控制工程基础实验指导书(答案)-2

实验二二阶系统的瞬态响应分析一、实验目的1、熟悉二阶模拟系统的组成。2、研究二阶系统分别工作在=1，01，和1三种状态下的单位阶跃响应。3、分析增益K对二阶系统单位阶跃响应的超调量P、峰值时间tp和调整时间ts。4、研究系统在不同K值时对斜坡输入的稳态跟踪误差。5、学会使用Matlab软件来仿真二阶系统，并观察结果。二、实验仪器1、控制理论电子模拟实验箱一台；2、超低频慢扫描数字存储示波器一台；3、数字万用表一只；4、各种长度联接导线。三、实验原理图2-1为二阶系统的原理方框图，图2-2为其模拟电路图，它是由惯性环节、积分环节和反号器组成，图中K=R2/R1，T1=R2C1，T2=R3C2。图2-1二阶系统原理框图图2-1二阶系统的模拟电路由图2-2求得二阶系统的闭环传递函1222122112/()(1)()/OiKTTUSKUSTTSTSKSTSKTT:而二阶系统标准传递函数为(1)(2),对比式和式得1221,4nKTTTTK12T0.2,T0.5,10,0.625nSSKK若令则。调节开环增益K值，不仅能改变系统无阻尼自然振荡频率ωn和的值，可以得到过阻尼(1)、临界阻尼（=1）和欠阻尼（1）三种情况下的阶跃响应曲线。（1）当K0.625，01，系统处在欠阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为：图2-301时的阶跃响应曲线（2）当K=0.625时，=1，系统处在临界阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为：如图2-4为二阶系统工作临界阻尼时的单位响应曲线。(2)+2+=222nnnSS)S(G212211()1sin()(3)11.2-3ntoddnutttge式中图为二阶系统在欠阻尼状态下的单位阶跃响应曲线etnonttu)1(1)(图2-4=1时的阶跃响应曲线（3）当K0.625时，1，系统工作在过阻尼状态，它的单位阶跃响应曲线和临界阻尼时的单位阶跃响应一样为单调的指数上升曲线，但后者的上升速度比前者缓慢。四、实验内容与步骤1、根据图1-1，调节相应的参数，使系统的开环传递函数为：2、令ui(t)=1V，在示波器上观察不同K（K=10，5，2，0.5）时的单位阶跃响应的波形，并由实验求得相应的σp、tp和ts的值。3、调节开环增益K，使二阶系统的阻尼比707.021，观察并记录此时的单位阶跃响应波形和σp、tp和ts的值。4、用三角波或输入为单位正阶跃信号积分器的输出作为二阶系统的斜坡输入信号。5、观察并记录在不同K值时，系统跟踪斜坡信号时的稳态误差。五、实验报告1、画出二阶系统在不同K值（10，5，2，0.5）下的4条瞬态响应曲线，并注明时间坐标轴。2、按图1-2所示的二阶系统，计算K=0.625，K=1和K=0.312三种情况下和ωn值。据此，求得相应的动态性能指标σp、tp和ts，并与实验所得出的结果作一比较。3、写出本实验的心得与体会。六、实验思考题1、如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？)1S2.0(S5.0K)S(G+=（阶跃信号幅值的大小选择应适当考虑。过大会使系统动态特性的非线性因素增大，使线性系统变成非线性系统；过小也会使系统信噪比降低并且输出响应曲线不可能清楚显示或记录下来。）2、在电子模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈？-++Z1Z2i2i1uiuo接示波器（以运算放大器为核心，接反馈电路如上图所示，当Z1、Z2不等时，就是负反馈，当Z1、Z2相等时，就是单位负反馈。）3、为什么本实验的模拟系统中要用三只运算放大器？