自动控制原理实验报告

自动掌握原理及其应用试验报告学 院：理学院班级：1301姓名：管亮学号：2015年 12 月10一、试验目的把握掌握系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。二、试验内容对表一所示各典型环节的传递函数设计相应的模拟电路(参见表二)表一：典型环节的方块图及传递函数典型环节典型环节名称比例〔P〕方块图传递函数Uo(s)KU(s)积分〔I〕iUo(s)1Ui(s) TS比例积分〔PI〕Uo(s)KU(s)i1TS各典型环节名称各典型环节名称模拟电路图比例〔P〕积分积分〔I〕比例积分〔PI〕测试各典型环节在单位阶跃信号作用下的输出响应。转变各典型环节的相关参数，观测对输出响应的影响。三、试验内容及步骤〔一〕说明局部1、当信号发生器单元U1ST+5V于开路状态，这时通用单元运放处于工作状态。当信号发生器单元U1的STS块”短接时，通用单元中的场效应管处于短路状态，可以使电容器放电，让电容器两端的初始0V。2U16做直流数字电压表用，当红色琴键开关按下时,做沟通数字毫伏表用。测量范围0～20V，分200mV、2V、20V1-1〔U〔U〕组成。具体线路形成：在U3单元中，将H1+5V1H21U4单元的X端；在U4单元中，将Z端和GND1Y引出输出信号。1-1U3SPU4W41电位器，同时用U16U4单元Y(U4Y接至交直流数字电压表的左边的接线柱,交直流数字电压表的右边的接线柱接通用单元的GND1V注：以后试验中再用到ST短路帽放置位置、阶跃信号产生时，操作方法参上。〔二〕观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的单位阶跃响应曲线。比例环节电路试验步骤：①预备：U1单元的ST+5VUi按表二中的比例典型环节的模拟电路图将线接好，各器件的参数可参考表三。②将模拟电路输入端(Ui)与阶跃信号的输出端YCH1路的输出端(Uo)接至示波器CH2③YO示波器，按下U3单元按钮(或松开按钮)SP时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo(t)，且将结果登记。转变比例参数，重观测结果。响应曲线参见表三。比例环节电路短路块短接ST+5V短路块短接ST端与S积分环节电路①预备：U1单元的ST+5VUi按表二中的比例典型环节的模拟电路图将线接好，各器件的参数可参考表三。②试验步骤参照比例环节的②、③。将结果登记，转变积分参数，重观测结果。留意：试验中重复采集波形前，可将U1单元的STSU1ST+5V块”短接,正常开头试验。积分环节电路短路块短接ST+5V短路块短接ST端与S比例积分环节电路①预备：U1单元的ST+5VUi按表二中的比例积分典型环节、比例微分典型环节、惯性典型环节的模拟电路图将线接好，各器件的参数可参考表三。②试验步骤同积分环节电路。比例积分环节电路短路块短接ST+5V短路块短接ST端与S试验二线性定常系统的瞬态响应和稳定性分析一、试验目的通过二阶、三阶系统的模拟电路试验，把握线性定常系统动、静态性能的一般测试方法。争论二阶、三阶系统的参数与其动、静态性能间的关系。二、试验原理1．二阶系统2-11G(S)= K1 K ，式中K=K11 1相应的闭环传递函数为KC(S) K TR(S) TS2SR(S) TS2SK S2 1

………①KT T1 1二阶系统闭环传递函数的标准形式为C(S)=R(S) S2

2n2nS2n

………②KT1KT11KT1KT112 KT1ξ= 1 2 KT1

………③1 1 2 TK1 11图中τ=1s，T=0.1s12-1表一列出了有关二阶系统在三种状况(欠阻尼，临界阻尼、过阻尼)下具体参数的表达式，以便计算理论值。2-22-1τ=1s，T=0.1s，K10、5、2.5、1，即当电路1 112中的电阻R10K、20K、40K、100Kξ0.5、2一种状况各参数一种状况各参数0＜ξ＜1ξ=1ξ＞1KK=K/τ=K1 1ωnωn=K /T=10K1 11ξξ12KT=10K2K1111C(tp)C(p)=1+—ξπ/12C(∞)1Mp%Mp=e—ξπ/12tp(s)tp=n12ts(s)ts=4n

、1、1.58，它表二：二阶系统不同ξ值时的单位阶跃响应ξ单位阶跃响应曲线10K0.520K20K1240K1100K1．58②模拟电路图：100KR)= K1 =100KR

G(SK1=100K/R10K1ξ=10K12K110K110K1

ωn=通过对二阶系统开环增益的调整，使系统分别呈现为欠阻尼0＜ξ＜1(R=10K，K=10),临界阻尼ξ=1(R=40K，K=2.5)和过阻尼ξ＞1(R=100K，K=1)三种状态，并用示波器记录它们的阶跃响应曲线。12Kξ=2

