自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)解析

1、線完畢，導(dǎo)電的工連接導(dǎo)線放大處于自動(dòng)控制理論?課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)一、實(shí)驗(yàn)考前須知1、接線前務(wù)必熟悉實(shí)驗(yàn)線路的原理及實(shí)驗(yàn)方法。2、實(shí)驗(yàn)接線前必須先斷開(kāi)總電源與各分電源開(kāi)關(guān)，嚴(yán)禁帶電接線。接 檢查無(wú)誤后，才可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3、實(shí)驗(yàn)自始至終，實(shí)驗(yàn)板上要保持整潔，不可隨意放置雜物，特別是 具和多余的導(dǎo)線等，以免發(fā)生短路等故障。4、實(shí)驗(yàn)完畢，應(yīng)及時(shí)關(guān)閉各電源開(kāi)關(guān)，并及時(shí)清理實(shí)驗(yàn)板面，整理好 并放置到規(guī)定的位置。5、實(shí)驗(yàn)前必須充分預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置使用考前須知1、無(wú)源阻容元件可供每個(gè)運(yùn)算放大器使用。2 、運(yùn)算放大器是有源器件，故連在運(yùn)算放大器上的阻容元件只能供本運(yùn)算 器選用。3 、信號(hào)幅值不宜過(guò)大，按

2、指導(dǎo)書(shū)中指示的幅值。否那么，可能使運(yùn)算放大器 飽和狀態(tài)。三、每次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容第一次：實(shí)驗(yàn)二第二次： 實(shí)驗(yàn)三第三次：實(shí)驗(yàn)四備注：實(shí)驗(yàn)一作為實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)及熱身實(shí)驗(yàn)一控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的模擬、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?)、熟悉數(shù)字示波器的使用方法2)、掌握用運(yùn)放組成控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的電子電路3)、測(cè)量典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線4).二、通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解典型環(huán)節(jié)中參數(shù)的變化對(duì)輸出動(dòng)態(tài)性能的影響實(shí)驗(yàn)儀器1)、THSSC-1實(shí)驗(yàn)箱一個(gè)2)、數(shù)字示波器一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理以運(yùn)算放大器為核心元件，由其不同的R-C輸入網(wǎng)絡(luò)和反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)組成的各種典型環(huán)節(jié)，如圖1-1所示。圖中 乙和Z2為復(fù)數(shù)阻抗，它們都是由 R、C構(gòu) 成。-U。Z 2G( S)-Z

3、*1圖1-1、運(yùn)放的反應(yīng)連接Ui Zi基于圖中A點(diǎn)的電位為虛地，略去流入運(yùn)放的電流，那么由圖 1-1得:由上式可求得由以下模擬電路組成的典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及其單位階躍響應(yīng)。1) 、比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)的模擬電路如圖1-2所示:Z2 沁=2Gr 100Ko1V圖1-2比例環(huán)節(jié)U-2、慣性環(huán)節(jié)GS 口 Z2ZiR2/CSR2 1/CSRR2*1Ri R2CS 1TS 1IV耳3、積分環(huán)節(jié)Z2 1/CS G (S): ZiR1一 RCS丄TS式中積分時(shí)間常數(shù)T圖1-3、慣柳C:環(huán)節(jié)>-a1V7FvUo7 ? 2-去(3)=RC圖1-4、積分環(huán)節(jié)4、比例微分環(huán)節(jié)PD, 其接線圖如圖及階躍響應(yīng) 如圖1

4、-5所示G(S)0匚;Ri/CS Ri 1/CS飛g 1)=K(T dS 1)圖1-5比例微分環(huán)節(jié)1-6所示。5)、比例積分環(huán)節(jié)，其接線圖單位階躍響應(yīng)如圖Z2 R2+1/CR (R 2CS+1) G(SCs=二空R1 R1CSR1空 R2CSK(11 =TiS )(5)R2式中 K , T2 二 R2CR1UoIV按禾波器圖1-6比例積分環(huán)節(jié)6)、振蕩環(huán)節(jié)，其原理框圖、接線圖及單位階躍響應(yīng)分別如下所示。Boot圖1-7振蕩環(huán)節(jié)原理框圖圖1-8振蕩環(huán)節(jié)接線圖1-8為振蕩環(huán)節(jié)的模擬線路圖，它是由慣性環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)和一個(gè)反號(hào)器組成根據(jù)它們的傳遞函數(shù)，可以畫(huà)出圖1-7所示的方框圖，圖中Ki=Ri/R&

