自動控制實驗報告(共27頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電氣學(xué)科大類2007 級信號與控制綜合實驗課程實 驗 報 告(基本實驗二:自動控制理論基本實驗) 實驗成績： 評閱人： 指導(dǎo)教師 ： 日 期 ：2010.1.8 實驗評分表基本實驗實驗編號名稱/內(nèi)容實驗分值評分實驗十一：二階系統(tǒng)的模擬與動態(tài)性能研究實驗十二：二階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能研究實驗十四：線性控制系統(tǒng)的設(shè)計與校正實驗十六 控制系統(tǒng)極點的任意配置設(shè)計性實驗實驗名稱/內(nèi)容實驗分值評分創(chuàng)新性實驗實驗名稱/內(nèi)容實驗分值評分教師評價意見總分目 錄本實驗報告的主要內(nèi)容有：（一）正文部分一、 實驗十一：二階系統(tǒng)的模擬與動態(tài)性能研究二、 實驗十二：二階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能研究三、 實驗十四

2、：線性控制系統(tǒng)的設(shè)計與校正四、 實驗十六 控制系統(tǒng)極點的任意配置五、 實驗具體實驗任務(wù)、要完成的實驗?zāi)繕?biāo)、實驗結(jié)果處理與分析及實驗結(jié)論（二）實驗結(jié)論與心得部分六、 實驗心得與自我評價（三）參考文獻(xiàn)部分七、 參考文獻(xiàn)（一）正文部分實驗十一：二階系統(tǒng)的模擬與動態(tài)性能研究 一、實驗原理：見自控實驗指導(dǎo)書第8頁二、實驗?zāi)康模?掌握典型二階系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的測試方法。2通過實驗和理論分析計算的比較，研究二階系統(tǒng)的參數(shù)對其動態(tài)性能的影響。三、實驗內(nèi)容：1在實驗裝置上搭建二階系統(tǒng)的模擬電路（參考圖11-2）。2分別設(shè)置0；01； 1，觀察并記錄(t)為正負(fù)方波信號時的輸出波形C(t)；分析此時相對應(yīng)的各p、

3、s，加以定性的討論。3改變運放A1的電容C，再重復(fù)以上實驗內(nèi)容。4設(shè)計一個一階線性定常閉環(huán)系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)的階躍輸入響應(yīng)確定該系統(tǒng)的時間常數(shù)。四、實驗設(shè)備：1電子模擬裝置1套。2數(shù)字或模擬示波器1臺。五、實驗步驟：1根據(jù)實驗內(nèi)容，自行設(shè)計并完成實驗步驟：2.改變二階系統(tǒng)模擬電路的開環(huán)增益K或時間常數(shù)T，觀測當(dāng)阻尼比或無阻尼自然頻率n為不同值時系統(tǒng)的動態(tài)性能。3請于實驗前根據(jù)實驗內(nèi)容思考一下：改變阻尼比時應(yīng)該改變什么參數(shù)？改變運放A1的電容C實際上又是改變了典型二階系統(tǒng)的什么參數(shù)？改變增益K以及時間常數(shù)T是通過調(diào)什么參數(shù)來完成的？（此問題解答見后面相關(guān)問題）六、實驗波形：1.C=0.68uF，R

4、2=0（阻尼比=0）的階躍響應(yīng):2.C=0.68uF，R2=7.5K（0<阻尼比<1）的階躍響應(yīng)：3.C=0.68uF，R2=15.5K（阻尼比>1）的階躍響應(yīng):4.C=0.47uF，R2=0（阻尼比=0）的階躍響應(yīng):5.C=0.47uF，R2=6.5K（0<阻尼比<1）的階躍響應(yīng)：6.C=0.47uF，R2=15K（阻尼比>1）的階躍響應(yīng)：7.一階線性常閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)波形：六、實驗報告：1對照圖11-1和圖11-2，寫出圖11-2的傳遞函數(shù)，推導(dǎo)典型二階系統(tǒng)參數(shù)和n與圖11-2中哪些實際電路參數(shù)有關(guān)系。2畫出實驗電路圖，并以文字說明所設(shè)計的實驗步驟。（

