典型环节模拟研究001

1、电 气 控 制 基 础 实验指导书1中国计量大学机电工程学院电气自动化教研室孙 崎 岖2018.1 目 录实验一 典型环节的模拟研究1实验二 控制系统的瞬态响应及其稳定性分析5实验三 二阶系统特征参数对系统性能的影响9实验四 开环增益与零极点对系统性能的影响12实验五 典型系统的频率特性测试20实验六 线性系统的串联校正22 23 / 25实验一 典型环节的模拟研究一、实验目的1. 掌握比例、积分、比例积分、微分、实际微分、比例积分微分及惯性环节的模拟方法。2. 通过实验熟悉各种典型环节的传递函数和动态特性。二、实验设备及器材配置1. 自动控制理论实验系统。 2. 数字存储示波器。3. 数字万

2、用表。4. 各种长度联接导线。三、实验内容先观测并记录输入阶跃信号，再搭建各种典型环节的模拟电路，观测并记录各种典型环节的阶跃响应曲线。1观察比例环节的阶跃响应曲线典型比例环节模拟电路如图1-1-1所示，比例环节的传递函数为：10K10K图1-1-1典型比例环节模拟电路2观察积分环节的阶跃响应曲线典型积分环节模拟电路如图1-1-2所示，积分环节的传递函数为：10K10K图1-1-2典型积分环节模拟电路3观察比例积分环节的阶跃响应曲线典型比例积分环节模拟电路如图1-1-3所示，比例积分环节的传递函数为：1.0UF图1-1-3典型比例积分环节模拟电路4观察微分环节的阶跃响应曲线典型微分环节模拟电路

3、如图1-1-4所示，微分环节的传递函数为：1.0UF100K10K10K图1-1-4典型微分环节模拟电路5观察比例微分环节的阶跃响应曲线典型比例微分环节模拟电路如图1-1-5所示，比例微分环节的传递函数为：200K1.0UFR4 10K100K100K10K10K图1-1-5 典型比例微分环节模拟电路6观察比例微分积分环节的阶跃响应曲线典型比例微分积分环节模拟电路如图1-1-6所示，比例微分积分环节的传递函数为：10K10K100K10K图1-1-6典型比例微分积分环节模拟电路7观察惯性环节的阶跃响应曲线典型惯性环节模拟电路如图1-1-7所示，惯性环节的传递函数为：10K10K图1-1-7典型

4、惯性环节模拟电路四、实验步骤1熟悉实验设备并在实验设备上分别联接各种典型环节。2利用实验设备完成各种典型环节的阶跃特性测试，并研究参数改变对典型环节阶跃特性的影响，绘出响应曲线。3分析实验结果，完成实验报告。五、实验结果绘出各种典型环节理想的和实测的阶跃响应曲线典型环节实测阶跃响应曲线比例环节K=1K=0.5积分环节C1=1.0uFC1=2.0 uF比例积分环节C1=1.0uF微分环节R1=100K比例微分环节比例微分积分环节惯性环节C1=1.0uFC1=2.0 uF实验二 控制系统的瞬态响应及其稳定性分析一实验目的1了解掌握典型二阶系统的过阻尼、临界阻尼、欠阻尼状态；2了解掌握典型三阶系统的

5、稳定状态、临界稳定、不稳定状态；3研究系统参数变化对系统动态性能和稳定性的影响。二实验内容1搭建典型二阶系统，观测各个参数下的阶跃响应曲线，并记录阶跃响应曲线的超调量% 、峰值时间tp以及调节时间ts，研究其参数变化对典型二阶系统动态性能和稳定性的影响；2搭建典型三阶系统，观测各个参数下的阶跃响应曲线，并记录阶跃响应曲线的超调量% 、峰值时间tp以及调节时间ts，研究其参数变化对典型三阶系统动态性能和稳定性的影响。三实验步骤1 典型二阶系统的响应曲线图1-2-1是典型二阶系统原理方块图，其中T0=1S，T1=0.2S。R(S)E(S)C(S)+-图1-2-1 典型二阶系统原理方块图开环传函：其

6、中K=K1/T0=K1=开环增益闭环传函：其中 表1-2-1列出有关二阶系统在三种情况（欠阻尼，临界阻尼，过阻尼）下具体参数的表达上式，以便计算理论值。至于推导过程请参照有关原理书。表1-2-1一种情况 各参数KK=K1/T0=KC()C()1(%)(s)(s)典型二阶系统模拟电路如图1-2-2所示R2 100K100K100K图1-2-2典型二阶系统模拟电路图中：R1=100K、R2=100K、R3=100K、R4=500K、R6=200KR7=10K、R8=10K、C1=2.0uF、C2=1.0uFR5为可选电阻： R516K时，二阶系统为欠阻尼状态R5160K时，二阶系统为临界阻尼状态R

