校正环节后，系统的开环传

6、递函数为虽然不在的范围内，但是符合本实验要求，达到了设计要求。校正后系统的开环对数频率特性曲线如图三所示。图三： 由图三可知，系统仍然是一个稳定的系统，系统的开环截止频率有很大的提高，也就是说系统的响应速度有很大的提高，基本能够满足本实验的要求。（4） D(z)=12.5 位于K>-0.576的区间内，同时也验证了（2）。 对比校正前后的时域仿真（以单位阶跃为输入信号），可以更加清楚的体会加入校正网络的作用。校正前的时域仿真图见图四，校正后的时域仿真图见图五。图四：图五：观察对比校正前后的时域（以单位阶跃为输入信号）仿真图可以发现两个显著地变化，1.是系统的响应速度明显的加快了，也就是调

7、节时间明显地减小了。即系统的动态特性得到了很大的改善。2.是稳态误差明显的减小了，响应对输入信号的跟随效果更加准确了。即系统的稳态特性得到了很大的改善。五、实验结果与分析1、实验现象、数据记录 根据以上的理论分析和仿真，下面进行的是实物连接。图六所示为校正前系统的模拟电路图。校正前的实验连线图八就依据图六。图六：图七所示为校正后系统的模拟电路图。校正后的实验连线图九就依据图七。图七：图八为校正前的实验连线。图九为校正后的实验连线。图八，图九分别如下：2、 对实验现象、数据及观察结果的分析与讨论：校正前实物连线得到的示波器图示如下：很清楚地看出来两点：1，调节时间较长，也就是响应速度较慢。2，稳

8、态误差较大，系统对单位阶跃输入的跟随效果很差。3、 校正前实物连线得到的示波器图示如下：同样可以很清楚地看出来两点：1，调节时间有很大的缩短，也就是响应速度有很大的提高。2，稳态误差有明显的减小，系统对单位阶跃输入的跟随效果明显的变好了。3、关键点：对一个自动控制系统特性的整体把握，尤其是动态特性和稳态特性。本实验，针对动态特性，重点是如何提高系统的响应速度，也就是重点是“快”这个字的把握。针对稳态特性，重点是如何减小系统的稳态误差，也就是重点是“准”这个字的把握。当然对“稳”这个字的牢牢把握是贯穿整个自动控制系统设计与校正的。 六、实验结论 一个比较成功的自动控制系统的设计与校正是需要不断摸索，不断尝试，又不断被修