杭电自控实验报告

1、自动控制原理实验报告学号：姓名：xxx班级：目录3.1 线性系统的时域分析13.1.1 典型环节的模拟研究11)观察比例环节的阶跃响应曲线22)观察惯性环节的阶跃响应曲线33)观察积分环节的阶跃响应曲线44)观察比例积分环节的阶跃响应曲线43.1.2 二阶系统瞬态响应和稳定性63.1 线性系统的时域分析3.1.1 典型环节的模拟研究一. 实验目的1 了解和掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式2 观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响二实验内容观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响。改变被

2、测环节的各项电路参数，画出模拟电路图，阶跃响应曲线，观测结果。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3-1-1所示。图3-1-1 典型比例环节模拟电路传递函数： ； 单位阶跃响应： 实验步骤：注：S ST用短路套短接！（1）将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），作为系统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒（D1单元左显示）。 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 4V（D1单元

3、右显示）。（2）运行、观察、记录：被测系统比例系数R0R1输入Ui比例系数K计算值测量值200K100K4V0.50.5175200K4V11.0050K100K2V22.00200K1V43.999示波器图像：R0=200K,R1=100K,Ui=4V R0=200K,R1=200K,Ui=4VR0=500K,R1=100K,Ui=2V R0=50K,R1=200K,Ui=1V2)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3-1-2所示。图3-1-2 典型惯性环节模拟电路传递函数： 单位阶跃响应：实验步骤：注：S ST用短路套短接！（1）将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（

4、OUT），作为系统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒（D1单元左显示）。 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 4V（D1单元右显示）。（2）运行、观察、记录：R0R1C输入Ui比例系数K惯性常数T计算值测量值计算值测量值200K200K1u4V11.000.20.19050K100K2u1V22.1190.10.120示波器图像：R0=200K,R1=200K,C=1Uui=4V R0=200K,R1=20

5、0K,C=1Uui=4V3)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3-1-3所示。图3-1-3 典型积分环节模拟电路传递函数： 单位阶跃响应： 实验步骤：注：S ST用短路套短接！（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒（D1单元左显示）。（注：为了使在积分电容上积分的电荷充分放掉，锁零时间应

6、足够大，即矩形波的零输出宽度时间足够长！ “量程选择”开关置于下档时，其零输出宽度恒保持为2秒！） 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 1V（D1单元右显示）。（2）运行、观察、记录：R0C输入Ui积分常数Ti计算值测量值200K2u1V0.40.430100K2u0.20.210示波器图像：R0=200K,C=2U,UI=1V R0=100K,C=2U,UI=1V4)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3-1-4所示.。图3-1-4 典型比例积分环节模拟电路传递函数：单位阶跃响应：实验步骤：注：S ST用短路套短接！（1）为了避免积分饱和，将函数发生

7、器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒（D1单元左显示）。（注：为了使在积分电容上积分的电荷充分放掉，锁零时间应足够大，即矩形波的零输出宽度时间足够长！ “量程选择”开关置于下档时，其零输出宽度恒保持为2秒！） 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压 = 1V（D1单元右显示）。（2）运行、观察、记录：R0R1C输入Ui比例系数K

8、积分常数Ti计算值测量值计算值测量值200K200K1u1V110.20.220100K2u220.40.405示波器图像R0=200K,R1=200K,C=1U,Ui=1V R0=200K,R1=200K,C=1U,Ui=1V3.1.2 二阶系统瞬态响应和稳定性一实验目的1. 了解和掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法及型二阶闭环系统的传递函数标准式。2. 研究型二阶闭环系统的结构参数-无阻尼振荡频率n、阻尼比对过渡过程的影响。3. 掌握欠阻尼型二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标Mp、tp、ts的计算。4. 观察和分析型二阶闭环系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼的瞬态响应曲线，及在阶跃信号

