自動控制原理實驗指導書(五個實驗)

1、自動控制原理實驗指導書電力學院自動控制原理實驗室二八年三月目錄實驗一典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真 (2實驗二線性定常系統(tǒng)的瞬態(tài)響應 (6實驗三線性系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的研究 (8實驗四系統(tǒng)頻率特性的測量 (11實驗五線性定常系統(tǒng)的串聯(lián)校正 (13附: THBDC-1控制理論.計算機控制技術實驗平臺簡介 (16實驗一典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真一、實驗目的1.熟悉并掌握THBDC-1型控制理論·計算機控制技術實驗平臺及上位機軟件的使用方法。2.熟悉各典型環(huán)節(jié)的電路傳遞函數(shù)及其特性,掌握典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究。3.測量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應曲線,并了解參數(shù)變化對其動態(tài)特性的影響。二、實驗

2、設備1.THBDC-1型控制理論·計算機控制技術實驗平臺2.PC機1臺(含上位機軟件 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3.雙蹤慢掃描示波器1臺(可選4.萬用表1只三、實驗內容1.設計并組建各典型環(huán)節(jié)的模擬電路;2.測量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應,并研究參數(shù)變化對其輸出響應的影響;3.在上位機界面上,填入各典型環(huán)節(jié)數(shù)學模型的實際參數(shù),據(jù)此完成它們對階躍響應的軟件仿真,并與模擬電路測試的結果相比較。四、實驗原理自控系統(tǒng)是由比例、積分、微分、慣性等典型環(huán)節(jié)按一定的關系連接而成。熟悉這些環(huán)節(jié)對階躍輸入的響應,對分析線性系統(tǒng)將是十分有益的。在附錄中介紹了典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、

3、理論的階躍響應曲線和環(huán)節(jié)的模擬電路圖。五、實驗步驟1.熟悉實驗臺,利用實驗臺上的各電路單元,構建所設計比例環(huán)節(jié)(可參考本實驗附錄的模擬電路并連接好實驗電路;待檢查電路接線無誤后,接通實驗臺的電源總開關,并開啟±5V,±15V直流穩(wěn)壓電源。2.把采集卡接口單元的輸出端DA1、輸入端AD2與電路的輸入端U i相連,電路的輸出端U o則與采集卡接口單元中的輸入端AD1相連。連接好采集卡接口單元與PC上位機的通信線。待接線完成并檢查無誤后,操作“THBDC-1”軟件。具體操作步驟如下;1打開PC機,運行軟件“THBDC-1”。2運行“系統(tǒng)”“通道設置”命令,選擇相應的數(shù)據(jù)采集通道(

4、如雙通道,通道1-2,然后點擊“開始采集”按鈕,進行數(shù)據(jù)采集。3運行“窗口”“虛擬示波器”命令。在左邊選擇X-t顯示模式,在右邊選擇相應的數(shù)據(jù)顯示通道,同時點擊相應的“顯示”按鈕;然后點擊“虛擬示波器”左邊的“開始”按鈕開始采集實驗數(shù)據(jù)。3運行“窗口”“信號發(fā)生器”命令,在信號波形類型中選擇“周期階躍信號”;信號幅度為“1V”;信號占空比為“100%”,其它選項的不變。4改變虛擬示波器的顯示量程(S/div或ms/div及輸入波形的放大系數(shù),以便更清晰地觀測波形(一般選擇128ms/d。5點擊“虛擬示波器”上的“暫停”及“存儲”按鈕,保存實驗波形。3.參照本實驗步驟1、2,依次構建相應的積分環(huán)

