自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教程及實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)三 典型環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）的頻率特性測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)和掌握測(cè)量典型環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）頻率特性曲線的方法和技能。2學(xué)習(xí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得頻率特性曲線求取傳遞函數(shù)的方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1用實(shí)驗(yàn)方法完成一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性曲線測(cè)試。2用實(shí)驗(yàn)方法完成典型二階系統(tǒng)開環(huán)頻率特性曲線的測(cè)試。3根據(jù)測(cè)得的頻率特性曲線求取各自的傳遞函數(shù)。4用軟件仿真方法求取一階慣性環(huán)節(jié)頻率特性和典型二階系統(tǒng)開環(huán)頻率特性，并與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果比較。三、實(shí)驗(yàn)步驟1利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性曲線測(cè)試。在熟悉上位機(jī)界面操作的基礎(chǔ)上，充分利用上位機(jī)提供的虛擬示波器與信號(hào)發(fā)生器功能。為了利用上位機(jī)提供的虛擬示波器與信號(hào)發(fā)生器功能，接線

2、方式將不同于上述無上位機(jī)情況。仍以一階慣性環(huán)節(jié)為例，此時(shí)將Ui連到實(shí)驗(yàn)箱 U3單元的O1（D/A通道的輸出端），將Uo連到實(shí)驗(yàn)箱 U3單元的I1（A/D通道的輸入端），并連好U3單元至上位機(jī)的并口通信線。接線完成，經(jīng)檢查無誤，再給實(shí)驗(yàn)箱上電后，啟動(dòng)上位機(jī)程序，進(jìn)入主界面。界面上的操作步驟如下：按通道接線情況完成“通道設(shè)置”:在界面左下方“通道設(shè)置”框內(nèi)，“信號(hào)發(fā)生通道”選擇“通道O1”，“采樣通道X”選擇“通道I1”，“采樣通道Y”選擇“不采集”。進(jìn)行“系統(tǒng)連接”（見界面左下角），如連接正常即可按動(dòng)態(tài)狀態(tài)框內(nèi)的提示（在界面正下方）“進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?；如連接失敗，檢查并口連線和實(shí)驗(yàn)箱電源后再連接，

3、如再失敗則請(qǐng)求指導(dǎo)教師幫助。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶?，先?duì)顯示進(jìn)行設(shè)置：選擇“顯示模式”（在主界面左上角）為“Bode”。完成實(shí)驗(yàn)設(shè)置，先選擇“實(shí)驗(yàn)類別”（在主界面右上角）為“頻域”，然后點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置”，在彈出的“頻率特性測(cè)試頻率點(diǎn)設(shè)置”框內(nèi)，確定實(shí)驗(yàn)要測(cè)試的頻率點(diǎn)。注意設(shè)置必須滿足1）為: 其電路設(shè)計(jì)參閱圖3.2.1。圖圖3.2.13對(duì)數(shù)幅頻特性和對(duì)數(shù)相頻特性上述幅相頻率特性也可表達(dá)為對(duì)數(shù)幅頻特性和對(duì)數(shù)相頻特性, 改變顯示模式即可觀察到.五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及報(bào)告1記錄實(shí)驗(yàn)得到曲線,保存為位圖文件。一階慣性環(huán)節(jié)的Bode圖 典型二階系統(tǒng)的Bode圖 一階慣性環(huán)節(jié)的Nyquist圖 典型二階系統(tǒng)的Ny

4、quist圖 2 心得由圖得出的結(jié)論是，慣性環(huán)節(jié)是一個(gè)相位滯后環(huán)節(jié)，在頻率低時(shí)滯后相角較小，幅值的衰減也較小，頻率高時(shí)滯后相角越大，幅值衰減的也越大，但是最大的相角也只是90度。我們通過調(diào)整驗(yàn)證了慣性環(huán)節(jié)的幅頻曲線。而對(duì)于由兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)組成的二階系統(tǒng)，其相角有一些明顯超過了180度，當(dāng)然，這與理論有一些誤差，主要還是由電路箱元件的誤差所造成。綜合性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)四 線性系統(tǒng)串聯(lián)校正一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?熟悉串聯(lián)校正裝置對(duì)線性系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性的影響。2掌握串聯(lián)校正裝置的設(shè)計(jì)方法和參數(shù)調(diào)試技術(shù)。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1觀測(cè)未校正系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性。2按動(dòng)態(tài)特性要求設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置。3觀測(cè)加串聯(lián)校正裝置后系統(tǒng)的穩(wěn)定

