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文檔簡介
1、肝滬丿、珍實驗報告課程名稱:控制理論(乙)指導(dǎo)老師:成績:實驗名稱:線性定常系統(tǒng)的串聯(lián)較正實驗類型:一同組學(xué)生姓名:一.實驗?zāi)康暮鸵螅ū靥睿┒?、實驗?nèi)容和原理(必填)三.主要儀器設(shè)備(必填)五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理四、操作方法和實驗步驟六、實驗結(jié)果與分析(必填)七. 討論、心得一、實驗?zāi)康?. 通過實驗,理解所加校正裝置的結(jié)構(gòu)、特性和對系統(tǒng)性能的影響;2. 掌握串聯(lián)校正幾種常用的設(shè)計方法和對系統(tǒng)的實時調(diào)試技術(shù)。二、實驗設(shè)備1. THBDC-2型控制理論計算機(jī)控制技術(shù)實驗平臺;2. PC機(jī)一臺(含THBDC-2”軟件)、USB數(shù)據(jù)采集卡、37針通信線1根、16芯數(shù)據(jù)排線、 USB接口線。三、實驗
2、內(nèi)容1. 觀測未加校正裝置時系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能;2. 按動態(tài)性能的要求,分別用時域法或頻域法(期望特性)設(shè)計串聯(lián)校正裝置;3. 觀測引入校正裝置后系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能,并予以實時調(diào)試,使之動、靜態(tài)性能均滿足 設(shè)計要求;4. 利用上位機(jī)軟件,分別對校正前和校正后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真,并與上述模擬系統(tǒng)實驗的結(jié) 果相比較。四、實驗原理圖6-1為一加串聯(lián)校正后系統(tǒng)的方框圖。圖中校正裝置G4S)是與被控對象Go(S)串聯(lián)連接。圖6-1加串聯(lián)校正后系統(tǒng)的方框圖 串聯(lián)校正有以下三種形式:1)超前校正,這種校正是利用超前校正裝置的相位超前特性來改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。2)滯后校正,這種校正是利用滯后校正裝置的高頻幅值衰減
3、特性,使系統(tǒng)在滿足穩(wěn)態(tài)性能的前提下又能滿足其動態(tài)性能的要求。3) 滯后超前校正,由于這種校正既有超前校正的待點,又有滯后校正的優(yōu)點。因而它適用 系統(tǒng)需要同時改善穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能的場合。校正裝置有無源和有源二種?;诤笳吲c被控對 象相連接時,不存在著負(fù)載效應(yīng),故得到廣泛地應(yīng)用。下面介紹兩種常用的校正方法:零極點對消法(時域法;采用超前校正)和期望特性校正法 (采用滯后校正)。1.零極點對消法(時域法)所謂零極點對消法就是使校正變量G(S)中的零點抵消被控對象G,(S)中不希望的極點,以使 系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能均能滿足設(shè)計要求。設(shè)校正前系統(tǒng)的方框圖如圖6-2所示。圖6-2二階閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖性能要求靜
4、態(tài)速度誤差系數(shù):Kv=25 1/S,超調(diào)量:&S0.2;上升時間:GQS。校正前系統(tǒng)的性能分析校正前系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:G0(S) =-蘭一00.25(0.55 +1)S(0.5S + l)系統(tǒng)的速度誤差系數(shù)為:仏=limSGJS) = 25,剛好滿足穩(wěn)態(tài)的要求。根據(jù)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)A(s)= G(s)=52 = _竝1 + G(S)S+2S + 50 S2 +2nS + 求得2Q“=2,= 0.14代入二階系統(tǒng)超調(diào)量西的計算公式,即可確定該系統(tǒng)的超調(diào)量西,即6 =e 戸=0.63.t % - = 3s(A = 0.05)這表明當(dāng)系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)K、的要求后,其動態(tài)性能距設(shè)計要求甚遠(yuǎn)。
