控制工程基礎(chǔ)實驗報告

1、-. z. / v .控制工程根底實驗報告院系名稱： 機電工程學(xué)院 專業(yè)班級： 機械09-3班 學(xué)生*：王賀*： 2009041302指導(dǎo)教師： 趙弘 完成日期 2012年 6 月 6 日實驗一 典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)實驗?zāi)康?學(xué)習(xí)構(gòu)成典型環(huán)節(jié)的模擬電路。2熟悉各種典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，了解參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響。3學(xué)會由階躍響應(yīng)曲線計算典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。4熟悉仿真分析軟件。實驗內(nèi)容各典型環(huán)節(jié)的模擬電路如下：比例環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)改良微分環(huán)節(jié)比例微分環(huán)節(jié)實驗步驟1用Workbench連接好比例環(huán)節(jié)的電路圖，將階躍信號接入輸入端，此時使用理想運放; 2用示波器觀察輸出端的階

2、躍響應(yīng)曲線，測量有關(guān)參數(shù);改變電路參數(shù)后，再重新測量,觀察曲線的變化。3 將運放改為實際元件，如采用LM741,重復(fù)步驟2。4 記錄波形和數(shù)據(jù)。5 仿真其它電路，重復(fù)步驟2，3，4。實驗總結(jié)通過這次實驗，我對典型環(huán)節(jié)的模擬電路有了更加深刻的了解,也熟悉了各種典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，了解參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響；熟悉仿真分析軟件。這對以后的控制的學(xué)習(xí)有很大的幫助。實驗二 二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)實驗?zāi)康? 研究二階系統(tǒng)的兩個重要參數(shù)阻尼比和無阻尼自然頻率n對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。2 學(xué)會根據(jù)階躍響應(yīng)曲線確定傳遞函數(shù)，熟悉二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。實驗內(nèi)容 二階系統(tǒng)模擬電路如圖：思考：如何用電路參數(shù)表

3、示和n實驗步驟1 在workbench下連接電路圖；將階躍信號接入輸入端，用示波器觀測記錄響應(yīng)信號；2取n=10rad/s,即令R=100K,C=1uf：分別取=0，0.25,0.5,0.7,1,2, 即取R1=100K,考慮R2應(yīng)分別取何值，分別測量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并記錄最大超調(diào)量p%和調(diào)節(jié)時間ts。3 取=0.5，即R1=R2=100K；n=100rad/s，即取R=100K，C=0.1uf，注意：兩個電容同時改變，測量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并記錄最大超調(diào)量p%和調(diào)節(jié)時間ts。4 取R=100K，C=1uf，R1=100K，R2=50K，測量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，記錄響應(yīng)曲線，特別要記錄最大超調(diào)量p%和調(diào)節(jié)

4、時間ts的數(shù)值。5 記錄波形及數(shù)據(jù)。6. 取C=1nF，比擬理想運放和實際運放情況下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。實驗分析由實驗可知：二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)的超調(diào)量p與n無關(guān)：在01時，即欠阻尼情況下，p隨增大而減小，在欠阻尼情況下，在0.7左右時ts 取得極值；當(dāng)0，越大，ts 越大。實驗總結(jié)通過本次實驗，我研究二階系統(tǒng)的兩個重要參數(shù)阻尼比和無阻尼自然頻率n對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，同時學(xué)會根據(jù)階躍響應(yīng)曲線確定傳遞函數(shù)，熟悉二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。根本完成實驗任務(wù)。實驗三 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析實驗?zāi)康? 觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。2 研究系統(tǒng)開環(huán)增益和時間常數(shù)對穩(wěn)定性的影響。實驗電路圖系統(tǒng)模擬電路如圖：其開環(huán)傳遞函數(shù)

5、：實驗步驟1.在workbench下連接電路圖；將階躍信號接入輸入端，用示波器觀測記錄響應(yīng)信號；2 輸入信號電壓設(shè)置為1V，C=1uf，改變電位器R3，使之從0向500K方向變化，此時相應(yīng)K=0-100。觀察輸出波形，找到系統(tǒng)輸出產(chǎn)生增幅振蕩時相應(yīng)的R3及K值；再把R3由大變小，找出系統(tǒng)輸出產(chǎn)生等幅振蕩時相應(yīng)的R3及K值。3使系統(tǒng)工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，即工作在等幅振蕩情況，電容C由1uf變成0.1u，觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。4 記錄波形及數(shù)據(jù)。R3=130K時R3=110K時當(dāng)R3=76K時當(dāng)C=0.1K時R3=76KR3=110K實驗分析C=1uf時系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù):系統(tǒng)特征方程：由勞斯判據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)

6、定條件：K0且10K*0.010.2*1得0K=2時，系統(tǒng)含有實部大于0的極點，根據(jù)穩(wěn)定性判劇，當(dāng)系統(tǒng)有一個或一個以上實部大于0的極點時系統(tǒng)不穩(wěn)定。實驗結(jié)論通過這次實驗，觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，了解系統(tǒng)開環(huán)增益和時間常數(shù)對穩(wěn)定性的影響。由閉環(huán)傳函的勞斯判據(jù)，可以觀察到開環(huán)增益對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。我們通過這次試驗，對上課所講的不穩(wěn)定現(xiàn)象有了很深的了解，對勞斯判據(jù)的應(yīng)用有了實際的運用，這對以后的控制知識的學(xué)習(xí)有很大的意義。實驗四 系統(tǒng)頻率特性測量實驗?zāi)康?. 加深了解系統(tǒng)頻率特性的物理概念；2. 掌握系統(tǒng)頻率特性的測量方法；3. 觀察典型環(huán)節(jié)的頻響圖。實驗內(nèi)容模擬電路圖如下: 假設(shè)輸入信號Ui(t)