5、節(jié)、比例積分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)、比例積分微分環(huán)節(jié)及慣性環(huán)節(jié);并觀察各個環(huán)節(jié)實驗波形及參數(shù)。注意:凡是帶積分環(huán)節(jié)的,都需要在實驗前按下“鎖零按鈕”對電路的積分電容放電;實驗時再次按下“鎖零按鈕”取消鎖零。4.點擊“仿真平臺”按鈕,根據(jù)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù),在“傳遞函數(shù)”欄中填入該環(huán)節(jié)的相關參數(shù),如比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為:則在“傳遞函數(shù)”欄的分子中填入“0.1,1”, 分母中填入“0.1,0”即可,然后點擊“仿真”按鈕,即可觀測到該環(huán)節(jié)的仿真曲線,并可與實驗觀察到的波形相比較。注意:仿真實驗只針對傳遞函數(shù)的分子階數(shù)小于等于分母階數(shù)的情況,若分子階數(shù)大于分母階數(shù)(如含有微分項的傳遞函數(shù),則不能進行仿真實

6、驗,否則出錯。5.根據(jù)實驗時存儲的波形及記錄的實驗數(shù)據(jù)完成實驗報告。 六、實驗報告要求1.畫出各典型環(huán)節(jié)的實驗電路圖,并注明參數(shù)。2.寫出各典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。3.根據(jù)測得的典型環(huán)節(jié)單位階躍響應曲線,分析參數(shù)變化對動態(tài)特性的影響。 七、實驗思考題1.用運放模擬典型環(huán)節(jié)時,其傳遞函數(shù)是在什么假設條件下近似導出的?2.積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差別是什么?在什么條件下,慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為積分環(huán)節(jié)?而又在什么條件下,慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為比例環(huán)節(jié)?3.在積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)實驗中,如何根據(jù)單位階躍響應曲線的波形,確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)? 八、附錄1.比例(P 環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分

7、別為 其模擬電路(后級為反相器和單位階躍響應曲線分別如圖1-1所示。其中12R R K =;這里取 R 1=100K ,R 2=200K ,R 0=200K 。通過改變電路中R 1、R 2的阻值,可改變放大系數(shù)。 圖1-1 比例環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應曲線實驗臺上的參考單元:U10、U5 2.積分(I環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為Ks u s u s G i o =(Tss u s u s G i o 1(=SS CS(12+=+= 其模擬電路和單位階躍響應分別如圖1-2所示。圖1-2 積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應曲線其中 T=RC ,這里取 C=10uF ,R=100K ,

8、R 0=200K 。通過改變R 、C 的值可改變響應曲線的上升斜率。實驗臺上的參考單元:U7、U5 3.比例積分(PI環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為其模擬電路和單位階躍響應分別如圖1-3所示。 其中12R R K =,T=R 1C ,這里取C=10uF , R 1=100K ,R 2=100K ,R 0=200K 。通過改變R 2、R 1、C 的值可改變比例積分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K 和積分時間常數(shù)T 。 圖1-3 比例積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應曲線實驗臺上的參考單元:U12、U5 4.比例微分(PD環(huán)節(jié)比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為:1(1(112CS R R R TS K

9、s G +=+= 其中C R T R R K 112,/= 其模擬電路和單位階躍響應分別如圖1-4所示 圖1-4 比例微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應曲線這里取 C=10uF , R 1=100K ,R 2=200K ,R 0=200K 。通過改變R 2、R 1、C 的值可改變比11(11(21211212CSR R R CSR R R CSR CS R s u s u s G i o +=+=+=例微分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K 和微分時間常數(shù)T 。實驗臺上的參考單元:U10、U5 5.比例積分微分(PID環(huán)節(jié)比例積分微分(PID環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為 S T ST Kp s G d i +=

10、1( 其中212211C R C R C R Kp +=,21C R T i =,12C R T d =SC R S C R S C R 2111221(1(+= S C R SC R C R C R C R 12212111221+=SS=(當K P =2,T i =0.1,T d =0.1時 其模擬電路和單位階躍響應曲線分別如圖1-5所示。圖1-5 比例積分微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應曲線其中C 1=1uF ,C 2=1uF ,R 1=100K ,R 2=100K , R 0=200K 。通過改變R 2、R 1、C 1、C 2的值可改變比例積分微分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K 、微分時間常數(shù)T