5、1）.二階系統(tǒng)實驗電路：圖11-2 二階系統(tǒng)模擬電路圖（2）.一階線性常閉環(huán)系統(tǒng)實驗電路：3根據(jù)測得的二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線，分析開環(huán)增益K和時間常數(shù)T對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。答：本實驗中增益K和時間常數(shù)T的調(diào)節(jié)分別通過電阻器R2和電容C的調(diào)節(jié)完成。從系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以判斷：減小增益K和時間常數(shù)T會增大系統(tǒng)響應(yīng)的阻尼比，減小系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量，同時會使系統(tǒng)響應(yīng)變慢。4寫出完成實驗4后的結(jié)論。答：本實驗中去掉中間的慣性環(huán)節(jié)，仍用單位反饋，便構(gòu)成了簡單的一階系統(tǒng)。當(dāng)輸入單位階躍函數(shù)時（實驗中用正負(fù)方波信號代替），輸出由穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量構(gòu)成（存在時域暫態(tài)響應(yīng)），在經(jīng)過35個時間常數(shù)后，輸出趨于穩(wěn)定。七

6、、實驗思考題：1根據(jù)實驗?zāi)M電路圖繪出對應(yīng)的方框圖。消除內(nèi)環(huán)將系統(tǒng)變?yōu)橐粋€單位負(fù)反饋的典型結(jié)構(gòu)圖。此時能知道系統(tǒng)中的阻尼比體現(xiàn)在哪一部分嗎？如何改變的數(shù)值？答：根據(jù)模擬電路容易作出系統(tǒng)的方框圖，稍微研究便會發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的阻尼比體現(xiàn)在實驗中對電位器R2的調(diào)節(jié)，增大R2相當(dāng)于減小系統(tǒng)參數(shù)中K和T，這樣就使阻尼比增大，反之阻尼比減小。2當(dāng)線路中的A4運放的反饋電阻分別為8.2k, 20k, 28k, 40k,50k，102k，120k，180k，220k時，計算系統(tǒng)的阻尼比？答：R2=8.2k，=0.580 ；R2=20k，= 1.414；R2=28k，=1.980 ；R2=40k

7、，=2.828 ；R2=50k，=3.536 ；R2=102k，=7.212 ；R2=120k，=8.485 ；R2=180k，=12.728 ；R2=220k， =15.56。3用實驗線路如何實現(xiàn)0？當(dāng)把A4運放所形成的內(nèi)環(huán)打開時，系統(tǒng)主通道由二個積分環(huán)節(jié)和一個比例系數(shù)為1的放大器串聯(lián)而成，主反饋仍為1，此時的？答：當(dāng)R2調(diào)為零時，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)為無阻尼振蕩，說明此時系統(tǒng)阻尼比為零；當(dāng)把A4運放所形成的內(nèi)環(huán)打開時，系統(tǒng)主通道由二個積分環(huán)節(jié)和一個比例系數(shù)為1的放大器串聯(lián)而成，主反饋仍為1，此時的0.4如果階躍輸入信號的幅值過大，會在實驗中產(chǎn)

8、生什么后果？答：如果階躍信號幅值輸入或者頻率過高，均可能得不到穩(wěn)定或完整的輸出波形，這是因為系統(tǒng)存在一定的幅頻特性和相頻特性及通頻帶，輸入幅值過高可能會導(dǎo)致輸出失真。5在電路模擬系統(tǒng)中，如何實現(xiàn)單位負(fù)反饋？答：在模擬電路很容易實現(xiàn)單位反饋，只要使反饋電阻等于輸入電阻便可簡單的是實現(xiàn)單位反饋。6慣性環(huán)節(jié)中的時間常數(shù)T改變意味著典型二階系統(tǒng)的什么值發(fā)生了改變？ts、tr、tp各值將如何改變？答: 時間常數(shù)T改變意味著典型二階系統(tǒng)的阻尼比和無阻尼自然頻率均發(fā)生變化，T的增大會造成阻尼比減小，系統(tǒng)超調(diào)量變大，但阻尼自然頻率會減小，是系統(tǒng)響應(yīng)變慢（由于存在參數(shù)K的影響，響應(yīng)在一定的K值下，響應(yīng)也可能會變

