北郵自動控制實驗報告

1、自動控制自動控制原理實驗學(xué)院： 自動化學(xué)院 專業(yè)： 自動化專業(yè) 班級： 2011211410 姓名： 楊志康 學(xué)號： 2011211954 2013年1月1日實驗名稱：典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)1、 實驗?zāi)康?1. 掌握控制模擬實驗的基本原理和一般方法。 2. 掌握控制系統(tǒng)時域性能指標(biāo)的測量方法。二、實驗儀器 1 EL-AT-III 型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺。 2 計算機一臺。三、實驗原理 1模擬實驗的基本原理：控制系統(tǒng)模擬實驗采用復(fù)合網(wǎng)絡(luò)法來模擬各種典型環(huán)節(jié)，即利用運算放大器不同的輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)模擬各種典型環(huán)節(jié)，然后按照給定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖將這些模擬環(huán)節(jié)連接起來，便得到了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。再將輸入信

2、號加到模擬系統(tǒng)的輸入端，并利用計算機等測量儀器，測量系統(tǒng)的輸出，便可得到系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線及性能指標(biāo)。若改變系統(tǒng)的參數(shù)，還可進一步分析研究參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。 2時域性能指標(biāo)的測量方法：超調(diào)量%：用軟件上的游標(biāo)測量響應(yīng)曲線上的最大值和穩(wěn)態(tài)值，代入下式算出超調(diào)量：峰值時間Tp與調(diào)節(jié)時間Ts：利用軟件的游標(biāo)測量水平方向上從零到達最大值與從零到達95%穩(wěn)態(tài)值所需的時間值，便可得到Tp與Ts。(1) 當(dāng)參數(shù)R1=R2=100K, C=1uf，K=1，T=0.1s階躍響應(yīng)曲線如下,Ts理論實測值如下表格：Ts理論值（ms）Ts實測值（ms）比例環(huán)節(jié)00慣性環(huán)節(jié)1011積分環(huán)節(jié)500545微分環(huán)節(jié)350

3、354比例+微分環(huán)節(jié)3036比例+積分環(huán)節(jié)870875比例環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)比例+微分環(huán)節(jié)比例+積分環(huán)節(jié)(2) 當(dāng)參數(shù)R1=100K，R2=200K, C=1uf，K=2，T=0.2s階躍響應(yīng)曲線如下,Ts理論實測值如下表格：Ts理論值（ms）Ts實測值（ms）比例環(huán)節(jié)00慣性環(huán)節(jié)1011積分環(huán)節(jié)3035微分環(huán)節(jié)4044比例+微分環(huán)節(jié)2021比例+積分環(huán)節(jié)420425比例環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)比例+微分環(huán)節(jié)比例+積分環(huán)節(jié) 實驗二 二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)一、實驗?zāi)康?研究二階系統(tǒng)的特征參數(shù)，阻尼比和無阻尼自然頻率n 對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。定量分析和n與最大超調(diào)量Mp 和調(diào)節(jié)時間Ts之間

4、的關(guān)系。2進一步學(xué)習(xí)實驗系統(tǒng)的使用方法。3學(xué)會根據(jù)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線確定傳遞函數(shù)。二、實驗儀器1EL-AT-III 型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺。2計算機一臺。三、實驗原理1模擬實驗的基本原理：控制系統(tǒng)模擬實驗采用復(fù)合網(wǎng)絡(luò)法來模擬各種典型環(huán)節(jié)，即利用運算放大器不同的輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)模擬各種典型環(huán)節(jié)，然后按照給定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖將這些模擬環(huán)節(jié)連接起來，便得到了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。再將輸入信號加到模擬系統(tǒng)的輸入端，并利用計算機等測量儀器，測量系統(tǒng)的輸出，便可得到系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線及性能指標(biāo)。若改變系統(tǒng)的參數(shù)，還可進一步分析研究參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。2 時域性能指標(biāo)的測量方法：超調(diào)量%：用軟件上的游標(biāo)測量響應(yīng)曲