5、#176; ,Ti =R CiKG(S)= S(T1S 1)K1 K = T2Uo(S)K/T12'nUi(S) T1S S K SS/T1 K/T12S 2nS n2,T2二R2C2 .由圖8可求得開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為2、KT1欲使圖1-8為振蕩環(huán)節(jié)，須調(diào)整參數(shù)K和T1,使0< <1，呈欠阻尼狀態(tài)。即環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)呈振蕩衰減形式。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、分別畫(huà)出比例、慣性、積分、微分和振蕩環(huán)節(jié)的電子電路圖。2、 按以下各典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，調(diào)節(jié)相應(yīng)的模擬電路的參數(shù)。觀察并記錄其單位階 躍響應(yīng)波形。1、比例環(huán)節(jié)G1S=1 和 G2S=22、積分環(huán)節(jié)G1S=1/S 和 G2S=1

6、/ 0.5S3、比例微分環(huán)節(jié) G1S=2+S 和 G2S=1+2S4)、慣性環(huán)節(jié)Gi(S)=1/(S+1)和 G2(S)=1/(0.5S+1)5)6)、比例積分環(huán)節(jié)(PI) G (S) =1+1/S 和 G (S) =2 (1+1/2S)振蕩環(huán)節(jié)G(S)二 TiS2 S K100.1S2 S 10五、考前須知1) 、輸入的單位階躍信號(hào)取自實(shí)驗(yàn)箱中的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器2) 、電子電路中的電阻取千歐，電容為微法。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1) 、畫(huà)出六種典型環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)電路圖，并注明相應(yīng)的參數(shù)。2) 、畫(huà)出各典型環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)波形，并分析參數(shù)對(duì)響應(yīng)曲線的影響3) 、寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)心得與體會(huì)七、實(shí)驗(yàn)思考題1) 、用運(yùn)

7、放模擬典型環(huán)節(jié)時(shí)，其傳遞函數(shù)是在哪兩個(gè)假設(shè)條件下近似導(dǎo)出的？2) 、積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差異是什么？在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地為積分環(huán)節(jié)？在什么條件下，又可以視為比例環(huán)節(jié)？3) 、如何根據(jù)階躍響應(yīng)的波形，確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)？實(shí)驗(yàn)二一階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)及參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?) 、觀察一階系統(tǒng)在單位階躍和斜坡輸入信號(hào)作用下的瞬態(tài)響應(yīng)2) 、根據(jù)一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線確定一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)二、實(shí)驗(yàn)儀器1) 、THSSC-1實(shí)驗(yàn)箱一個(gè)2) 、數(shù)字示波器一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理圖2-1為一階系統(tǒng)的模擬電路圖。由該圖可知io=ii-i2丁卩 Ui UoUoR Ro1/CS:U UoRo 一

8、_1/CS根據(jù)上式，畫(huà)出圖2-2所示 的方框圖，其中T=RoC。由圖2-2 得:US)_1U °S) _TS 11 1 1Uo(S) S(TS 1) S S 1/T取拉氏反變換,得(t)T -Ituo(t) "eT圖2-3為一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線1JT/LA0la 2- 31令Ui(t) =1(t),即Ui(S)=1/S,那么系統(tǒng)的輸出為當(dāng)t = T時(shí)，C (T)=1 -1=0.632。這表示當(dāng)C (t、上升到穩(wěn)定值的63.2%時(shí),對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)T,根據(jù)這個(gè)原理，由圖2-3可測(cè)得一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)T。由上式(1)可知，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)值為1,因而該系統(tǒng)的跟蹤

9、 階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差ess = 0b這說(shuō)明一階系統(tǒng)能跟蹤斜坡信號(hào)輸入，但有穩(wěn)態(tài)誤差存在。其誤差的大小為系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)T o四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、根據(jù)圖 2-1 所示的模擬電路，調(diào)整 R0 和 C 的值，使時(shí)間常數(shù) T=1S 和 T=0.1S 。2、ui(t) = 1V 時(shí)，觀察并記錄一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)T 分別為 1S 和 0.1S 時(shí)的單位 階躍響應(yīng)曲線 ,并標(biāo)注時(shí)間坐標(biāo)軸。3、當(dāng)Ui(t)=t時(shí)，觀察并記錄一階系統(tǒng)時(shí)間常數(shù) T為1S和0.1S時(shí)的響應(yīng)曲 線，其中 斜坡信號(hào)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱中的三角波信號(hào)獲得， 或者把單位階躍信號(hào) 通過(guò)一個(gè)積分器獲得。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、 根據(jù)實(shí)驗(yàn)，畫(huà)出一階系統(tǒng)的時(shí)間