9、快）。7典型二階系統(tǒng)在什么情況下不穩(wěn)定？用本實驗裝置能實現(xiàn)嗎？為什么？答：當(dāng)系統(tǒng)在右復(fù)半平面存在閉環(huán)極點時，系統(tǒng)會變的不穩(wěn)定；用本實驗裝置無法實現(xiàn)，因為本實驗所提供的模擬電路中的同相輸入端是直接接地的，無法從同相輸入端輸入信號，便無法和反相輸入端的積分環(huán)節(jié)一起構(gòu)造具有正實部的閉環(huán)極點，所以用本實驗提供的裝置無法構(gòu)造不穩(wěn)定二階系統(tǒng)。8采用反向輸入的運算放大器構(gòu)成系統(tǒng)時，如何保證閉環(huán)系統(tǒng)是負(fù)反饋性質(zhì)？你能提供一簡單的判別方法嗎？答：可以簡單的根據(jù)輸出反饋環(huán)節(jié)和輸入之間放大環(huán)節(jié)即放大器的數(shù)目進(jìn)行判定；當(dāng)放大環(huán)節(jié)為奇次時，輸出反饋為負(fù)反饋，否則輸出反饋為正反饋。實驗十二：二階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能研究一、 實

10、驗原理：見自控實驗指導(dǎo)書第1112頁二、 實驗?zāi)康模?進(jìn)一步通過實驗了解穩(wěn)態(tài)誤差與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)及輸入信號的關(guān)系：（1）了解不同典型輸入信號對于同一個系統(tǒng)所產(chǎn)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(chǎn)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。2了解擾動信號對系統(tǒng)類型和穩(wěn)態(tài)誤差的影響。3研究減小直至消除穩(wěn)態(tài)誤差的措施。三、實驗內(nèi)容：設(shè)二階系統(tǒng)的方框圖如圖12-2：圖12-2 方框圖圖12-3 圖3-2的模擬電路圖系統(tǒng)的模擬電路圖如圖12-3： 1進(jìn)一步熟悉和掌握用模擬電路實現(xiàn)線性控制系統(tǒng)方框圖以研究系統(tǒng)性能的方法，在實驗裝置上搭建模擬電路；2自行設(shè)計斜坡函數(shù)信號產(chǎn)

11、生電路，作為測試二階系統(tǒng)斜坡響應(yīng)的輸入信號（實驗裝置上只有周期性方波信號作為階躍信號輸入）。（提高性實驗內(nèi)容）3觀測0型二階系統(tǒng)的單位階躍和斜坡響應(yīng)，并測出它們的穩(wěn)態(tài)誤差。4觀測型二階系統(tǒng)的單位階躍和斜坡響應(yīng)，并測出它們的穩(wěn)態(tài)誤差。5觀測擾動信號在不同作用點輸入時系統(tǒng)的響應(yīng)及穩(wěn)態(tài)誤差。6根據(jù)實驗?zāi)康暮鸵陨蟽?nèi)容，自行設(shè)計實驗步驟。四、實驗設(shè)備：1電子模擬裝置1套。2數(shù)字或模擬示波器1臺。3自行設(shè)計的斜坡信號產(chǎn)生電路，或?qū)嶒炇抑械暮瘮?shù)發(fā)生器（產(chǎn)生周期性斜坡信號）。五、實驗步驟：1階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差：(1) 當(dāng)r(t)1(t)、f(t)0時，且A1(s)、A3(s)為慣性環(huán)節(jié)，A2(s)為比例環(huán)節(jié)，

12、觀察系統(tǒng)的輸出C(t)和穩(wěn)態(tài)誤差SS，并記錄開環(huán)放大系數(shù)的變化對二階系統(tǒng)輸出和穩(wěn)態(tài)誤差的影響。(2) 將A1(s)或A3(s)改為積分環(huán)節(jié)，觀察并記錄二階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和變化。(3) 當(dāng)r(t)0、f(t)1(t)時，擾動作用點在f點，且A1(s)、A3(s)為慣性環(huán)節(jié)，A2(s)為比例環(huán)節(jié)，觀察并記錄系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差SS 。改變A2(s)的比例系數(shù)，記錄SS的變化。(4) 當(dāng)r(t)0、f(t)1(t)時，且A1(s)、A3(s)為慣性環(huán)節(jié)，A2(s)為比例環(huán)節(jié)，將擾動點從f點移動到g點，觀察并記錄擾動點改變時，擾動信號對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差SS的影響。(5) 當(dāng)r(t)0、f(t)1(t)，擾動作

