西電自動控制原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、自動控制原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程編號： ME3121023專業(yè) 自動化 班級 姓名 學(xué)號 實(shí)驗(yàn)時間： 2014年12月一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅和ㄟ^自動控制原理實(shí)驗(yàn)牢固地掌握自動控制原理課的基本分析方法和實(shí)驗(yàn)測試手段。能應(yīng)用運(yùn)算放大器建立各種控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，掌握系統(tǒng)校正的常用方法，掌握系統(tǒng)性能指標(biāo)同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)之間的基本關(guān)系。通過大量實(shí)驗(yàn)，提高動手、動腦、理論結(jié)合實(shí)際的能力，提高從事數(shù)據(jù)采集與調(diào)試的能力，為構(gòu)建系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。二、 實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備（軟、硬件）及儀器使用說明自動控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 一套 計(jì)算機(jī) （已安裝虛擬測量軟件-LABACT） 一臺 椎體連接線 18根實(shí)驗(yàn)一 線性典型環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)（一）、

2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、 了解相似性原理的基本概念。2、 掌握用運(yùn)算放大器構(gòu)成各種常用的典型環(huán)節(jié)的方法。3、 掌握各類典型環(huán)節(jié)的輸入和輸出時域關(guān)系及相應(yīng)傳遞函數(shù)的表達(dá)形式，熟悉各典型環(huán)節(jié)的參數(shù)（K、T）。4、 學(xué)會時域法測量典型環(huán)節(jié)參數(shù)的方法。（二）、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、用運(yùn)算放大器構(gòu)成比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、比例積分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)和比例積分微分環(huán)節(jié)。2、在階躍輸入信號作用下，記錄各環(huán)節(jié)的輸出波形，寫出輸入輸出之間的時域數(shù)學(xué)關(guān)系。3、在運(yùn)算放大器上實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)的參數(shù)變化。（三）、實(shí)驗(yàn)要求：1、 仔細(xì)閱讀自動控制實(shí)驗(yàn)裝置布局圖和計(jì)算機(jī)虛擬測量軟件的使用說明書。2、 做好預(yù)習(xí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的原理圖及相應(yīng)

3、參數(shù)，寫出其傳遞函數(shù)的表達(dá)式，并計(jì)算各典型環(huán)節(jié)的時域輸出響應(yīng)和相應(yīng)參數(shù)（K、T）。3、分別畫出各典型環(huán)節(jié)的理論波形。5、 輸入階躍信號，測量各典型環(huán)節(jié)的輸入和輸出波形及相關(guān)參數(shù)。（四）、實(shí)驗(yàn)原理：實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：1 比例環(huán)節(jié)： Ui-Uo的時域響應(yīng)理論波形： 傳遞函數(shù)：G(s)=Uo(s)/Ui(s)=10/3比例系數(shù)：K=10/3時域輸出響應(yīng)：Uo(t)=10/3 2 慣性環(huán)節(jié)： Ui-Uo的時域響應(yīng)理論波形：傳遞函數(shù)：G(s)=Uo(s)/Ui(s)=1/(0.1s+1)比例系數(shù)：k=1時常數(shù)：T=RC=0.1時域輸出響應(yīng)：Uo(t)=(1-3積分環(huán)節(jié)： Ui-Uo的時域響應(yīng)理論波形：

4、 傳遞函數(shù)：G(s)=Uo(s)/Ui(s)=1/0.1s時常數(shù)：T=0.1時域輸出響應(yīng)：Uo(t)=10t4比例積分環(huán)節(jié)： Ui-Uo的時域響應(yīng)理論波形： 傳遞函數(shù)：G(s)=Uo(s)/Ui(s)=比例系數(shù)：k=5時常數(shù)：T=1/k=0.2時域輸出響應(yīng)：Uo(t)=(1+10t)5比例微分環(huán)節(jié)： Ui-Uo的時域響應(yīng)理論波形： 傳遞函數(shù)：G(s)=Uo(s)/Ui(s)= 1.62s+28.8比例系數(shù)：k=3.6時常數(shù)：T=0.05時域輸出響應(yīng)：Uo(t)= 28.8+1.62(t)6比例積分微分環(huán)節(jié)： Ui-Uo的時域響應(yīng)理論波形： 傳遞函數(shù)：G(s)=Uo(s)/Ui(s)= 比例系數(shù)