=0.707(R=20K，K=5)，观测此时系统在阶跃信号作用下的动态性能指标：超调量Mp，上升时间tp和调整时间ts。争论三阶系统的开环增益K或一个慢性环节时间常数T的变化对系统动态性能的影响。由试验确定三阶系统临界K值，并与理论计算结果进展比较。四、试验步骤预备工作：将“信号发生器单元”U1的ST端和+5V端用“短路块”短接，并使运放反响3DJ6本试验中选用一般示波器。1．二阶系统瞬态性能的测试2-2r(t)参照试验一中阶跃信号的产生方法。使图中R分别等于100K、40K、10K时，用示波器分别观测系统阶跃的输出响应波形，响应曲线参见表一、二。R=10KR=40KR=100K②调整R，使R=20K(此时ξ=0.707)，然后用示波器观测系统的阶跃响应曲线，并由曲线测出超调量Mp，上升时间tp和调整时间ts。并将测量值与理论计算值进展比较，参数取值及响应曲线参见表一、二。五、试验思考题2-1所示的二阶系统不管K答：其自身有保护程序，随着只得增大，自身会做调整通过转变三阶系统的开环增益K和第一个惯性环节的时间常数，争论得出它们的变化对系统的动态性能产生什么影响？答：增加K可以增加超调量，增加时间常数可以增加系统的调整时间试验四掌握系统的频率特性被测系统的方块图及原理：图4—14—1被测系统方块图系统(或环节)的频率特性G(jωω为参数的幅值和相角。G(jω)=|G(jω)|G(jω) 〔4—1〕本试验应用频率特性测试仪测量系统或环节的频率特性。4—1G(jω)G(jω)H(jω)=B(j)

〔4—2〕1 2 E(j) E(j) E(j)承受对数幅频特性和相频特性表示，则式(4—2)表示为：20lg|G(jω)G(jω)H(jω)|=20lg|B(j)|1 2 E(j)=20lg|B(jω)|—20lg|E(jω)| 〔4—3〕G(jω)G(jω)H(jω)=/B(j)=/B(jω)—/E(jω) 〔4—4〕1 2 E(j)将频率特性测试仪内信号发生器产生的超低频正弦信号的频率从低到高变化，并施加于被测系统的输入端[r(t)]，然后分别测量相应的反响信号[b(t)]和误差信号[e(t)]的对数幅值和相位。频率特性测试仪测试数据经相关器件运算后在显示器中显示。依据式(4—3)和式(4—4)分别计算出各个频率下的开环对数幅值和相位，在半对数坐标纸上作出试验曲线：开环对数幅频曲线和相频曲线。依据试验开环对数幅频曲线画出开环对数幅频曲线的渐近线，再依据渐近线的斜率和转角频确定频率特性(或传递函数)。所确定的频率特性(或传递函数)的正确性可以由测量的相频曲数)所画出的理论相频曲线在肯定程度上相符。假设测量所得的相位在高频(相对于转角频率)时不等于－90°(q－p)［pq传递函数)必定是一个非最小相位系统的频率特性。被测系统的模拟电路图4－24—2被测系统留意：所测点-c(t)、-e(t)由于反相器的作用，输出均为负值，假设要测其正的输出点，可分别在-c(t-e(t1/1c(te(t)的正输出。试验内容及步骤本试验中请使用频率特性分析示波器，如以下图所示。TKKL-4U15D/ATKKL-4型系统中测量单元的CH1测被测环节的输出，选择不同角频率及幅值的正弦信号源作为对象的输入，可测得相应的环节输出，并在PC机屏幕上显示，我们可以依据所测得的数据正确描述对象的幅频和相频特性图。具体试验步骤如下：(1)将U15D/A转换单元的OUT(2)将测量单元的CH11将U1STS1STCPUPB10。(由于在每次测量前，应对对象进展一次回零操作，ST即为对象锁零掌握端，在这里，我们用8255PB10ST按菜单栏中“修改参数”图标，如以下图中所示，输入相应的角频率，并输入适宜的幅值，按“确定”键后，输入的角频率开头闪耀，直至测量完毕时停顿，屏幕即显示所测对象的输出及信号源，移动游标，可得到相应的幅值和相位。如需重测试，则按菜单栏的“开头”键，系统会去除当前的测试结果，并输入的角频率，预备开头进展下次测试。依据测量在不同频率和幅值的信号源作用下系统误差e(t)及反响c(t)的幅值、相对于信号源的相角差，用户可自行计算并画出闭环系统的开环幅频和相频曲线。输入Ui(t)输入Ui(t)ω(rad/s)e(t)b(t)开环特性0.11幅值对数幅值相位幅值对数幅值相位对数幅值相位(v)20lg(°)(v)20lg(°)Lφ(°)0.1-2000.6-4.4470.2-13.9-690.6-4.445100.8-1.9-360.1-20761001.00320.3-10.51803001.00360.3-10.5188试验中，由于传递函数是经拉氏变换推导出的，而拉氏变换是一种线性积分运算，因此它适用于线性定常系统，所以必需用示波器观看系统各环节波形，避开系统进入非线性状态。依据表4-1的试验测量得的数据，画出开环对数幅频线和相频曲线