13、用點在f點時，觀察并記錄當(dāng)A1(s)、A3(s)分別為積分環(huán)節(jié)時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差SS的變化。(6) 當(dāng)r(t)1(t)、f(t)1(t)，擾動作用點在f點時，分別觀察并記錄以下情況時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差SS： a. A1(s)、A3(s)為慣性環(huán)節(jié)；b. A1(s)為積分環(huán)節(jié)，A3(s)為慣性環(huán)節(jié)；c. A1(s)為慣性環(huán)節(jié)，A3(s)為積分環(huán)節(jié)。六、實驗波形：（1）. r(t)1(t)、f(t)0，R2=19.971k（1）. r(t)1(t)、f(t)0，R2=48.58k（2）. r(t)1(t)、f(t)0，A3為積分環(huán)節(jié)，R2=20k（3）. r(t)0、f(t)1(t)，R2=1k（3）.

14、 r(t)0、f(t)1(t)，R2=20k（4）. r(t)0、g (t)1(t)，R2=20k（5）. r(t)0、f(t)1(t)，A1為積分環(huán)節(jié), R2=2k（5）. r(t)0、f(t)1(t)，A3為積分環(huán)節(jié), R2=20k（6）. r(t)0、f(t)1(t)，A1,A3為慣性環(huán)節(jié), R2=20k（6）. r(t)0、f(t)1(t)，A1積分環(huán)節(jié),A3為慣性環(huán)節(jié), R2=20k（6）. r(t)0、f(t)1(t)，A1為慣性環(huán)節(jié),A3為積分環(huán)節(jié), R2=20k六、實驗報告：1畫出搭建的實驗電路圖。答：見實驗內(nèi)容部分。2記錄實驗中各步驟以及觀察到的波形變化（趨勢或曲線）。答：各

15、部分實驗波形見上諸圖。3總結(jié)二階系統(tǒng)哪些參數(shù)會影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提出減小直至消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的措施（分別敘述消除參考輸入和擾動輸入引起的誤差的措施）。答：二階系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差與系統(tǒng)的型及輸入函數(shù)的階數(shù)有關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)的型大于與其相適應(yīng)輸入函數(shù)的階數(shù)時，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為零，反之為無窮大；當(dāng)輸入函數(shù)的階數(shù)與系統(tǒng)的型相適應(yīng)時，穩(wěn)態(tài)誤差的大小與前向通道的增益K有關(guān)，增益K越大則穩(wěn)態(tài)誤差愈小，反之越大。七、實驗思考題：1系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)的變化對其動態(tài)性能(p、ts、tp)的影響是什么？對其穩(wěn)態(tài)性能（SS）的影響是什么？從中可得到什么結(jié)論？答：在本實驗中，根軌跡分析可知K的變化使得閉環(huán)極點位置發(fā)生變化，K增大極點

16、垂直遠(yuǎn)離實軸，超調(diào)量p增大，調(diào)節(jié)時間ts與極點實部相關(guān)，因此不變，峰值時間tp與虛部成反比，因此減小。而實驗結(jié)果可知K值的增大使得穩(wěn)態(tài)誤差減小。由此可以知道，系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)對系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都產(chǎn)生影響。2對于單位負(fù)反饋系統(tǒng)，當(dāng)SSlimr(t)-C(t)時，如何使用雙線示波器觀察系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差？對于圖3-2所示的實驗線路，如果將系統(tǒng)的輸入r(t)送入示波器的y1通道，輸出C(t)送入示波器的y2通道，且y1和y2增益檔放在相同的位置，則在示波器的屏幕上可觀察到如圖12-4所示的波形，這時你如何確認(rèn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差SS？圖12-4 實驗中的波形 答：用雙線示波器將信號r(t)和C(t)分