7、5200K时，二阶系统为过阻尼状态输入阶跃信号，通过示波器观测不同参数下输出阶跃响应曲线,并记录曲线的超调量% 、峰值时间tp以及调节时间ts。2典型三阶系统的响应曲线典型三阶系统的方块图：见图1-2-3R(S)C(S)+- 图1-2-3 典型三阶系统原理方块图开环传递函数为：， 其中（开环增益）典型三阶系统模拟电路如图1-2-4所示100KR2 100K100K图1-2-4典型三阶系统模拟电路图中：R1=100K、R2=100K、R3=100K、R4=500K、R5=100K、R6=100K、R7为可调电阻、R8=500K、R9=10K、R10=10K、C1=2.0uF、C2=1.0uF开环

8、传函为 （其中K=500/R）系统的特征方程为 系统稳定由Routh判据，得 系统临界稳定 系统不稳定输入阶跃信号，仔细调节电位器，可以得到三阶系统处于不稳定、临界稳定和稳定的三种状态时的波形，通过示波器观测不同参数下阶跃响应曲线,并记录曲线的超调量% 、峰值时间tp以及调节时间ts。四实验结果绘出二阶系统和三阶系统不同参数下的阶跃响应曲线，并填写相应的超调量% 、峰值时间tp以及调节时间ts二阶系统状态参数值实测阶跃响应曲线超调量%峰值时间tp调节时间ts欠阻尼临界阻尼过阻尼三阶系统状态参数值实测阶跃响应曲线超调量%峰值时间tp调节时间ts不稳定状态临界稳定状态稳定状态实验三 二阶系统特征参

9、数对系统性能的影响一实验目的研究二阶系统特征参量（,）对系统性能的影响；二实验内容搭建二阶系统，将特征参量12.5保持不变，分别测试阻尼系数不同时系统的特性；再将特征参量0.4保持不变，分别测试固有频率不同时系统的特性；三实验步骤1观测特征参量对二阶系统性能的影响二阶系统模拟电路如图1-3-1所示，其固有频率12.5：100KR2100K100K图1-3-1二阶系统模拟电路(12.5)图中：R1=100K、R2=100K、R3=100K、R4=100K、R5=64K、R6为可选电阻、R7=10K、R8=10K、C1=1.0uF、C2=1.0Uf当R650K时，二阶系统阻尼系数0.8；当R610

10、0K时，二阶系统阻尼系数0.4；当R6200K时，二阶系统阻尼系数0.2。输入阶跃信号，通过示波器观测不同特征参量下输出阶跃响应曲线,并记录曲线的超调量% 、峰值时间tp以及调节时间ts。2观测特征参量对二阶系统性能的影响二阶系统模拟电路如图1-3-2所示，其阻尼系数0.4：R2100K100K100K图1-3-2二阶系统模拟电路(0.4)图中： R1=100K、R2=100K、R3=100K、R4=100K、R5、R6为可选电阻、R7=10K、R8=10K、C1=1.0uF、C2=1.0uF当R5256K、R6=200K时，则该二阶系统固有频率6.25当R564K、R6=100K时，二阶系统

11、固有频率12.5当R516K、R6=50K时，二阶系统固有频率25输入阶跃信号，通过示波器观测不同特征参量下输出阶跃响应曲线,并记录曲线的超调量% 、峰值时间tp以及调节时间ts。四实验结果1讨论系统特征参量（，）变化时对系统性能的影响。2根据电路图中的参数计算下表中的理论值，并和实测值一起填入表中。二阶系统特征参量值实测阶跃响应曲线超调量%峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值12.50.80.40.2二阶系统特征参量值实测阶跃响应曲线超调量%峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值0.46.2512.525实验四 开环增益与零极点对系统性能的影响一

12、实验目的1研究闭环、开环零极点对系统性能的影响；2研究开环增益对系统性能的影响。二实验内容1搭建原始系统模拟电路，观测系统响应波形，记录超调量%、峰值时间tp和调节时间ts；2分别给原始系统在闭环和开环两种情况下加入不同零极点，观测加入后的系统响应波形，记录超调量%和调节时间ts；3改变开环增益K，取值1，2，4，5，10，20等，观测系统在不同开环增益下的响应波形，记录超调量%和调节时间ts。三实验步骤1原始二阶系统原始二阶系统模拟电路如图1-4-1所示，系统开环传递函数为：， R2100K100K100K图1-4-1原始二阶系统模拟电路图中：R1=100K、R2=100K、R3=100K、

13、R4=100K、R564K、R6=200K、 R7=10K、R8=10K、C1=1.0uF、C2=1.0uF输入阶跃信号，通过示波器观测原始二阶系统输出响应曲线，记录超调量%、峰值时间tp和调节时间ts。2闭环极点对原始二阶系统的影响给原始二阶系统加入闭环极点后的模拟电路如图1-4-2所示R2100K100K100K图1-4-2加入闭环极点的二阶系统模拟电路闭环极点环节模拟电路中的表示不同的极点环节，请分别将下表中的极点环节加入到原始二阶系统中。极点环节极点传递函数参数值R9=500KR10=500KC3=1.0uFR9=200KR10=200KC3=1.0uFR9=100KR10=100KC