11、d 和積分時間常數(shù)T i 。實驗臺上的參考單元:U12、U5 6.慣性環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為 其模擬電路和單位階躍響應曲線分別如圖1-6所示。 其中12R R K =,T=R 2C ,這里取C=1uF ,R 1=100K ,R 2=100K ,R 0=200K 。通過改變R 2、R 1、C 的值可改變慣性環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K 和時間常數(shù)T 。 圖1-6慣性環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應曲線實驗臺上的參考單元:U7、U51(+=TS Ks u s u s G io實驗二線性定常系統(tǒng)的瞬態(tài)響應一、實驗目的1.掌握線性定常系統(tǒng)動態(tài)性能指標的測試方法。2.研究線性定常系統(tǒng)的參數(shù)對其動態(tài)性能和

12、穩(wěn)定性的影響。二、實驗設備同實驗一。三、實驗內容1.觀測二階系統(tǒng)的階躍響應,并測出其超調量和調整時間。1,測出此時系統(tǒng)的超調量和調2.調節(jié)二階系統(tǒng)的開環(huán)增益K,使系統(tǒng)的阻尼比=2整時間。3.調節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益K,可使系統(tǒng)的阻尼比分別為:0<<1,=1和>1三種。在實驗中觀測這三種情況下系統(tǒng)的階躍響應曲線。四、實驗步驟1.利用實驗平臺上的通用電路單元,設計一個由積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)組成的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路(具體可參考本實驗附錄的圖1-2。待檢查電路接線無誤后,接通實驗平臺的電源總開關,并開啟±5V,±15V直流穩(wěn)壓電源。注意:凡是帶積分環(huán)節(jié)的,都

13、需要在實驗前按下“鎖零按鈕”對電路的積分電容放電;實驗時再次按下“鎖零按鈕”取消鎖零。2.把采集卡接口單元的輸出端DA1、輸入端AD2與電路的輸入端相連,電路的輸出端則與采集卡接口單元中的輸入端AD1相連。連接好采集卡接口單元與PC上位機的通信線。待接線完成并檢查無誤后,在PC機上啟動“THBDC-1”軟件。具體操作步驟如下;1打開PC機,運行軟件“THBDC-1”。2運行“系統(tǒng)”“通道設置”命令,選擇相應的數(shù)據(jù)采集通道(如雙通道,通道1-2,然后點擊“開始采集”按鈕,進行數(shù)據(jù)采集。3運行“窗口”“虛擬示波器”命令。在左邊選擇X-t顯示模式,在右邊選擇相應的數(shù)據(jù)顯示通道,同時點擊相應的“顯示”

14、按鈕;然后點擊“虛擬示波器”左邊的“開始”按鈕開始采集實驗數(shù)據(jù)。4運行“窗口”“信號發(fā)生器”命令,在信號波形類型中選擇“周期階躍信號”;信號幅度為“1V”;信號占空比為“100%”,其它選項的不變,點擊信號發(fā)生器“開始”。5改變虛擬示波器的顯示量程(S/div或ms/div及輸入波形的放大系數(shù),以便更清晰地觀測波形(一般選擇128ms/d。6點擊“虛擬示波器”上的“暫停”及“存儲”按鈕,保存實驗波形。3.觀察二階系統(tǒng)模擬電路的階躍響應曲線,記錄時間及與其對應的輸出幅值,并測出 4.改變二階系統(tǒng)模擬電路的開環(huán)增益K(改變圖1-2所示電路中Rx 的阻值,具體數(shù)值參考本實驗附錄,觀測當阻尼比為不同值

