《自動控制原理》教學(xué)參考-第三章

第3章時域分析教學(xué)要求本章涉及到控制系統(tǒng)分析的主要內(nèi)容。應(yīng)熟練掌握系統(tǒng)時域分析時所涉及到的系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和系統(tǒng)的暫態(tài)指標(biāo)；掌握系統(tǒng)穩(wěn)定性的本質(zhì)，會運用勞斯判據(jù)進行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析；熟練掌握系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和動態(tài)指標(biāo)的計算。教學(xué)重點⑴了解用于時域分析的典型信號；⑵了解自動控制系統(tǒng)的時域指標(biāo)的定義；⑶掌握一階和二階系統(tǒng)分析與暫態(tài)性能指標(biāo)計算方法；⑷建立系統(tǒng)參數(shù)與系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)之間的對應(yīng)關(guān)系；⑸了解系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)暫態(tài)性能指標(biāo)的影響，能夠定性分析高階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)過程；⑹理解和掌握線性控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件，會用勞斯判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性；⑺理解穩(wěn)態(tài)誤差的概念，了解系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)誤差的影響，熟練掌握誤差傳遞函數(shù)和穩(wěn)態(tài)誤差的計算方法。教學(xué)難點自動控制系統(tǒng)的暫態(tài)過程分析，自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷（代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)），穩(wěn)態(tài)誤差求解。課時安排 本章安排理論講授12課時，實驗2課時。教學(xué)大綱一．控制系統(tǒng)的時域性能指標(biāo)1．暫態(tài)性能指標(biāo)2．穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)二．一階系統(tǒng)的時域分析1．?dāng)?shù)學(xué)模型2．單位階躍響應(yīng)3．單位脈沖響應(yīng)4．單位斜坡響應(yīng)5．單位加速度響應(yīng)三．二階系統(tǒng)的時域分析1．?dāng)?shù)學(xué)模型2．單位階躍響應(yīng)3．單位脈沖響應(yīng)4．零點對二階系統(tǒng)暫態(tài)性能的影響四．控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析1．勞斯判據(jù)2．赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)五．控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析1．穩(wěn)態(tài)誤差的定義2．三種典型輸入信號下的穩(wěn)態(tài)誤差3．?dāng)_動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差4．動態(tài)誤差系數(shù)主要概念1．時域分析法2．暫態(tài)響應(yīng)3．穩(wěn)態(tài)響應(yīng)4．暫態(tài)性能指標(biāo)5．穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)6．一階系統(tǒng)7．二階系統(tǒng)8．過阻尼9．臨界阻尼10．欠阻尼11．勞斯判據(jù)12．特征根13．穩(wěn)定裕量14．赫爾維茨判據(jù)15．穩(wěn)態(tài)誤差16．0型系統(tǒng)17．I型系統(tǒng)18．II型系統(tǒng)19．動態(tài)誤差系數(shù)實驗典型系統(tǒng)的動態(tài)特性與穩(wěn)定性測試一．實驗?zāi)康?．了解掌握典型二階系統(tǒng)的過阻尼、臨界阻尼、欠阻尼狀態(tài)；2．了解掌握典型三階系統(tǒng)的穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定、不穩(wěn)定狀態(tài)；3．研究系統(tǒng)參數(shù)變化對系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。二．實驗內(nèi)容1．