实验一典型环节的瞬态响应和动态.docx

1、实验一典型环节的瞬态响应和动态实验一 典型环节的瞬态响应和动态分析1、一阶环节的阶跃响应及时间参数的影响一、 实验目的：通过实验加深理解如何将一个复杂的机电系统传递函数看做由一些典型环 节组合而成，并且使用运算放大器来实现各典型环节，用模拟电路来替代机电 系统，理解时间响应、阶跃响应函数的概念以及时间响应的组成，掌握时域分 析基本方法。二、 实验内容1自行设计一阶环节。2改变系统参数T、K （至少二次），观察系统时间响应曲线的变化。3观察T、K对系统的影响。三、 实验原理：使用教学模拟机上的运算放大器，分别搭接一阶环节，改变时间常数 T,记 录下两次不同时间常数T的阶跃响应曲线，进行比较（可参

2、考下图：典型一阶系 统的单位阶跃响应曲线）。典型一阶环节的传递函数：G （ S） =K（ 1+1/TS） 其中：T 二RC K-Rq/R,典型一阶环节模拟电路：典型一阶系统的单負阶虞响应曲线四、实验方法与步骤1） 启动计算机，在桌面双击“ Cybernation_A.exe ”图标运行软件，阅览使用 指南。2） 检查USB线是否连接好，电路的输入 U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的 输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。3） 在实验项目下拉框中选中本次实验，点击 按钮，参数设置要与实验系统参数一致，设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信正常， 如出现

3、警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可继续进行实验。4） 保持艮=1003，C =0ZF不变，分别令R2 =1003,2003，改变系统参 数T、K,观察并记录系统时间响应曲线的变化。五、实验数据整理与分析：1）实验数据与响应函数R2 =100KC, R1 =100K0，C =0.1AF，理论值：K=R2/Rj=1, T = R2C =10ms 实验值：K = R2 / 艮=0.91 T = R2C =9.87援顶目績-、趟礴RXW舷E 5.0 1DD0 2000 1000 40W 5000 闻 QQ700DQaoo 9QDD 10QM：阿。甥一 WiXims-iimv旅信号谒 砌：1D

4、D0 U15 + 100D D15 电平：idwoiy idcooiY 即采华：10DD *101053000-200DOOQ中口0J -5000X1c ：-1QHN1QQQPTi5QD0 fS-SOW1QQQDftSR =200K，尺=1003 , C =0.2F理论值：k=R2/Ri=2, T = R2C =20ms实验值：K = R2/R,=1.87, T 二 R2C=19.75ms2）结果分析由图可以看出，K值增大时，一阶惯性环节的响应曲线幅值增大， T值表征 了系统过渡过程的品质，T值增大时，系统响应变慢，达到稳定值的时间延长。2、二阶环节的阶跃响应及时间参数的影响一、 实验目的1.

5、学会建立典型的二阶系统数学模型与传递函数。2、 加深对系统瞬态误差与稳态误差等概念的理解。3、 研究二阶系统的特征参数，阻尼比和无阻尼自然频率n对系统动态性能的响。定量分析 和n与最大超调量Mp和调节时间t S之间的关系。4.掌握二阶系统时域性能指标的测量方法。二、 实验内容1在模拟机上，自行设计二阶系统、观察开环系统时域响应曲线；2采用单位反馈构成闭环系统。3计算该二阶系统模拟电路的阻尼比Z与固有频率3 no4改变Z记录两种不同Z 下，二阶系统的单位阶跃响应曲线 ，将理论值与实测值进行比较。5讨论典型二阶系统性能指标 Mp、ts与Z, 3 n的关系。三、实验原理1、二阶系统的数学建模二阶系统

6、是由一个比例环节和两个惯性所构成，参考电路图如下:二阶系统阶彊响应的电路图2、二阶系统单位反馈方块图为:3、二阶系统单位反馈传递函数为:0 )( )爲占+1 石心+1 _ K用 H 1 (7 + 1)(石左 + 1)+疋石占+1八爲左+ 1K 1 +疋7；町存+（爲+兀怡+ 1 +瓷1 +丈 7；r上式中令, K J1+K此 ,= J +K q 理T. +T = 1 27?；(1+Q4、不同阻尼比下二阶系统的单位阶跃响应曲线不阖g下二阶系统的单位阶甌响应曲线四、实验方法与步骤 实验方法同上，在参数设置对话框中设置目的电压 U仁1000m V1先做二阶系统的开环时域响应，观察其曲线的变化。2将二

7、阶开环系统进行单位反馈，组成二阶闭环系统，观察闭环响应曲线（注意：单位反馈的接连）。五、实验数据整理与分析:R, =800KJ R2 =200KJC =1平，理论值：2门兀(1 K)0.033，1 KF2二 15rad/s，M p =e =90.15%ts3=6.06s白控粘理達虫蜀轟*tR =5OOKJR2 =200KC = WF , 理论值： 丁2 =0.041 ,2亦(仆)目的换-iaoo mV 章1ft: iaaa * loius 4口-9DDD自型控制理论实鳌系SE卖蓝项m EfLS : |i.二掘r晖应工具W緬 冃|目用. iwo 営口口a3 口 口40005口口6aaa700日口