14、3=1.0uFR9=50KR10=50KC3=1.0uF输入阶跃信号，通过示波器观测加入闭环极点的二阶系统输出响应曲线，记录超调量%、峰值时间tp和调节时间ts。3闭环零点对原始二阶系统的影响原始二阶系统加入闭环零点后的模拟电路如图1-4-3所示100KR2100K100K图1-4-3加入闭环零点的二阶系统模拟电路闭环零点环节模拟电路中的表示不同的零点环节，请分别将下表中的零点环节加入到原始二阶系统中。零点环节零点传递函数参数值R9=1.0KR10=200KR11=200KC3=1.0uFR9=1.0KR10=100KR11=100KC3=1.0uF输入阶跃信号，通过示波器观测加入闭环零点的二

15、阶系统输出响应曲线，记录超调量%、峰值时间tp和调节时间ts。4开环极点对原始二阶系统的影响给原始二阶系统加入开环极点后的模拟电路如图1-4-4所示100K100K100K图1-4-4加入开环极点的二阶系统模拟电路开环极点环节模拟电路中的表示不同的极点环节，请分别将下表中的极点环节加入到原始二阶系统中。极点环节极点传递函数参数值R9=200KR10=200KC3=0.1uF输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测加入开环极点的二阶系统输出响应曲线，记录超调量%、峰值时间tp和调节时间ts。5开环零点对原始二阶系统的影响原始二阶系统加入开环零点后的模拟电路如图1-4-5所示100K100K100K图1-

16、4-5加入开环零点的二阶系统模拟电路开环零点环节模拟电路中的表示不同的零点环节，请分别将下表中的零点环节加入到原始二阶系统中。零点环节零点传递函数参数值选择拨动开关R9=1.0KR10=200KR11=200KC3=1.0uF将A4的S4、S11拨至开的位置R9=1.0KR10=100KR11=100KC3=1.0uF将A5的S2、S9拨至开的位置输入阶跃信号，通过示波器观测加入开环零点的二阶系统输出响应曲线，记录超调量%、峰值时间tp和调节时间ts。6开环增益K对二阶系统的影响二阶系统模拟电路如图1-4-6所示，系统开环传递函数为：，KR6/R5，当R5=100K时闭环传递函数为：， K1，

17、。在开环零点、极点保持不变的情况下，改变开环增益K，系统的阻尼系数和固有频率也将发生变化，系统的特性从而改变。R2100K100K100K图1-4-6二阶系统模拟电路图中：R1=200K、R2=200K、R3=200K、R4=50K、R5可调、R6=100K、 R7=10K、R8=10K、C1=2.0uF、C2=1.0uFKR6/R5，调节R5的阻值，使K分别取值：1，2，4，5，10，20输入阶跃信号，通过示波器观测不同开环增益K下的二阶系统输出响应曲线，记录超调量%、峰值时间tp和调节时间ts。四实验结果根据实验结果填写下表表一 闭环极点对原始二阶系统的影响极点传递函数实测响应曲线超调量%

18、峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值表二 闭环零点对原始二阶系统的影响零点传递函数实测响应曲线超调量%峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值表三 开环极点对原始二阶系统的影响极点传递函数实测响应曲线超调量%峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值表四 开环零点对原始二阶系统的影响零点传递函数实测响应曲线超调量%峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值表五 开环增益K对二阶系统的影响开环增益K实测响应曲线超调量%峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值K=1K=2K=4K=5K=10K=20

19、实验五 典型系统的频率特性测试一实验目的掌握测量典型一阶系统和二阶系统频率特性曲线的方法。二实验内容1搭建一阶惯性环节，绘制其频率特性曲线；2搭建典型二阶环节，绘制其频率特性曲线；三实验步骤1一阶惯性环节的频率特性一阶惯性环节模拟电路如图1-5-1所示，惯性环节的传递函数为：图1-5-1一阶惯性环节模拟电路输入正弦波信号，通过示波器观测输入输出正弦波曲线并调节正弦波频率和幅值，绘制该一阶惯性环节的幅频曲线和相频曲线。2二阶环节的频率特性曲线二阶振荡环节模拟电路如图1-5-2所示，二阶环节的传递函数为：100K100KR2100K图1-5-2二阶环节模拟电路图中：R1=100K、R2=100K、R3=100K、R4=50K、R5=100K、R6=100K、 R7=10K、R8=10K、C1=1.0uF、C2=1.0uF输入正弦波信号，通过示波器观测输入输出正弦波曲线并调节正弦波频率和幅值，绘制该二阶环节的幅频曲线和相频曲线。四实验结果1根据一阶环节的理论计算，选择频率测试点，填写下表