轮机自动化基础实验指导书

轮机自动化实验指导书第页1实验一：一阶、二阶系统响应实验一、实验目的：1.观察一阶惯性阶跃响应，定性了解参数变化对一阶系统性能的影响。2.观察二阶级系统的阶跃响应，了解参数变化对系统输出响应的影响．二、实验设备1．XM-1型系统模拟实验仪一套．2．低频示波器一台．三、实验步骤与内容1．步骤(1)开启电源前先将所有运算放大器接成比例状态，拔去不用的导线。(注意：必须在断开电源的条件下接线，以免损坏元件)(2)闭合电源后检查供电是否正常。分别将各运算放大器调零，并用示彼器观察调整好方波信号。(3)断开电源后按图接好线，由信号源引出方波信号接到环节输入端。(4)闭合电源，调节有关旋钮，观察阶跃响应波形。2．内容：(一)一阶惯性环节的阶跃响应1．一阶惯性环节系统方框图如下：模拟线路图图1一阶惯性环节按图1接线（注：接地电阻不需要接，仪器内部已接好，以后模拟图中均省略），在输入端加入单位阶跃信号（通过E点开关手动控制），输出端接示波器。保持信号不变，改变C和R2，观察输出波形。轮机自动化实验指导书第页20.01S0.1S1S10SKRC100,1.02KRC100,12MRC1,12MRC1,102输入波形输出波形2．二阶系统（振荡环节）系统方框图如下：模拟线路图为：图2二阶系统实验内容：按图2接线，在输入端加入单位阶跃信号，输出端接示波器，改变电阻R0及RW，使ζ=0，0.2，0.5，0.7，1，观察记录波形并测量峰值MP，稳态值M，及调节时间tS，计算超调量δ%。实验参考数据如下：1）R0=200K，α=0(ζ=0)2）R0=200K，α=0.2(ζ=0.2)3）R0=200K，α=0.5(ζ=0.5)4）R0=280K，α=0.5(ζ=0.7)5）R0=400K，α=0.5(ζ=1)其中α是指RW的衰减系数。四实验报告要求1．实验线路及一切原始数据。2．数据的分析及与理论值比较。3．对实验现象进行分析讨论。时间常数惯性环节轮机自动化实验指导书第页3实验二：控制系统稳定性实验一、实验目的1、研究增益K对三阶系统稳定性的影响2、研究时间常数T对三阶系统稳定性的影响二、实验原理图1图1为三阶系统的方框图，它的闭环传递函数为312C(S)K=R(S)TS(TS+1)(TS+1)K该系统的特征方程为T1T2T3S3＋T3(T1＋T2)S2＋T3S＋K＝0若令T1＝0.2S，T2＝0.1S，T3＝0.5S，则上式改写为S3＋15S2＋50S＋100K＝0用劳斯稳定判据，求得该系统的临界稳定增益K＝7.5。这就意味着K7.5时，系统为不稳定；K7.5时，系统才能稳定；K＝7.5时，系统作等幅振荡。若令K＝10，T1＝0.2s,T3=0.5S，改变时间常数T2的大小，观察它对系统稳定性产生的影响。三、实验内容图1所示的三阶系统开环传递函数为312KGS=TS(TS+1)(TS+1)（）A）按K＝10，T1＝0.2S,T2=0.05S,T3=0.5S的要求，设计相应的实验电路图。观察并记录该系统的单位阶跃响应曲线。B）令T1＝0.2S,T2=0.1S,T3=0.5S，观察并记录T2分别为0.1S和0.5S时的单位阶跃响应曲线。四、实验报告1、定性地分析系统的开环增益K和时间常数T对三阶系统稳定性的影响。2、写出本实验的心得与体会。五、实验思考题1、为使系统能稳定地工作，开环增益应适取小还是取大？系统中的小惯性环节和大惯性环节哪个对系统稳定性的影响大，为什么？2、试解释在三阶系统的实验中，输出为什么会出现削顶的等幅振荡？3、为什么图1所示的三阶系统和前面的二阶系统对阶跃输入信号的稳态误差都为零？轮机自动化实验指导书第页4实验三：调节器作用规律实验一、实验目的1、熟悉PI、PD和PID三种控制器的结构形式。2、通过实验，深入了解PI、PD和PID三种控制器的阶跃响应特性和相关参数对它们性能的影响。二、实验仪器1．QTM-23型PID调节器2．XM-1型系统模拟实验仪一套．2．低频示波器一台．3、万用表一只三、实验原理PI、PD和PID三种控制器是工业控制系统中广泛应用的有源校正装置。其中PD为超前校正装置，它适用于稳态性能已满足要求，而动态性能较差的场合。PI为滞后校正装置，它能改变系统的稳态性能。PID是一种滞后—超前校正装置，它兼有PI和PD两者的优点。1、PD控制器图1为PD控制器的电路图，它的传递函数为G（S）＝-Kp(TDS+1)S其中Kp=R2/R1,TD=R1C1图12、PI控制器图2为PI控制器的电路图，它的传递函数为221221222RCS1GSRCSR11RRCS1Kp(1+)TS＋（）＝＝－（＋）＝－其中Kp＝R2／R1，T2＝R2C2。图2轮机自动化实验指导书第页53、PID控制器图3为PID控制器的电路图，它的传递函数为DI1S12S1GSTiS12112S1++Ti(1+2)S1+21Kp(1+TS)TS（＋）（＋）（）＝-＝-＝-＋其中1＝R1C1，2＝R2C2，Ti＝R1C2KP＝（12＋）／Ti，T1＝12＋，TD＝（12）／（12＋）R1＝2K，C1＝1uF，R2＝10K，C2＝10uF图3四、实验内容1、令Ur=1V，分别测试R1＝10K和20K时的PD控制器的输出波形。2、令Ur=1V，分别测试R2＝10K和20K时的PI控制器的输出波形。3、令Ur=1V，测试PID控制器的输出波形。五、实验报告1、画出PD、PI和PID三种控制器的实验线路图，并注明具体的参数值。2、根据三种控制器的传递函数，画出它们在单位阶跃信号作用下的理想输出波形图。3、根据实验，画出三种控制器的单位阶跃响应曲线，并与理想输出波形作一分析比较。4、分析参数对三种控制器性能的影响。六、实验思考题1、试说明PD和PI控制器各适用于什么场合？它们各有什么优、缺点？2、试说明PID控制器的优点。3、为什么由实验得到的PD和PID输出波形与它们的理想波形有很大的不同？