8、wa ioooq51=100 序若二 畀津f : X imr- 1f imV30002DDD1DDD-4DDQ!Xl= 0 XS= 1000D | Xl X2l = 10000T15DDD Tl-DOD100003R =200 KR2 =200K JC ,理论值：1 2兀(1 K)=0.071自切控老电论实益乐誌=7.07rad/s.IODO2DDO40003QQQHODD1DDD-HOOD-3DDD-4OOD雪非二 W4kf? : X UDS- MOV S aft (Ute - iaao raV眾？LH-H1DDDfQQQ TSiOOOO5QQQiOOOOr分析：由Mp二e，tsnl00n及

9、响应曲线可知超调量Mp只与阻尼比Z有关，阻尼比增大，超调量减小。调整时间tp与系统的无阻尼自然频率n及阻尼比z成反比。3、零点、极点分布对二阶系统瞬态响应的影响实验目的:加深理解零点对二阶系统瞬态响应的影响其中包括:1、若系统的极点相同，而零点不同（有无零点），对系统的影响。2、若系统的极点相同，而零点距虚轴的位置不同，对系统的影响。3、加深理解零点在系统中的作用，学会采用增加零点的方法，提高系统的阻尼、实验原理:1、系统加入零点的模型方块图:R（s）2、零点对二阶系统瞬态响应的影响，单位阶跃响应曲线的对比:单位阶底响应曲线对比3、实验电路接线图:63 =严F+丄t/s1.实验方法与步骤在实验

10、项目下拉据中仍选中（二阶系统阶跃响应实验，2.实验要求1、口行设计建立二阶系统有零点的数学模型（采用比例微分环节进行单位阶跃响应 实验二谕茶址阶瓯响应的电跻（B 2、记录下系统前通道串联一个比例微分环节与并联个比例微分环节的响应曲线.观察其超调 最.并进行分析比较.D系统前通道串联一个叱例微分环节2）系统前通逍并联一个比例微分环肖、实验内容:1、 自行设计建立二阶系统有零点的数学模型 （采用比例微分环节），进行单位阶跃响应实验（注意：整个系统的单位反馈，不可忽略二阶系统原单位反馈） 。2、 记录下系统前通道串联一个比例微分环节与并联一个比例微分环节的响应曲 线，观察其超调量，并进行分析比较。四

11、、 实验方法与步骤：在实验项目下拉框中仍选中二阶系统阶跃响应实验。五、 实验数据整理与分析：实验中 K=1, . =T = RC =0.1s二阶系统串联比例微分环节R =800KR2 =200KC =1F1DDD 2DDD1OOOOR, =500KJR2 =200KJCRi =200KR2 =200KC *F二阶系统并联环节4 口口口R =800KR2 =200KC =1F自控SI理论尖醴案SE口回区EfLS=匚Th磔囲關应XJMSft.目|日胃- 1.000 SDDC$口4DDD彳口 口7 DOO日口 口K) 100CK1富尝二 铀華住:X irair-业unV 目的换-laaomV 采禅:

12、iaaa * io jus2DDD1DDD-40BDRi =500KJR2 = 200KJC =1F自型控制理论兵誥至SE知&顶日刊4，巳 审魁囲RW应”工乂罚： 1QPO 営口 DC 3 口 4*000 5口口 右口 7 日口口口 9D 1OCIOQ5000 序若二 HlJBfx ； K imr- amV目药电辰laoOTOV: iaaa * ioius4ggg30002DDD1DDD-4DDQXI =0 X2=10OOD l_i r10000T1*5DDD T2-DOD10000目的！WE - loaamV 采1tt: iaaa * loins 4口Ri =200KR2 =200KC自型控

13、制理论实蠡垂SE匸|回区、知&项m ElS : 劉展醉应XWftlfi.砂曰胃- IODO SDDO3口4doo弓口百口口7003Saad 1DOCK1丸心匚I富尝二 軸華应:x imr- imV尹口口2DDD1DDD-3000-40QQbuufl bXl =g Xa=i 口口 oo 1 i -10000115DDD Ti-500D10000由以上图形可以看出，零点在系统前向通道可以增大系统阻尼比，降低超调量， 提高瞬态响应，零点在系统反馈通道可以增大系统阻尼比， 降低超调量，但对瞬态响应影响不明显。实验结论1、一阶环节的阶跃响应及时间参数的影响通过该仿真实验可知，一阶系统的时间常数T是重要的

14、特征参数，它表征了系统 的品质，T愈小，贝U系统响应愈快，即可很快达到稳定值，时间常数 T=RC在实 际的机械系统中，由于系统构成的不同，时间常数的表达式也会相应的发生改变。 但其时域响应的性质是不变的。2、 二阶环节的阶跃响应及时间参数的影响该实验是在欠阻尼情况下进行的，此时二阶系统的特征方程有一对共轭复根。 其对于阶跃输入的响应为衰减的震荡， 其振荡角频率等于自然频率 wd,振幅按指 数衰减，它们均与 有关。 愈小则wd愈接近于wn,同时振幅衰减得愈慢； 愈大则阻尼愈大，wd将减小，同时振幅衰减得愈快。3、 零点、极点分布对二阶系统瞬态响应的影响零点对二阶系统的响应的影响主要有：（1） 使系统超调量增大，而上升时间，峰值时间减小；（2） 附加零点愈靠近虚轴，对系统的影响愈大；（3） 附加零点与虚轴距离很大时，贝U其影响可忽略。