實(shí)驗(yàn)一-_一二階系統(tǒng)的電子模擬與動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試

1、自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)原理報(bào)告成績(jī) 北 京 航 空 航 天 大 學(xué)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué) 院 機(jī)械學(xué)院 專業(yè)方向 機(jī)械工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 140712班 學(xué) 號(hào) 14071039 學(xué)生姓名 孔祥龍 指導(dǎo)教師 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告2016 年 10 月實(shí)驗(yàn)一 一、二階系統(tǒng)的電子模擬及時(shí)域響應(yīng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)間 2016年10月17號(hào) 實(shí)驗(yàn)編號(hào) 目錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容32.1建立一階系統(tǒng)的電子模型32.2一階系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)表格132.3建立二階欠阻尼系統(tǒng)的電子模型42.4二階系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)表格24三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備5四、實(shí)驗(yàn)原理64.1一階系統(tǒng)64.3二階系統(tǒng)7五、實(shí)驗(yàn)步驟8六、注意事項(xiàng)9七、實(shí)驗(yàn)

2、結(jié)果圖97.1一階系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖97.2一階系統(tǒng)理論結(jié)果圖117.3二階系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖137.4一階系統(tǒng)理論結(jié)果圖15八、結(jié)果分析18一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.1精通在電子模擬機(jī)上建立典型環(huán)節(jié)系統(tǒng)模型的方法；1.2掌握階躍響應(yīng)的測(cè)試方法；1.3學(xué)習(xí)在電子模擬機(jī)上建立典型系統(tǒng)模型的方法；1.4理解一、二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)及其性能指標(biāo)與系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2.1建立一階系統(tǒng)的電子模型建立一階系統(tǒng)的電子模型，觀測(cè)并記錄不同時(shí)間常數(shù)T時(shí)的躍響應(yīng)曲線，測(cè)定其過(guò)渡過(guò)程時(shí)間Ts。2.2一階系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)表格1表1、一階系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)T0.250.51.0C1微法1微法1微法R20.25M1M1MTs實(shí)測(cè)（取

3、±5%誤差帶）0.81s1.50s3.03sTs理論（取±5%誤差帶）0.75s1.5s3s階躍響應(yīng)曲線(理論)附圖8附圖9附圖10階躍響應(yīng)曲線（實(shí)際）附圖5附圖6附圖72.3建立二階欠阻尼系統(tǒng)的電子模型建立二階欠阻尼系統(tǒng)的電子模型，觀測(cè)并記錄不同阻尼比時(shí)的躍響應(yīng)曲線，測(cè)定其超調(diào)量%及過(guò)渡過(guò)程時(shí)間Ts.2.4二階系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)表格2表2、二階系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo) 0.25 0.5 0.707 1.0 C2 1微法1微法1微法1微法R4 2M1M0.5M0.707M%實(shí)測(cè)48.45% 20.13%1.08%7.19%理論44.43%16.3 %0%4.33%Ts實(shí)測(cè)（取±

4、5%誤差帶）10.54s5.15s3.99s5.06s Ts理論 （取±5%誤差帶）14s7s3.5s4.9505s階躍響應(yīng)曲線(理論) 附圖15附圖16附圖17 附圖18 階躍響應(yīng)曲線(實(shí)際)附圖11附圖12附圖13附圖14三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖所示，包括：1、數(shù)字計(jì)算機(jī)2、電子模擬機(jī)3、萬(wàn)用表4、測(cè)試導(dǎo)線圖1-混合仿真系統(tǒng)實(shí)物圖四、實(shí)驗(yàn)原理4.1一階系統(tǒng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：s= C(s)R(s)= KTs+1模擬運(yùn)算電路如圖2所示：圖2-一階模擬運(yùn)算電路由圖2得Uo(s)Ui(s)= R2R1R2Cs + 1= KTs + 1在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中始終取 R2= R1，則 K=1，T= R2C

5、理論值Ts=3T取不同的時(shí)間常數(shù)T分別為：0.25、0.5、1。記錄不同時(shí)間常數(shù)下階躍響應(yīng)曲線，測(cè)量紀(jì)錄其過(guò)渡過(guò)程時(shí)間Ts。（取±5%誤差帶）記錄數(shù)據(jù)如表格1.4.3二階系統(tǒng)其傳遞函數(shù)為：s C(s)R(s)= n2s2+ 2ns + n2令n=1 rad/s，則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示：圖3-二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)結(jié)構(gòu)圖，建立的二階系統(tǒng)模擬線路如圖4所示：圖4-二階系統(tǒng)模擬線路圖取R2C1= 1，R3C2=1，其中R2=R3=1 MC1=C2=1微法則R4R3= R4C2= 12 及= 12R4C2理論值Ts=3n %=e-1-2取不同的值=0.25 , =0.5， =0.707，=1，觀察

