中南大学自动控制原理实验报告Word文档格式.doc

1、实验结果：当R0=200K；R1=100K。输出电压约为输入电压的1/2，误差范围内满足理论波形，当R0 = 200K； R1 = 200K。积分环节模拟电路图：C=1uF。 C = 2uF。比例积分环节 （PI）取 R0 = R1 = 200K； C = 1uF。实验结果取 R0=R1=200K； C=2uF。惯性环节 （T） 取 R0=R1=200K； C=1uF。比例微分环节 （PD） 取 R0 = R2 = 100K， R3 = 10K， C = 1uF； R1 = 100K。取 R0=R2=100K， R3=10K， C=1uF； R1=200K。比例积分微分环节 （PID） 取 R

2、2 = R3 = 10K， R0 = 100K， C1 = C2 = 1uF；实验步骤1. 按 1.1.3 节中所列举的比例环节的模拟电路图将线接好。 检查无误后开启设备电源。2. 将信号源单元的“ST” 端插针与“S” 端插针用“短路块” 短接。由于每个运放单元均设臵了锁零场效应管， 所以运放具有锁零功能。 将开关设在“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为 1V，周期为 10s 左右。3. 将 2 中的方波信号加至环节的输入端 Ui，用示波器的“CH1” 和“CH2” 表笔分别监测模拟电路的输入 Ui 端和输出 U0 端，观测输出端的实际响应曲线 U0（t），

3、 记录实验波形及结果。4. 改变几组参数，重新观测结果。5. 用同样的方法分别搭接积分环节、比例积分环节、比例微分环节、 惯性环节和比例积分微分环节的模拟电路图。 观测这些环节对阶跃信号的实际响应曲线， 分别记录实验波形及结果。 实验二 1.2 典型系统的时域响应和稳定性分析1 研究二阶系统的特征参量 （、 n） 对过渡过程的影响。2 研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。3 熟悉 Routh 判据，用 Routh 判据对三阶系统进行稳定性分析。实验设备:PC 机一台， TD-ACC+（或 TD-ACS）教学实验系统一套。实验步骤:1 将信号源单元的“ST” 端插针与“S” 端插

4、针用“短路块” 短接。由于每个运放单元均设臵了锁零场效应管， 所以运放具有锁零功能。 将开关设在“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为 1V，周期为 10s 左右。2 典型二阶系统瞬态性能指标的测试。（1） 按模拟电路图接线，将 1 中的方波信号接至输入端，取 R = 10K。（2） 用示波器观察系统响应曲线 C（t），测量并记录超调 MP、峰值时间 tp 和调节时间 tS。（3） 分别按 R = 50K； 160K； 200K；改变系统开环增益，观察响应曲线 C（t），测量并记录性能指标 MP、 tp 和 tS，及系统的稳定性。并将测量值和计算值进行比较 （实

5、验前必须按公式计算出 ）。将实验结果填入表 1.2-1 中。表 1.2-2 中已填入了一组参考测量值，供参照。3. 典型三阶系统的性能（1） 按图 1.2-4 接线，将 1 中的方波信号接至输入端，取 R = 30K。（2） 观察系统的响应曲线，并记录波形。（3） 减小开环增益 （R = 41.7K； 100K），观察响应曲线，并将实验结果填入表 1.2-3 中。表1.2-4 中已填入了一组参考测量值，供参照。实验现象分析注意：在做实验前一定要进行对象整定 ，否则将会导致理论值和实际测量值相差较大。首先调节电阻使系统处于临界稳定的状态当R160时系统处于过阻尼状态160时，由可知道该系统的自然

6、频率和阻尼比均与R值大小有关，当R处于160左右处于临界阻尼状态，则R160时阻尼比增大，系统则应处于过阻尼状态，输出波形如上图所示。同理当R的阻值减小时，系统应该趋于欠阻尼状态；如R=50时，系统处于欠阻尼状态，其输出波形如下图所示：欠阻尼欠阻尼状态，是我们所期望的一种状态，相比于过阻尼，系统响应时间比较短，相比于临界阻尼，系统的超调量比较小。工程上，也是希望系统能够快速平稳准确的追踪输入信号，因此欠阻尼相对比较理想。三阶系统三阶系统处于临界稳定时三阶R30KR 3； 即 R 166 K 时，两条根轨迹进入 S 右半平面，系统不稳定。（3） 当 0 K 166 K 时，两条根轨迹进入 S 左