5、為此,必須在 系統(tǒng)中加一合適的校正裝置,以使校正后系統(tǒng)的性能同時滿足穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)的要求。校正裝置的設(shè)計 根據(jù)對校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求,確定系統(tǒng)的:和5。即由0.2 = 6* E ,求得0.533(A = 0.05),解得 = 6血0.5根據(jù)辣極點對消法則,令校正裝置的傳遞函數(shù)G(s)= V二!TS +1則校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:G(S) = GgS)=晉1 x麗J莉=而冷相應(yīng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)隕 S)=竺=沁=血G(5)+ 1 治 +S + 25 S? +S/T + 25/T S,+2飆 S + 0,于是有:為使校正后系統(tǒng)的超調(diào)t 20% .這里取歹=05(厲勺163%),貝Q 2x0
6、.5T = 0.04s o這樣所求校正裝置的傳遞函數(shù)為:GS) =0.5S +10.04S +1設(shè)校正裝置Gc(S)的模擬電路如圖6-3或圖6-4 (實驗時可選其中一種)所示。圖6-3校正裝置的電路圖1圖6-4校正裝置的電路圖2其中圖 6-3 中 R2 = R4 = 200匕 匕=400K. R. = 10K. C = 4.7uF 時T = R5C = 10x103x4.7x 106 q0.04S&尺3 +尺2尺4 + R04 yR? + 尺4= 2000 + 40000 + 2000 x 47x10 05400則有 G(S) = WxR十尺2尺3 +只2只4 +csRQ +10.5S +1=
7、0.04S +1而圖 6-4 中 /q=510K, Cx = uF , /?2=39OK, C2 =0.1z/F 時有0.5S +1q0.04S +1圖6-5 (a), (b)分別為二階系統(tǒng)校正前.后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)的示意曲線。(a) (%約為63%)(b)(厲約為)圖6-5加校正裝置前后二階系統(tǒng)的階飯響應(yīng)曲線2.期望特性校正法根據(jù)圖6-1和給定的性能指標(biāo),確定期望的開環(huán)對數(shù)幅頻待性L(e),并令它等于校正裝置 的對數(shù)幅頻特性Lc(ty)和未校正系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻特性L(6?)之和,即L(ty )= Lc(e)+ L(ty )當(dāng)知道期望開環(huán)對數(shù)幅頻特性L(Q)和未校正系統(tǒng)的開環(huán)幅頻特性Lo(c
8、),就可以從Bode 圖上求出校正裝置的對數(shù)幅頻特性Lc(2.后者表示校正后的系統(tǒng)為I型二階系統(tǒng),使它跟蹤階躍輸入無穩(wěn)態(tài)誤差。 設(shè)計步曝繪制未校正系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性曲線,由圖6-6可得:其對數(shù)幅頻特性曲線如圖6-8的曲線厶)(虛線)所示。根據(jù)對校正后系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求,取=4.3% 2 ,相應(yīng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:。心審對其頻率特性為:G(jco)=2.5據(jù)此作出厶(0)曲線(K” =q=2.5,=5 ),如圖6-8的曲線L所示。求 G(S)因為 G(S) = Gr(5)xG (5)o所以Gr(5) =G(S)GJS)2.5(1+ 5)(1+0.25) _ 1.25(1+ S)S(1 + O2
9、S)X 2= S由上式表示校正裝置Ge(S)是PI調(diào)節(jié)器.它的模擬電路圖如圖6-9所示。圖6-8二階系統(tǒng)校正前、校正后的幅頻特性曲線圖6-9 PI校正裝置的電路圖由于心冷舒闆件 其中取 Rf80K (實際電路中取 82K), R2=100K, C=10uF,則 T = R,C = s9校正后系統(tǒng)的方框圖如圖6-10所示。圖6-10二階系統(tǒng)校正后的方框圖圖6-11 (a), (b)分別為二階系統(tǒng)校正前.后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)的示意曲線。圖6-11加校正裝置前后二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線五、實驗步驟及結(jié)果1. 零極點對消法(時域法)進(jìn)行串聯(lián)校正校正前根據(jù)圖6-2二階系統(tǒng)的方框圖,選擇實驗臺上的通用電路單