5、：k=2時常數(shù)：T=0.01時域輸出響應(yīng)：U0(t)=(90t+9)+0.1（五）、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1、 根據(jù)原理圖構(gòu)造實(shí)驗(yàn)電路。2、 測量輸入和輸出波形圖。3、 將所測得的數(shù)據(jù)填入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表中。（六）、討論與思考1、 寫出各典型環(huán)節(jié)的微分方程（建立數(shù)學(xué)模型）。比例環(huán)節(jié): 慣性環(huán)節(jié): 積分環(huán)節(jié): y(t)=k2、 根據(jù)所描述的各典型環(huán)節(jié)的微分方程，你能否用電學(xué)、力學(xué)、熱力學(xué)和機(jī)械學(xué)等學(xué)科中的知識設(shè)計(jì)出相應(yīng)的系統(tǒng)？請舉例說明，并畫出原理圖。機(jī)械位移系統(tǒng),物體在外力F(t)作用下產(chǎn)生位移y(t)，寫出運(yùn)動方程.m+f+ky(t)=F(t) 3、 利用MATLAB仿真，與實(shí)驗(yàn)中實(shí)測數(shù)據(jù)和波形相比較，分

6、析其誤差及產(chǎn)生的原因。原因：實(shí)驗(yàn)箱中電阻值和電容值得與標(biāo)準(zhǔn)值存在誤差、外界電磁的干擾和信息傳輸時間的延遲滯后,都使得理論值與實(shí)測數(shù)據(jù)與波形存在誤差。（七）、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：名稱參數(shù)理論值實(shí)測值比例環(huán)節(jié)R =100kR1=50kK = R/R1 =2K=Uo / Ui =1.99R =100kR1=100kK = R/R1 =1K=Uo / Ui =1.0035慣性環(huán)節(jié)R=R1=100kC=1µFT=R*C =0.1sT=0.107sC=2µFT=R*C =0.2sT=0.203s積分環(huán)節(jié)R1=100KC=1uFT=R1*C =0.1sT=0.107sC=2 uFT=R1*C

7、=0.2sT=0.214s比例積分環(huán)節(jié)R=R1=200KC=1uFT=R1*C =0.2sT=0.203sC=2uFT=R1*C =0.4sT=0.396s比例微分環(huán)節(jié)R3=100kK=6T=0.06s比例積分微分環(huán)節(jié)C1=1uFC2=1uFTi=0.2Td=0.06s（八）、實(shí)測波形：比例環(huán)節(jié) 慣性環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)比例積分比例微分比例積分微分實(shí)驗(yàn)二 二階系統(tǒng)的性能研究（一）、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^實(shí)驗(yàn)加深理解二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)同系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系。（二）、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、二階系統(tǒng)的時域動態(tài)性能研究；（三）、實(shí)驗(yàn)要求：1、做好預(yù)習(xí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖所示相應(yīng)參數(shù)，寫出系統(tǒng)的開環(huán)，閉環(huán)傳遞函數(shù)。計(jì)算x、wn、tr、t

8、s、tp、s%、等理論值，并繪制單位階躍信號下的輸出響應(yīng)理論波形。 2、自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。（四）、實(shí)驗(yàn)原理：實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：預(yù)習(xí)內(nèi)容：(1) 二階系統(tǒng)時域?qū)嶒?yàn)參數(shù)計(jì)算： 傳遞函數(shù)：G(s)=Uo(s)/Ui(s)=/(0.1R+RS+)超調(diào)量上升時間 tr= 或tr=峰值時間 tp=調(diào)整時間 ts=（五）、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1、根據(jù)原理圖構(gòu)造實(shí)驗(yàn)電路。2、測量時域響應(yīng)波形和數(shù)據(jù)。3、將所測得的數(shù)據(jù)填入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表中。（六）、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)： 輸入電阻R參數(shù)70k40k20k10k5k增益K1.432.551020自然頻率n（計(jì)算值)3.7857.071014.14阻尼比（計(jì)算值)>1過阻尼=

