控制工程基礎實驗報告

1、控制工程基礎實驗報告院系名稱： 機電工程學院 專業(yè)班級： 機械09-3班 學生姓名： 王賀 學號： 2009041302 指導教師： 趙弘 完成日期 2012年 6 月 6 日實驗一 典型環(huán)節(jié)及其階躍響應實驗目的1學習構(gòu)成典型環(huán)節(jié)的模擬電路。2熟悉各種典型環(huán)節(jié)的階躍響應曲線，了解參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響。3學會由階躍響應曲線計算典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。4熟悉仿真分析軟件。實驗內(nèi)容各典型環(huán)節(jié)的模擬電路如下：1. 比例環(huán)節(jié)2. 慣性環(huán)節(jié)3. 積分環(huán)節(jié)4. 微分環(huán)節(jié)改進微分環(huán)節(jié)5. 比例微分環(huán)節(jié)實驗步驟1用workbench連接好比例環(huán)節(jié)的電路圖，將階躍信號接入輸入端，此時使用理想運放; 2用示

2、波器觀察輸出端的階躍響應曲線，測量有關(guān)參數(shù);改變電路參數(shù)后，再重新測量,觀察曲線的變化。3 將運放改為實際元件，如采用“l(fā)m741,重復步驟2。4 記錄波形和數(shù)據(jù)。5 仿真其它電路，重復步驟2，3，4。實驗總結(jié)通過這次實驗，我對典型環(huán)節(jié)的模擬電路有了更加深刻的了解,也熟悉了各種典型環(huán)節(jié)的階躍響應曲線，了解參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響；熟悉仿真分析軟件。這對以后的控制的學習有很大的幫助。 實驗二 二階系統(tǒng)階躍響應實驗目的1 研究二階系統(tǒng)的兩個重要參數(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。2 學會根據(jù)階躍響應曲線確定傳遞函數(shù)，熟悉二階系統(tǒng)的階躍響應曲線。實驗內(nèi)容 二階系統(tǒng)模擬電路如圖：

3、思考：如何用電路參數(shù)表示和n實驗步驟1 在workbench下連接電路圖；將階躍信號接入輸入端，用示波器觀測記錄響應信號；2取n=10rad/s,即令r=100k,c=1uf：分別取=0，0.25,0.5,0.7,1,2, 即取r1=100k,考慮r2應分別取何值，分別測量系統(tǒng)階躍響應，并記錄最大超調(diào)量p%和調(diào)節(jié)時間ts。3 取=0.5，即r1=r2=100k；n=100rad/s，即取r=100k，c=0.1uf，注意：兩個電容同時改變，測量系統(tǒng)階躍響應，并記錄最大超調(diào)量p%和調(diào)節(jié)時間ts。4 取r=100k，c=1uf，r1=100k，r2=50k，測量系統(tǒng)階躍響應，記錄響應曲線，特別要記

4、錄最大超調(diào)量p%和調(diào)節(jié)時間ts的數(shù)值。5 記錄波形及數(shù)據(jù)。6. 取c=1nf，比較理想運放和實際運放情況下系統(tǒng)的階躍響應。實驗分析由實驗可知：二階系統(tǒng)的階躍響應的超調(diào)量p與n無關(guān)：在01時，即欠阻尼情況下，p隨增大而減小，在欠阻尼情況下，在0.7左右時ts 取得極值；當0，越大，ts 越大。實驗總結(jié)通過本次實驗，我研究二階系統(tǒng)的兩個重要參數(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，同時學會根據(jù)階躍響應曲線確定傳遞函數(shù)，熟悉二階系統(tǒng)的階躍響應曲線。基本完成實驗任務。實驗三 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析實驗目的1 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。實驗電路圖系統(tǒng)模擬電

5、路如圖：其開環(huán)傳遞函數(shù)：實驗步驟1.在workbench下連接電路圖；將階躍信號接入輸入端，用示波器觀測記錄響應信號；2 輸入信號電壓設置為1v，c=1uf，改變電位器r3，使之從0向500k方向變化，此時相應k=0-100。觀察輸出波形，找到系統(tǒng)輸出產(chǎn)生增幅振蕩時相應的r3及k值；再把r3由大變小，找出系統(tǒng)輸出產(chǎn)生等幅振蕩時相應的r3及k值。3使系統(tǒng)工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，即工作在等幅振蕩情況，電容c由1uf變成0.1u，觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。4 記錄波形及數(shù)據(jù)。r3=130k時r3=110k時當r3=76k時當c=0.1k時r3=76kr3=110k 實驗分析c=1uf時系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù): 系統(tǒng)

6、特征方程：由勞斯判據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定條件：k0且10k*0.010.2*1得0k=2時，系統(tǒng)含有實部大于0的極點，根據(jù)穩(wěn)定性判劇，當系統(tǒng)有一個或一個以上實部大于0的極點時系統(tǒng)不穩(wěn)定。實驗結(jié)論通過這次實驗，觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，了解系統(tǒng)開環(huán)增益和時間常數(shù)對穩(wěn)定性的影響。由閉環(huán)傳函的勞斯判據(jù)，可以觀察到開環(huán)增益對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。我們通過這次試驗，對上課所講的不穩(wěn)定現(xiàn)象有了很深的了解，對勞斯判據(jù)的應用有了實際的運用，這對以后的控制知識的學習有很大的意義。實驗四 系統(tǒng)頻率特性測量實驗目的1. 加深了解系統(tǒng)頻率特性的物理概念；2. 掌握系統(tǒng)頻率特性的測量方法；3. 觀察典型環(huán)節(jié)的頻響圖。實驗內(nèi)容模擬電路圖如下