17、別在兩個通道輸出，然后根據(jù)兩信號穩(wěn)態(tài)值在示波器上的顯示作其差值就可以得到穩(wěn)態(tài)誤差。Y1的穩(wěn)態(tài)值很明顯，y2則還有少量的振蕩，估算y2中振蕩的中間位置，然后將兩穩(wěn)態(tài)值相減即可。3當(dāng)r(t)0時，實驗線路中擾動引起的誤差SS應(yīng)如何觀察？答：r(t)0時，在干擾點輸入信號后，觀察此時的輸出信號的穩(wěn)態(tài)值，這個穩(wěn)態(tài)值就是干擾引起的誤差。4當(dāng)r(t)1 (t)、f(t)1 (t)時，試計算以下三種情況下的穩(wěn)態(tài)誤差SS：圖12-5 (a)圖12-5 （b)圖12-5 （c) 答：a)傳函為  穩(wěn)態(tài)誤差為 。(b)傳函為  穩(wěn)態(tài)誤差為 。(c)傳函為 

18、;，穩(wěn)態(tài)誤差為圖12-6 (a)圖12-5 (b)5試求下列二種情況下輸出C(t)與比例環(huán)節(jié)K的關(guān)系。當(dāng)K增加時C(t)應(yīng)如何變化？ 答：a計算可得這時的閉環(huán)傳函為因此K增加時，C(t)應(yīng)減小。b計算可得這時的閉環(huán)傳函為因此K增加時，C(t)應(yīng)增大。6為什么0型系統(tǒng)不能跟蹤斜坡輸入信號？答：因為當(dāng)系統(tǒng)為0型，斜坡輸入時，用終值定理算穩(wěn)態(tài)誤差時發(fā)現(xiàn)s是無法消去的，此時穩(wěn)態(tài)誤差為無窮大，因此不能跟蹤斜坡輸入信號。7為什么0型系統(tǒng)在階躍信號輸入時一定有誤差存在？答：因為0型系統(tǒng)階躍信號輸入時，由終值定理可得穩(wěn)態(tài)誤差為1/（1+k），因此一定是有誤差存在的。8為使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減小，系統(tǒng)的開環(huán)增益應(yīng)取

19、大些還是小些？答：由實驗結(jié)果和理論分析可知，穩(wěn)態(tài)誤差是隨K的增大而減小的，因此為得到較小的穩(wěn)態(tài)誤差，系統(tǒng)的開環(huán)增益應(yīng)取大些。9本實驗與實驗一結(jié)果比較可知，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。矛盾的關(guān)鍵在哪里？在控制工程中如何解決這對矛盾？答：矛盾是由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)決定的。從該二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)的研究容易發(fā)現(xiàn)，通過對前向通道增益K的調(diào)節(jié)僅能改變系統(tǒng)的阻尼比或者無阻尼自然頻率，無法同時實現(xiàn)對二者的同時調(diào)節(jié)，即無法在獲得小的穩(wěn)態(tài)誤差的同時獲得快的時域響應(yīng)（即好的動態(tài)性能）。若想解決該矛盾，必須引入新的反饋參數(shù)（例如可以引入速度反饋或者狀態(tài)空間反饋）或者引入校正環(huán)節(jié)（例如超

20、前校正、滯后校正或者超前滯后校正），這在控制工程中都是一些常用的改變系統(tǒng)性能的技術(shù)手段。實驗十四：線性控制系統(tǒng)的設(shè)計與校正一、實驗原理：見自控實驗指導(dǎo)書第2022頁二、實驗?zāi)康模?熟悉串聯(lián)校正裝置的結(jié)構(gòu)和特性；2掌握串聯(lián)校正裝置的設(shè)計方法和對系統(tǒng)的實時調(diào)試技術(shù)。三、實驗內(nèi)容：1接好預(yù)先設(shè)計需要校正的被控對象的模擬電路，推導(dǎo)控制系統(tǒng)校正前（即被控對象）的開環(huán)傳遞函數(shù)，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，用頻域法（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Matlab仿真軟件，分別對校正前和校正前