搭建典型二階系統(tǒng)，觀測各個參數(shù)下的階躍響應(yīng)曲線，并記錄階躍響應(yīng)曲線的超調(diào)量Mp%、峰值時間tp以及調(diào)節(jié)時間ts，研究其參數(shù)變化對典型二階系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響；2．搭建典型三階系統(tǒng)，觀測各個參數(shù)下的階躍響應(yīng)曲線，并記錄階躍響應(yīng)曲線的超調(diào)量Mp%、峰值時間tp以及調(diào)節(jié)時間ts，研究其參數(shù)變化對典型三階系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。三．實驗步驟在實驗中觀測實驗結(jié)果時，可選用普通示波器，也可選用本實驗臺上的虛擬示波器。如果選用虛擬示波器，只要運行ACES程序，選擇菜單列表中的相應(yīng)實驗項目，再選擇“開始實驗”，就會打開虛擬示波器的界面，單擊“開始”即可使用本實驗臺上的虛擬示波器CH1、CH2兩通道觀察被測波形。具體用法參見用戶手冊中的示波器部分。1．典型二階系統(tǒng)的響應(yīng)曲線實驗中所用到的功能區(qū)域：階躍信號、虛擬示波器、實驗電路A1、實驗電路A2、實驗電路A3。典型二階系統(tǒng)模擬電路如圖實3-1所示。圖實3-1設(shè)置階躍信號源：A．將階躍信號區(qū)的選擇開關(guān)撥至“0～5V”；B．將階躍信號區(qū)的“0～5V”端子與實驗電路A3的“IN32”端子相連接；C．按壓階躍信號區(qū)的紅色開關(guān)按鈕就可以在“0～5V”端子產(chǎn)生階躍信號。搭建典型二階系統(tǒng)模擬電路：A．將實驗電路A3的“OUT3”端子與實驗電路A1的“IN12”端子相連接，將A1的“OUT1”與A2的輸入端子相連（選擇哪個輸入端子參見步驟C），A2的“OUT2”與A3的B．按照圖實3-1選擇撥動開關(guān)：圖實3-1中，R1=200k，R2=200k，R3=200k，R4=500k，R5為可選電阻，R6=200k，R7=10k，R8=10k，C1=2.0μF，C2=1.0μF。將A3的S5、S6、S10，A1的S4、S10，A2的S8、S13撥至開的位置；C．當(dāng)R5＝16k時，二階系統(tǒng)為欠阻尼狀態(tài)。此時應(yīng)將A1的“OUT1”與A2的“IN22”相連，將A2的S當(dāng)R5＝160k時，二階系統(tǒng)為臨界狀態(tài)。此時應(yīng)將A1的“OUT1”與A2的“IN21”相連，將A2的S當(dāng)R5＝200k時，二階系統(tǒng)為過阻尼狀態(tài)。此時應(yīng)將A1的“OUT1”與A2的“IN23”相連，將A2的S6除上述外，R5也可選用可調(diào)電阻，則應(yīng)將A1的“OUT1”與A2的“IN24”相連，通過調(diào)節(jié)RW12的阻值大小，就可得到二階系統(tǒng)的不同狀態(tài)。連接虛擬示波器：將實驗電路A2的“”與示波器通道CH1相連接。輸入階躍信號，通過虛擬示波器觀測不同參數(shù)下輸出階躍響應(yīng)曲線，并記錄曲線的超調(diào)量Mp%、峰值時間tp以及調(diào)節(jié)時間ts。2．典型三階系統(tǒng)的響應(yīng)曲線實驗中所用到的功能區(qū)域：階躍信號、虛擬示波器、實驗電路A1、實驗電路A2、實驗電路A3。典型三階系統(tǒng)模擬電路如圖實3-2所示。圖實3-2設(shè)置階躍信號源：A．將階躍信號區(qū)的選擇開關(guān)撥至“0～5V”；B．將階躍信號區(qū)的“0～5V”端子與實驗電路A3的“IN32”端子相連接；C．按壓階躍信號區(qū)的紅色開關(guān)按鈕就可以在“0～5V”端子產(chǎn)生階躍信號。搭建典型二階系統(tǒng)模擬電路：A．將實驗電路A3的“OUT3”端子與實驗電路A1的“IN12”端子相連接，將A1的“OUT1”與A5的“IN52”相連，將A5的“OUT5”與A2的“IN24”相連，A2的“”與A3的B．按照圖實3-2選擇撥動開關(guān)：圖實3-2中，R1=200k，R2=200k，R3=200k，R4=500k，R5=100k，R6=100k，R7為可調(diào)電阻，R8=500k，R9=10k，R10=10k，C1=2.0μF，C2=1.0μF。將A3的S5、S6、S10，A1的S4、S10，A5的S5、S13，A2的S8、S13撥至開的位置；連接虛擬示波器：將實驗電路A2的“OUT2”與示波器通道CH1相連接。輸入階躍信號，仔細調(diào)節(jié)電位器RW12，可以得到三階系統(tǒng)處于不穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定和穩(wěn)定的三種狀態(tài)時的波形，通過虛擬示波器觀測不同參數(shù)下階躍響應(yīng)曲線，并記錄曲線的超調(diào)量Mp%、峰值時間tp以及調(diào)節(jié)時間ts。四．實驗結(jié)果繪出二階系統(tǒng)和三階系統(tǒng)不同參數(shù)下的階躍響應(yīng)曲線，并在表實3-1、表實3-