7、: 若輸入信號ui(t)=uisint,則在穩(wěn)態(tài)時，其輸出信號為uo(t)=uosin(t+)。 改變輸入信號角頻率值，便可測得二組uo/ui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。系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：實驗步驟1 連接電路圖；將函數(shù)發(fā)生器信號接入輸入端，用示波器觀測記錄響應信號；2 在函數(shù)發(fā)生器參數(shù)設置一欄中，置輸入信號為正弦波，改變輸入頻率參數(shù)，分別設=0.1,0.5,1,3,5,7,10,20,30,40,50。3 運行仿真命令，觀察輸出波形及其幅值和相位差。4 改變輸入頻率參數(shù)，重復步驟2和3，期間改變幅值項參數(shù)，以使輸出波形達到最佳。5將c=0.01uf,觀察系統(tǒng)的bo

8、de圖；改變運放的型號（lm741），觀察bode圖。=0.1=0.5=1=3=5=7=10=20=30=40=50=5=7=10=20=30=40=50實驗總結(jié)通過本次實驗，了解了系統(tǒng)頻率特性的物理概念并且初步掌握系統(tǒng)頻率特性的測量方法，觀察典型環(huán)節(jié)的頻響圖，成功的完成實驗要求的內(nèi)容。實驗五 開環(huán)頻率特性與系統(tǒng)性能的關(guān)系實驗目的1觀察兩類不同類型的開環(huán)頻率特性與系統(tǒng)性能的關(guān)系；2檢驗中頻段的形狀對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響；3了解低頻段的大時間常數(shù)和高頻段的小時間常數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。實驗原理 由于開環(huán)對數(shù)頻率特性比較容易求得，因而建立它與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系對控制系統(tǒng)的分析和設計十分有用。 利用電子

9、模擬實驗可以更好突出主要因素，避免實際系統(tǒng)中存在的次要因素的影響。同時利用電子模擬裝置，參數(shù)的改變比較方便，更利于進行實驗研究。 為了便于研究，本實驗選擇兩種典型的開環(huán)模型：第一類系統(tǒng)的開環(huán)模型(圖a5.1)、第二類系統(tǒng)的開環(huán)模型(圖a5.2)。很多實際系統(tǒng)具有與它們相似的特性。圖a51 圖a52圖a51所示開環(huán)模型的傳遞函數(shù)為其中w11/t1，w2=1/t2。實現(xiàn)上述傳遞函數(shù)，可采用如圖a5.3的模擬線路。圖5.3由圖可得 k=k1k2k3, k1=1/r1/c1,k2r3/r2, k3=r5/r4，t1=r3c2, t2=r5c3 而圖a5.2所示開環(huán)模型的傳遞函數(shù)為 其中 w1=1/t1

10、, w2=1/t2, w3=1/t3采用圖a5.4所示的模擬實驗線路可獲得該開環(huán)模型的傳遞函數(shù)。圖a5.4由圖可得 k=k1k2k3, k1=1/r1/c1,k2r3/r2, k3=r6/r5，tl(r3+r4)c2，t2r4c2, t3r6c3通過改變r、c參數(shù)，可得到不同形狀的開環(huán)頻率特性。同時觀測輸出電壓的階躍過渡過程，即可研究二者之間的相互關(guān)系。實驗內(nèi)容l. 第一類系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的形狀與系統(tǒng)性能的關(guān)系采用圖a5.3的實驗線路。取rl50k，cl1uf，r220k，c21uf，r320k，r350k，c30.1uf，r450k。 (1)測量輸出uy的階躍響應，求出和ts 。 (2)取r

11、410k，其余參數(shù)同上。重復步驟(1)。2第二類系統(tǒng)中頻段斜率為一20db10倍頻的長度h=w3/w2與系統(tǒng)性能的關(guān)系。 采用圖a5.4的實驗線路，取rl10k，cl1uf，r250k，rd20k，r3(即開路，相當于wl0，即暫不考慮w1的影響，以突出h與系統(tǒng)性能的關(guān)系)，c2分別等于1uf，1.65uf，2uf,3.3uf四種情況，r520k，r650k，c30.1uf。 對于每種情況分別測量輸出uy的階躍響應，并求出和ts。圖a5.5對于c22uf的情況，測量閉環(huán)幅頻特性峰值mr|m(jw)|max和諧振頻率wr。3開環(huán)對數(shù)頻率特性形狀一定的情況下，開環(huán)放大倍數(shù)與系統(tǒng)性能的關(guān)系。 仍用圖a5.4的實驗線路。取c22uf，r5分別等于100k，50k，20k,l0k,其余參數(shù)同實驗內(nèi)容2。對于每種情況測量輸出uy的階躍響應，并求出和ts4低頻段大時間常數(shù)tl對系統(tǒng)性能的影響。 采用圖a5.4的實驗線路。取c22uf，r3分別為開路和100k兩種情況，其余參數(shù)同實驗內(nèi)容2。 對于每種情況測量輸出uy的階躍響應，并求出和ts。改變輸入信號為三角波，觀察系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。5高頻段小時間常數(shù)對系統(tǒng)性能的影響 按圖a5.5所示的實驗線路接線。分別讓c為開路、0.33uf和1uf三種情況。分別測量uy的階躍響應，求出和ts 。=-3.0302v