7、=UiSint,則在穩(wěn)態(tài)時，其輸出信號為Uo(t)=UoSin(t+)。 改變輸入信號角頻率值，便可測得二組Uo/Ui和隨變化的數(shù)值，這個變化規(guī)律 就是系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：實驗步驟1 連接電路圖；將函數(shù)發(fā)生器信號接入輸入端，用示波器觀測記錄響應(yīng)信號；2 在函數(shù)發(fā)生器參數(shù)設(shè)置一欄中，置輸入信號為正弦波，改變輸入頻率參數(shù)，分別設(shè)=0.1,0.5,1,3,5,7,10,20,30,40,50。3 運行仿真命令，觀察輸出波形及其幅值和相位差。4 改變輸入頻率參數(shù)，重復(fù)步驟2和3，期間改變幅值項參數(shù)，以使輸出波形到達最正確。5將C=0.01uF,觀察系統(tǒng)的Bode圖；改變運放的型號

8、LM741，觀察Bode圖。=0.1=0.5=1=3=5=7=10=20=30=40=50=5=7=10=20=30=40=50實驗總結(jié)通過本次實驗，了解了系統(tǒng)頻率特性的物理概念并且初步掌握系統(tǒng)頻率特性的測量方法，觀察典型環(huán)節(jié)的頻響圖，成功的完成實驗要求的內(nèi)容。實驗五 開環(huán)頻率特性與系統(tǒng)性能的關(guān)系實驗?zāi)康?觀察兩類不同類型的開環(huán)頻率特性與系統(tǒng)性能的關(guān)系；2檢驗中頻段的形狀對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響；3了解低頻段的大時間常數(shù)和高頻段的小時間常數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。實驗原理 由于開環(huán)對數(shù)頻率特性比擬容易求得，因而建立它與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系對控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計十分有用。 利用電子模擬實驗可以更好突出主要因

9、素，防止實際系統(tǒng)中存在的次要因素的影響。同時利用電子模擬裝置，參數(shù)的改變比擬方便，更利于進展實驗研究。 為了便于研究，本實驗選擇兩種典型的開環(huán)模型：第一類系統(tǒng)的開環(huán)模型(圖A5.1)、第二類系統(tǒng)的開環(huán)模型(圖A5.2)。很多實際系統(tǒng)具有與它們相似的特性。圖A51 圖A52圖A51所示開環(huán)模型的傳遞函數(shù)為其中w11/T1，w2=1/T2。實現(xiàn)上述傳遞函數(shù)，可采用如圖A5.3的模擬線路。圖5.3由圖可得 K=K1K2K3, K1=1/R1/C1,K2R3/R2, K3=R5/R4，T1=R3C2, T2=R5C3 而圖A5.2所示開環(huán)模型的傳遞函數(shù)為 其中 w1=1/T1, w2=1/T2, w3

10、=1/T3采用圖A5.4所示的模擬實驗線路可獲得該開環(huán)模型的傳遞函數(shù)。圖A5.4由圖可得 K=K1K2K3, K1=1/R1/C1,K2R3/R2, K3=R6/R5，Tl(R3+R4)C2，T2R4C2, T3R6C3通過改變R、C參數(shù)，可得到不同形狀的開環(huán)頻率特性。同時觀測輸出電壓的階躍過渡過程，即可研究二者之間的相互關(guān)系。實驗內(nèi)容l. 第一類系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的形狀與系統(tǒng)性能的關(guān)系采用圖A5.3的實驗線路。取Rl50k，Cl1uF，R220k，C21uF，R320k，R350k，C30.1uF，R450k。 (1)測量輸出Uy的階躍響應(yīng)，求出和ts 。 (2)取R410k，其余參數(shù)同上。重

11、復(fù)步驟(1)。2第二類系統(tǒng)中頻段斜率為一20dB10倍頻的長度h=w3/w2與系統(tǒng)性能的關(guān)系。 采用圖A5.4的實驗線路，取Rl10k，Cl1uF，R250k，Rd20k，R3(即開路，相當(dāng)于wl0，即暫不考慮w1的影響，以突出h與系統(tǒng)性能的關(guān)系)，C2分別等于1uF，1.65uF，2uF,3.3uF四種情況，R520k，R650k，C30.1uF。 對于每種情況分別測量輸出Uy的階躍響應(yīng)，并求出和ts。圖A5.5對于C22uF的情況，測量閉環(huán)幅頻特性峰值Mr|M(jw)|ma*和諧振頻率wr。3開環(huán)對數(shù)頻率特性形狀一定的情況下，開環(huán)放大倍數(shù)與系統(tǒng)性能的關(guān)系。 仍用圖A5.4的實驗線路。取C22uF，R5分別等于100k，50k，20k,l0k,其余參數(shù)同實驗內(nèi)容2。對于每種情況測量輸出Uy的階躍響應(yīng)，并求出和ts4低頻段大時間常數(shù)Tl對系統(tǒng)性能的影響。 采用圖A5.4的實驗線路。取C22uF，R3分別為開路和100k兩種情況，其余參數(shù)同實驗內(nèi)容2。 對于每種情況測量輸出Uy的階躍響應(yīng)，并求出和ts。改變輸入信號為三角波，觀察系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。5高頻段小時間常數(shù)對系統(tǒng)性能的影響 按圖A5.5所示的實驗線路接線。分別讓C為開路、0.33uF和1uF三種情況。分別測量Uy的階躍響應(yīng)，求出和ts 。=-3.03