自控理論實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

1、自動(dòng)控制理論實(shí) 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書(shū)信息工程學(xué)院 2005年10月第一部分 實(shí)驗(yàn)要求1 實(shí)驗(yàn)前做好預(yù)習(xí)。2 嚴(yán)格按照要求操作實(shí)驗(yàn)儀器，用畢恢復(fù)原狀。3 接線(xiàn)完成后，由指導(dǎo)教師檢查后方可通電。4 實(shí)驗(yàn)完成后，由指導(dǎo)教師檢查實(shí)驗(yàn)記錄、驗(yàn)收儀器后，方可離開(kāi)。5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括以下內(nèi)容：1） 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路；3） 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；4） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（測(cè)得的數(shù)據(jù)、波形等）；5） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論。第二部分 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一 二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 學(xué)習(xí)二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法；2 研究二階系統(tǒng)的兩個(gè)參數(shù)對(duì)暫態(tài)性能指標(biāo)的影響。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備1 XMN-2型模擬儀。2 超低頻示波器。3 萬(wàn)用表

2、。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容典型二階系統(tǒng)的框圖如圖1所示：圖1 二階系統(tǒng)框圖其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：用圖2所示電路可模擬二階系統(tǒng)。其中4個(gè)運(yùn)算放大器分別構(gòu)成如下環(huán)節(jié)：圖2 用運(yùn)算放大器構(gòu)建的二階系統(tǒng)上式中op1、op2、op6、op9分別和模擬儀的運(yùn)放單元相對(duì)應(yīng)。無(wú)阻尼自然振蕩角頻率、阻尼比與時(shí)間常數(shù)T、比例系數(shù)K滿(mǎn)足下列關(guān)系：1 無(wú)阻尼自然振蕩角頻率保持不變，改變阻尼比，輸入單位階躍信號(hào)，觀(guān)察和記錄響應(yīng)曲線(xiàn)和最大超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間的變化。1） 取，使，可得。2） 令，其他參數(shù)不變，此時(shí)，。3） 令，其他參數(shù)不變，此時(shí)，。2 阻尼比保持不變，改變無(wú)阻尼自然振蕩角頻率，輸入單位階躍信號(hào)，觀(guān)察和記錄響應(yīng)曲線(xiàn)和最大超調(diào)

3、量、調(diào)整時(shí)間的變化（與上述第一組參數(shù)下的結(jié)果比較）。取，使，可得，。3將以上四組測(cè)量結(jié)果列表給出，并和最大超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間的理論值相比較。四、 思考題1 推導(dǎo)圖2所示電路的閉環(huán)傳遞函數(shù)，并確定、和的關(guān)系。2 該電路的輸出的穩(wěn)態(tài)值是否等于階躍輸入信號(hào)的幅值？為什么？實(shí)驗(yàn)二 典型環(huán)節(jié)的頻率特性一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 學(xué)習(xí)頻率特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法；2 掌握根據(jù)頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制伯德圖的方法。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備1 XMN-2型模擬儀。2 超低頻示波器。3 超低頻信號(hào)發(fā)生器。4 萬(wàn)用表。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 慣性環(huán)節(jié)的頻率響應(yīng)慣性環(huán)節(jié)的電路如圖3所示：圖3 慣性環(huán)節(jié)電路根據(jù)圖3所標(biāo)參數(shù)，可知其傳遞函數(shù)為：由慣性時(shí)間常

4、數(shù)為T(mén) = 0.02s，可得轉(zhuǎn)折頻率為。用超低頻信號(hào)發(fā)生器的正弦波做輸入信號(hào)，信號(hào)幅值調(diào)至1v左右，逐一按表1給出的f值調(diào)整正弦信號(hào)頻率，用雙蹤示波器觀(guān)察和記錄輸入、輸出的幅值比及相位移。表1125810203050801002 積分環(huán)節(jié)的頻率響應(yīng)積分環(huán)節(jié)的電路如圖4所示：圖4 積分環(huán)節(jié)電路根據(jù)圖4所標(biāo)參數(shù)，可知其傳遞函數(shù)為：T = 0.02s為積分時(shí)間常數(shù)。當(dāng)輸入正弦信號(hào)的角頻率為時(shí)，輸出正弦信號(hào)的振幅和輸入相等。用超低頻信號(hào)發(fā)生器的正弦波做輸入信號(hào)，信號(hào)幅值調(diào)至0.5v左右，逐一按表2給出的f值調(diào)整正弦信號(hào)頻率，用雙蹤示波器觀(guān)察和記錄輸入、輸出的幅值比及相位移。表2125810203050