15、時系統(tǒng)的動態(tài)性能。5.根據(jù)計算機保存的實驗參數(shù)及波形,完成實驗報告。 五、實驗報告要求1.根據(jù)圖1-1的實驗電路圖,寫出其閉環(huán)傳遞函數(shù)。2.根據(jù)測得參數(shù)畫出系統(tǒng)的單位階躍響應曲線,并求出超調量和調節(jié)時間,分析阻尼比對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。 六、附錄典型二階系統(tǒng)的方框圖為 圖2-1 二階系統(tǒng)的方框圖211T T K n =,11221T K T =系統(tǒng)的模擬電路如圖2-2所示(實驗臺上的參考單元:U6、U7、U10、U5 圖2-2 二階系統(tǒng)的模擬電路圖其中C 1=1uF ,C 2=10uF ,R 1=100K ,R 2=100K ,R 0=200K ,Rx 阻值可調范圍為0100K 。 改變圖2-

16、2中電位器Rx 的大小,就能看到系統(tǒng)在不同阻尼比時的時域響應特性,其中Rx=10K 時 0<<1 Rx=47K 時 >1實驗三 線性系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的研究一、實驗目的1.了解不同典型輸入信號對于同一個系統(tǒng)所產生的穩(wěn)態(tài)誤差。2.了解一個典型輸入信號對不同類型系統(tǒng)所產生的穩(wěn)態(tài)誤差。3.研究系統(tǒng)的開環(huán)增益K 對穩(wěn)態(tài)誤差的影響。 二、實驗設備同實驗一。 三、實驗內容1.觀測0型二階系統(tǒng)的單位階躍和斜坡響應,并測出它們的穩(wěn)態(tài)誤差。2.觀測型二階系統(tǒng)的單位階躍和斜坡響應,并測出它們的穩(wěn)態(tài)誤差。3.觀測型二階系統(tǒng)的單位斜坡和拋物線響應,并測出它們的穩(wěn)態(tài)誤差。 四、實驗原理下圖為控制系統(tǒng)的方框圖

17、: 該系統(tǒng)誤差E(S的表達式為:(1(S G S R S E +=式中G(S和H(S分別為系統(tǒng)前向通道和反饋通道中的傳遞函數(shù)。由上式可知,系統(tǒng)的誤差不僅與其結構參數(shù)有關,而且也與其輸入信號R(S的大小有關。本實驗就是研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與上述因素間的關系。有關0型、型和型系統(tǒng)跟蹤不同的輸入信號時穩(wěn)態(tài)誤差的理論計算及其實驗參考模擬電路,請參見附錄。 五、實驗步驟1.利用實驗平臺上的通用電路單元,設計(具體可參考本實驗附錄中的圖3-2一個由兩個慣性環(huán)節(jié)組成的0型二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。待檢查電路接線無誤后,接通實驗平臺的電源總開關,并開啟±5V ,±15V 直流穩(wěn)壓電源。2.把采

18、集卡接口單元的輸出端DA1、輸入端AD2與電路的輸入端相連,電路的輸出端則與采集卡接口單元中的輸入端AD1相連。連接好采集卡接口單元與PC 上位機的通信線。待接線完成并檢查無誤后,在PC 機上啟動“THBDC-1”軟件。觀測0型二階模擬電路的階躍特性,保存實驗曲線并測出其穩(wěn)態(tài)誤差。3.參考實驗步驟2觀測0型二階模擬電路的斜坡響應曲線,并保存實驗曲線,據(jù)此確定其穩(wěn)態(tài)誤差。4.參考實驗步驟1、2、3,設計(具體可參考本實驗附錄中的圖3-4一個由一個積分環(huán)節(jié)(積分環(huán)節(jié)鎖零端的使用請參考實驗一的相關步驟和一個慣性環(huán)節(jié)組成的型二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。并用上位機軟件“THBDC-1”觀測該系統(tǒng)的階躍特性和

