四川大學(xué)自動控制原理實(shí)驗(yàn)報告完整版帶數(shù)據(jù)

目錄一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.....................................................................................1二．實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器........................................................................1三．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.慣性環(huán)節(jié)〔1〕實(shí)驗(yàn)原理.....................................................1〔2〕實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.....................................................1〔3〕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).....................................................2〔4〕誤差分析.....................................................52.震蕩環(huán)節(jié)〔1〕實(shí)驗(yàn)原理.......................................................6〔2〕實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.......................................................6〔3〕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).......................................................6〔4〕誤差分析.......................................................83.二階系統(tǒng)〔1〕實(shí)驗(yàn)原理.......................................................9〔2〕實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.......................................................9〔3〕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).......................................................9〔4〕誤差分析......................................................114.三階系統(tǒng)〔1〕實(shí)驗(yàn)原理......................................................12〔2〕實(shí)驗(yàn)內(nèi)容......................................................12〔3〕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)......................................................12〔4〕誤差分析......................................................14四．思考題...................................................................................15五．心得體會...............................................................................15附：實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄單......................................................................................16實(shí)驗(yàn)一.典型環(huán)節(jié)的電模擬及階躍響應(yīng)分析實(shí)驗(yàn)二.二、三階系統(tǒng)動態(tài)分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、學(xué)習(xí)典型環(huán)節(jié)、二階三階系統(tǒng)的電模擬方法及參數(shù)測試方法；2、觀察典型環(huán)節(jié)、二階三階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，了解參數(shù)變化對動態(tài)特性的影響；3、學(xué)習(xí)示波器的使用方法；4、學(xué)習(xí)使用MATLAB中SIMULINK的使用，進(jìn)行時域法分析。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器：1、模擬實(shí)驗(yàn)箱；2、示波器；3、計(jì)算機(jī)；4、MATLAB仿真軟件。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、慣性環(huán)節(jié)〔一階系統(tǒng)〕〔1〕實(shí)驗(yàn)原理，，R=100k(R2除外)。R2、C1需要計(jì)算確定。〔2〕實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在輸入端參加階躍信號。a.保持T=1秒不變，分別觀察K=1、2時的輸出波形，并做記錄；b.保持T=2秒不變，分別觀察K=1、2時的輸出波形，并做記錄。