10、常數(shù)T=1S 時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線 ，并由實(shí)測(cè)的 曲線求得時(shí)間常數(shù) T。2、 觀察并記錄一階系統(tǒng)的斜坡響應(yīng)曲線，并由圖確定跟蹤誤差ess,這一誤差 值與由終值定理求得的值是否相等？分析產(chǎn)生誤差的原因。六、實(shí)驗(yàn)思考題一階系統(tǒng)為什么對(duì)階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為零，而對(duì)單位斜坡輸入的 穩(wěn)態(tài)誤差為 T？2 、階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)能否由其單位階躍響應(yīng)求得？試說(shuō)明之。實(shí)驗(yàn)三 二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉二階模擬系統(tǒng)的組成。2、研究二階系統(tǒng)分別工作在 =1, 0< < 1 ,和：1三種狀態(tài)下的單位階躍響應(yīng)。3、 分析增益K對(duì)二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的超調(diào)量Mp、峰值時(shí)間tp和調(diào) 整時(shí)間ts。4

11、、研究系統(tǒng)在不同K值時(shí)對(duì)斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。二、實(shí)驗(yàn)儀器1) 、THSSC-1實(shí)驗(yàn)箱一個(gè)2) 、數(shù)字示波器一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理KD4【 I1圖3-1二階系統(tǒng)的模擬電路圖3-1為二階系統(tǒng)的模擬電路圖， 它 是由慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和反號(hào)器 組成。 圖3-2為圖3-1的原理方框圖,圖中 K=R2/R1, T仁R2C1，T2=R3C2。 由圖 3-2求得二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函Uo(S) K/(TJ 2)Ui(S)T1T2S2 T2S K S2 1/(T1S) K/(T T2)而二階系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)為圖3-2二階系統(tǒng)原理框圖G(S) = 2S +2三2COn S+Ce n比照式和式(2),得n K T1T

12、2,T24TiK假設(shè)令=0.2S , T2 =0.5S ,貝V n二10K ,調(diào)節(jié)開(kāi).J.匚工K環(huán)增益K值，不僅能改的值(=可以和欠阻尼血1£三種、臨界，U a (I)它的單位階躍響應(yīng)表達(dá)式為:情況下的階躍響應(yīng)曲線。變系統(tǒng)無(wú)阻尼自然振蕩頻率 3 n和圖 3-3 0 <*<；1時(shí)的階躍響應(yīng)曲線(1)、當(dāng) K> 0.625,系統(tǒng)處在欠阻尼狀態(tài),-i'.'.'mt_1e sin( dt tg .式中='n-.J- 2 .圖3-3為二階系統(tǒng)在欠阻尼狀態(tài)下的單位階躍響應(yīng)曲線(2)、當(dāng) K=0.625 時(shí)，5=1,系統(tǒng)處在臨界阻尼狀態(tài)，它的單位階

13、躍響應(yīng)表達(dá)式為：(t)十如圖3-4為二階系統(tǒng)工作臨界阻尼時(shí)的單位響應(yīng)曲線。(3)、當(dāng) Kc 0.625 時(shí)，4 1,系統(tǒng)工作在過(guò)阻尼狀態(tài)，它的單位階躍響應(yīng)曲線和臨界阻尼時(shí)的單位階躍響應(yīng)一樣為單圖3-4=1時(shí)的階躍響應(yīng)曲線調(diào)的指數(shù)上升曲線，但后者的上升速度比前者緩慢。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、根據(jù)圖3-1,調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)，使系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:G(S)二0.5S(0.2S+1)2、 令 ui(t)=1V ，在示波器上觀察不同 K (K=10 , 5, 2, 0.5 )時(shí)的單位 階躍響應(yīng)的 波形，并由實(shí)驗(yàn)求得相應(yīng)的Mp 、tp 和 ts 的值。3、 調(diào)節(jié)開(kāi)環(huán)增益K，使二階系統(tǒng)的阻尼比 =1/=0.7

14、07，觀察并記錄 此時(shí)的 單位階躍響應(yīng)波形和 Mp、 tp 和 ts 的值。4、用實(shí)驗(yàn)箱中的三角波或輸入為單位正階躍信號(hào)積分器的輸出作為二 階系統(tǒng)的斜 坡輸入信號(hào)。5、觀察并記錄在不同 K 值時(shí)，系統(tǒng)跟蹤斜坡信號(hào)時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差。五、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、 畫(huà)出二階系統(tǒng)在不同 K值(10, 5, 2, 0.5)下的4條瞬態(tài)響應(yīng)曲線，并 注明時(shí) 間坐標(biāo)軸。2、按圖 3-2 所示的二階系統(tǒng)，計(jì)算 K=0.625 , K=1 和 K=0.312 三種情況下的 和n值。據(jù)此，求得相應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)Mp、tp和tS,并與實(shí)驗(yàn)所得出的結(jié)果作一比擬。3、寫(xiě)出本實(shí)驗(yàn)的心得與體會(huì)。六、 實(shí)驗(yàn)思考題1 、 如果階躍輸入信號(hào)的