（由二阶系统的原理方框图可知，它是由惯性环节、积分环节和比例放大环节组成，而每一个典型环节的模拟电路图均只需一个运算放大器）实验三三阶系统的瞬态响应及稳定性分析一、实验目的1、掌握三阶系统的模拟电路图；2、由实验证明开环增益K对三阶系统的动态性能和稳定性能的影响；3、研究时间常数T对三阶系统稳定性的影响；二、实验仪器1、控制理论电子模拟实验箱一台；2、超低频慢扫描数字存储示波器一台；3、数字万用表一只；4、各种长度联接导线。三、实验原理图3-1为三阶系统的方框图，它的模拟电路如图3-2所示，图3-1三阶系统原理框图图3-2三阶系统模拟电路闭环传递函数为：该系统的特征方程为T1T2T3S³+T3（T1+T2）S²+T3S+K=0其中K=R2/R1，T1=R3C1，T2=R4C2，T3=R5C3。若令T1=0.2S，T2=0.1S，T3=0.5S，则上式改写为用劳斯稳定判据，求得该系统的临界稳定增益K=7.5。这表示K7.5时，系统为不稳定；K7.5时，系统才能稳定运行；K=7.5时,系统作等幅振荡。K)ST)(ST(STK)S(U)S(Uio+1+1+=2130=100+50S+15S+S23Κ除了开环增益K对系统的动态性能和稳定性有影响外，系统中任何一个时间常数的变化对系统的稳定性都有影响，对此说明如下：令系统的剪切频率为c，则在该频率时的开环频率特性的相位为：（c）=-90-tg-1T1c–tg-1T2c相位裕量=180+（c）=90-tg-1T1c-tg-1T2c由上式可见，时间常数T1和T2的增大都会使减小。四、实验内容与步骤图4-1所示的三阶系统开环传递函数为1、按K=10，T1=0.2S,T2=0.05S,T3=0.5S的要求，调整图2-2中的相应参数。2、用慢扫描示波器观察并记录三阶系统单位阶跃响应曲线。3、令T1=0.2S，T2=0.1S，T3=0.5S，用示波器观察并记录K分别为5，7.5，和10三种情况下的单位阶跃响应曲线。4、令K=10，T1=0.2S，T3=0.5S，用示波器观察并记录T2分别为0.1S和0.5S时的单位阶跃响应曲线。五、实验报告1、作出K=5、7.5和10三种情况下的单位阶跃响应波形图，据此分析K的变化对系统动态性能和稳定性的影响。2、作出K=10，T1=0.2S，T3=0.5S，T2分别为0.1S和0.5S时的单位阶跃响应波形图，并分析时间常数T2的变化对系统稳定性的影响。3、写出本实验的心得与体会。六、实验思考题1、为使系统能稳定地工作，开环增益应适当取小还是取大？（为了使系统稳定工作，开环增益应适当取小）2、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？（小惯性环节对系统稳定性影响大，因为参数的变化对小惯性环节影响大）3、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？)ST)(ST(STK)S(G1+1+=213（输入信号或开环增益过大，造成波形失真）4、为什么图1-2和图1-1所示的二阶系统与三阶系统对阶跃输入信号的稳态误差都为零?（因为在二阶和三阶系统中，ess=Lim[R(S)-C(S)]=0）实验四控制系统的稳定性分析一、实验目的1、理解系统的不稳定现象；2、研究系统开环增益对稳定性的影响。二、实验仪器1、控制理论电子模拟实验箱一台；2、超低频慢扫描数字存储示波器一台；3、数字万用表一只；4、各种长度联接导线。三、实验原理三阶系统及三阶以上的系统统称为高阶系统。一个高阶系统的瞬态响应是由一阶和二阶系统的瞬态响应组成。控制系统能投入实际应用必须首先满足稳定的要求。线性系统稳定的充要条件是其特征方程式的根全部位于S平面的左方。应用劳斯判断就可以判别闭环特征方程式的根在S平面上的具体分布，从而确定系统是否稳定。本实验是研究一个三阶系统的稳定性与其参数Ｋ对系统性能的关系。三阶系统的方框图和模拟电路图如图4-1、图4-2所示。