5、性和動(dòng)態(tài)特性，并觀測(cè)校正裝置參數(shù)改變對(duì)系統(tǒng)性能的影響。4對(duì)線性系統(tǒng)串聯(lián)校正進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究，并對(duì)電路模擬與數(shù)字仿真結(jié)果進(jìn)行比較研究。三、實(shí)驗(yàn)步驟1利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)并連接一未加校正的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，完成該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性觀測(cè)。提示：設(shè)計(jì)并連接一未加校正的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，可參閱本實(shí)驗(yàn)附的圖4.1.1和圖4.1.2，利用實(shí)驗(yàn)箱上的U9、U11、U15和U8單元連成。通過對(duì)該系統(tǒng)階躍響應(yīng)的觀察，來完成對(duì)其穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性的研究，如何利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備觀測(cè)階躍特性的具體操作方法，可參閱實(shí)驗(yàn)一的實(shí)驗(yàn)步驟2。2參閱本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理部分，按校正目標(biāo)要求設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置傳遞函數(shù)和模擬電路。3

6、利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)并連接一加串聯(lián)校正后的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，完成該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性觀測(cè)。提示：設(shè)計(jì)并連接一加串聯(lián)校正后的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，可參閱本實(shí)驗(yàn)的附圖4.4.4，利用實(shí)驗(yàn)箱上的U9、U14、U11、U15和U8單元連成通過對(duì)該系統(tǒng)階躍響應(yīng)的觀察，來完成對(duì)其穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性的研究，如何利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備觀測(cè)階躍特性的具體操作方法，可參閱“實(shí)驗(yàn)一”的實(shí)驗(yàn)步驟2。4改變串聯(lián)校正裝置的參數(shù)，對(duì)加校正后的二階閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，使其性能指標(biāo)滿足預(yù)定要求。提示：5利用上位機(jī)軟件提供的軟件仿真功能，完成線性系統(tǒng)串聯(lián)校正的軟件仿真研究，并對(duì)電路模擬與軟件仿真結(jié)果進(jìn)行比較研究。如何利用上位機(jī)軟件提

7、供的軟件仿真功能，完成線性系統(tǒng)的軟件仿真，其具體操作方法請(qǐng)參閱“實(shí)驗(yàn)一”的實(shí)驗(yàn)步驟3。四、實(shí)驗(yàn)原理及接線電路1實(shí)驗(yàn)用未加校正的二階閉環(huán)系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)用未加校正二階閉環(huán)系統(tǒng)的方塊圖和模擬電路，分別如圖4.1.1和圖4.1.2所示：圖圖4.1.1圖圖4.1.2其開環(huán)傳遞函數(shù)為：其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：式中 ，故未加校正時(shí)系統(tǒng)超調(diào)量為 ，調(diào)節(jié)時(shí)間為 s，靜態(tài)速度誤差系數(shù)KV等于該I型系統(tǒng)的開環(huán)增益 1/s，2串聯(lián)校正的目標(biāo)要求加串聯(lián)校正裝置后系統(tǒng)滿足以下性能指標(biāo)：（1）超調(diào)量（2）調(diào)節(jié)時(shí)間（過渡過程時(shí)間）s（3）校正后系統(tǒng)開環(huán)增益（靜態(tài)速度誤差系數(shù)） 1/s3串聯(lián)校正裝置的時(shí)域設(shè)計(jì)從對(duì)超調(diào)量要求可以得到 %

8、 ，于是有 。由 s 可以得到 。因?yàn)橐?1/s，故令校正后開環(huán)傳遞函數(shù)仍包含一個(gè)積分環(huán)節(jié)，且放大系數(shù)為25。設(shè)串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)為D(s),則加串聯(lián)校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為采用相消法，令 （其中T為待確定參數(shù)），可以得到加串聯(lián)校正后的開環(huán)傳遞函數(shù) 這樣，加校正后系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 對(duì)校正后二階系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以得到 綜合考慮校正后的要求，取 T=0.05s ,此時(shí) 1/s,，它們都能滿足校正目標(biāo)要求。最后得到校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 從串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)可以設(shè)計(jì)其模擬電路。有關(guān)電路設(shè)計(jì)與校正效果請(qǐng)參見后面的頻域設(shè)計(jì)。4串聯(lián)校正裝置的頻域設(shè)計(jì)根據(jù)對(duì)校正后系統(tǒng)的要求，可以得到期望的系統(tǒng)

