自动控制原理实验报告

-1-实验一、二典型环节的时间特性研究一、目的要求1.掌握典型环节的模拟运算电路的组成原理。2.掌握惯性环节，比例微分环节，比例积分环节，比例、微分、积分环节、振荡环节的时间特性的实验验方法和特点。二、实验电路1．惯性环节：其中：T=R1C，K=R1/R0（1）模拟电路图（1）典型惯性环节模拟电路（2）注：‘SST’不能用“短路套”短接（3）安置短路套（4）测孔联线（5）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT（UO）.注：CH1选“X1”档。时间量程选‘X4’档（6）运行、观察、记录打开计算机→我的电脑→D盘→Aedk→LABACT.exe进入LABACT程序。选择自动控制菜单下的线性系统实域分析→典型环节模拟研究分析→开始试验，弹出示波器显示界面，按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮时（0→+5v阶跃），点击开始。测完特征后点“停止”，开始读数。用示波器观测A6输出端（Uo）的实际响应曲线U0（t），且将结果记下。改变电容C值(即改变时间常数)，加Ui，测Uo，并将结果记录下来与第一次的比较。2.比例微分环节：TSSKpsUisUoTD1/)1()()(模块号跨接座号1A1当反馈电容C=1uf时当反馈电容C=2uf时S4,S8,S10S4,S8,S10,S112A6S2,S61输入信号（Ui）B1（0/+5V）→A1(H1)2运放级联A1(OUT)→A6(H1)-2-其中：，T=R3C,R3很小，可以忽略。（1）模拟电路图典型比例微分环节模拟电路（2）输入连线a.为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性方波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的阶跃输出0/5V作为环节的信号输入（Ui）。b.将函数发生器（B5）中的插针‘SST’用短路套短接。c.将S1拨动开关置于最上档（阶跃信号）。d.信号周期由拨动开关S2和“调宽”旋钮调节，信号幅度由“调幅”旋钮调节（正输出宽度在70ms左右，幅度在400mV左右）。（3）安置短路套模块号跨接座号1A2当反馈电阻R1=10K时当反馈电阻R1=20K时S1,S7,S9S1,S8,S92A6S2,S6(4)测孔连线1信号输入（Ui）B5(OUT)→A2(H1)2运放级联A2(OUT)→A6(H1)(5)虚拟示波器（B3）的连接：示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT（U0）注：CH1选’X1’档。时间量程选’/2’档。(6)运行，观察，记录操作与惯性环节实验相同，用示波器观察A6输出端(Uo)的实际响应曲线Uo(t)，并将结果记下来，改变参数R1值，重新测试结果，并记录比较。3.比例积分环节)11()()(SKpsUisUoTI其中，RRKp01，CRTI11（1）模拟电路-3-图典型比例积分环节模拟电路（2）输入连线a.为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性方波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的阶跃输出0/+5V作为系统的信号输入（Ui）。b.将函数发生器（B5）中的插针’SST’用短路套短接。c.将拨动开关S1置于最上档（阶跃信号）。d.信号周期由拨动开关S2和“调宽”旋钮调节，信号幅度由“调幅”旋钮调节（正输出宽度在0.5s左右，幅度在1V左右）。(3)安置短路套模块号跨接座号1A5当反馈电容C=1uf时当反馈电容C=2uf时S4,S8S4,S92A6S2,S6(4)测孔连接1信号输入（Ui）B5(OUT)→A5(H1)2运放级联A5(OUT)→A6(H1)(5)虚拟示波器(B3)的连接：示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT(Uo)。