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)T=1sT=2sKR2/kΩC/μFTr/sK實(shí)測KR2/kΩC/μFTr/sK實(shí)測1100105.1611100208.081.04220055.68222001010.71.96K=1，T=1s時實(shí)驗(yàn)仿真圖及波形如下：仿真波形實(shí)驗(yàn)波形K=2，T=1s時實(shí)驗(yàn)仿真圖及波形如下：仿真波形實(shí)驗(yàn)波形K=1，T=2s時實(shí)驗(yàn)仿真圖及波形如下：仿真波形實(shí)驗(yàn)波形④K=2，T=2s時實(shí)驗(yàn)仿真圖及波形如下：仿真波形實(shí)驗(yàn)波形我們還在MATLAB中做了仿真，得到了如下曲線方便比擬：T=1s時的波形圖T=2s時的波形圖誤差分析由理論公式，，可將數(shù)據(jù)整理如下表所示：KT/sts(實(shí)際值)/〔s〕ts(理論值)/(s)ts(模擬值)/(s)KT/sts(實(shí)際值)/〔s〕ts(理論值)/(s)ts(模擬值)/(s)115.162.996~3.9122.9473128.085.992~7.8245.8946215.683.219~3.6892．94732210.76.438~7.3785.8946總結(jié)：慣性環(huán)節(jié)中顯示的波形是呈現(xiàn)指數(shù)型規(guī)律變化的。我們可以由傳遞函數(shù)的拉式反變換來得到傳遞函數(shù)隨指數(shù)型的變化規(guī)律函數(shù)。因此從輸入端輸入一個單位階躍函數(shù)，并添加反相器時，其輸出的波形是緩慢上升到某一穩(wěn)定值，緩慢上升的過程即為指數(shù)過程。震蕩環(huán)節(jié)〔1〕實(shí)驗(yàn)原理，R=100K(R2除外),C=1μ實(shí)驗(yàn)過程在輸入端參加階躍信號，分別觀察記錄T=0.1s、ξ=0.1、0.5、1時的輸出波形，并作記錄。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)ξR2/kΩσ%K實(shí)測Ts/sN0.15000.9790.9364.1460.51000.1700.9360.72115000.9790.80T=0.1s、ξ=0.1時仿真波形實(shí)驗(yàn)波形T=0.1s、ξ=0.5時仿真波形實(shí)驗(yàn)波形T=0.1s、ξ=1時仿真波形實(shí)驗(yàn)波形我們還在MATLAB中做了仿真，得到了如下曲線方便比擬：誤差分析T=0.1s時，對應(yīng)不同的ξ，實(shí)測數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)分別如下：ξ取值σ%實(shí)測值σ%模擬值Ts/s〔實(shí)測值〕Ts/s〔模擬值〕Tp/s〔模擬值〕0.10.9790.7216254.142.85880.31420.50.1700.1583240.720.51580.35921000.80.4600-我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與通過程序模擬出來的結(jié)果有一定的差異，出現(xiàn)這種差異的可能原因有以下幾點(diǎn)：〔1〕實(shí)測值是通過示波器讀出來的數(shù)據(jù)，因此存在一定的人為誤差；〔2〕儀器本身的誤差，即儀器誤差；〔3〕ξ是通過電阻、電容等元件算得的，實(shí)際中選取的電阻和理論電阻有一定的差異〔比方500Ω的電阻，我們用的是510Ω的電阻〕。二階系統(tǒng)〔1〕實(shí)驗(yàn)原理其中：=1\*GB2⑴．K1分別為1、5、7、10；K2=1；T1=T2=0.1s；=2\*GB2⑵．K1=K2=1；T1分別為0.01s、0.1s、1s。(3).R=100K(R2除外)，C2=1μ。R2、C1需計(jì)算確定。實(shí)驗(yàn)過程改變K值而保持參數(shù)T值不變。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)T1=T2=0.1sKR2/KΩC/μFσ%KTs/sN110010.1060.4890.8155000.20.2130.8510.40821010000.10.3400.9360.2282K=1時仿真波形實(shí)驗(yàn)波形K=5時仿真波形實(shí)驗(yàn)波形K=10時仿真波形實(shí)驗(yàn)波形我們還在MATLAB中做了仿真，得到了如下曲線方便比擬：誤差分析根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)可以比照方下：Kσ%實(shí)測值σ%模擬值Ts/s〔實(shí)測值〕Ts/s〔模擬值〕Tp/s〔模擬值〕10.1060.0451520.80.20260.313250.2130.2491370.4080.29930.1428100.3400.3632690.2280.23950.1013我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與通過程序模擬出來的結(jié)果有一定的差異，出現(xiàn)這種差異的可能原因有以下幾點(diǎn)：〔1〕實(shí)測值是通過示波器讀出來的數(shù)據(jù)，因此存在一定的人為誤差；〔2〕儀器本身的誤差，即儀器誤差；〔3〕實(shí)驗(yàn)中所用的電阻、電容等元件是通過給定的K值計(jì)算得到的，實(shí)際中選取的電阻和理論電阻有一定的差異〔比方500Ω的電阻，我們用的是510Ω的電阻〕，所以實(shí)際的K值并不是給定的1、5、10?？偨Y(jié)：〔1〕當(dāng)ξ=0時，輸出響應(yīng)為等幅振蕩。當(dāng)0<ξ<1時，輸出響應(yīng)為衰減振蕩曲線，且y〔∞〕=1，ξ的變化影響動態(tài)性能指標(biāo)。隨著ξ增大，上升時間增大，超調(diào)量變大，調(diào)節(jié)時間變短，峰值時間變大。三階系統(tǒng)〔1〕實(shí)驗(yàn)原理其中：K分別為1、5、7、10。實(shí)驗(yàn)過程測量在=1、5、7、10，且=1，==0.1s，====100k，=10μ，情況下的反應(yīng)信號的暫態(tài)波形?！?