9、開環(huán)傳遞函數(shù)的對(duì)數(shù)頻率特性，見圖4.4.1。圖圖4.4.1根據(jù)未加校正系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，可畫出其相應(yīng)的對(duì)數(shù)頻率特性，如圖4.4.2所示。從期望的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的對(duì)數(shù)幅頻特性，減去未加校正系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的對(duì)數(shù)幅頻特性，可以得到串聯(lián)校正裝置的對(duì)數(shù)幅頻特性，見圖4.4.3。從串聯(lián)校正裝置的對(duì)數(shù)幅頻特性，可以得到它的傳遞函數(shù)：從串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)可以設(shè)計(jì)其模擬電路。圖4.4.4給出已加入串聯(lián)校正裝置的系統(tǒng)模擬電路。圖圖4.4.2圖圖4.4.3在圖4.4.4中，串聯(lián)校正裝置電路的參數(shù)可取R1390，R2R3200，R410，C4.7uF。圖圖4.4.4五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及報(bào)告記錄實(shí)驗(yàn)得到曲線,保

10、存為位圖文件。2比較未加校正裝置前和加了校正裝置后的階躍響應(yīng)曲線，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論。由實(shí)驗(yàn)獲得的曲線可知，在加入校正裝置前，超調(diào)量較大，為63%，調(diào)節(jié)時(shí)間比較長(zhǎng)，而在加入校正裝置之后，超調(diào)量明顯減少，為19.6，調(diào)節(jié)時(shí)間明顯縮短。結(jié)論：加校正裝置可以減少系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間，提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能。3心得這實(shí)驗(yàn)接線比較復(fù)雜，我們做時(shí)要非常小心接線。同過圖形我們知道校正裝置是一個(gè)可以改善系統(tǒng)的裝置，所以在實(shí)驗(yàn)后我們以后如果遇到我們要在工廠中改善系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間我們就可以用到的串聯(lián)校正裝置。 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 學(xué)會(huì)利用實(shí)驗(yàn)箱中模塊構(gòu)建一個(gè)二階（或三階）系統(tǒng)。2. 設(shè)計(jì)一控制模

11、塊，串聯(lián)入系統(tǒng)之中，減少系統(tǒng)的阻尼比。3. 學(xué)會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1利用實(shí)驗(yàn)箱中模塊構(gòu)建一個(gè)二階（或三階）系統(tǒng)，并使其阻尼比大于1，系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢。2 為了提高響應(yīng)速度，設(shè)計(jì)一控制模塊，串聯(lián)入系統(tǒng)之中，減少系統(tǒng)的阻尼比，使系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線的衰減比落在4:110:1這個(gè)范圍之中。3 對(duì)原系統(tǒng)與加入控制模塊以后的系統(tǒng)進(jìn)行分析（數(shù)學(xué)模型、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定性、靜態(tài)響應(yīng)等）。三、實(shí)驗(yàn)原理1、二階系統(tǒng)圖2-1為二階系統(tǒng)的方塊圖。由圖可知，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)G(S)=，式中K=相應(yīng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 二階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式為= 比較式、得：n= =圖中=1s，T1=0.1s圖2-1 二階系

12、統(tǒng)方框圖表一列出了有關(guān)二階系統(tǒng)在三種情況(欠阻尼，臨界阻尼、過阻尼)下具體參數(shù)的表達(dá)式，以便計(jì)算理論值。圖2-2為圖2-1的模擬電路，其中=1s，T1=0.1s，K1分別為10、5、2.5、1，即當(dāng)電路中的電阻R值分別為10K、20K、40K、100K時(shí)系統(tǒng)相應(yīng)的阻尼比為0.5、1、1.58，它們的單位階躍響應(yīng)曲線為表二所示。表一：系統(tǒng)參數(shù)表達(dá)式一種情況各參數(shù)01=11KK=K1/=K1nn=C(tp)C(tp)=1+e/C()1Mp%Mp= e/tp(s)tp=ts(s)ts=表二：二階系統(tǒng)不同值時(shí)的單位階躍響應(yīng)R值單位階躍響應(yīng)曲線10K0.520K40K1100K158模擬電路圖： 四、實(shí)

