南京理工大学控制工程基础实验报告

1、 PAGE PAGE 30控制工程基础实验报告姓名欧宇涵 914000720206周竹青 914000720215学院教 育 实 验 学指导老师蔡 晨 晓南京理工大学自动化学院20171实验 1：典型环节的模拟研究一、实验目的与要求：1、学习构建典型环节的模拟电路；2、研究阻、容参数对典型环节阶跃响应的影响；3、学习典型环节阶跃响应的测量方法，并计算其典型环节的传递函数。二、实验内容：完成比例环节、积分环节、比例积分环节、惯性环节的电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃响应特性的影响。三、实验步骤与方法（1）比例环节1-1 比例环节模拟电路图U(s)R比例环节的传递函数为： OUi(s) K 其

2、中K 2 参数取RR21=100K。步骤： 1、连接好实验台，按上图接好线。2、调节阶跃信号幅值(用万用表测)，此处以1V 为例。调节完成后恢复初始。3、Ui 接阶跃信号、Uo 接 IN 采集信号。4、打开上端软件，设置采集速率为“1800uS”，取消“自动采集”选项。5、点击上端软件“开始”按键，随后向上拨动阶跃信号开关，采集数据如下图。1-2 比例环节阶跃响应（2）积分环节VIVIRVo200K1-3 积分环节模拟电路图V1积分环节的传递函数为：O ，其中T =RC，参数取R=100K，C=0.1f。VT SIII步骤：同比例环节，采集数据如下图。（3）微分环节图 1-4 积分环节阶跃响应

3、R 2R 2R1Vo200KVI1-5 微分环节模拟电路图VT SR微分环节的传递函数为：O DK ，其中 T=RC 、K=2 。参数取：R =100K，R1VI。1 T SDD1R1步骤：同比例环节，采集数据如下图。（）惯性环节图 1-6 微分环节阶跃响应RVIVIR1CVo200K O1-7 O惯性环节的传递函数为：V KT RC , K 2 。参数取：R =100K，R1VI=200KC=0.1f。TS 12R1步骤：同比例环节，采集数据如下图。四、实验结果分析：图 1-8 惯性环节阶跃响应1、画出比例环节、微分环节、积分环节、惯性环节的模拟电路图，并求出传递函数。通过实验得出比例环节、

4、微分环节、积分环节、惯性环节的阶跃响应曲线；2、由阶跃响应曲线估算出比例环节、惯性环节的传递函数，并与由电路计算的结果进行对比分析。比例环节4-1-1 比例环节原始电路阶跃响应曲线4-1-2 比例环节电路阶跃响应曲线积分环节4-2-1 积分环节原始电路阶跃响应曲线4-2-2 积分环节C=0.2uF 电路阶跃响应曲线微分环节4-3-1 微分环节原始电路阶跃响应曲线4-3-2 微分环节阶跃响应曲线惯性环节4-4-1 惯性环节原始电路阶跃响应曲线4-4-2 惯性环节阶跃响应曲线实验 2：典型系统时域响应动、静态性能分析和稳定性研究一、实验目的与要求：1 1，0 1等状态下的阶跃响应；2、学习掌握动态

5、性能指标的测试方法，研究典型系统参数对系统动态性能和稳定性的影响；3、检验系统的稳定性与系统本身结构参数的关系。二、实验内容：1、观察典型二阶系统的阶跃响应，测出系统的超调量和调节时间，并研究其参数变化对系统动态性能和稳定性的影响；2、针对某一给定控制系统进行实验，系统输入是脉冲函数，观察系统的不稳定现象。研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。三、实验步骤与方法：(一)二阶系统的阶跃响应实验典型二阶系统的方块结构图如下图所示：R(S)1T0.sK1 T1.s+1C(S)图 2-1 典型二阶系统结构图其开环传递函数为G(SKS S ，K 1K1 为开环增益。T0其闭环传递函数为W(S 2Kn

