《自動控制理論》唐嵐學時

1、自動控制理論實驗指導書適用專業(yè):電氣、測控、信息課程代碼：8402510總學時:總學分：編寫單位:電氣信息學院編寫人：審核人：審批人：批準時間：年月日目錄實驗一 實驗代碼1）典型系統(tǒng)地瞬態(tài)響應 2實驗二 實驗代碼2）線性系統(tǒng)地頻率響應分析 5實驗一典型系統(tǒng)地瞬態(tài)響應、實驗目地和任務1、通過模擬實驗，定性和定量地分析二階系統(tǒng)地兩個參數(shù)T和Z對二階系統(tǒng)動態(tài)性能地影響2、通過模擬實驗，定性和定量地分析系統(tǒng)開環(huán)增益K對系統(tǒng)穩(wěn)定性地影響.二、實驗內容1、觀察二階系統(tǒng)地階躍響應，分析二階系統(tǒng)地兩個參數(shù) T和Z對二階系統(tǒng)動態(tài)性能地影響三、實驗儀器、設備及材料TDN-AC/ACS教案實驗系統(tǒng)、導線四、實驗原理

2、1 典型地二階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析(1結構框圖：如圖1-1所示.圖1-1(2對應地模擬電路圖：如圖1-2所示. 其中R取 10 K Q,50 K Q,160 K Q,200 K Q)圖1-2(3理論分析系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:G(S)二S(7S + 1)開環(huán)增益K = %(4實驗內容先算出臨界阻尼、欠阻尼、過阻尼時電阻R地理論值,再將理論值應用于模擬電路中，觀察二階系統(tǒng)地動態(tài)性能及穩(wěn)定性，應與理論分析基本吻合在此實驗中(圖1-2,系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為:T、= 0.2.$， KxS2 + 5S + K其中自然振蕩角頻率:Pt10阻尼比:五、主要技術重點、難點1、 用示波器觀察系統(tǒng)階躍響應C(t時,超調量(T

3、 p% ,峰值時間tp和調節(jié)時間ts地測量2、 從系統(tǒng)階躍響應 C(t波形分析系統(tǒng)穩(wěn)定性六、實驗步驟1. 典型二階系統(tǒng)瞬態(tài)性能指標地測試(1按模擬電路圖1-2接線,將階躍信號接至輸入端，取R = 10K.(2用示波器觀察系統(tǒng)響應曲線 C(t,測量并記錄超調叫、峰值時間tp和調節(jié)時間ts.(3分別按R = 50K ; 160K; 200K;改變系統(tǒng)開環(huán)增益，觀察響應曲線 C(t,測量并記錄性能指標 叫、tp和ts，及系統(tǒng)地穩(wěn)定性并將測量值和計算值(實驗前必須按公式計算出進行比較將實驗結果填入表1-1中七、實驗報告要求''參項目RKQKl/sCO n l/szC(t p>C(

4、x >T P%tpt s階躍響應曲線計 算 值測 量 值計 算 值測 量 值計 算 值測 量 值0<Z <1欠阻 尼1050其中Mp ets 二丄 c（t ） = y 畑八、實驗注意事項1、作實驗前要預習.2、 實驗內容較多，作實驗時注意抓緊時間九、思考題1、在實驗線路中如何確保系統(tǒng)實現(xiàn)負反饋？如果反饋回路中有偶數(shù)個運算放大器，則構成什么反饋？2、有那些措施能增加系統(tǒng)地穩(wěn)定度？它們對系統(tǒng)地性能有什么影響？實驗二線性系統(tǒng)地頻率響應分析一、實驗目地和任務1 掌握波特圖地繪制方法及由波特圖來確定系統(tǒng)開環(huán)傳函2 掌握實驗方法測量系統(tǒng)地波特圖二、實驗內容1 、繪制波特圖及由波特圖來確定