〕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)KR5/KΩC2/μFσ%K實(shí)測Ts/sN110010.255110.2155000.20.66011551010000.10.809149.814K=1時仿真波形實(shí)驗(yàn)波形K=5時仿真波形實(shí)驗(yàn)波形K=10時仿真波形實(shí)驗(yàn)波形我們還在MATLAB中做了仿真，得到了如下曲線方便比擬：誤差分析Kσ%實(shí)測值σ%模擬值Ts/s〔實(shí)測值〕Ts/s〔模擬值〕Tp/s〔模擬值〕10.2550.19950010.25.26963.616450.6600.6745421511.80581.5837100.8090.91960049.876.93651.1421這里實(shí)驗(yàn)波形和仿真波形有一定差距，比方過調(diào)峰值，可能是由于實(shí)驗(yàn)采樣、實(shí)驗(yàn)器材存在一定誤差造成的，而且震蕩次數(shù)，仿真出來的波形顯然的可以看到2次，但實(shí)驗(yàn)得到的波形有明顯有3次，應(yīng)該是線路元件誤差導(dǎo)致阻尼下降帶來的。隨著放大倍數(shù)的增加，已經(jīng)可以看到過調(diào)峰值接近相同了，但與K值較小的時候不同的是，示波器出來的波形沒有仿真的那么幅度明顯了，甚至在示波器看到的波形只能觀察到3個周期的振蕩。思考題1.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析一階系統(tǒng)Ts與T、K之間的關(guān)系。答：對于一階系統(tǒng)來說，其單位脈沖響應(yīng)曲線為單調(diào)下降的指數(shù)曲線，時間常數(shù)Ts越大，響應(yīng)曲線下降越慢，說明系統(tǒng)受到脈沖輸入信號后，恢復(fù)到初始狀態(tài)的時間越長。因此有如下結(jié)論：〔Ts為時間常數(shù)〕時間常數(shù)越大，恢復(fù)到初始狀態(tài)的時間越長，即Ts越大，T越大；開環(huán)放大系數(shù)越大,時間常數(shù)越小，即K越大，Ts越小。認(rèn)真思考一般環(huán)節(jié)的電路摸擬圖構(gòu)成，并找出規(guī)律，學(xué)會設(shè)計(jì)簡單的環(huán)節(jié)摸擬圖。答：構(gòu)成電路模擬圖的根本原理是：采用復(fù)合網(wǎng)絡(luò)法來模擬各種典型環(huán)節(jié)，即利用運(yùn)算放大器不同的輸入網(wǎng)絡(luò)和反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)來模擬各種典型環(huán)節(jié)，然后按照給定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖將這些模擬環(huán)節(jié)連接起來，便得到了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。再將輸入信號加到模擬系統(tǒng)的輸入端，并利用測量儀器，來測量系統(tǒng)的輸出，就可得到系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線及性能指標(biāo)。假設(shè)改變系統(tǒng)的參數(shù)，還可進(jìn)一步分析研究參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。比方：〔1〕比例環(huán)節(jié)——可由電阻和運(yùn)算放大器構(gòu)成；〔2〕慣性環(huán)節(jié)——可由電阻、運(yùn)算放大器、電容構(gòu)成；〔3〕積分環(huán)節(jié)——可由電阻、運(yùn)算放大器、電容構(gòu)成；〔4〕微分環(huán)節(jié)——可由電阻、運(yùn)算放大器、電容構(gòu)成；〔5〕比例+積分環(huán)節(jié)——可由電阻、運(yùn)算放大器、電容構(gòu)成；〔6〕比例+微分環(huán)節(jié)——可由電阻、運(yùn)算放大器、電容構(gòu)成。自動控制系統(tǒng)是由比例、積分、微分、慣性等環(huán)節(jié)按一定的關(guān)系組建而成。熟悉這些典型環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)及其對階躍輸入的響應(yīng)，將對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析是十分有益的。根據(jù)資料和實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：〔1〕比例環(huán)節(jié)的特點(diǎn)是輸出不失真、不延遲、成比例地復(fù)現(xiàn)輸出信號的變化；〔2〕積分環(huán)節(jié)的輸出量與其輸入量對時間的積分成正比。實(shí)驗(yàn)心得體會典型系統(tǒng)的電路模擬和二階、三階系統(tǒng)動態(tài)分析實(shí)驗(yàn)是我們本學(xué)期自動控制課的第一次實(shí)驗(yàn)，我們在老師的指導(dǎo)下和同組成員的相互合作中順利完成，并在實(shí)驗(yàn)后，認(rèn)真高效地完成了實(shí)驗(yàn)報告。整個過程中，我們不僅動手認(rèn)真操作實(shí)驗(yàn)，還動腦思考實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用所學(xué)的軟件呈現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和結(jié)果，比方用MATLAB軟件來處理數(shù)據(jù)，用Multisim軟件來進(jìn)行仿真，用excel表格、word文檔來作報告等，可以說，整個過程都在充分地學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)如何實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)如何聯(lián)系理論與實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)如何在實(shí)驗(yàn)中思考，學(xué)習(xí)相關(guān)數(shù)學(xué)工具，學(xué)習(xí)如何準(zhǔn)確地呈現(xiàn)結(jié)果，所以說，這次實(shí)驗(yàn)對我們來說，是一次極大的收獲，同時提升了我們的能力。

下面我就實(shí)驗(yàn)中我們遇到的問題來做一下總結(jié)：實(shí)驗(yàn)過程面臨