9、1.32臨界阻尼=1欠阻尼=0.707欠阻尼=0.5欠阻尼=0.356超調(diào)量s%計(jì)算值4.3%16.3%30.2%測量值5.1%17.8%31.97%上升時間tr計(jì)算值1.25s0.700s0.471s0.242s0.146s測量值1.327s0.685s0.471s0.246s0.150s峰值時間tP計(jì)算值0.630s0.36s0.238s測量值0.631s0.364s0.235s調(diào)節(jié)時間tS計(jì)算值0.600s0.600s0.600s測量值1.894s0.995s0.599s0.551s0.589s（七）、記錄實(shí)驗(yàn)實(shí)測波形：1、R=70k時上升時間調(diào)節(jié)時間2、R=40k時上升時間調(diào)節(jié)時間3、

10、R=20k時超調(diào)量 +峰值時間上升時間調(diào)整時間4、R=10k時超調(diào)量上升時間峰值時間調(diào)整時間5、R=5k時超調(diào)量+峰值時間上升時間調(diào)節(jié)時間（八）、思考題：1、 在本實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)能否出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，此時電阻值R的取值范圍？答：此次實(shí)驗(yàn)中不可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，因?yàn)殚]環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)一直在s左半平面，滿足勞斯判據(jù)。2、 在系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況，你能否通過改變其它元器件參數(shù)，使系統(tǒng)變得穩(wěn)定？改哪些參數(shù)？如何改？請分別列出，并加以分析。答：增加比例微分控制環(huán)節(jié)和速度反饋控制環(huán)節(jié)，減少原系統(tǒng)的震蕩性和參數(shù)的改變。3、 利用MATLAB仿真，與實(shí)驗(yàn)中實(shí)測數(shù)據(jù)和波形相比較，分析其誤差及產(chǎn)生的原因。答：matl

11、ab仿真得到的數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)與波形相比較大致相同，但是存在誤差；可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中電子線路元件的值有誤差。,儀器的不精確，以及人為讀數(shù)選點(diǎn)上的一點(diǎn)誤差。實(shí)驗(yàn)三 系統(tǒng)時域分析實(shí)驗(yàn)（一）、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、 深入掌握二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)同系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)位置的關(guān)系。2、 掌握高階系統(tǒng)性能指標(biāo)的估算方法及開環(huán)零、極點(diǎn)同閉環(huán)零、極點(diǎn)的關(guān)系。3、能運(yùn)用根軌跡分析法由開環(huán)零極點(diǎn)的位置確定閉環(huán)零極點(diǎn)的位置。（二）、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、運(yùn)用根軌跡法對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析；明確閉環(huán)零、極點(diǎn)的分布和系統(tǒng)階躍響應(yīng)的定性關(guān)系。（三）、實(shí)驗(yàn)要求：1、做好預(yù)習(xí)，根據(jù)原理圖所示相應(yīng)參數(shù)，計(jì)算理論值并繪制根軌圖，用試探法確定主導(dǎo)極點(diǎn)的大致位置。2