图3-1三阶系统的方框图图4-2三阶系统电路模拟图图4-2三阶系统的模拟电路图（电路参考单元为：U3、U8、U5、U6、反相器单元）图4-1的开环传递函数为：)15.0)(11.0()1)(1()(2121SSSKKSTSTSKsG式中=1s，10.1Ts，20.5Ts，21KKK，11K，2510XKR（其中待定电阻Rx的单位为KΩ），改变Rx的阻值，可改变系统的放大系数K。由开环传递函数得到系统的特征方程为020201223KSSS由劳斯判据得0K12系统稳定K＝12系统临界稳定K12系统不稳定其三种状态的不同响应曲线如图4-3的a)、b)、c)所示。a)不稳定b)临界c)稳定图4-3三阶系统在不同放大系数的单位阶跃响应曲线四、实验内容与步骤1、根据图4-2所示的三阶系统的模拟电路图，设计并组建该系统的模拟电路。2、用慢扫描示波器观察并记录三阶系统在以下三种情况下单位阶跃响应曲线；（1）若K=5时，系统稳定，此时电路中的RX取100K左右；（2）若K=12时，系统处于临界状态，此时电路中的RX取42.5K左右(实际值为47K左右)；（3）若K=20时，系统不稳定，此时电路中的RX取25K左右；五、实验报告要求1、画出三阶系统线性定常系统的实验电路，标明电路中的各参数；2、测出系统单位阶跃响应曲线。六、实验思考题1、为使系统稳定地工作，开环增益应适当取小还是取大？2、为什么二阶系统和三阶系统的模拟电路中所用的运算放大器都为奇数？（因为二阶系统是由惯性环节、积分环节、反馈器环节组成三阶系统是由比例放大环节、两个惯性环节、积分环节、反馈器组成每一个典型环节在模拟电路中都需要一个运算放大器）实验五线性系统稳态误差的研究一、实验目的1、了解不同典型输入信号对于同一个系统所产生的稳态误差；２、了解一个典型输入信号对不同类型系统所产生的稳态误差。二、实验仪器1、控制理论电子模拟实验箱一台；2、超低频慢扫描数字存储示波器一台；3、数字万用表一只；4、各种长度联接导线。三、实验原理通常控制系统的方框图如图4-1所示。其中G(S)为系统前向通道的传递函数，H(S)为其反馈通道的传递函数。图5-1控制系统方框图由图4-1求得)()()(11)(SRSHSGSE（1）由上式可知，系统的误差E(S)不仅与其结构和参数有关，而且也与输入信号R(S)的形式和大小有关。如果系统稳定，且误差的终值存在，则可用下列的终值定理求取系统的稳态误差：)(lim0SSEesss（2）本实验就是研究系统的稳态误差与上述因素间的关系。下面结合0型、I型、II型系统对三种不同输入信号所产生的稳态误差sse进行分析。1、0型二阶系统设0型二阶系统的方框图如图5-2所示。根据式（2），可以计算出该系统对阶跃和斜坡输入时的稳态误差：图5-20型二阶系统的方框图(1)单位阶跃输入（sSR1)(）3112)1.01)(2.01()1.01)(2.01(lim0SSSSSSeSss(2)单位斜坡输入（21)(sSR）2012)1.01)(2.01()1.01)(2.01(limSSSSSSeSss上述结果表明0型系统只能跟踪阶跃输入，但有稳态误差存在，其计算公式为：PssKRe10其中)()(lim0SSHSGKp，R0为阶跃信号的幅值。其理论曲线如图5-3(a)和图5-3(b)所示。(a)(b)图5-30型系统理论曲线2、I型二阶系统设图5-4为I型二阶系统的方框图：图5-4I型二阶系统的方框图1）单位阶跃输入SSSSSSRSGSE110)1.01()1.01()()(11)(0110)1.01()1.01(lim0SSSSSSeSss2）单位斜坡输入1.0110)1.01()1.01(lim20SSSSSSeSss这表明I型系统的输出信号完全能跟踪阶跃输入信号，在稳态时其误差为零。对于单位斜坡信号输入，该系统的输出也能跟踪输入信号的变化，且在稳态时两者的速度相等（即1..oruu），但有位置误差存在，其值为VOKV，其中)()(lim0SHSSGKSV，OV为斜坡信号对时间的变化率。其理论曲线如图5-5(a)和图5-5(b)所示。(a)(b)图5-5I型系统理论曲线3、II型二阶系统设