6、并記錄階躍響應(yīng)曲線，測(cè)量超調(diào)量%（取±5%誤差帶）,計(jì)算過(guò)渡過(guò)程時(shí)間Ts。記錄數(shù)據(jù)如表格2.五、實(shí)驗(yàn)步驟5.1熟悉 HHMN-1 型電子模擬機(jī)的使用方法，將各運(yùn)算放大器接成比例器，通電調(diào)零。5.2斷開(kāi)電源，按照實(shí)驗(yàn)說(shuō)明書(shū)上的條件和要求，計(jì)算電阻和電容的取值，按照模擬線路圖搭接線路。5.3謹(jǐn)慎連接輸入、輸出端口，不可接錯(cuò)。線路接好后，經(jīng)教師檢查后再通電。5.4在 Windows XP 桌面用鼠標(biāo)雙擊“MATLAB”圖標(biāo)后進(jìn)入，在命令行處鍵入“autolab”進(jìn)入實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)。5.5在系統(tǒng)菜單中選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，選擇“實(shí)驗(yàn)一”，在窗口左側(cè)選擇“實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?，其它步驟察看概述 3.2 節(jié)內(nèi)容。5

7、.6觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（參見(jiàn)注意事項(xiàng) 2），及時(shí)繪制實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖形，填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。六、注意事項(xiàng)6.1謹(jǐn)慎連接輸入、輸出端口，將 D/A1 與系統(tǒng)輸入端 Ui 連接，將 A/D1 與系統(tǒng)輸出端 Uo 連接。6.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真和半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真兩種，分被保存在workspace中，其中 input、output、time 為數(shù)值仿真數(shù)據(jù)，rt_input、rt_output、rt_time 為實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)。6.3本次實(shí)驗(yàn)課上要求同學(xué)完成半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真，相關(guān)設(shè)置可察看概述 3.2 節(jié)內(nèi)容。6.4每個(gè)實(shí)驗(yàn)完成后都應(yīng)及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄，包括要保存實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖形、數(shù)據(jù)、性

8、能指標(biāo)，下一次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)將會(huì)把上一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)覆蓋。七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖7.1一階系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖圖5圖6圖77.2一階系統(tǒng)理論結(jié)果圖圖8圖9圖107.3二階系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖圖11圖12圖13圖147.4一階系統(tǒng)理論結(jié)果圖圖15圖16圖17圖18八、結(jié)果分析從結(jié)果來(lái)看，尤其是實(shí)際值與理論值的比較，誤差存在，但并不大，可以說(shuō)公式得到了很好的驗(yàn)證。而二階系統(tǒng)較一階系統(tǒng)誤差要大，是因?yàn)橛糜谟?jì)算超調(diào)時(shí)間的公式本身就是近似公式，理論計(jì)算時(shí)忽略了很多因子，會(huì)造成較大誤差。一階系統(tǒng)穩(wěn)定，調(diào)節(jié)的時(shí)間和理論值除個(gè)別外差別不大，符合度好，個(gè)別原因可能是數(shù)據(jù)傳輸時(shí)碰到導(dǎo)線所致。二階系統(tǒng)存在超調(diào)量，就平穩(wěn)性而言，阻尼比越大，超調(diào)量越小，振蕩傾向越弱，平穩(wěn)性好。而阻尼比越小，超調(diào)量越大，振蕩越強(qiáng)，平穩(wěn)性差。但注意到，阻尼比越大（接近1）系統(tǒng)的響應(yīng)越遲鈍，調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)快速性差，在阻尼比較小時(shí)，初始響應(yīng)速度快，但振蕩強(qiáng)烈，衰減緩慢，所以調(diào)節(jié)時(shí)間也長(zhǎng)，快速性也差。比較易知 阻尼系數(shù)為0.707的系統(tǒng)更具有優(yōu)越性，當(dāng)阻尼系數(shù)為0.707時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)量較小，且調(diào)節(jié)時(shí)間短，反應(yīng)迅速。稱=0.707為最佳阻尼比，故工程實(shí)踐中經(jīng)