12、、用Routh穩(wěn)定判據(jù)，求出系統(tǒng)穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定和不穩(wěn)定時的K值范圍和R的取值。 3、畫出輸入輸出的理論波形(單位階躍信號作用下)。（四）、實(shí)驗(yàn)原理：1、根軌跡：當(dāng)K由0變化時，閉環(huán)特征根在S平面上移動的軌跡城根軌跡，不僅直觀的表示了K 變化時間閉環(huán)特征根的變化，還給出了參數(shù)時閉環(huán)特征根在S平面上分布的影響?？膳卸ㄏ到y(tǒng)的穩(wěn)定性，確定系統(tǒng)的品質(zhì)。穩(wěn)定性：根軌跡若越過虛軸進(jìn)入s右半平面，與虛軸交點(diǎn)的k即為臨界增益。穩(wěn)態(tài)性能：根據(jù)坐標(biāo)原點(diǎn)的根數(shù)，確定系統(tǒng)的型別，同時可以確定對應(yīng)的靜態(tài)誤差系數(shù)。預(yù)習(xí)內(nèi)容：(1) 三階系統(tǒng)時域?qū)嶒?yàn)參數(shù)計(jì)算和根軌跡圖： 選取R=340K的根軌跡圖（五）、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1、根

13、據(jù)原理圖構(gòu)造實(shí)驗(yàn)電路。2、測量時域響應(yīng)波形和相應(yīng)參數(shù)。3、將所測得的數(shù)據(jù)填入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表中。（六）、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：反饋電容C2反饋電容C3穩(wěn)定（衰減振蕩）臨界穩(wěn)定（等幅振蕩）不穩(wěn)定（發(fā)散振蕩R=350kR=40.5kR=38.5k1u1u%=19%tr=1.605stp=2.333sts=3.532sR=40.5kR=38.5k2u%=34.5%tr=1.798stp=3.039sts=6.935sR=43.5kR=38.5k2u1u%=24%tr=1.605stp=2.440sts=5.030sR=71.5kR=38.5k2u%=39.8%tr=1.884stp=3.146sts=10.082

14、sR=84.5kR=38.5k（七）、記錄實(shí)驗(yàn)實(shí)測波形：1、C2=1u,C3=1u,R=350K系統(tǒng)穩(wěn)定時超調(diào)量和上升時間峰值時間調(diào)整時間2、C2=1u,C3=2u, R=350K系統(tǒng)穩(wěn)定時超調(diào)量和上升時間峰值時間調(diào)整時間3、C2=2u,C3=1u, R=350K系統(tǒng)穩(wěn)定時超調(diào)量和上升時間峰值時間調(diào)整時間4、C2=2u,C3=2u, R=350K系統(tǒng)穩(wěn)定時超調(diào)量和上升時間峰值時間調(diào)整時間5、C2=1u,C3=1u, R=40.5K系統(tǒng)臨界穩(wěn)定時6、C2=1u,C3=2u, R=40.5K 發(fā)散振蕩，與5作比較C2=1u,C3=2u, R=43.5K系統(tǒng)臨界穩(wěn)定時7、C2=2u,C3=1u, R

15、=40.5K 發(fā)散振蕩，與5作比較C2=2u,C3=1u, R=71.5K系統(tǒng)臨界穩(wěn)定時8、C2=2u,C3=2u, R=40.5K 發(fā)散振蕩，與5作比較C2=2u,C3=2u, R=84.5K系統(tǒng)臨界穩(wěn)定時9、C2=1u,C3=1u, R=38.5K系統(tǒng)微微發(fā)散振蕩不穩(wěn)定時10、C2=1u,C3=2u, R=38.5K與9作比較11、C2=2u,C3=1u, R=38.5K與9作比較12、C2=2u,C3=2u, R=38.5K與9作比較（八）、思考題：1、系統(tǒng)的性能指標(biāo)不理想時，如何改變系統(tǒng)零、極點(diǎn)的位置使系統(tǒng)性能指標(biāo)得到改善？在實(shí)際中是否可以無限制地改變系統(tǒng)零、極點(diǎn)的位置？請說明理由。答