13、驗(yàn)結(jié)果分析及報(bào)告1記錄實(shí)驗(yàn)得到曲線,保存為位圖文件。2.結(jié)論由系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)G(S)=可以推出如下結(jié)論 K1=100K/R = n=當(dāng)R取值增大時(shí)，K1減小，而K1減小則增大，故實(shí)驗(yàn)所得到的響應(yīng)曲線是符合理論結(jié)果的。3.設(shè)計(jì)心得通過這次實(shí)驗(yàn)，我加深了對(duì)二階響應(yīng)，以及阻尼比zata對(duì)系統(tǒng)的影響。同時(shí)，這次設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)讓我明白了一個(gè)問題：我們書本上很多結(jié)論有時(shí)真的很難理解，如果我們能夠設(shè)計(jì)出能夠驗(yàn)證該結(jié)論的實(shí)驗(yàn)，我想再難理解的理論知識(shí)都將會(huì)變得好理解，而且印象會(huì)很深，這比起我們死記硬背要有用的多。其實(shí)有時(shí)設(shè)計(jì)也不是很難的事情，我們并不用害怕，因?yàn)橥O(shè)計(jì)都是在原有的基礎(chǔ)上再進(jìn)行小小的改變就行了或

14、者是將原有的模塊再重新地組合一下就變成新的東西了。就好比本次設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，我只是把典型的二階系統(tǒng)電路中的一個(gè)固定的電阻改成電位器就可以了。仿真實(shí)驗(yàn) 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.研究高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性，驗(yàn)證穩(wěn)定判據(jù)的準(zhǔn)確性：2.了解系統(tǒng)增益變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性的影響：3.觀察系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)態(tài)誤差之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)任務(wù)1.穩(wěn)定性分析判斷一個(gè)線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的一種最直接的方法是求出閉環(huán)系統(tǒng)的所有的極點(diǎn)，如果系統(tǒng)的所有極點(diǎn)均具有負(fù)實(shí)部，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。已知閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并給出不穩(wěn)定極點(diǎn)。num=3 2 1 4 2;den=3 5 1 2 2 1;z,p=tf2zp(num,den);

15、ii=find(real(p)0);n1=length(ii);if(n10) disp(The Unstable Poles are:); disp(p(ii);else disp(System is Stable);endpzmap(num,den);title(Zero-Pole Map)2、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析（1）假設(shè)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為試求該系統(tǒng)在單位負(fù)反饋下的階躍響應(yīng)曲線和最大超調(diào)量。解：仿真程序?yàn)椋簄um0=20;den0=1 8 36 40 0;numc,denc=cloop(num0,den0);t=0:0.1:10;y,x,t=step(numc,denc,t);plot(

16、t,y)M=(max(y)-1)/1)*100;disp(最大超調(diào)量M= num2str(M) %)運(yùn)行結(jié)果為：最大超調(diào)量M=2.5546%（2）對(duì)于典型二階系統(tǒng)試?yán)L制出無阻尼自然振蕩n=6，阻尼比分別為0.2,0.4,1.0,2.0時(shí)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線。解：仿真程序?yàn)椋簑n=6;zeta=0.2:0.2:1.0,2.0;figure(1);hold onfor I=zeta num=wn.2;den=1,2*I*wn,wn.2; step(num,den);endtitle(Step Response);hold off3.根軌跡法已知某負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：試?yán)L制系統(tǒng)的根軌跡。解

17、：仿真程序?yàn)椋簄um=0.05 0.045;den=conv(1 -1.8 0.9,1 5 6);rlocus(num,den),K,poles=rlocfind(num,den);3 繪制阻尼系數(shù)和自然頻率的柵格線sgrid(new)rlocus(num,den)或：pzmap(num,den) sgrid(,n) sgrid(,n,new) 控制系統(tǒng)的頻域分析已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)：試?yán)L制出無阻尼自然振蕩n=6，阻尼比分別為0.2,0.4,1.0時(shí)，頻率在0.110之間變化時(shí)的bode圖。解：wn=6;zeta=0.2:0.2:1.0;w=logspace(-1,1);figure(1);num=wn.2;for k=zeta den=1,2*k*wn,wn.2; mag,phase,w1=bode(num,den,w); subplot(2,1,1);hold on semilogx(w1,mag); subplot(2,1,2);hold on semilo