最新自动控制原理实验报告实验一一二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试.docx
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最新自动控制原理实验报告实验一一二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试
自动控制原理实验报告实验一-一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试
分组：
成绩：
_________
北京航空航天大学
自动控制原理实验报告
实验一一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试
学院
专业方向
班级
学号
学生姓名
指导教师
2014年11月
实验时间2014.11.1同组同学无
一、实验目的
1.了解一、二阶系统阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系。
2.学习在电子模拟机上建立典型环节系统模型的方法。
3.学习阶跃响应的测试方法。
二、实验内容
1.建立一阶系统的电子模型，观测并记录在不同时间常数T时的阶跃响应曲线，并测定其过渡过程时间Ts。
2.建立二阶系统的电子模型，观测并记录在不同阻尼比ζ时的阶跃响应曲线，并测定其超调量σ％及过渡过程时间Ts。
三、实验原理
1.一阶系统实验原理
系统传递函数为：
模拟运算电路如图1所示：
图1
在实验中始终取R2=R1，则K=1，T=R2*C
取不同的时间常数T，T=0.25s，T=0.5s，T=1s
记录不同的时间常数下阶跃响应曲线，测量并记录其过渡时间Ts（Ts=3T）
2.二阶系统实验原理
其传递函数为：
令
弧度/秒，二阶系统模拟线路下图2所示：
图2
取R2*C1=1,R3*C2=1,则R4/R3=R4*C2=1/（2*
）及
=1/（2*R4*C2）
理论值：
，
四、实验设备
1.HHMN-1型电子模拟机一台
2.PC机一台
3.数字式万用表一块。
五、实验步骤
1．熟悉XMN-2型电子模拟机的使用方法。
2．将各运算放大器接成比例器，通电调零。
3．断开电源，按照实验说明书上的条件和要求，计算电阻和电容的取值，按照模拟线路图搭接线路，不用的运算放大器接成比例器。
4．将信号源1（D/A）与系统输入端Ui连接，将采集输入1（A/D）与系统输出端UO连接（此处连接必须谨慎，不可接错）。
5．线路接好后，经教师检查后再通电。
6．在Windows98桌面用鼠标双击“AUTOLAB”图标后进入本实验软件系统。
7．在系统菜单中打开“实验项目”项，选择“典型环节实验”。
8．然后填写注册信息，即参加实验者姓名及学号，填好后点击“下一步”进入“典型环节实验参数对话框”。
9．在“典型环节实验参数对话框”内，选择“实验环节种类”，阶跃信号幅值建议选1V。
10．在“高级参数设置”对话框内设置D/A及A/D口，及采样步长h1,h2,建议为0.1秒。
输入，输出时间t1,t2建议为15秒。
11．数据存盘，及图形打印。
六、实验数据
1.一阶系统实验数据及图形
通过实验记录不同时间常数下阶跃响应曲线，测量并记录过渡时间。
记录数据如下表1.（均取2%误差带）
表1.一阶系统参数指标
T
0.24s
0.47s
1s
C
0.47uF
0.47uF
1.0uF
R2
510KΩ
1MΩ
1MΩ
Ts实测
0.95s
1.62s
3.59s
Ts理论
0.96s
1.88s
4.00s
阶跃响应曲线
见图
见图
见图
T=0.24时，实际阶跃响应曲线与理论曲线：
T=0.5s时，实际阶跃响应曲线与理论曲线：
T=1s时，实际阶跃响应曲线与理论曲线：
2.二阶系统实验数据及图形
取不同的值
=0.25，
=0.5，
=0.707，
=1,观察并记录阶跃响应曲线，测量超调量
，测量并记录过渡时间。
（均取2%误差带）
其中理论值：
，
0.25
0.5
0.707
1.0
R4
2.0M
1.0M
0.707M
0.5M
C2
1uF
1uF
1uF
1uF
实测
38.65％
27.55％
4.85%
0.70％
理论
44.43％
16.32％
4.32%
1.00%
Ts实测
16.99s
8.29s
6.76s
5.59s
Ts理论
18.00s
9.00s
6.36s
4.50s
=0.25时，阶跃响应曲线：
=0.5时，阶跃响应曲线：
=0.707时，阶跃响应曲线：
=1时，阶跃响应曲线：
七、结论和误差分析
结论：
一阶系统的单位阶跃响应为：
（
），T为闭环系统时间常数。
从实验截图可以看出：
随着T增大时，
增大。
实验结果与理论预期相符。
二阶系统由上图可见，当
一定时，随着
的增大，系统由欠阻尼过渡到临界阻尼，
减小。
理论上：
，所以当
。
实验中
=0.5比
=1的
大。
实验结果与理论相符。
可以看到所测超调量和调节时间与理论值相比均存在误差。
具体而言，一阶系统的调节时间误差小，二阶系统的调节时间误差大。
这是由于二阶系统的理论值计算公式只是近似公式的原因。
二阶系统的超调量误差较小，在误差允许范围之内。
误差分析：
误差主要来源初步分析如下：
1.电阻、电容实际值与标称值之间存在偏差；如二阶系统实验中，找不到阻值2M欧姆的电阻，用2.2M欧姆电位器替代，得到的实际电阻最大仅为1.69M欧姆。
2.实验条件，如温湿度等的变化会对结果产生影响；
3.万用表和实验箱的误差引入系统中。
八、收获与体会
通过本次试验，我了解了一、二阶系统阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系，学习在电子模拟机上建立典型环节系统模型的方法，还学习了阶跃响应的测试方法。
并初步学会了利用MATLAB相关工具与模拟实验电脑箱相结合，进行半实物仿真实验的基本原理与基础实验方法。
“稳准快”对于一个系统自身特性是非常重要的；同样，学习自动控制系统也告诉了我做事情也应该追求又稳又准又快的境界。
对于自动控制原理这门课程，我还是兴趣非常足的，愿意通过动手实践，总结分析去学好它，运用在工作学习中去。
附录
实验界面操作环境截屏：
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