6、，其中1， 1T。S 2 S nT2K T0nn0取二阶系统模拟电路图如下：1 01 1图 2-2 典型二阶系统模拟电路图其中T R C R C RX （ 1，001x21R1临界阻尼（ 1，欠阻尼（0 1）等状态下的阶跃响应曲线。步骤： 1、连接好实验台，按上图接好线。2、调节阶跃信号为 1V(使用万用表测量)。调节完成后恢复信号到 0V 状态。3、Ui 接阶跃信号，Uo 接 IN 采集信号。450mS动采集”选项。5需在进行放电操作（可以重新开关一次实验台。6、点击上端软件“开始”按键，随后向上拨动阶跃信号开关，采集数据如下图。图 2-3 过阻尼、临界阻尼阶跃响应2-4 欠阻尼阶跃响应(二

7、)控制系统的稳定性分析给定系统模拟电路图如下：图 2-5 系统模拟电路图步骤： (注：系统出现等幅振荡响应时的电阻值范围在 250-300K)1、按照上图接好线路，令 C=1uf。点击上端软件“开始”跃信号开关再关掉（即模拟产生了一个脉冲信号。2R3 01M K1=010R3 K1 值；3R3 10M R3 K1 值。2-6 增幅振荡2-7 等幅振荡2-8 减幅振荡4、在步骤 1 的条件下，使系统工作在不稳定状态，即工作在等幅振荡情况，电容从 1uf 变成 0.1uf，观察系统稳定性的变化。四、实验结果分析：根据实验(一)：1、画出二阶系统的模拟电路图，并求出参数 、n 的表达式；2、观察实验

8、结果，求出不同 和n 条件下的超调量 Mp 和调节时间 ts；3Mp ts 计算的传递函数相比较。4-1-1 临界阻尼阶跃响应曲线4-1-2 过阻尼阶跃响应曲线4-1-3 欠阻尼阶跃响应曲线根据实验(二)：1、画出系统的模拟电路图；2、画出系统的等幅、增幅及减幅的响应波形图；4-2-1 增幅振荡4-2-2 等幅振荡图 4-2-1 减幅振荡3、实验结果计算系统出现等幅振荡响应时的可调电阻值和临界放大系数。实验 3：控制系统的频率特性研究一、实验目的与要求：1、学习测量典型环节（或系统）频率响应曲线的方法和技能；2、掌握根据实验获取系统的频率特性的方法。二、实验内容：完成惯性环节的频率特性测试实验

9、。三、实验步骤与方法：（一）频率响应图 3-1 惯性环节模拟电路图步骤：500Hz 正弦波1、连接好实验台，按上图接好线。调节 R1 电阻阻值约为 2K，Ui 接 OUT0。2、打开上端软件100U10500Hz3INUi，点击“开始,输入波形。4、采集完成后，出现提示采集第二次波形，将INU，点击“确认（波形，采集完成后如下图。图 3-2 惯性环节正弦信号频率响应(500Hz)50Hz 正弦波1、连接好实验台，按上图接好线。调节 R1 电阻阻值约为 2K，Ui 接 OUT0。2、打开上端软件500U1050Hz3INUi，点击“开始,输入波形。4、采集完成后，出现提示采集第二次波形，将INU

10、，点击“确认（波形，采集完成后如下图。图 3-3 惯性环节正弦信号频率响应(50Hz)（二）由 MATLAB 进行频率特性仿真实验：已知某单位负反馈系统的开环传递函数为：6s3 26s2 6s 20G(s) s4 3s3 4s22s频率范围0.1,100Bode图和幅相曲线（Nyquist图。Nyquist判据判定系统的稳定性。Bode图求出系统的截止频率c以及幅值裕度与相位裕度。四、实验结果分析：1、画出系统的模拟电路图，计算其传递函数；2、根据实验(一)，给出系统在正弦输入下的频率响应并记录响应曲线；图 4-1-1 惯性环节正弦信号频率响应(500Hz)图 4-1-2 惯性环节正弦信号频率