16、：1、若要使系統(tǒng)穩(wěn)定，則閉環(huán)極點(diǎn)都必須位于s左半平面。2、若要提高系統(tǒng)的快速性，閉環(huán)極點(diǎn)要遠(yuǎn)離虛軸。3、要是平穩(wěn)性好，震蕩要小，則負(fù)數(shù)極點(diǎn)最好位于s平面中與負(fù)實(shí)軸成45夾角線附近。在實(shí)際中不能無限制的改變系統(tǒng)的零、極點(diǎn)的位置，零點(diǎn)對系統(tǒng)根軌跡有排斥的作用，而極點(diǎn)有吸引的作用，因此要合適的選擇零極點(diǎn)的位置使系統(tǒng)具有良好的平穩(wěn)性。2、在本實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況下，不增加零點(diǎn)，而是通過改變其它零、極點(diǎn)的位置，能否使系統(tǒng)穩(wěn)定？如果可以，如何改變？如果不能，為什么？答：通過改變零，極點(diǎn)的位置可以讓系統(tǒng)穩(wěn)定，因?yàn)槿粝到y(tǒng)極點(diǎn)都在s平面內(nèi)，系統(tǒng)穩(wěn)定，所以只要將所有極點(diǎn)移到s左半平面就可以了。3、 利用MAT

17、LAB仿真，與實(shí)驗(yàn)中實(shí)測數(shù)據(jù)和波形相比較，分析其誤差及產(chǎn)生的原因。答：matlab仿真得到的數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)與波形相比較大致相同，但是存在誤差；有可能是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)電子線路中元件的值有誤差。4、 利用MATLAB繪制根軌跡圖。穩(wěn)定 C2=1uF C3=1uF： 穩(wěn)定 C2=1uF C3=2uF:穩(wěn)定 C2=2uF C3=1uF: 穩(wěn)定 C2=2uF C3=2uF:臨界穩(wěn)定 C2=1uF C3=1uF:臨界穩(wěn)定 C2=1uF C3=2uF:臨界穩(wěn)定 C2=2uF C3=1uF:臨界穩(wěn)定 C2=2uF C3=2uF:實(shí)驗(yàn)四 二階系統(tǒng)的性能頻域研究（一）、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、通過實(shí)驗(yàn)加深理解二階系統(tǒng)的性能指

18、標(biāo)同系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系。2、掌握系統(tǒng)頻率特性測試方法。3、研究二階系統(tǒng)頻率特性與系統(tǒng)動態(tài)性能之間的關(guān)系。（二）、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：二階系統(tǒng)的頻域動態(tài)性能研究；（三）、實(shí)驗(yàn)要求：1、自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。2、根據(jù)原理圖所示相應(yīng)參數(shù)，計(jì)算理論值MP 、p、B等理論值，并繪制幅頻、相頻和幅相特性圖.（四）、實(shí)驗(yàn)原理：實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：預(yù)習(xí)內(nèi)容：(1)、二階系統(tǒng)的頻域?qū)嶒?yàn)參數(shù)計(jì)算：傳遞函數(shù)：G(s)=Uo(s)/Ui(s)=/(0.1R+RS+)超調(diào)量上升時間 tr= 或tr=峰值時間 tp=調(diào)整時間 ts=（五）、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1、根據(jù)原理圖構(gòu)造實(shí)驗(yàn)電路。2、測量頻域伯德圖和奈奎斯特圖。3、將所測得的數(shù)據(jù)填入實(shí)驗(yàn)

19、數(shù)據(jù)表中。（六）、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)： 輸入電阻R參數(shù)40K10K增益K2.510自然頻率n（計(jì)算值)510阻尼比（計(jì)算值)臨界阻尼=1欠阻尼=0.5諧振峰值MP(db)計(jì)算值1.15測量值1.23諧振頻率p（rad/s）計(jì)算值7.071測量值7.07截止頻率c(rad/s)計(jì)算值10.0測量值10.04L()=-3.1db時的頻率b（rad/s）測量值3.0912.73()=-90°時的g（rad/s）測量值5.0310.04Re=0時的Im值測量值-0.47-1.02（七）、記錄實(shí)驗(yàn)實(shí)測圖形：40kWbWgIm10kMp+WpWcWbWgIm（八）、思考題：1、 通過實(shí)驗(yàn)?zāi)阌泻涡牡皿w會