21、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，并予以總結(jié)。四、實驗設(shè)備：1自動控制理論電子模擬裝置1套。2數(shù)字或模擬示波器1臺。3自行設(shè)計的串聯(lián)校正模擬電路。4計算機1臺。五、實驗步驟：1利用自動控制理論電子模擬裝置平臺作為被控對象（校正前系統(tǒng)），畫出校正前系統(tǒng)的模擬電路，并連接電子模擬裝置中各環(huán)節(jié)以實現(xiàn)。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(biāo)。2參閱實驗的附錄，按對系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求設(shè)計串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)和相應(yīng)的模擬電路。3利用實驗平臺，根據(jù)步驟2設(shè)計校正裝置的模擬電路(具體可參考本實驗附錄)，并把校正裝置串接到步驟1所設(shè)計的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路中，然后在

22、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(biāo)。4改變串聯(lián)校正裝置的相關(guān)參數(shù)，使系統(tǒng)的性能指標(biāo)均滿足預(yù)定的要求。5利用計算機提供的Matlab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(jié)果進(jìn)行比較。6可將實驗波形存儲后送入計算機中，根據(jù)實驗時存儲的波形完成實驗報告。7. 利用Matlab進(jìn)行分析，以及將示波器采樣數(shù)據(jù)送入計算機存儲等操作方法，六、實驗波形：1.校正前系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線：2.校正后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線：六、實驗報告：1根據(jù)實驗對系統(tǒng)性能的要求，設(shè)計系統(tǒng)的串聯(lián)校正裝置，并畫出它的電路圖。答：校正前系統(tǒng)模擬電路：校正環(huán)節(jié)模擬電路：2根據(jù)實驗結(jié)

23、果，畫出校正前系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線及相應(yīng)的動態(tài)性能指標(biāo)。答：校正前系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線見上圖；原系統(tǒng)的超調(diào)量PO=80%，峰值時間 Tp=0.02s；要求引入校正環(huán)節(jié)后是系統(tǒng)的超調(diào)量在40%以內(nèi)，響應(yīng)速度不變。3觀測引入校正裝置后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線,并對實驗所得的性能指標(biāo)與理論計算值作比較。答：引入矯正環(huán)節(jié)后的階躍響應(yīng)曲線見上圖；此時系統(tǒng)的超調(diào)量PO=36%，上升時間Tp=0.022s。在阻尼比按設(shè)計要求增大后超調(diào)量和響應(yīng)時間均達(dá)到了設(shè)計要求。4實時調(diào)整校正裝置的相關(guān)參數(shù),使系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能均滿足設(shè)計要求，并分析相應(yīng)參數(shù)的改變對系統(tǒng)性能的影響。答：由于設(shè)計要求中對穩(wěn)態(tài)誤差沒有嚴(yán)格的要求，僅對系統(tǒng)的

24、超調(diào)量提出了要求，因此引入了超前校正環(huán)節(jié)，增加了系統(tǒng)的相位裕度（即使PM>30度）,根據(jù)這個要求可以簡單設(shè)計超前校正器，很容易實現(xiàn)性能要求。改變校正器的相關(guān)參數(shù)可以改變增益穿越頻率，進(jìn)一步增大系統(tǒng)的帶寬，使系統(tǒng)響應(yīng)的速度更快，但有可能引入干擾噪聲，給系統(tǒng)帶來問題。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(yīng)會變快？答：因為加入超前校正環(huán)節(jié)后，增加了系統(tǒng)的開環(huán)帶寬，由于響應(yīng)結(jié)果中往往包含了高頻段，而這在通常情況下就加快了系統(tǒng)響應(yīng)的速度，使系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)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(jìn)行校正？答：超前校正即是在原系統(tǒng)前向通道中引入超前

25、相位環(huán)節(jié)，是系統(tǒng)在保持幅頻特性不變時，增加系統(tǒng)增益頻率穿越的相位裕度，滿足時域性能指標(biāo)，超前校正利用校正裝置的相頻特性進(jìn)行校正，同時幅頻特性影響增益穿越頻率；而滯后校正則是相對與超前校正而言的，其實并不名副其實，它是通過校正環(huán)節(jié)衰減增益穿越頻率附近的幅頻特性，改善增益穿越頻率處的相位裕度，來實現(xiàn)時域性能指標(biāo)的要求，滯后校正利用了矯正器的幅頻特性，相頻特性對系統(tǒng)性能影響很小。3實驗時所獲得的性能指標(biāo)為何與設(shè)計時確定的性能指標(biāo)有偏差？答：這是因為校正環(huán)節(jié)為系統(tǒng)引入了開環(huán)極點，這會使系統(tǒng)的震蕩更為劇烈，增大了系統(tǒng)的（理論計算時）的超調(diào)量；而進(jìn)行理論計算時并未考慮開環(huán)極點對系統(tǒng)響應(yīng)的的影響，這樣做的后