5、線上的最大值和穩(wěn)態(tài)值，代入下式算出超調(diào)量：峰值時間TP 與調(diào)節(jié)時間TS：利用軟件的游標(biāo)測量水平方向上從零到達最大值與從零到達95%穩(wěn)態(tài)值所需的時間值，便可得到TP與TS。階躍響應(yīng)曲線和所求系統(tǒng)指標(biāo)如下：s%tp（ms）ts（ms）階躍響應(yīng)曲線R =100KC =1fn=10rad/sR1=100KR2=0K =05131無R1=100KR2=50K=0.25203053R1=100KR2=100K=0.5213142R1=100KR2=200K=1無無40R1=100KC1=C2=0.1fn=100rad/sR1= 100KR2=100K=0.5192950R1=100KR2=200K=1無無

6、40實驗三控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析一、實驗?zāi)康?觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。2研究系統(tǒng)開環(huán)增益和時間常數(shù)對穩(wěn)定性的影響。二、實驗儀器1EL-AT-III型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺。2計算機一臺。三、實驗內(nèi)容四、實驗步驟1.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1 接A/D、D/A 卡的DA1 輸出，電路的輸出U2 接A/D、D/A 卡的AD1 輸入，將純積分電容兩端連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。2.啟動計算機，在桌面雙擊圖標(biāo) 自動控制實驗系統(tǒng) 運行軟件。3.檢查USB 線是否連接好，在實驗項目下拉框中選中任實驗，點擊按鈕，出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置對話框設(shè)置好參數(shù)按確定按鈕，此時如無警告對話框出現(xiàn)表示通信。4

7、.將實驗結(jié)果添入下表中（1）當(dāng) R2=100KWR=100KWC=1uf，T=0.1S 時： 參數(shù)系統(tǒng)響應(yīng)曲線R3=50K，K1=0.5，K=5R3=100K，K1=1,K=10R3=200K，K1=2,K=20（2）當(dāng) R2=100KWR=100KWC=0.1uf，T=0.01S 時：R3=50K，K1=0.5，K=5R3=100K，K1=1,K=10R3=200K，K1=2,K=20 實驗四 系統(tǒng)頻率特性測量一、實驗?zāi)康?加深了解系統(tǒng)及元件頻率特性的物理概念。2掌握系統(tǒng)及元件頻率特性的測量方法。3掌握利用“李沙育圖形法”測量系統(tǒng)頻率特性的方法。二、實驗儀器1.EL-AT-III型自動控制系

8、統(tǒng)實驗箱一臺。2.計算機一臺。三、實驗原理頻率特性的測量方法：1. 將正弦信號發(fā)生器、被測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集卡按圖連接起來。2. 通過AD/DA卡產(chǎn)生不同頻率和幅值的正弦信號，并輸入到被測系統(tǒng)中。2. 3. AD/DA卡采集被測系統(tǒng)的輸出信號，并顯示在計算機屏幕上。通過比較輸入信號和輸出信號的不同，可以得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。四、實驗內(nèi)容1.模擬電路圖及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。2系統(tǒng)傳遞函數(shù)取R3=500k，則系統(tǒng)傳遞函數(shù)為若輸入信號,則在穩(wěn)態(tài)時，其輸出信號為改變輸入信號角頻率值，便可測得U2/U1和隨變化的數(shù)值，這個變化規(guī)律就是系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。F(Hz)(rad/s)理論值實測值L（）（）2Xm2

9、yo2YmL()()李沙育圖形120.634-7.769199234921250.640-7見下圖242.747-20.1702000100827273.000-20見下圖3.67.27.110-85.7342006422842717.000-90見下圖510-1.282-146.444198510091990-1.300-147見下圖F=1HzF=2HzF=3.6HzF=5HzF=10Hz畫出被測系統(tǒng)的開環(huán)L （）曲線與（）曲線。F=1F=2F=3.6F=5畫出波特圖F=1F=2F=3.6F=5李沙育圖形法測量實驗的精度：用“李沙育圖形”測量頻率特性的精度從上面的分析處理上也可以看出是比較高