20、，發(fā)現(xiàn)了什么問題，有何改進(jìn)意見？答：通過自己親自動手實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步理解了二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)同系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系，雖然剛開始的時候比較難以理解，到最后得到圖形和數(shù)據(jù)時對書上的公式得到驗(yàn)證。2、 利用MATLAB仿真，與實(shí)驗(yàn)中實(shí)測數(shù)據(jù)和波形相比較，分析其誤差及產(chǎn)生的原因。答：matlab仿真得到的數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)與波形相比較，大致相同，但是存在誤差；可能是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)電子線路中元件的值有誤差。課本上的Wb1.6Wc可在高頻段時滿足情況得到驗(yàn)證。3、 利用MATLAB繪制波德圖。臨界阻尼波德圖奈氏圖 欠阻尼波德圖奈氏圖實(shí)驗(yàn)五 校正實(shí)驗(yàn)（一）、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?了解和掌握超前校正的原理。2了解和掌握利用閉環(huán)和開環(huán)的

21、對數(shù)幅頻特性和相頻特性完成超前校正網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)的計(jì)算。3掌握在被控系統(tǒng)中如何串入超前校正網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建一個性能滿足指標(biāo)要求的新系統(tǒng)的方法。 （二）、實(shí)驗(yàn)說明：超前校正的原理是利用超前校正網(wǎng)絡(luò)的相角超前特性，使中頻段斜率由-40dB/dec變?yōu)?20 dB /dec并占據(jù)較大的頻率范圍，從而使系統(tǒng)相角裕度增大，動態(tài)過程超調(diào)量下降；并使系統(tǒng)開環(huán)截止頻率增大，從而使閉環(huán)系統(tǒng)帶寬也增大，響應(yīng)速度也加快。超前校正網(wǎng)絡(luò)的電路圖及伯德圖見圖3-3-1。 圖3-3-1 超前校正網(wǎng)絡(luò)的電路圖及伯德圖超前校正網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為： （1）網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)為： ， （2）在設(shè)計(jì)超前校正網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)使網(wǎng)絡(luò)的最大超前相位角盡可能出現(xiàn)在校正

22、后的系統(tǒng)的幅值穿越頻率c處，即m=c。 網(wǎng)絡(luò)的最大超前相位角為： 或?yàn)椋?（3）的對數(shù)幅頻值為： （4）網(wǎng)絡(luò)的最大超前角頻率為： （5）從式（1）可知，接入超前校正網(wǎng)絡(luò)后被校正系統(tǒng)的開環(huán)增益要下降a倍，因此為了保持與系統(tǒng)未校正前的開環(huán)增益相一致，接入超前校正網(wǎng)絡(luò)后，必須另行提高系統(tǒng)的開環(huán)增益a倍來補(bǔ)償。（三）、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 ：1觀測被控系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性和相頻特性，幅值穿越頻率c，相位裕度，按“校正后系統(tǒng)的相位裕度”要求,設(shè)計(jì)校正參數(shù)，構(gòu)建校正后系統(tǒng)。2觀測校正前、后的時域特性曲線，並測量校正后系統(tǒng)的相位裕度、超調(diào)量Mp、峰值時間tP。3改變 “校正后系統(tǒng)的相位裕度”要求,設(shè)計(jì)校正參數(shù)，構(gòu)建校