19、斜坡特性,保存實驗曲線并分別測出其穩(wěn)態(tài)誤差。5.參考實驗步驟1、2、3,設計(具體可參考本實驗附錄中的圖3-6一個由兩個積分環(huán)節(jié)和一個比例微分環(huán)節(jié)組成的型二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。并用上位機軟件“THBDC-1”觀測該系統(tǒng)的斜坡特性和拋物線特性,保存實驗曲線并分別測出其穩(wěn)態(tài)誤差。注意:1、以上實驗步驟2、3、4、5中的具體操作方法,請參閱“實驗一”中的實驗步驟2。6.本實驗所用的階躍信號、斜坡信號可由實驗平臺的“函數(shù)信號發(fā)生器”、上位機軟件的“信號發(fā)生器”或VBS腳本編輯器編程產生,但拋物線信號必須由上位機軟件的“信號發(fā)生器”或VBS腳本編輯器編程產生。六、實驗報告要求1.畫出0型二階系統(tǒng)的方框

20、圖和模擬電路圖,并由實驗測得系統(tǒng)在單位階躍和單位斜坡信號輸入時的穩(wěn)態(tài)誤差。2.畫出型二階系統(tǒng)的方框圖和模擬電路圖,并由實驗測得系統(tǒng)在單位階躍和單位斜坡信號輸入時的穩(wěn)態(tài)誤差。3.畫出型二階系統(tǒng)的方框圖和模擬電路圖,并由實驗測得系統(tǒng)在單位斜坡和單位拋物線函數(shù)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差。七、實驗思考題1.為什么0型系統(tǒng)不能跟蹤斜坡輸入信號?2.為什么0型系統(tǒng)在階躍信號輸入時一定有誤差存在?3.為使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減小,系統(tǒng)的開環(huán)增益應取大些還是小些?4.解釋系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度對開環(huán)增益K的要求是相矛盾的,如何解決這對矛盾?八、附錄1.0型二階系統(tǒng)0型二階系統(tǒng)的方框圖和模擬電路圖分別為圖3-1和圖3-2所示

21、。 圖3-1 0型二階系統(tǒng)的方框圖圖3-2 0型二階系統(tǒng)的模擬電路圖2.型二階系統(tǒng)圖3-4和圖3-5分別為型二階系統(tǒng)的方框圖和模擬電路圖。 圖3-4 型二階系統(tǒng)的方框圖 圖3-5 型二階系統(tǒng)的模擬電路圖實驗臺上的參考單元:U6、U7、U103.型二階系統(tǒng)圖3-6和圖3-7分別為型二階系統(tǒng)的方框圖和模擬電路圖。 圖3-6 型二階系統(tǒng)的方框圖 圖3-7 型二階系統(tǒng)的模擬電路圖實驗臺上的參考單元:U6、U13、U7、U8、U5實驗四 系統(tǒng)頻率特性的測量一、實驗目的1.了解典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的頻率特性曲線的測試方法。2.根據(jù)實驗求得的頻率特性曲線求取傳遞函數(shù)。二、實驗設備同實驗一。三、實驗內容1.慣性環(huán)節(jié)

22、的頻率特性測試。2.二階系統(tǒng)頻率特性測試。4.由實驗測得的頻率特性曲線,求取相應的傳遞函數(shù)。四、實驗原理設G(S為一最小相位系統(tǒng)(環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。如在它的輸入端施加一幅值為Xm 、頻率為的正弦信號,則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出為sin(sin(+=+=t j G Xm t Y y m 由式得出系統(tǒng)輸出,輸入信號的幅值比(j G Xm j G Xm Xm Ym= 顯然,(j G 是輸入X(t頻率的函數(shù),故稱其為幅頻特性。如用db (分貝表示幅頻值的大小,則式可改寫為Xm Ymj G Lg L lg 20(20(= 在實驗時,只需改變輸入信號頻率的大小(幅值不變,就能測得相應輸出信號的幅值Ym ,代入上式,就