9、输入时的动态性能指标Mp、tp值，并与理论计算值作比对。二实验内容及步骤1型二阶闭环系统模拟电路见图3-1-7，观察阻尼比对该系统的过渡过程的影响。改变A3单元中输入电阻R来调整系统的开环增益K，从而改变系统的结构参数。2改变被测系统的各项电路参数，计算和测量被测对象的临界阻尼的增益K，填入实验报告。3改变被测系统的各项电路参数，计算和测量被测对象的超调量Mp，峰值时间tp，填入实验报告，並画出阶跃响应曲线。图3-1-7 型二阶闭环系统模拟电路积分环节（A2单元）的积分时间常数Ti=R1*C1=1S 惯性环节（A3单元）的惯性时间常数 T=R2*C2=0.1S阻尼比和开环增益K的关系式为：临界

10、阻尼响应：=1，K=2.5，R=40k 欠阻尼响应：01，设R=70k，K=1.43=1.321 三实验数据 分别将（A11）中的直读式可变电阻调整到4K、40K、70K，用示波器观察在三种增益K下，A6输出端C(t)的系统阶跃响应。 计算和观察被测对象的临界阻尼的增益K积分常数Ti惯性常数T增益K计算值10.12.50.21.250.50.11.250.20.5 画出跃响应曲线，测量超调量Mp，峰值时间tp 增益K（A3）惯性常数T（A3）积分常数Ti（A2）自然频率n计算值阻尼比计算值超调量Mp(%)峰值时间tP计算值测量值计算值测量值250.1135.1%6 47.4%0.209 0.1

11、50.355.8% 52.6%0.35 0.19200.10.24.7%5.2%0.3 0.2示波器图像：K=25,T=0.1,Ti=1 K=25,T=0.1,Ti=1K=20,T=0.1,Ti=0.2 可变电阻4k可变电阻40k 可变电阻70k3.2 线性控制系统的频域分析3.2.1 频率特性测试一实验目的1了解线性系统频率特性的基本概念。2了解和掌握对数幅频曲线和相频曲线（波德图）的构造及绘制方法。二实验内容及步骤被测系统是一阶惯性的模拟电路图见图3-2-1，观测被测系统的幅频特性和相频特性，填入实验报告，並在对数座标纸上画出幅频特性和相频特性曲线。本实验将正弦波发生器（B4）单元的正弦波

12、加于被测系统的输入端，用虚拟示波器观测被测系统的幅频特性和相频特性，了解各种正弦波输入频率的被测系统的幅频特性和相频特性。图3-2-1 被测系统的模拟电路图三实验报告要求：按下表改变实验被测系统正弦波输入频率：（输入振幅为2V）。观测幅频特性和相频特性，填入实验报告。並画出幅频特性、相频特性曲线。输入频率Hz幅频特性相频特性计算值测量值计算值测量值15.955.60-7.16-53.25.375.24-21.9-246.43.863.7838.8-419.62.122.1650.3-481Hz 3.2Hz6.4Hz 9.6Hz3.3 线性系统的校正与状态反馈控制系统的校正与状态反馈就是在被控对

13、象已确定，在给定性能指标的前提下，要求设计者选择控制器（校正网络）的结构和参数，使控制器和被控对象组成一个性能满足指标要求的系统。3.3.1 频域法串联超前校正频域法校正主要是通过对被控对象的开环对数幅频特性和相频特性（波德图）观察和分析实现的。一实验目的1了解和掌握超前校正的原理。2了解和掌握利用闭环和开环的对数幅频特性和相频特性完成超前校正网络的参数的计算。3掌握在被控系统中如何串入超前校正网络，构建一个性能满足指标要求的新系统的方法。 二实验内容及步骤改变 “校正后系统的相位裕度”要求,设计校正参数，构建校正后系统，画出其系统模拟电路图和阶跃响应曲线，观测校正后相位裕度、超调量Mp、峰值时间tP填入实验报告。串联超前校正后系统的频域特性的测试串联超前校正后系统频域特性测试的模拟电路图见图3-3-5。图3-3-5串联超前校正后系统的传递函数为：图3-3-5 串联超前校正后系统频域特性测试的模拟电路图三实验报告要求：按下表“校正后系统的相位裕度”设计校正参数，构建校正后系统，画出串联超前校正后系统模拟电路图，及校正前、后的时域特性曲线，並观测校正后超调量Mp，峰值时间tP填入实验报告。相位裕度（设计目标）测