7、半平面，系统稳定。上述分析表明，根轨迹与系统性能之间有密切的联系。利用根轨迹不仅能够分析闭环系统的动态性能以及参数变化对系统动态性能的影响，而且还可以根据对系统暂态特性的要求确定可变参数和调整开环零、极点位臵以及改变它们的个数。这就是说，根轨迹法可用来解决线性系统的分析和综合问题。由于它是一种图解求根的方法，比较直观，避免了求解高阶系统特征根的麻烦，所以，根轨迹在工程实践中获得了广泛的应用。1 绘制根轨迹图：实验前根据对象传函画出对象的根轨迹图，对其稳定性及暂态性能做出理论上的判断。并确定各种状态下系统开环增益 K 的取值及相应的电阻值 R。2 将信号源单元的“ST” 端 插针与“S” 端插针

8、用“短路块” 短接。3 按模拟电路图 2.1-2 接线，并且要求对系统每个环节进行整定，详见附录一；将 2中的方波信号加至输入端。4 改变对象的开环增益，即改变电阻 R 的值，用示波器的“CH1”和“CH2”表笔分别测量输入端和输出端，观察对象的时域响应曲线，应该和理论分析吻合。此次实验中对象须严格整定，否则可能会导致和理论值相差较大。当R=166KR=135KR=50K当电阻R166K时，系统逐渐趋于不稳定，当R=50K，系统不稳定，包络线发散，于是波形不收敛，如上图所示。R=220K时，系统趋于稳定实验四 3.1 线性系统的频率响应分析1 掌握波特图的绘制方法及由波特图来确定系统开环传函。

9、2 掌握实验方法测量系统的波特图。1 频率特性 当输入正弦信号时，线性系统的稳态响应具有随频率 （ 由 0 变至 ） 而变化的特性。频率响应法的基本思想是：尽管控制系统的输入信号不是正弦函数，而是其它形式的周期函数或非周期函数，但是，实际上的周期信号，都能满足狄利克莱条件，可以用富氏级数展开为各种谐波分量；而非周期信号也可以使用富氏积分表示为连续的频谱函数。因此，根据控制系统对正弦输入信号的响应，可推算出系统在任意周期信号或非周期信号作用下的运动情况。2 线性系统的频率特性 系统的正弦稳态响应具有和正弦输入信号的幅值比和相位差随角频率由 0 变到） 变化的特性。而幅值比和相位差恰好是函数的模和

10、幅角。所以只要把系统的传递函数,令s=j即可得到我们把。称为系统的频率特性或频率传递函数。当由0 到变化时， 幅值比随频率的变化特性成为幅频特性， 相位差随频率的变化特性称为相频特性。幅频特性和相频特性结合在一起时称为频率特性。3. 直接频率特性的测量 用来直接测量对象的输出频率特性，适用于时域响应曲线收敛的对象（如：惯性环节）。该方法在时域曲线窗口将信号源和被测系统的响应曲线显示出来，直接测量对象输出与信号源的相位差及幅值衰减情况，就可得到对象的频率特性。实验内容：本次实验利用教学实验系统提供的频率特性测试虚拟仪器进行测试，画出对象波特图和极坐标图。开环传函为：闭环传函：得转折频率：=10（rad/s），阻尼比=0.5此次实验，采用直接测量方法测量对象的闭环频率特性及间接测量方法测量对象的频率特性。1 实验接线：按模拟电路图 3.1 -5 接线，TD-ACC+的接线： 将信号源单元的“ST” 插针分别与“S” 插针和“+5V” 插针断开，运放的锁零控制端“ST” 此时接至示波器单元的“SL” 插针处，锁零端受“SL”来控制。 将示波器单元的“SIN” 接至图 3.1-5 中的信号输入端，TD-ACS 的接线： 将信号源单元的“ST” 插针分别与“S” 插针和“+5