23、正后系統(tǒng)，畫出其系統(tǒng)模擬電路圖和階躍響應(yīng)曲線，觀測校正后相位裕度、超調(diào)量Mp、峰值時間tP填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。（四）、實(shí)驗(yàn)步驟：1未校正系統(tǒng)的時域特性的測試 未校正系統(tǒng)模擬電路圖預(yù)習(xí)內(nèi)容：積分時間常數(shù)Ti=R1*C1=0.2s，慣性時間常數(shù) T=R2*C2=0.3s慣性環(huán)節(jié)比例系數(shù)K=R2/R3=300K/50K=6則未校正系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：2未校正系統(tǒng)的頻域特性的測試本實(shí)驗(yàn)將A/D-D/A轉(zhuǎn)換（B2）單元作為信號發(fā)生器，實(shí)驗(yàn)開始后，將按頻率特性掃描點(diǎn)設(shè)置表規(guī)定的頻率值，按序自動產(chǎn)生多種頻率信號，DAOUT輸出施加于被測系統(tǒng)的輸入端r(t)，然后分別測量被測系統(tǒng)的輸出信號的開環(huán)對數(shù)幅值和相位，數(shù)

24、據(jù)經(jīng)相關(guān)運(yùn)算后在虛擬示波器中顯示。未校正系統(tǒng)頻域特性測試的模擬電路圖見圖3-3-4。未校正系統(tǒng)頻域特性測試的模擬電路圖未校正系統(tǒng)開環(huán)伯德圖在開環(huán)對數(shù)幅頻曲線處， ，從開環(huán)對數(shù)相頻曲線中，標(biāo)尺線到標(biāo)尺線與曲線相交處角頻率值為，見上圖。 則未校正系統(tǒng)頻域特性：穿越頻率c= 9.28rad/s相位裕度=19°3預(yù)習(xí)內(nèi)容：超前校正網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì) 未校正系統(tǒng)模擬電路的相位裕度=19°。 如果設(shè)計(jì)要求校正后系統(tǒng)的相位裕度=52°，則網(wǎng)絡(luò)的最大超前相位角必須為：，。其中為考慮所減的角度，一般取5°10°。 據(jù)式（3）可計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)： 據(jù)式（4）可計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的

25、最大超前相位角處的對數(shù)幅頻值為： 在系統(tǒng)開環(huán)幅頻特性曲線上的處，角頻率=14.4 rad/s ，見下圖：未校正系統(tǒng)開環(huán)幅頻特性曲線 據(jù)式（5）可計(jì)算出計(jì)算串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)： 據(jù)式（2）令 C=1u， 計(jì)算出：R4=155K， R5=38.7K超前校正網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為： 4、串聯(lián)超前校正后系統(tǒng)的頻域特性的測試串聯(lián)超前校正后系統(tǒng)頻域特性測試的模擬電路圖見下圖。串聯(lián)超前校正后系統(tǒng)頻域特性測試的模擬電路圖5、串聯(lián)超前校正系統(tǒng)的時域特性的測試串聯(lián)超前校正后系統(tǒng)時域特性測試的模擬電路圖見下圖。 串聯(lián)超前校正后系統(tǒng)時域特性測試的模擬電路圖（五）、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄：性能指標(biāo)系統(tǒng) 超調(diào)量%峰值時間tp(s)上升時

26、間tr(s)調(diào)節(jié)時間ts(s)截止頻率c（rad/s）相位裕（°）未校正系統(tǒng)60.3%0.3000.1611.76610.3818.8°加超前校正環(huán)節(jié)18.9%0.1930.1180.34215.2652.77°(六)、波形記錄：1、未校正系統(tǒng)超調(diào)量+上升時間峰值時間調(diào)節(jié)時間截止頻率相位裕度180°-161.20°=18.8°2、加超前校正環(huán)節(jié)后超調(diào)量和上升時間峰值時間調(diào)節(jié)時間截止頻率相位裕度180°-127.23°=52.77°（七）、思考題：將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論知識對比討論答：加入超前校正環(huán)節(jié)之后，使得系