11、响应(50Hz)3. 根据实验(二)，绘制 Bode 图和幅相曲线，并判定系统的稳定性和稳定裕度。图 4-1-3 波特图图 4-1-4 幅相曲线幅值裕度：Gm = infinite = 82.7984 6.8694 实验 4：线性系统校正一、实验目的与要求：掌握控制系统设计方法，设计串联校正装置，对比观察系统校正前后的响应曲线。二、实验内容：1、观测未加校正装置时系统的动、静态性能；2、按动态性能的要求，设计串联超前校正装置；3、观测引入校正装置后系统的动、静态性能，并进行实时调试，使系统动、静态性能均满足设计要求。三、实验步骤与方法：1、未加校正二阶闭环系统的系统框图和模拟电路图，如下所示：

12、R(S)E(S)R(S)E(S)15C(S)0.2s0.5s+14-1 未校正二阶闭环系统框图200K500K-1uf200K-1ufR+100K200K-+200KR-+C(t)+图 4-2 未校正二阶闭环系统的模拟电路图G(S)H(S) 系统闭环传递函数为：W (S ) 50.2S (0.5S 50步骤：S 2 2S 501、连接好实验台，按原理图接线。2、调节阶跃信号(使用万用表测量)，此处以 2V 为例，调节完成后恢复初始。3、Ui 接阶跃信号、Uo 接 IN 采集信号。4、打开上端软件，取消“自动采集”，选中“低频扫描”，设置采集速率为 10ms。5、点击上端软件“开始”按键，然后向

13、上拨动阶跃开关，采集完成后如下图，用标尺读出相对应的数据，计算其超调量、稳定时间等指标。图 4-3 未校正阶跃响应2、设计校正装置性能要求静态速度误差系数： KV 25 1/ s ，超调量： P 20% ；上升时间： tS 1s 。校正前系统的性能分析校正前系统的开环传递函数为：G (S)G(S)H(S)500.2S (0.5S1) lim(S) 25 ，刚好满足稳态的要求。VS00根据系统的闭环传递函数：G (S)502W(S)0n1G0(S)S 2 2S50S 2 50n50S 2n求得n， 2， 150n50n 0.14代入二阶系统超调量 的计算公式，即可确定该系统的超调量 ，即PP1

14、2 e 1 2P 3n 3s( 0.05)这表明当系统满足稳态性能指标K的要求后，其动态性能不能达到指标要求。V在系统中加入校正装置，使校正后系统的性能同时满足稳态和动态性能指标的要求。校正装置的设计根据对校正后系统的性能指标要求，确定系统的 和 n。即由 0.2 P2 ，求得 0.5t 3sn( 0.05，解得 n 3 60.5根据零极点对消原理，令校正装置的传递函数G 则校正后系统的开环传递函数为：C(S ) 0.5S 1TS 1G(S) Gc(S (S ) 0.5S 125250相应的闭环传递函数TS S (0.5S S G(S)2525/T 2W(S)nG(S) 1TS 2 S S2

15、S /T 25/S 2 nS 2n n 25 ， 1TnT为使校正后系统的超调量 20% ，这里取 16.3%) ， 则PP20.5 1 ， T 0.04s 。25TT25T这样所求校正装置的传递函数为：G (S) 0.5S 1C0.04S 1设校正装置 GC(S)的模拟电路用图 4-3 所示的电路表示。4-4 校正装置的电路图设图 4-3 中 R2=R =200k,R4=400k,R3=10k,C=4uF时T R C=10 103 410-6 =0.04s3R R R RR 2000 40000 2000232R34 C410-6 0.5R40024RRR R12R R2RR R34 0.5S 1则有G)2R4 24 oRR1CS 10.04S 13、校正后模拟电路图如下：R2R4R2R4cR31u200k1u200k100k200k-+200kR1-+