自動控制原理硬件仿真試驗報告

1、實驗課程名稱：自動控制原理開課實驗室：學(xué)科三號樓s306學(xué)院：信息與控制學(xué)院班級： 15 自動化姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：日期：2017.10.28教育資料實驗一典型環(huán)節(jié)的電路模擬一、實驗?zāi)康?熟悉各種典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及其特性，掌握典型環(huán)節(jié)的電路模擬研究方法。.測量各種典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，了解參數(shù)變化對其動態(tài)性能的影響。二、實驗設(shè)備模擬實驗箱、有自動控制實驗仿真軟件的電腦(已和實驗箱連接好)三、實驗內(nèi)容 TOC o 1-5 h z .設(shè)計并組建比例環(huán)節(jié)的模擬電路，測量比例環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，改變參數(shù)K觀察曲線的變化規(guī)律。.設(shè)計并組建積分環(huán)節(jié)的模擬電路，測量積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，改變參數(shù)T觀

2、察曲線的變化規(guī)律。.設(shè)計并組建慣性環(huán)節(jié)的模擬電路，測量慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，改變參數(shù)K和T觀察曲線的變化規(guī)律。.設(shè)計并組建比例積分環(huán)節(jié)的模擬電路，測量比例環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，改變 K 觀察曲線的變化規(guī)律。四、實驗過程及結(jié)果分析.比例環(huán)節(jié)(1)然后在電腦上打開仿真軟件，將輸入信號調(diào)節(jié)為單位階躍信號，幅值為 1,教育資料點擊開始得到如下圖的結(jié)果：（K=R2/R1我們改變它的參數(shù)K,將圖中的R1變小，對其重新接線，根據(jù) K的表達(dá)式, 我們再改變它的參數(shù)K,將圖中的R2調(diào)小，使R2R1即K1, K變小，對其重新接線，實驗結(jié)果如下圖所示：教育資料5境31iI2345A7B91-2-34顯然可見K變小，

3、且位于輸入曲線的下方.積分環(huán)節(jié)按照下圖在實驗箱上完成接線(1)然后在電腦上打開仿真軟件，將輸入信號調(diào)節(jié)為單位階躍信號，幅值為 1,點擊開始得到如下圖的結(jié)果:教育資料(注：因為屏幕限制，曲線不能繼續(xù)向上伸展，所以輸出后面變成了一條橫線，實際應(yīng)該是一條無限延伸的斜線。)(2)要改變它的參數(shù)T就要改變電阻R的值，這里我們先增大R的值，R的值增果如下圖所示:教育資料顯然，斜率變大了，上升變快。3.慣性環(huán)節(jié)按照下圖在實驗箱上完成接線(1)然后在電腦上打開仿真軟件，將輸入信號調(diào)節(jié)為單位階躍信號，幅值為 1,點擊開始得到如下圖的結(jié)果:教育資料個參數(shù)進(jìn)行研究:教育資料可以看出，輸出的幅值明顯增大，類似于比例放

4、大作用保持T不變，我們改變它的參數(shù) K,將圖中的R1變大，對其重新接線，根據(jù)K的表達(dá)式，此時K應(yīng)該變小，實驗結(jié)果如下圖所示：5432k0i2357B5-1-2可以看出，輸出的幅值明顯縮小。保持K不變，我們改變它的參數(shù)T,將圖中的電容C變大，對其重新接線，根據(jù)T的表達(dá)式，此時T應(yīng)該變大，T變大，斜率1/T就會變小，實驗結(jié)果如下圖所示：教育資料可以看出，起始斜率較(1)明顯減小，但幅值不變。(5)保持K不變，我們改變它的參數(shù)T,將圖中的電容C變小，對其重新接線，根據(jù)T的表達(dá)式，此時T應(yīng)該變小，T變小，斜率1/T就會變大，實驗結(jié)果如下圖所示：教育資料543kDf2345b78-1r3起始斜率明顯變大

5、，快接近于豎軸了，但幅值不變。4.比例積分環(huán)節(jié)按照下圖在實驗箱上完成接線(1)然后在電腦上打開仿真軟件，將輸入信號調(diào)節(jié)為單位階躍信號，幅值為 1,點擊開始得到如下圖的結(jié)果:教育資料/nn n0/ p.511,52253137r 這里有兩個參數(shù)K和T,為了方便研究，我們采用控制變量法，即一次只改變一 個參數(shù)進(jìn)行研究:(2)保持T不變，我們改變它的參數(shù) K,將圖中的R2變大，對其重新接線，根據(jù)教育資料根據(jù)傳函表達(dá)式，曲線應(yīng)該向上方平移，上圖就是此效果(3)保持T不變，我們改變它的參數(shù) K,將圖中的R2變小，對其重新接線，根據(jù)保持K不變，我們改變它的參數(shù)T,將圖中的電容C變大，對其重新接線，根據(jù)T的