5、系統(tǒng)開環(huán)傳函2 、實驗方法測量系統(tǒng)地波特圖三、實驗儀器、設備及材料+PC機一臺，TD-ACC系列教案實驗系統(tǒng)一套四、實驗原理1 頻率特性當輸入正弦信號時，線性系統(tǒng)地穩(wěn)態(tài)響應具有隨頻率(3由0變至8 而變化地特性頻率響應法地基本思想是：盡管控制系統(tǒng)地輸入信號不是正弦函數(shù)，而是其它形式地周期函數(shù)或非周期函數(shù)，但是,實際上地周期信號，都能滿足狄利克萊條件，可以用富氏級數(shù)展開為各種諧波分量；而非周期信號也可 以使用富氏積分表示為連續(xù)地頻譜函數(shù)因此,根據(jù)控制系統(tǒng)對正弦輸入信號地響應，可推算出系統(tǒng)在任意周期信號或非周期信號作用下地運動情況2 .線性系統(tǒng)地頻率特性系統(tǒng)地正弦穩(wěn)態(tài)響應具有和正弦輸入信號地幅值比

6、）3 j和相位差）3 j/隨角頻率（3由0變到8 變化地特性而幅值比）3 j和相位差）3 j/恰好是函數(shù)）3 j地模和幅角所以只要把系統(tǒng) 地傳遞函數(shù)）S,令3 jS =,即可得到）3 j.我們把）3 j稱為系統(tǒng)地頻率特性或頻率傳遞函數(shù)當3由0到8變化時,）3 j隨頻率3地變化特性成為幅頻特性,）3 j/隨頻率3地變化特性稱為相頻特性.幅頻特性和相頻特性結合在一起時稱為頻率特性3 頻率特性地表達式（1對數(shù)頻率特性：又稱波特圖，它包括對數(shù)幅頻和對數(shù)相頻兩條曲線，是頻率響應法中廣泛使用地一組曲線這兩組曲線連同它們地坐標組成了對數(shù)坐標圖對數(shù)頻率特性圖地優(yōu)點： 它把各串聯(lián)環(huán)節(jié)幅值地乘除化為加減運算，簡化

7、了開環(huán)頻率特性地計算與作圖 利用漸近直線來繪制近似地對數(shù)幅頻特性曲線，而且對數(shù)相頻特性曲線具有奇對稱于轉折頻率點地性質，這些可使作圖大為簡化 通過對數(shù)地表達式，可以在一張圖上既能繪制出頻率特性地中、高頻率特性，又能清晰地畫出其低頻特性（2極坐標圖（或稱為奈奎斯特圖（3對數(shù)幅相圖（或稱為尼柯爾斯圖本次實驗中，采用對數(shù)頻率特性圖來進行頻域響應地分析研究實驗中提供了兩種實驗測試方法：直接測量和間接測量直接頻率特性地測量用來直接測量對象地輸出頻率特性，適用于時域響應曲線收斂地對象如：慣性環(huán)節(jié)）該方法在時域曲線窗口將信號源和被測系統(tǒng)地響應曲線顯示出來，直接測量對象輸出與信號源地相位差及幅值衰減情況，就可

8、得到對象地頻率特性間接頻率特性地測量用來測量閉環(huán)系統(tǒng)地開環(huán)特性，因為有些線性系統(tǒng)地開環(huán)時域響應曲線發(fā)散，幅值不易測量，可將其構成閉環(huán)負反饋穩(wěn)定系統(tǒng)后，通過測量信號源、反饋信號、誤差信號地關系，從而推導出對象地開環(huán)頻率特性4 舉例說明間接和直接頻率特性測量方法地使用（1間接頻率特性測量方法 對象為積分環(huán)節(jié)：1/0-1S因為積分環(huán)節(jié)地開環(huán)時域響應曲線不收斂，穩(wěn)態(tài)幅值無法測出，我們采用間接測量方法，將其構成閉環(huán)，根據(jù)閉環(huán)時地反饋及誤差地相互關系，得出積分環(huán)節(jié)地頻率特性 將積分環(huán)節(jié)構成單位負反饋，模擬電路構成如圖2-1 所示楓井拜節(jié)圖2-1 理論依據(jù)圖3.1-1所示地開環(huán)頻率特性為:米用對數(shù)幅頻特性和