5、801003根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)繪制慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的波德圖，繪制時(shí)將頻率轉(zhuǎn)換為角頻率。將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的波德圖與理論曲線(xiàn)比較。四、 思考題1 測(cè)量環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的頻率響應(yīng)時(shí)，輸入正弦信號(hào)的頻率范圍應(yīng)如何選擇？頻率間隔選多大？2 輸入正弦信號(hào)的幅值應(yīng)如何選？過(guò)大或過(guò)小有何影響？3 時(shí)間常數(shù)改變對(duì)頻率特性有何影響？實(shí)驗(yàn)三 控制系統(tǒng)的校正一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 研究校正裝置對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的影響；4 學(xué)習(xí)校正裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備4 XMN-2型模擬儀。5 超低頻示波器。6 萬(wàn)用表。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容典型二階系統(tǒng)的框圖如圖1所示：圖1 二階系統(tǒng)框圖其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：用圖2所示電路可模擬二階系統(tǒng)。其中4

6、個(gè)運(yùn)算放大器分別構(gòu)成如下環(huán)節(jié)：圖2 用運(yùn)算放大器構(gòu)建的二階系統(tǒng)上式中op1、op2、op6、op9分別和模擬儀的運(yùn)放單元相對(duì)應(yīng)。無(wú)阻尼自然振蕩角頻率、阻尼比與時(shí)間常數(shù)T、比例系數(shù)K滿(mǎn)足下列關(guān)系：在該系統(tǒng)中加入超前校正裝置，使系統(tǒng)的相位裕量50o,增益裕量10dB,同時(shí)保持靜態(tài)速度誤差系數(shù)不變。其傳遞函數(shù)為：參考模擬電路eieoR1+R2=100K傳遞函數(shù)校正后的系統(tǒng)方塊圖校正后的系統(tǒng)模擬電路圖eieo運(yùn)算放大器功能op1,op2,op9,op6同實(shí)驗(yàn)1，op3為超前校正環(huán)節(jié)。1 調(diào)整Rf=40k,使K0.4，計(jì)算此時(shí)未校正系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)KV；2 畫(huà)出未校正系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖，

7、確定其相位裕量和增益裕量；3 觀(guān)察并記錄未校正系統(tǒng)接成放大倍數(shù)為1的反相放大器時(shí)閉環(huán)階躍瞬態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)，標(biāo)出MP,ts;x(t)=I(t)伏4 根據(jù)要求計(jì)算超前網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)T,Kc,確定相應(yīng)的Ric,Rfc,R1,R2,Cc值，構(gòu)成所需要的超前校正裝置；5 按圖將系統(tǒng)接成校正裝置，觀(guān)察并記錄校正后控制系統(tǒng)的階躍瞬態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)（記錄的幅度坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)應(yīng)和曲線(xiàn)相同），標(biāo)出MP,ts，和曲線(xiàn)比較。x(t)=I(t)伏四、 思考題1模擬電路eoei能否作為超前校正裝置？試計(jì)算其傳遞函數(shù)。2若，能否計(jì)算出校正后系統(tǒng)的閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)及與之對(duì)應(yīng)的？附錄 XM2-型模擬儀使用說(shuō)明 一、概述 XMN-2型自動(dòng)控制原理

8、學(xué)習(xí)機(jī)是為配合自動(dòng)控制理論課程而設(shè)計(jì)的電子模擬設(shè)備，以積分器和加法器為基礎(chǔ)，配置了二極管、電位器、分壓器、電阻、電容等部件，可以組成PID調(diào)節(jié)器以及飽和、死區(qū)、遲滯等非線(xiàn)性環(huán)節(jié)。使用簡(jiǎn)單，操作方便，參數(shù)選擇范圍較廣，可靈活地對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行電子模擬使用XMN-2機(jī)對(duì)掌握控制理論、調(diào)試控制系統(tǒng)、選擇校正環(huán)節(jié)的理想?yún)?shù)等方面提供了方便，是學(xué)習(xí)控制理論課程必不可少的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。主要特點(diǎn)：u 自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)，整機(jī)結(jié)構(gòu)合理，單元電路設(shè)置符合控制原理實(shí)驗(yàn)要求參數(shù)改變靈活，排題方便。u 選用進(jìn)口高精度運(yùn)算放大器Op07，它具有高增益，輸入失調(diào)電壓、電流較一般產(chǎn)品小，由它組成的加法器、積分器的“零點(diǎn)”和“積分漂移