23、可計算出該頻率下的對數(shù)幅頻值。關于被測環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的模擬電路圖,請參見附錄。五、實驗步驟1.利用實驗平臺上的通用電路單元,設計一個慣性環(huán)節(jié)(可參考本實驗附錄的圖4-4的模擬電路。待檢查電路接線無誤后,接通實驗平臺的電源總開關,并開啟±5V ,±15V 直流穩(wěn)壓電源。2.把采集卡接口單元的輸出端DA1、輸入端AD2與電路的輸入端相連,電路的輸出端則與采集卡接口單元中的輸入端AD1相連。連接好采集卡接口單元與PC 上位機的通信線。待接線完成并檢查無誤后,在PC 機上啟動“THBDC-1”軟件。具體操作步驟如下: 點擊“通道設置”按鈕,選擇相應的數(shù)據(jù)采集通道(雙通道,然后點擊“開始

24、采集”按鈕,進行數(shù)據(jù)采集。 點擊“虛擬示波器”按鈕,選擇“Bode ”圖顯示模式,然后點擊 “開始”按鈕。 點擊“信號發(fā)生器”按鈕,選擇“正弦波信號”,并設置好信號幅值,然后點擊“變頻輸出(頻率范圍為0.130Hz ”及“開始”按鈕,即可觀測環(huán)節(jié)的幅頻特性。 注:與操作順序不可顛倒。 點擊“暫?！奔啊按鎯Α卑粹o”,保存實驗波形。3.利用實驗平臺上的通用電路單元,設計一個二階閉環(huán)系統(tǒng)(可參考本實驗附錄的圖4-7的模擬電路。完成二階系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性曲線的測試,并求取其傳遞函數(shù)。具體操作步驟請參考本實驗步驟2。4.根據(jù)實驗時存儲的波形完成實驗報告。六、實驗報告要求1.寫出被測環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的傳遞函數(shù),并

25、畫出相應的模擬電路圖。2.把實驗測得數(shù)據(jù)列表,繪出它們的Bode 圖,并分析實測的Bode 圖產生誤差的原因。3.根據(jù)由實驗測得二階閉環(huán)頻率特性曲線,寫出該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。七、實驗思考題1.在實驗中如何選擇輸入正弦信號的幅值?2.用示波器測試相頻特性時,若把信號發(fā)生器的正弦信號送入Y 軸,被測系統(tǒng)的輸出信號送至X 軸,則根據(jù)橢圓光點的轉動方向,如何確定相位的超前和滯后?3.根據(jù)上位機測得的Bode 圖的幅頻特性,就能確定系統(tǒng)(或環(huán)節(jié)的相頻特性,試問這在什么系統(tǒng)時才能實現(xiàn)?八、 附錄1.慣性環(huán)節(jié)電路圖為: 圖4-1 慣性環(huán)節(jié)的電路圖 圖4-2 典型二階系統(tǒng)的方框圖其中 C=1uF ,R 1=10

26、0K ,R 2=100K ,R 0=200K其幅頻特性為實驗臺上的參考單元:U7、U53.二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)和方框圖為:其模擬電路圖為 圖4-3 典型二階系統(tǒng)的電路圖其中Rx 可調。這里可取100K 1(>、10K 707.00(<<兩個典型值。實驗臺上的參考單元:U6、U10、U5實驗五線性定常系統(tǒng)的串聯(lián)校正在系統(tǒng)分析的基礎上,引入某些參數(shù)可以根據(jù)需要而改變的輔助裝置,來改善系統(tǒng)的性能,這里所用的輔助裝置又叫校正裝置。一般來說,原始系統(tǒng)除放大器增益可調外,其結構參數(shù)不能隨意改變,有的地方將這些部分稱之為“不可變部分”。這樣的系統(tǒng)常常不能滿足要求。如為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能可考慮

27、提高增益,但系統(tǒng)的穩(wěn)定性常常受到破壞,甚至有可能造成不穩(wěn)定。為此,人們常常在系統(tǒng)中引入一些特殊的環(huán)節(jié)校正裝置,以改善其性能指標。在試驗應用中,如何根據(jù)試驗條件和要求來正確選擇校正裝置是我們必須掌握的技能。本實驗為設計性實驗,對給定系統(tǒng)串聯(lián)超前校正進行研究,以知道我們合理設計與選用校正裝置。一、實驗目的1.熟悉串聯(lián)校正裝置的結構和特性;2.掌握串聯(lián)校正裝置的設計方法和系統(tǒng)的實時調試技術。二、實驗設備同實驗一。三、實驗內容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,并予以實時調試,使之動、