注：CH1选’X1’档。时间量程调选’X2’档。(6)运行，观察，记录操作与惯性环节实验相同，用示波器观测A6输出端(Uo)的时间特性响应曲线，且将结果记下。改变时间常数A5的反馈电容C，再观察记录，并与前面输出结果进行比较。注：若观察曲线不明显，可用元件库(A7)中的可变电阻跨接到A5的H1与”IN”测孔上，但要把A5的短路套S4去掉，可变电阻取330K～430K来代替固定的Ro=200K。4.比例，微分，积分环节SSsUisUoTKTKKdpipp)()(其中KP=(R1+R2)/RO,TD={[R1R2/(R1+R2)]+R3}C2,Ti=(R1+R2)C1（1）模拟电路-4-图PID（比例积分微分）环节模拟电路（2）输入连线同比例积分环节，只是正输出宽度取70ms左右，幅值取400mV左右。(3)安置短路套模块号跨接座号1A2当反馈电阻R1=10K时当反馈电阻R1=20K时S1,S7S1,S82A6S2,S6(4)测孔连接1信号输入（Ui）B5(OUT)→A2(H1)2运放级联A2(OUT)→A6(H1)(5)虚拟示波器（B3）连接：示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT(Uo)。注：CH1选’X1’档。时间量程选’X2’档。(6)运行，观察，记录操作与惯性环节实验相同，用示波器观测A6输出端(Uo)的时间特性响应曲线，并将结果记下来。改变比例参数（反馈电阻值R1）重新观测实验结果，并作记录，再与前面结果进行比较。5.振荡环节2222)()(nnnSsUisUoS其中CRCRCRCRRRn24132513451RRCRCR54251321（1）模拟电路-5-图振荡环节模拟电路（2）输入连接a.“SST”不能用‘短路套’连接。b.用信号发生器(B1)的‘阶跃信号输出’和‘幅度控制电位器’构造输入信号(Ui)。c.B1单元中电位器的左边K3开关拨下(GND)，右边K4开关拨下(0/+5V阶跃)。阶跃信号输出(B1-2的Y测孔)调整为2V(用电压表测量Y测孔的值)。(3)安置短路套模块号跨接插座1A1S4,S82A2S2,S10,S113A3当输入电阻R=10K时当输入电阻R=39K时当输入电阻R=100K时S1,S8,S10S2,S8,S10S4,S8,S104A4S2,S6（4）测控连线1信号输入r(t)B1(Y)→A1(H1)2运放级联A1(OUT)→A2(H1)3运放级联A2(OUT)→A3(H1)4负反馈A3(OUT)→A1(H2)5运放级联A3(OUT)→A6(H1)(5)虚拟示波器(B3)连接:示波器CH1输入端接到A6的OUT。示波器输入的另一端CH2接到A1的输出OUT的测偏差。注：CH1选’X1’档.（6）运行，观察，记录操作与惯性环节实验相同，按下B1按钮，用示波器观察在三种情况下A6输出时间特性，记录超调δ℅(Mp)，峰值时间Tp和调整时间Ts（取Δ=0.05），将测量值和理论计算值进行比较。列表记录，画出时间特性曲线。表1二阶系统在三种情况（欠阻尼，临界阻尼，过阻尼）下的参考参数状态RKΩK1/sWn1/sξC（tp）C(∞Mp(δ%)tp(s)ts(s)-6-注：a.在做该实验时，如果发现有积分饱和现象产生，波形不出来，请人工放电（将B5函数发生器的SB4“放电按钮”按住三秒钟进行放电，然后重新按下B1按钮）。b.在欠阻尼（0＜ε＜1）阶跃响应实验时，由于虚拟示波器（B3）的频率限制，无法很明显的观察到正确的衰减振荡图形，此时可适当调节参数，将R1=10K,调整到2K左右。方法：将运放A3的输入电阻的短路套(S1/S2/S4)去掉，将可变元件库(A7)中可变电阻跨接到A3放大器的(H1)和(IN)测孔上。三、实验曲线，数据1．惯性环节输入图像（1）当fC10ξ1欠阻尼1010101/2121Ξ=1临界阻尼402551—1——Ξ1过阻尼1001/2—1——-7-（2）当fC22．比例微分环节输入图像（1）R1=10K(2)R2=20-8-3．比例积分环节：(1)fC1(2)fC24．比例、微分、积分环节（1）输入图象-9-（2）当R1=10K时（3）当R1=20K时5．