9、”較小u 操作面板上設(shè)立了“復(fù)位”鍵，能方便地消除積分器電容上的殘余電荷從而提高了本機(jī)重復(fù)運(yùn)算的精度。u 自帶雙向雙量程電壓表，測(cè)量，調(diào)整方便。二、主要技術(shù)性能1、輸入電源電壓：AC220伏土10%；輸出電壓：土15V；輸出電流：400mA。2、模擬運(yùn)算單元 （1）由Op07運(yùn)算放大器組成的運(yùn)算部件有：積分器6個(gè)；加法器2個(gè)；反向器1個(gè)。 （2）時(shí)間常數(shù)： 40s（max）（3）系數(shù)電位器：8個(gè) （4）非線(xiàn)性環(huán)節(jié)； （5）阻容無(wú)源環(huán)節(jié)。3、電表量程：雙向指針土15伏土1.5伏。4、信號(hào)源：階躍信號(hào)015V；0 -15V可調(diào)。三、結(jié)構(gòu)與原理1、電源部分：本機(jī)電源由變壓器及集成穩(wěn)壓電路等組成。當(dāng)接

10、通電源開(kāi)關(guān)，操作面板的左側(cè)相應(yīng)的插孔即有土15V電壓值，對(duì)應(yīng)LED指示燈亮。請(qǐng)注意：本機(jī)的土15V穩(wěn)壓電壓只供本機(jī)使用。2、運(yùn)算單元的連接方式：（1） 每個(gè)運(yùn)算放大器的輸出瑞均通過(guò)印刷線(xiàn)路連接到按鍵開(kāi)關(guān)和撥碼盤(pán)上，實(shí)現(xiàn)“復(fù)位”和電壓表指示的功能，如圖5（A）、（B）所示。 圖5（A） 圖5（B）復(fù)位按鍵（2） 本機(jī)有9個(gè)運(yùn)算單元，除（9）號(hào)反向器以外，其余八個(gè)單元均可實(shí)現(xiàn)加法、積分、微分等運(yùn)其，其中（7）、（8）兩個(gè)單元的接線(xiàn)安排有利于實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)器的功能。3、其它單元在操作面板上配置了可組成飽和、死區(qū)和遲滯回線(xiàn)等非線(xiàn)性電路的電阻、電容和二極管等元件。4、階躍信號(hào)信號(hào)源接線(xiàn)如圖6所示。K1后

11、加了一級(jí)跟隨器，如“輸入”插口外接超低頻信號(hào)發(fā)生器，則可做控制系統(tǒng)的頻率特性實(shí)驗(yàn)。 圖6 本機(jī)備有“輸入”插口，可以與外加信號(hào)源配合使用如系統(tǒng)輸入抗動(dòng)信號(hào)為階躍信號(hào)，則需要將“輸入”插口接入十15V電源端，撥動(dòng)階躍開(kāi)關(guān)，可得到015V幅度正階躍，或+15V0的負(fù)階躍。同理，“輸入”插口也可接入 15V電源端。四、使用與操作1、使用注意事項(xiàng)（1）使用前，請(qǐng)閱讀本設(shè)備的使用說(shuō)明書(shū)。（2）運(yùn)算放大器Op07插入時(shí)，必須注意其引腳“1”的位置必須與印刷板上所標(biāo)的“1”位置吻合，否則將損壞運(yùn)算放大器。 （3）電壓表的“測(cè)量選擇”必須將K3撥向左方，才能用此表估量其它電壓值。2、操作須知 （1）“復(fù)位”鍵：進(jìn)行再次運(yùn)算前，按“復(fù)位”鍵，使每個(gè)積分反饋回路中的電容通過(guò)按鍵的a、b接點(diǎn)放電，消除電容上的殘余電荷，線(xiàn)路如圖7所示： 圖7 （2）“測(cè)量選擇”撥碼盤(pán)及電壓表：在操作面板右方的電壓表上所指示的電壓值為撥碼盤(pán)上數(shù)碼所選定的運(yùn)算放大器的輸出電壓值，同時(shí)由插口供示波器觀(guān)察相應(yīng)數(shù)碼的運(yùn)算放大器的輸出波形。當(dāng)撥碼盤(pán)0值時(shí)，接階躍電壓輸出端（面板左中部分）。K3撥向左邊時(shí)，電壓表可外接測(cè)量其他電壓。 （3）電壓表量程 正常情況下電壓表量程為土15伏，