28、靜態(tài)性能均滿足設計要求。4.利用上位機軟件,分別對校正前和校正后的系統(tǒng)進行仿真,并與上述模擬系統(tǒng)實驗的結果相比較。四、實驗原理下圖是一串聯(lián)校正系統(tǒng)的方塊圖: 圖中校正裝置G c(S與實驗電路G0(S是串聯(lián)相連接。串聯(lián)校正裝置有兩種:一種是超前校正,它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;另一種是滯后校正,它是利用滯后校正裝置的高頻幅值衰減特性,使系統(tǒng)在滿足靜態(tài)性能的前提下又能滿足其動態(tài)性能的要求。本實驗采用串聯(lián)超前校正,使校正后的系統(tǒng)同時能滿足動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能的要求。有關串聯(lián)校正裝置的設計和實驗系統(tǒng)的模擬電路,請參看附錄。五、實驗步驟1.利用實驗臺上的各通用單元,組建所設計二階閉

29、環(huán)系統(tǒng)的模擬電路圖(參考本實驗附錄中的圖5-1,并連接好實驗電路;當檢查接線無誤后,接通實驗臺的電源總開關,并開啟±5V,±15V直流穩(wěn)壓電源。2.把采集卡接口單元的輸出端DA1、輸入端AD2與電路的輸入端相連,電路的輸出端則與采集卡接口單元中的輸入端AD1相連。連接好采集卡接口單元與PC上位機的通信線。待接線完成并檢查無誤后,在PC機上啟動“THBDC-1”軟件。在系統(tǒng)的輸入端輸入一階躍信號,觀測該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能指標。具體步驟參考實驗一的步驟2。3.參閱本實驗的附錄,按對系統(tǒng)性能指標的要求設計串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)和相應的模擬電路。4.利用實驗平臺,根據(jù)步驟3設計

30、校正裝置的模擬電路(具體可參考本實驗附錄的圖5-3,并把校正裝置串接到步驟1所設計的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路中(圖5-4。然后輸入一階躍信號,觀測該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能指標。5.改變串聯(lián)校正裝置的相關參數(shù),使系統(tǒng)的性能指標均滿足預定的設計要求。6.利用上位機軟件提供的軟件仿真功能,完成線性系統(tǒng)串聯(lián)校正的軟件仿真研究,并對電路模擬與軟件仿真結果進行相比較。利用上位機軟件提供的軟件仿真功能完成線性系統(tǒng)軟件仿真的具體操作方法請參閱“實驗一”中的實驗步驟4。7.根據(jù)實驗時存儲的波形完成實驗報告。六、實驗報告要求1.根據(jù)對系統(tǒng)性能的要求,設計系統(tǒng)的串聯(lián)校正裝置,并畫出它的電路圖。2.根據(jù)實驗結果,畫出校

31、正前系統(tǒng)的階躍響應曲線及相應的動態(tài)性能指標。3.觀測引入校正裝置后系統(tǒng)的階躍響應曲線,并對實驗所得的性能指標與理論計算值作比較。4.實時調整校正裝置的相關參數(shù),使系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能均滿足設計要求,并分析相應參數(shù)的改變對系統(tǒng)性能的影響。七、實驗思考題1.加入超前校正裝置后,為什么系統(tǒng)的瞬態(tài)響應會變快?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)進行校正?3.實驗時所獲得的性能指標為何與設計時確定的性能指標有偏差?八、附錄1.時域校正法加校正前系統(tǒng)的方框圖和模擬電路分別如圖5-1和圖5-2所示。 圖5-1二階閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖 圖5-2 二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路圖實驗臺上的