6、表達(dá)式，此時T應(yīng)該變大，T變大，斜率1/T就會變小，實驗結(jié)果如下圖所示：教育資料可見，斜率較(1)明顯變小(5)保持K不變，我們改變它的參數(shù)T,將圖中的電容C變小，對其重新接線，根據(jù)T的表達(dá)式，此時T應(yīng)該變小，T變小，斜率1/T就會變大，實驗結(jié)果如下圖所示：教育資料/r/i _0i p,5I1.5225313LLT-可見，斜率明顯變大。五、實驗收獲通過此次實驗，我對各個典型信號的階躍響應(yīng)更加熟悉， 在圖上更直觀的看出了 各個參數(shù)對于曲線特性的影響，尤其是對斜率的影響，為研究更多系統(tǒng)的性能打 下基礎(chǔ)。實驗二二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)一、實驗?zāi)康?掌握二階系統(tǒng)的電路模擬方法及其動態(tài)性能指標(biāo)測試方法。.研究

7、二階系統(tǒng)的重要參數(shù)（對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。二、實驗設(shè)備模擬實驗箱、有自動控制實驗仿真軟件的電腦（已和實驗箱連接好）教育資料三、實驗內(nèi)容觀測二階系統(tǒng)的阻尼比分別在 0己1三種情況下的單位階躍響應(yīng) 曲線；調(diào)節(jié)二階系統(tǒng)的開環(huán)增益 K,使系統(tǒng)的阻尼比己=0.707,測量此時系統(tǒng)的 超調(diào)量CT、調(diào)節(jié)時間ts（ =此05）。四、實驗過程及結(jié)果分析.按照如下的電路圖在實驗箱上接線圖中滑動變阻器在實驗箱上沒有，所以我們用三個不同的電阻代替.先選用一個R300Q的電阻接上，對應(yīng)0 1的情況，響應(yīng)速度較快。5.選用一個R30QQ的電阻接上，并且盡量接近于1=0.707的情況，運行如下圖教育資料超調(diào)小，符合工業(yè)生產(chǎn)

8、需要。五、實驗收獲此實驗的接線較為復(fù)雜，容易接錯，后來發(fā)現(xiàn)采用一條一條通路順著接的方法比 較靠譜，并且對其分紅黑色，這在以后的實驗要格外注意，可以省去很多不必要 的麻煩。實驗三 高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性分析一、實驗?zāi)康?觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。.研究系統(tǒng)參數(shù)變化對典型三階系統(tǒng)的動態(tài)性能及穩(wěn)定性的影響。二、實驗設(shè)備模擬實驗箱、有自動控制實驗仿真軟件的電腦（已和實驗箱連接好）三、實驗內(nèi)容觀測三階系統(tǒng)在開環(huán)增益 K為不同數(shù)值時的階躍響應(yīng)曲線。四、實驗過程及結(jié)果分析根據(jù)理論知識學(xué)習(xí)的勞斯判據(jù)我們可以算出使系統(tǒng)臨界穩(wěn)定的值為K=12;且K12時系統(tǒng)不穩(wěn)定，下面我們實驗來驗證。1.按照如下圖所示的電路圖在

9、實驗箱上接線：教育資料2.因為圖中K=500/Rx, Rx代表為變阻器，這里直接用不同的電阻代替，將輸入調(diào)節(jié)為單位階躍信號，幅值為1教育資料4.選if?Rx。使參數(shù)K盡量接近于K=12,實驗結(jié)果如下圖所示:教育資料上圖可見系統(tǒng)不穩(wěn)定五、實驗收獲通過這個實驗，我感受到我們平時所研究的很多系統(tǒng)的穩(wěn)定與否可以直接在實驗箱上進(jìn)行仿真，而避免繁瑣的計算，但我們還是要知道典型的判斷方法， 如勞斯判據(jù)，以便在必要時相互驗證。實驗四 線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差一、實驗?zāi)康?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。.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。. 了解系統(tǒng)的型次對穩(wěn)態(tài)誤差的影響。