15、幅值過(guò)大，會(huì)在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生什么后果？2、在電子模擬系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)負(fù)反應(yīng)和單位負(fù)反應(yīng)？3、為什么本實(shí)驗(yàn)的模擬系統(tǒng)中要用三只運(yùn)算放大器？實(shí)驗(yàn)四 典型環(huán)節(jié)頻率特性的測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握用李沙育圖形法，測(cè)量各典型環(huán)節(jié)的頻率特性。2、根據(jù)所測(cè)得頻率特性，作出伯德圖，據(jù)此求得環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)儀器1、THCCS-1實(shí)驗(yàn)箱一個(gè)2、數(shù)字示波器一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理對(duì)于穩(wěn)定的線性定常系統(tǒng)或環(huán)節(jié)，當(dāng)其輸入端參加一正弦信號(hào)X(t)=XmSint，它的穩(wěn)態(tài)輸出是一與輸入信號(hào)同頻率的正、弦信號(hào)，但其幅值和相位將隨著輸入信號(hào)頻率3的變而變，即輸出信號(hào)為：V (t) =TmSin( 31+)= : 5 G (j 3)

16、Si n (31+)其中G (j 3)=，(3 )=argG (j 3)只要改變輸入信號(hào)x ( t )的頻率3,就可測(cè)得輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的幅值比G (j 3) I和它們的相位差 申(3) =argG (j 3)。不斷改變x (t)的頻率，就可測(cè)得被測(cè)環(huán)節(jié)(系 統(tǒng))的幅頻特性 G (j3 )和相頻特性：(3 )。本實(shí)驗(yàn)采用李沙育圖形法，圖 4-1為測(cè)試的方框圖。圏4-1在表4-1中列出了超前與滯后時(shí)相位的計(jì)算公式和光點(diǎn)的轉(zhuǎn)向表4-1相角超前滯后0。90°90。180 °0。? 90。90° 180。圖形JjC?d/dJ 1/L/C1 f r d1 «r計(jì)

17、算?=Sin -12Y0/(2Ym)4180。一W=Sin -12Y0/(2Ym)申=180° 公式=Sin -12X0/(2Xm)Sin -12 丫0/(2 丫 m)=Si n -12X 0/(2X m)Sin -12Y 0/(2 Ym)=180 0=180° Sin -12X0/(2Xm)Sin -12X°/(2Xm)光點(diǎn)轉(zhuǎn)向順時(shí)針順時(shí)針逆時(shí)針逆時(shí)針表中2丫。為橢圓與丫軸交點(diǎn)之間的長(zhǎng)度，2X。為橢圓與X軸交點(diǎn)之間距離，Xm和Ym分別為X t和丫 t的幅值。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、慣性環(huán)節(jié)的頻率特性的測(cè)試6-2所示。測(cè)量時(shí)示波令GS=1/0.5S+1，那么其相應(yīng)的模擬電

18、路如圖器的X軸，器的X軸停止掃描，把掃頻電源的正弦信號(hào)同時(shí)送到被測(cè)環(huán)節(jié)的輸入端和示波被測(cè)環(huán)節(jié)的輸出送到示波器的R1丫軸，如圖6-3所示。II皿| |S-+1卜+I實(shí)驗(yàn)時(shí)取 R1=R2=510K，C=1uF圖4-2慣性環(huán)節(jié)的模擬電路圖圖4-3相頻特性測(cè)試的接線圖當(dāng)掃頻電源輸出一個(gè)正弦信號(hào)，那么在示波器的屏幕上呈現(xiàn)一個(gè)李沙育圖形2X。橢圓。據(jù)此，可測(cè)得在該輸入信號(hào)頻率下得相位值:二Sin 2Xm不斷改變掃頻電源輸出信號(hào)的頻率，就可得到一系列相應(yīng)的相位值，列表記下不同3值時(shí)的X0和Xm表4-2相頻特性的測(cè)試32X02Xm測(cè)量時(shí)，輸入信號(hào)的頻率 3要取得均勻，頻率取值范圍為 15Hz 40KHz幅頻特性的 測(cè)試按圖4-4接線，測(cè)量時(shí)示波器的 X軸停止掃描，在示波器或 萬(wàn)用表的交流 電壓檔 分別讀出輸 入和輸 出信號(hào)的雙倍 幅值2Xm=2Ym, 2Ym=2Ym,就 可求的對(duì)應(yīng)的幅頻值 G j 3 =2Y<m/ 2丫2m，列標(biāo)記下 2Ym/2丫2m, 20 ?j2Y m/2丫2m和 3 的值。圖4-4幅頻特性的接線圖表4-3幅頻特性的測(cè)試32Yim2丫2m2丫巾/2丫2m20?j2Yim/2丫 2m2、積分環(huán)節(jié)待測(cè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為G (S) =1/(0.5S)，圖4-5為它的模擬電路圖取 R 仁 510K，Ci=1uF, Ro=1OOK)圖4-5積分環(huán)節(jié)的模擬電路