27、統(tǒng)的輸出波形的超調(diào)量、峰值時間、上升時間、調(diào)節(jié)時間較之前均變小，相角裕度增大，系統(tǒng)變得更加的穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)滿足要求后，測出的相角裕度也滿足要求，不過存在誤差，在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中會不斷的取近似值，測量調(diào)節(jié)可變電阻也存在誤差等等，這些原因都會使得理論與測量值之間產(chǎn)生一定的誤差，不過最終設(shè)計(jì)的校正系統(tǒng)滿足了要求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，使得系統(tǒng)愈加穩(wěn)定，和所學(xué)理論相一致。實(shí)驗(yàn)也讓我加深了對超前校正的理解與記憶，進(jìn)一步鞏固了所學(xué)的知識點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)六 非線性典型環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)（一）、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解相似性原理的基本概念。2、掌握用運(yùn)算放大器構(gòu)成各種常用的典型環(huán)節(jié)的方法。3、掌握各類典型環(huán)節(jié)的輸入和輸出時域關(guān)系。4、學(xué)會時

28、域法測量典型環(huán)節(jié)參數(shù)的方法。（二）、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、用運(yùn)算放大器構(gòu)成飽和、繼電器、死區(qū)、空回（可選做）非線性典型環(huán)節(jié)。2、輸入在 + 5 - 5伏之間可連續(xù)變化的電壓信號，測量各典型環(huán)節(jié)的輸入和輸出波形及相關(guān)參數(shù)。（三）、實(shí)驗(yàn)要求：1、做好預(yù)習(xí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的原理圖及相應(yīng)參數(shù)，寫出其數(shù)學(xué)表達(dá)式，并計(jì)算相關(guān)參數(shù)。2、分別畫出各典型環(huán)節(jié)的理論波形。（四）、實(shí)驗(yàn)原理：實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：1、繼電器特性 Ui-Uo的時域響應(yīng)理論波形： 輸出Uo 2、飽和特性 Ui-Uo的時域響應(yīng)理論波形：比例系數(shù)（斜率）：k=Rf/Ro =2 輸出Uo：3、死區(qū)特性 Ui-Uo的時域響應(yīng)理論波形： 死區(qū)值：=(R2/

29、50)*12(V)=0.4 R2(V) 輸出Uo：4、空回（磁滯回線）特性 Ui-Uo的時域響應(yīng)理論波形： 輸出Uo（六）、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：名稱參數(shù)理論值實(shí)測值飽和特性R =50kR1=10kM=4K = R/R1 =5M=4M=3.624K=5.001繼電器特性R1=10kM=4M=3.658（七）、記錄實(shí)驗(yàn)波形：1繼電器特性測量M測量K=1.007/0.2012飽和特性測量M（八）、思考題：1、 根據(jù)所描述的各非線性典型環(huán)節(jié)，你能否用電學(xué)、力學(xué)、熱力學(xué)和機(jī)械學(xué)等學(xué)科中的知識設(shè)計(jì)出相應(yīng)的系統(tǒng)？請舉例說明，并畫出原理圖。例：確定圖中非線性系統(tǒng)的自振蕩振幅和頻率解：理想繼電特性的描述函數(shù)為 N(A

30、)=4xM/A 由于故-1/N(A)的軌跡為沿整個負(fù)實(shí)軸的直線 線性部分的頻率特性 根據(jù)產(chǎn)生自持振蕩的條件得 2-2=0 解之得=1.4將之代入ReG(j) 得 由 得 A0=2.12、 利用MATLAB仿真，與實(shí)驗(yàn)中實(shí)測數(shù)據(jù)和波形相比較，分析其誤差及產(chǎn)生的原因。答：matlab仿真得到的數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)與波形相比較大致相同，但是存在誤差；有可能是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)電子線路中元件的值有誤差。實(shí)驗(yàn)七 非線性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（一）、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、熟悉非線性系統(tǒng)的分析方法(相平面法)。2、了解控制系統(tǒng)存在非線性環(huán)節(jié)對系統(tǒng)性能的影響。（二）、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：用相平面法分析繼電型非線性系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。（三）、實(shí)驗(yàn)要求：1、做好預(yù)習(xí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的原理圖及結(jié)構(gòu)圖的相應(yīng)參數(shù)計(jì)算在階躍信號作用下誤差e(