振荡环节（1）当R=10K时-10-（2）当R=40K时（3）R=100K时四、回答问题1、一阶闭环传递函数的标准形式是什么？决定系统响应快慢的参数有哪些？答：一阶闭环传递函数标准形式为：1)()(TSKiUsUoT=R1/CK=R1/R0影响系统快慢的参数为：时间常数T，时间常数越小越好。-11-2、二阶闭环系统的标准型是什么？超调量%，ts由哪些参数决定？答：二阶闭环系统的标准型为：222)()(2nnnoSSKiUsU超调量%100*)()()(%hhtph①h(tp)为h(t)的最大峰值②h(∞)为h(t)的稳定值③%与ξ有关，与外作用形式，大小无关。④ts=n5.3⑤ts与和n都有关系3、比例环节有什么特点？答：比例环节的传递函数是K,K为放大倍数。特点是：输出与输入量成正比，不失真不延迟，不影响系统的，不改变误差性质，减少静态误差，所以适当加比例KP，可以改善静态性能。4、积分环节有什么特点？答：当积分环节的输入信号为单位阶跃时，则输出为t/T,它随时间直线增长，直线的增长速度由1/T决定，即T越小，上升越快。T为积分时间常数。5、比例积分环节有什么特点？答：可以改变系统的类型，（即从0→1型，1→2型）可以消除静差或速度误差或加速度误差，加适当的KP,TI可以改善系统的动态性能。6、比例微分环节有什么特点？答：可以增大阻尼比，使%减少，调节时间缩短，提高响应速度，但不影响静态误差，具有相位超前作用，可以提高系统的稳定性。五、收获体会对于惯性环节，惯性环节的传递函数是K/(Ts+1），惯性环节当T--0时可以等效为比例环节；当T＞＞1时可等效为积分环节。阶跃响应前半段输出随时间变化，类似于积分环节；后半段达到稳态，不随时间变化，类似于比例环-12-节。但惯性环节具备了比例环节和积分环节的特性。时间常数T是表征响应特性的唯一参数，系统时间常数越小，输出响应上升得越快，同时系统调节时间ts越小。二阶振荡环节其阻尼比大小是影响系统进入稳态区的重要因素。通过本次实验让我对各个环节的时间特性以及特点有了更深刻的认识，对本课程的认识也不仅仅是书本的了解，更多的是了解了它怎么用，用在哪里。-13-实验三惯性环节、振荡环节的频率特性一、目的与要求1．掌握惯性环节、振荡环节的对数幅频特性，相频特性和幅相特性的画法与特点。二、实验线路及步骤1.惯性环节（1）模拟电路图一阶被测系统的模拟电路图注：‘SST’不能用短路套短接（2）将数/模转换器（B2）输出OUT2（信号频率范围为0.5HZ～64HZ）做为被测系统的输入端[r（t）]。（3）安置短路套模块号跨接座号1A1S2,S62A6S4，S7，S9（4）测孔联线（5）观察、运行、记录运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析-实验项目，再选择一阶系统，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可用本试验机配套的虚拟示波器（B3）显示波形。记录频率特性图特性和界面上方用户取点的频率值w及对应的L（w）,(w)。2振荡环节（1）模拟电路实验图见下页1信号输入B2(OUT2)→A1(H1)2运放级联A1(OUT)→A6(H1)3信号联线A6(OUT)→A9(CIN)4信号联线A9(COUT)→B9(IRQ6)5信号联线A6(OUT)→B8(IN6)-14-图被测二阶闭环系统模拟电路图注：‘SST’不能用短路套短接（2）将数/模转换器（B2）输出OUT2（信号频率范围为0.5HZ～32HZ）作为被测系统的输入端【r（t）】。（3）安置短路套(4)测孔联接5)运行、观察、记录（同惯性环节实验）。三、实验数据及曲线1，惯性环节（1）幅频特性模数号跨接座号1A1S4，S82A5S3，S103A3S1，S8，S9,S104A6S2，S61信号输入r（t）B2(OUT2)→A1(H1)2运放级联A1(OUT)→A5(H1)3运放级联A5(OUT)→A3(H1)4运放级联A3(OUT)→A6(H1)5负反馈A3(OUT)→A1(H2)6信号联线A6(OUT)→A9(CIN)7信号联线A9(O