32、參考單元:U6、U7、U10、U52.期望特性校正法根據(jù)給定的性能指標,確定期望的開環(huán)對數(shù)幅頻特性L(w,并令它等于校正裝置的對數(shù)幅頻特性L c(w和未校正系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻特性L0(w之和,即L(w= Lc(w+ L0(w 當知道期望開環(huán)對數(shù)幅頻特性 L(w和未校正系統(tǒng)的開環(huán)幅頻特性 L0(w， 就可以求出校 正裝置的對數(shù)幅頻特性 Lc(w= L(w-L0(w 設未校正系統(tǒng)如圖 5-3 所示， 圖 5-3 圖中 T1 = 1 S S 二階系統(tǒng)的方框圖 ， T2 = 0.2 ，K=K1K2=2 則相應的模擬電路為 圖 5-4 二階系統(tǒng)的模擬電路圖 實驗臺上的參考單元：U6、U7、U10、U5 1

33、5 控制理論 附： THBDC-1 控制理論計算機控制技術實驗平臺簡介 THBDC-1 型控制理論計算機控制技術實驗平臺主要是針對 “控制理論”及“計算機 控制技術”這兩門課程而設計的。在實驗的設計上用運放來模擬各種受控對象的數(shù)學模型， 另外還增加了實驗中經(jīng)常使用到的低頻信號發(fā)生器、 交直流數(shù)字電壓表， 便于實驗室其它地 方的使用。 一、硬件部分 硬件部分 1直流穩(wěn)壓電源 直流穩(wěn)壓電源輸出為±5V、±15V 及+24V。 2低頻信號發(fā)生器 見實驗平臺的低頻函數(shù)信號發(fā)生器單元。低頻信號發(fā)生器由單片集成函數(shù)信號發(fā)生器 ICL8038 及外圍電路組合而成，主要輸出有正弦信號、三角

34、波信號、方波信號、斜坡信號和 拋物線信號。輸出頻率分為 T1、T2、T3 為三檔。每一檔正弦信號的范圍為：0.1Hz3.3Hz， 2.5Hz86.4Hz，49.8Hz1.7KHz；Vp-p 值為 25V，而方波信號輸出幅度的 Vp-p 值為 15V。 使用時可根據(jù)需要選擇合適頻率的檔并且調節(jié)“頻率調節(jié)”和“幅度調節(jié)”兩個電位器 即可調節(jié)輸出信號的頻率和幅值。 3實驗通用單元電路 見實驗平臺的 U1U17 單元。這些單元主要由運放、電容、電阻、電位器和一些自由 布線區(qū)等組成。通過接線和短路帽的選擇，可以模擬各種受控對象的數(shù)學模型。 其中 U1 為能控性與能觀性單元，U2 為無源器件單元，U3 為

35、帶調零端的運放單元，U4 為非線性單元，U5 反相器單元，U6-U17 為通用單元電路主要用于比例、積分、微分、慣性 等環(huán)節(jié)電路的構造。 4USB 數(shù)據(jù)采集卡及接口單元 數(shù)據(jù)采集卡采用 THBXD，它可直接插在 IBM-PC/AT 或與之兼容的計算機內，其采樣 頻率為 250K；有 4 路單端 A/D 模擬量輸入，2 路 D/A 模擬量輸出，A/D 與 D/A 轉換精度均 為 12 位；16 路開關量輸入，16 路開關量輸出。接口單元則放于實驗平臺內，用于實驗平臺 與 PC 上位機的連接與通訊。 數(shù)據(jù)采集卡接口部分包含模擬量輸入輸出(AI/AO與開關量輸入輸出(DI/DO兩部分。 其 中列出 AI 有 6 路，AO 有 2 路，DI/DO 各 8 路。 二、上位機軟件使用說明 上位機軟件集虛擬示波器、VBScript 腳本編程器、函數(shù)信號發(fā)生器等于一身。其中虛擬 示波器用于顯示實驗波形，并具有圖形和數(shù)據(jù)存儲、打印功能；VBScript 腳本編程器則提供 了一個開放的編程環(huán)境， 用戶可編寫各種算法及