9、相頻特性表示,則上式表示為:201g|G(jw)| = 201gE(jw)=201g|5(jw)| - 201g|E(7w)|ZG(/w) = Z 孕Q- ZE(押)其中G(jw為積分環(huán)節(jié)，所以只要將反饋信號、誤差信號地幅值及相位按上式計算出來即可得積分 環(huán)節(jié)地波特圖 測量方式：實驗中采用間接方式 ,只須用兩路表筆CH和CH2來測量圖2-1中地反饋測量點和誤差 測量點，通過移動游標,確定兩路信號和輸入信號之間地相位和幅值關系，即可間接得出積分環(huán)節(jié)地波特圖(2直接頻率特性測量方法只要環(huán)節(jié)地時域響應曲線收斂就不用構成閉環(huán)系統(tǒng)而采用直接測量法直接測量輸入、輸出信號地 幅值和相位關系，就可得出環(huán)節(jié)地頻

10、率特性OAS + 實驗對象：選擇一階慣性其傳函為 結構框圖：如圖所示UiLUo(S)、0.1S-F1圖2-2 模擬電路圖圖2-3 測量方式：實驗中選擇直接測量方式，用CH1路表筆測輸出測量端，通過移動游標,測得輸出與信號源地幅值和相位關系，直接得出一階慣性環(huán)節(jié)地頻率特性五、實驗內容及實驗步驟，畫出對象波特圖一、實驗內容 本次實驗利用教案實驗系統(tǒng)提供地頻率特性測試虛擬儀器進行測試1.實驗對象地結構框圖圖2-42 .模擬電路圖圖2-5開環(huán)傳函為:G( S)= 0.15(0.15 + 1)100G)- 10(rai/ &),阻尼比 g= 0.5閉環(huán)傳函:得轉折頻率二、實驗步驟.將信此次實驗，

11、采用直接測量方法測量對象地閉環(huán)波特圖及間接測量方法測量對象地開環(huán)波特圖 號源單元地“ ST'插針分別與“ S”插針和“ +5V'插針斷開，運放地鎖零控制端“ ST'此時接至示波器 單元地“ SL”插針處，鎖零端受“ SL”來控制.實驗過程中“ SL”信號由虛擬儀器自動給出1 實驗接線：按模擬電路圖 2-5接線，檢查無誤后方可開啟設備電源2.直接測量方法(測對象地閉環(huán)波特圖按鈕，在彈出地窗口中根據(jù)需 ,每組參數(shù)應選擇合適地波形(1將示波器單元地“ SIN ”接至圖2-5中地信號輸入端，“ CH1'路表筆插至圖2-5中地4#運放地 輸出端(2打開集成軟件中地頻率特性

12、測量界面，彈出時域窗口，點擊要設置好幾組正弦波信號地角頻率和幅值，選擇測量方式為“直接”測量比例系數(shù),具體如下圖所示：電壓值C1- 3)V角頰辛 5- 1-lODO) tacVs100辰懐比例(才梧:泯垮比翔;|0, 10n3浪|屢方式.言探*1構成，幅頻和相頻上同一角頻率下兩個點對應一組參數(shù)下地測量結果 點擊極坐標圖按鈕 Cc，可以得到對象地閉環(huán)極坐標圖.(5根據(jù)所測圖形可適當修改正弦波信號地角頻率和幅值重新測量，達到滿意地效果.3 .間接測量方法：(測對象地開環(huán)波特圖將示波器地“ CH1'接至3 #運放地輸出端，“CH2接至1 #運放地輸出端.按直接測量地參數(shù) 將參數(shù)設置好，將測量

13、方式改為間接測量.此時相位差是指反饋信號和誤差信號地相位差，應將兩根游標放在反饋和誤差信號上.測得對象地開環(huán)波特圖.測得對象地開環(huán)極坐標圖.4.注意：(1測量過程中要去除運放本身地反相地作用，即保持兩路測量點地相位關系與運放無關，所以在測量過程中可能要適當加入反相器，濾除由運放所導致地相位問題.(2測量過程中，可能會因為所測信號幅值衰減太大，信號很難讀出，須放大，若放大地比例系數(shù)不合適，會導致測量誤差較大.所以要適當?shù)卣{整誤差或反饋比例系數(shù).六、實驗報告要求1、采用直接測量法測得二階閉環(huán)系統(tǒng)地波特圖為：2、采用直接測量法測得二階閉環(huán)系統(tǒng)地極坐標圖為:3、采用間接測量法測得二階開環(huán)系統(tǒng)地波特圖為：底十寺比例矛靶列表;12Ei12切 , 5D11012200. so