26、果就是使最終實驗獲得的性能指標(biāo)與設(shè)計時確定的性能指標(biāo)產(chǎn)生偏差。實驗十六 控制系統(tǒng)極點的任意配置一、 實驗原理：見自控實驗指導(dǎo)書第3233頁二、實驗?zāi)康模?掌握用全狀態(tài)反饋的方法實現(xiàn)控制系統(tǒng)極點的任意配置；2學(xué)會用電路模擬與軟件仿真的方法，研究參數(shù)的變化對系統(tǒng)性能的影響。三、實驗內(nèi)容：1用全狀態(tài)反饋進(jìn)行二階系統(tǒng)極點的任意配置，并自行根據(jù)原理設(shè)計實驗?zāi)M電路系統(tǒng)予以實現(xiàn)。2用全狀態(tài)反饋進(jìn)行三階系統(tǒng)極點的任意配置，并根據(jù)原理設(shè)計模擬實驗電路予以實現(xiàn)。3根據(jù)實驗原理設(shè)計實驗方案，并寫出實驗步驟。4用軟件仿真驗證所設(shè)計的實驗系統(tǒng)的正確性。四、實驗設(shè)備1自動控制理論電子模擬裝置1套。2數(shù)字或模擬示波器1臺

27、。3自行設(shè)計的狀態(tài)反饋部分模擬電路。4計算機1臺。五、實驗步驟：1典型二階系統(tǒng)(1) 設(shè)計一個二階系統(tǒng)的模擬電路（可參考本實驗附錄），測取階躍響應(yīng)，并與軟件仿真結(jié)果相比較。(2) 根據(jù)上面的典型二階系統(tǒng)，用極點配置方法設(shè)計全狀態(tài)反饋的增益矩陣。(3) 按確定的參數(shù)設(shè)計并連接系統(tǒng)的模擬電路，測取階躍響應(yīng)，并與軟件仿真結(jié)果相比較。2典型三階系統(tǒng)(1) 設(shè)計一個三階系統(tǒng)的模擬電路（可參考本實驗附錄），測取階躍響應(yīng)，并與軟件仿真結(jié)果相比較。(2) 根據(jù)上面的典型三階系統(tǒng)，用極點配置方法設(shè)計全狀態(tài)反饋的增益矩陣。(3) 按確定的參數(shù)設(shè)計并連接系統(tǒng)的模擬電路，測取階躍響應(yīng)，并與軟件仿真結(jié)果相比較。以上步驟

28、中，測取階躍響應(yīng)操作方法可參照實驗十一的步驟。六、實驗波形：1. 狀態(tài)反饋前二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線：2.狀態(tài)反饋后二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線：六、實驗報告:：1畫出二階的實驗?zāi)M電路圖：答：狀態(tài)反饋前的實驗?zāi)M電路：2測量以上實驗電路系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線和動態(tài)性能。答：實驗電路的階躍響應(yīng)及動態(tài)性能見各實驗波形。3根據(jù)對系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，確定系統(tǒng)希望的特征多項式。答：對系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求是：經(jīng)過狀態(tài)反饋后使系統(tǒng)有小于20%的超調(diào)量和小于0.4秒的峰值時間。要求的多項式為：4令引入狀態(tài)反饋后系統(tǒng)的特征多項式同希望的特征多項式相等，確定狀態(tài)反饋增益矩陣。答：令 可以得到狀態(tài)反饋的增益矩陣5畫出引入狀態(tài)反