10、的，但是在實驗結(jié)果和理論的結(jié)果之間還是存在一定的差距，分析可知這些誤差主要來自于從“李沙育圖形”上讀取數(shù)據(jù)的時候存在的誤差，也可能是計算機精度方面的誤差。實驗五連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正一、實驗?zāi)康?. 加深理解串聯(lián)校正裝置對系統(tǒng)動態(tài)性能的校正作用。2. 對給定系統(tǒng)進行串聯(lián)校正設(shè)計，并通過模擬實驗檢驗設(shè)計的正確性。二、實驗儀器1EL-AT-III型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺。2計算機一臺。三、實驗內(nèi)容1串聯(lián)超前校正（1）系統(tǒng)模擬電路圖如圖5-1，圖中開關(guān)S斷開對應(yīng)未校情況，接通對應(yīng)超前校正。（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5-2校正前校正后階躍響應(yīng)曲線超調(diào)量（%）67.170峰值時間（ms）0.286無調(diào)節(jié)時間（ms）

11、2.0120.0822串聯(lián)滯后校正（1） 模擬電路圖如圖5-3，開關(guān)s斷開對應(yīng)未校狀態(tài)，接通對應(yīng)滯后校正。（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示如圖5-4校正前校正后階躍響應(yīng)曲線超調(diào)量（%）81.626.19峰值時間（ms）4.142.89調(diào)節(jié)時間（ms）140.945.243串聯(lián)超前滯后校正（1） 模擬電路圖如圖5-5，雙刀開關(guān)斷開對應(yīng)未校狀態(tài)，接通對應(yīng)超前滯后校正。（2） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示如圖5-6。校正前校正后階躍響應(yīng)曲線超調(diào)量（%）78.6929.83峰值時間（ms）0.290.358調(diào)節(jié)時間（ms）3.0840.668四、總結(jié)串聯(lián)校正的特點可歸納如下。（1）串聯(lián)超前校正主要是對未校正系統(tǒng)在中頻段的頻率特性進

12、行校正。確保校正后系統(tǒng)中頻段斜率等于20dB/dec，使系統(tǒng)具有4560的相角裕量。（2）超前校正可以加快系統(tǒng)的反應(yīng)速度。中看到，由于采用了串聯(lián)超前校正，使系統(tǒng)截止頻率增大了。這就說明了超前校正在提高系統(tǒng)反應(yīng)速度方面有較好的效果。但在設(shè)計系統(tǒng)時，還必須全面地看待系統(tǒng)的頻帶寬度擴展這個問題，加大系統(tǒng)的帶寬固然可以使系統(tǒng)反應(yīng)速度加快，但同時它也削弱了系統(tǒng)抗干擾的能力。因此，當(dāng)系統(tǒng)輸入信號中夾雜著較強的干擾時，對系統(tǒng)帶寬的選擇就不能僅從提高快速響應(yīng)反面來考慮，還必須兼顧到系統(tǒng)抑制干擾的能力。（3）串聯(lián)超前校正的使用范圍如果在未校正系統(tǒng)的截止頻率附近，相頻特性的變化率很大，即相角減小得很快，則采用單級串聯(lián)校正效果將不大，這是因為隨著校正后的截止頻率向高頻段的移動，相角在附近將減小得很快，于是在新的截止頻率上便很難得到足夠大的相裕量。在工程實踐中一般不希望a值很大，當(dāng)a20時，如果需要60以上的超前相角時，可以考慮采用兩個或兩個以上的串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)由隔離放大器串聯(lián)在一起使用。在這種情況下，串聯(lián)超前校正提供的總超前相角等于各單獨超前校正網(wǎng)絡(luò)提供的超前相角之和。（4）在相對穩(wěn)定性不變的情況下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度提高了。（5）系統(tǒng)的增益剪切頻率Wc下