10、二、實驗設(shè)備模擬實驗箱、有自動控制實驗仿真軟件的電腦（已和實驗箱連接好）三、實驗內(nèi)容觀測0型二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)和單位斜坡響應(yīng)；觀測1型二階系統(tǒng)的單位 階躍響應(yīng)和單位斜坡響應(yīng)；觀測II型二階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)和單位拋物坡 實測上述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。四、實驗過程及結(jié)果分析“0”型二階系統(tǒng)按照如下電路在實驗箱上接線：教育資料方法，可以算出單位階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差為 0.3 ,單位斜坡響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差為8, 下面我們實驗來驗證：型二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)可以跟蹤階躍信號。(2)將仿真軟件中的輸入信號調(diào)整為單位斜坡信號，運行得到響應(yīng)如下圖所示:教育資料最終可見輸入與輸出誤差越來越大，最終趨于無窮，與計算相符，說

11、明“0”型二階系統(tǒng)的斜坡響應(yīng)無法跟蹤斜坡信號“1”型二階系統(tǒng)按照如下電路在實驗箱上接線: 10*，其對應(yīng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 一-，根據(jù)理論知識學(xué)習(xí)的穩(wěn)態(tài)誤差計算方法，可s(0.1s 1)以算出單位階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差為 0,單位斜坡信號的穩(wěn)態(tài)誤差為0.1 ,下面我們實驗來驗證：(1)將仿真軟件中的輸入信號調(diào)整為單位階躍信號，運行得到響應(yīng)如下圖所示：教育資料最終可見階躍響應(yīng)與輸入趨于重合， 且穩(wěn)態(tài)誤差與計算的0基本相符。說明“1”階系統(tǒng)的斜坡響應(yīng)可以跟蹤斜坡信號。型二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)可以跟蹤階躍信號。3. “II ”型二階系統(tǒng)按照如下電路在實驗箱上接線:教育資料s可以算出單位斜坡響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0,

12、單位加速度信號的穩(wěn)態(tài)誤差為 0.1,下面我們實驗來驗證:(1)將仿真軟件中的輸入信號調(diào)整為單位斜坡信號，運行得到響應(yīng)如下圖所示:r3/27fZ123A551S3pl3最終可見輸入與輸出誤差完全重合，與計算的 0基本相符，說明“ II ”型二階系統(tǒng)的斜坡響應(yīng)可以跟蹤斜坡信號。(2)將仿真軟件中的輸入信號調(diào)整為單位加速度信號，運行得到響應(yīng)如下圖所示:教育資料系統(tǒng)的加速度響應(yīng)可以跟蹤加速度信號。五、實驗收獲此實驗鞏固了我對于不同類別系統(tǒng)的不同響應(yīng)能否跟蹤輸入信號的認(rèn)識，直觀的仿真出了跟蹤情況，當(dāng)然，這里對于系統(tǒng)參數(shù)沒有進(jìn)一步去細(xì)化，在實際工程中， 我們除了選擇合適的系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤，還需要考慮響應(yīng)速度等

13、問題。實驗五控制系統(tǒng)的時域分析一、實驗?zāi)康倪M(jìn)一步認(rèn)識實驗二中士為各種情況下的曲線區(qū)別二、實驗設(shè)備模擬實驗箱、有自動控制實驗仿真軟件的電腦（已和實驗箱連接好）三、實驗內(nèi)容.仿真0己1情況下己為不同數(shù)值的階躍響應(yīng)曲線.仿真己=1及己1情況下己為不同數(shù)值的階躍響應(yīng)曲線四、實驗過程及結(jié)果分析按照下圖所示的線路圖在實驗箱上接線：教育資料圖中變阻器Rx我們直接在實驗箱上用不同電阻代替， 理論上Rx值越大，己的值越大，我們據(jù)此來做實驗：1.0己1情況：(1)接好后仿真出圖形如下圖所示：有超調(diào)，顯然是0己1的情況； 我們再將電阻調(diào)小，減小 Rx,使己減小，仿真圖如下所示:教育資料 綜上，0己1情況下，己大小與超調(diào)量大小及調(diào)節(jié)時間均成負(fù)相關(guān)關(guān)系教育資料2 =1及己1情況(1)再調(diào)大Rx,使己變大，仿真后如下圖所示:2B21 5D12aX5E_7091十-1.52系統(tǒng)沒有超調(diào)，顯然己10 我們再將電阻調(diào)小，減小 Rx,使己減