29、饋后的二階，并由實驗測量它們的階躍響應(yīng)曲線。答：狀態(tài)反饋后的模擬實驗電路：狀態(tài)反饋后的階躍響應(yīng)曲線見實驗波形6通過實驗分析得到的結(jié)論。答：本實驗中通過合適的系統(tǒng)狀態(tài)反饋很好的實現(xiàn)了系統(tǒng)性能的各項時域指標(biāo)，進(jìn)一步驗證了“只要將反映系統(tǒng)性能的各個可測量的狀態(tài)變量進(jìn)行合適的狀態(tài)反饋便可以實現(xiàn)各項系統(tǒng)的性能指標(biāo)，得到想要的系統(tǒng)特性?！钡恼n程理論。七、實驗思考題：1系統(tǒng)極點能任意配置的充要條件為什么是狀態(tài)可控？答：因為只有當(dāng)系統(tǒng)是可控時，系統(tǒng)的能控矩陣才是滿秩的，這樣系統(tǒng)的控制標(biāo)準(zhǔn)形才存在，才最終可以得到系統(tǒng)的狀態(tài)反饋增益矩陣，因可以說系統(tǒng)的可控性是系統(tǒng)極點可以任意配置的充要條件，即使是在應(yīng)用特征方程的

30、直接比較法配置極點時也應(yīng)首先考慮系統(tǒng)的可控性。2為什么引入狀態(tài)反饋后的系統(tǒng)，其性能一定會優(yōu)于輸出反饋的系統(tǒng)？答：輸出反饋僅把輸出量反饋給了輸入，僅能實現(xiàn)部分性能要求，而狀態(tài)反饋確實把反映系統(tǒng)特性的各個狀態(tài)量都進(jìn)行了反饋，以此可以實現(xiàn)對系統(tǒng)閉環(huán)極點的任意配置，從而實現(xiàn)所有的系統(tǒng)性能指標(biāo)。相較于輸出反饋，狀態(tài)反饋當(dāng)然能使系統(tǒng)變得更優(yōu)。 3 附錄中圖16-3所示的系統(tǒng)引入狀態(tài)反饋后，能不能使輸出的穩(wěn)態(tài)值高于給定值？答：不能；狀態(tài)反饋只能改變系統(tǒng)的響應(yīng)特性，例如減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)響應(yīng)速度更快等，而不可能使系統(tǒng)的最終穩(wěn)態(tài)輸出大于輸入信號的幅值。各個實驗的具體實驗任務(wù)、要完成的實驗?zāi)繕?biāo)、實驗結(jié)果處

31、理與分析及實驗結(jié)論已經(jīng)在各個實驗部分進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，這里不再贅述，這里主要講述一下在上述實驗過程中一些實驗收獲和心得體會。（二）實驗結(jié)論與心得部分心得與自我評價通過自動控制理論這一些基本實驗的實踐和練習(xí)，我對典型二階系統(tǒng)的響應(yīng)特性及簡單一階系統(tǒng)，有了進(jìn)一步的觀察和認(rèn)識，對系統(tǒng)的特征時域響應(yīng)曲線更加熟悉；通過親手操作對0<<1，1和>1時系統(tǒng)的響應(yīng)特征有了更進(jìn)一步的了解，進(jìn)一步加深了阻尼比決定系統(tǒng)超調(diào)量的決定性影響；通過對二階系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的簡單研究，對系統(tǒng)的型和系統(tǒng)輸入對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的影響有了更明確的認(rèn)識；明確了系統(tǒng)的型數(shù)越高，跟蹤信號的能力越強，而輸入信號的階數(shù)越高，則越不容易被跟蹤，當(dāng)輸入階數(shù)與系統(tǒng)型數(shù)相適應(yīng)是，穩(wěn)態(tài)誤差是常數(shù)，此時穩(wěn)態(tài)誤差由前向通道的增益大小決定，增益越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小，反之越大；通過對觀察輸入擾動對系統(tǒng)響應(yīng)輸出的影響，了解了擾動信號對系統(tǒng)型和穩(wěn)態(tài)誤差的影響；雖然這些知識在線控課程上已經(jīng)學(xué)習(xí)過，但這里經(jīng)過自己的親手實驗對這些知識卻有了更多新的理解，收獲頗多。而設(shè)計性試驗卻使我收獲更多。例如通過對超前校正器和狀態(tài)空間控制器的設(shè)計，切實地了解到了校正環(huán)節(jié)或者狀態(tài)控制器是如何對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響