10、元設(shè)計并組建相應(yīng)的模擬電路, 如圖6-12所示。圖6-12二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路圖(時域法)電路參考單元為:U7、U9、Ull、U6在r輸入端輸入一個單位階躍信號,用上位機(jī)軟件觀測并記錄相應(yīng)的實驗曲線,并與理論值 進(jìn)行比較。實驗測結(jié)果如圖11=22 69YlO.05912=22.636T2FW1A 10,465?.7001 1/X=2 1479測得 =0.641/1o-120.6121.9123.2124.5125.81Z7.1123.4XI二24 79271=1 051*2二22 835T2=l &4161=-1 95784 掃3.59031/AX=0.510B理論值6之U =63ts -
11、= 3s(A = O.O5)校正后圖6-13二階閉環(huán)系統(tǒng)校正后的模擬電路圖(時域法) 電路參考單元為:U7. U2、U9、Ull、U6測得ts=其中 R2 =R4 =200K.R =400K(實際取390K)JJ = 10K,C = 4.7uF o在系統(tǒng)輸入端輸入一個單位階躍信號,用上位機(jī)軟件觀測并記錄相應(yīng)的實驗曲線,并與理論測得最大超調(diào)量4=192理論值05912-2-67C21 05*AXrO.2X8 |31=:11曲81/AX-1 8100值進(jìn)行比較,觀測片是否滿足設(shè)計要求。11n/11.512.2SI313.7514.515.25I6Xl=2 472Yl=-0.059X2=2.G241
12、.1921515a“1.215L/ZlX.6000測得t.= 性能要求:靜態(tài)速度誤差系數(shù)Kv=25 1/s,超調(diào)0.2,上升時間tslso故校正后系統(tǒng)符合系統(tǒng)要求2. 期望特性校正法 校正前根據(jù)圖6-6二階系統(tǒng)的方框圖,選擇實驗臺上的通用電路單元設(shè)計并組建相應(yīng)的模擬電路,如圖6-14所示。圖6-14二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路圖(頻域法)電路參考單元為:U7、U9、Ull、U6在系統(tǒng)輸入端輸入一個單位階躍信號,用上位機(jī)軟件觀測并記錄相應(yīng)的實驗曲線,并與理論 值進(jìn)行比較。實驗測量結(jié)果如圖穩(wěn)態(tài)誤差,理論值,測量值與理論值相近校正后在圖6-14的基礎(chǔ)上加上一個串聯(lián)校正裝置(見圖6-9),校正后的系統(tǒng)如圖6
13、-15所示。圖6-15二階閉環(huán)系統(tǒng)校正后的模擬電路圖(頻域法)注:80K電阻在實際電路中阻值取的是82K。電路參考單元為:U7. U12、U9. Ull、U6在系統(tǒng)輸入端輸入一個單位階躍信號,用上位機(jī)軟件觀測并記錄相應(yīng)的實驗曲線,并與理論值進(jìn)行比較,觀測dp和是否滿足設(shè)計要求。實驗測疑結(jié)果如圖X1=L.36T=-0. Q35X2=2.274Y2=Q.956測得系統(tǒng)超調(diào)量原性能指標(biāo):系統(tǒng)的超調(diào)t 2.故校正后系統(tǒng)符合性能指標(biāo)七、實驗心得與思考題這次的串聯(lián)校正實驗,加深了對理論知識的理解,通過對實驗結(jié)果的分析,對相角裕度、 截止頻率等性能指標(biāo)有了更加直觀的認(rèn)識,學(xué)習(xí)了如何根據(jù)性能指標(biāo)來確定一個系統(tǒng)需要采 用哪種校正方法以達(dá)到性能要求,對自己很有幫助。1. 加入超前校正裝置后,為什么系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)會變快加入超前校正環(huán)節(jié),可以利用其相位超前特性增大系統(tǒng)的相位裕度,改變系統(tǒng)的開環(huán)頻 率特性,加快系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。2. 什么是超前校正裝置和滯后校正裝置,它們各利用校正裝置的什么特性對系統(tǒng)進(jìn)行校正超前校正裝置是利用超前網(wǎng)絡(luò)或PD控制器進(jìn)行串聯(lián)校正的裝置,通過加入超前校正環(huán) 節(jié),利用相位超前特性來增大系統(tǒng)的
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