自动控制原理实验报告

1、自控实验报告目录实验一 典型环节及其阶跃响应 1一、实验目的 1二、实验仪器 1三、实验原理 1四、实验内容 1五、实验步骤 2六、实验结果 3七、实验分析 6实验二 二阶系统阶跃响应 7一、实验目的 7二、实验仪器 7三、实验原理 7四、实验内容 8五、实验步骤 9六、实验结果及分析 9实验三 连续系统串联校正 15一、实验目的 15二、实验仪器 15三、实验内容 15四、实验步骤 17五、实验结果 17实验一 典型环节及其阶跃响应实验目的1. 掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。2. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法。二、实验仪器1. EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台2. 计

2、算机一台三、实验原理1 模拟实验的基本原理：控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这 些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的 输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应 曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影 响。四、实验内容构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应:1. 比例环节的模拟电路及其传递函数U1B/ALK1lOClK20QKG(s)比例环节U2A/ElR2R12. 惯性环节的模拟电路及其传

3、递函数。(K 邑,T R2C)3. 积分环节的模拟电路及传递函数U1n/Ai1WK积分环节C InfU2 a/di1Ts(T RC)4微分环节的模拟电路及传递函数C 0. 01111R 1XK5.in _叭厂氏 G(s)A/D1RCs比例+微分环节的模拟电路及传递函数。R1I00K蹬LOOKVID/AL比例+橄分 环爭U21抑巩G(s) K (K R2,TTs 1RRC)五、实验步骤1. 启动计算机，在桌面双击图标自动控制实验系统运行软件。2. 测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续。如通信不正常查找原因 使通信正常后才可以继续进行实验。比例环节：3. 连接被测量典型环节的模拟电路（图

4、1-1） o电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。4. 在实验项目的下拉列表中选择实验一一、典型环节及其阶跃响应o5. 鼠标单击 创按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置 相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果6. 观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。7. 记录波形及数据（由实验报告确定）。惯性环节：8. 连接被测量典型环节的模拟电路（图1-2）。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1 输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。9. 实验步骤同47 积

5、分环节：10. 连接被测量典型环节的模拟电路（图1-3）。电路的输入U1接A/D、D/A卡的 DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将积分电容两端连在模拟 开关上。检查无误后接通电源。11. 实验步骤同47微分环节：12. 连接被测量典型环节的模拟电路（图1-4）。电路的输入U1接A/D、D/A卡的 DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。13. 实验步骤同47比例+微分环节：14. 连接被测量典型环节的模拟电路（图1-6）。电路的输入U1接A/D、D/A卡的 DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将积分电容连在模拟

6、开关 上。检查无误后接通电源。15. 实验步骤同4716. 测量系统的阶跃响应曲线，并记入上表。六、实验结果记录比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、比例微分环节的响应曲线口 F胃口 ：IEQQD图1-1比例环节响应曲线口ibandinau r:1的 h 口X.1辛1图1-2惯性环节响应曲线曲线经过点（160,-1000)EMA|aozh%: wimi yuw3Kll 号i5 fiEJI 5口 sftE * 5S=, 屯军 C Li3DojTi f. i口rr D ln事荐；诅0沪10心MUD10DD谄gWE-DOCi-laoztIodQIDaaD?5g图1-3积分环节响应曲线曲线过点（0,

7、 -1600）和（360, -5000）iDiMtl3/MC5Ba60H5B76M+3ODH竝匚 寻豪血：賈帥| fifflVTrfill 号 Si 眉（I: 500 TtiZ gon mi晅军；DtnY 电 iar d ln 卡U： !|a0B * Lg mJ2003xaoLlOODKIOC-3CIOD-5QOHX.1辛1S tobEiibaadi1的 h 口图1-4微分环节响应曲线XlTi口 * /1DODD I图1-5比例+微分环节响应曲线七、实验分析计算惯性环节与积分环节的传递函数，并与由电路计算的结果相比较惯性环节:由模拟电路得：G(s)KTsR2 / R-1R2Cs 1设 y(t)

8、a(1bt、 e )当t,y(t)2,得 a=-2由阶跃曲线得：代入点(0.16,-1),得 b 4.33y(t)2(1e ),Y(s)则 G(s)20.2s 12s(0.23s 1)积分环节:由模拟电路得：G(s) Ts0.23s1RCs10.1s10s由点(0,-1.6)和(0.36,-5)可得由阶跃曲线得:k= 5 ( 1.6)0.36 09.4G(s)94s分析：从以上惯性环节和积分环节的电路计算传递函数与阶跃曲线计算的传递函 数比较可知，实际与理论值比较接近。但是在积分环节的阶跃曲线中可以 看出，系统中含有绝对值小于1的比例环节。实验二二阶系统阶跃响应一、实验目的1 研究二阶系统的特

9、征参数，阻尼比Z和无阻尼自然频率n对系统动态性能的影响。定量分析 Z和3 n与最大超调量Mp和调节时间tS之间的关系。2 学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。二、实验仪器1. EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台2 计算机一台三、实验原理1 模拟实验的基本原理：控制系统模拟实验利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典 型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来， 便得到了相应的 模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测 量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数， 还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。2.

10、时域性能指标的测量方法：超调量（T%：1）启动计算机，在桌面双击图标自动控制实验系统运行软件。2）检查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击二J按 钮，出现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示 通信正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行 实验。3）连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。4）在实验项目的下拉列表中选择实验一典型环节及其阶跃响应。5）鼠标单击 凹按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框 中设置相应的实

11、验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。6）用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，代入下式算出超调 量：Ymax Y% max 100%YT s：利用软件的游标测量水平方向上从零到达稳态值所需的时间值。四、实验内容典型二阶系统的闭环传递函数为:（S）nS22 nS其中Z和3 n对系统的动态品质有决定的影响。 构成图2-1典型二阶系统的模 拟电路，并测量其阶跃响应：根据二阶系统的模拟电路图，画出二阶系统结构图并写出系统闭环传递函数。 把不同z和3 n条件下测量的Mr和ts值列表，根据测量结果得出相应结论。.画 出系统响应曲线，再由ts和Mp计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传

12、递函 数相比较。五、实验步骤1. 取州=10rad/s, 即令 R=100K C=1uf;分别取 Z =0、0.25、0.5、1、2,即取 R1=100KR2分别等于0、50K 100K 200K 400&输入阶跃信号，测量不同的Z时系统 的阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量 蜩口调节时间t S的数值和响应动态 曲线，并与理论值比较。2. 取Z =0.5,wn=100rad/s, 即取R=100K改变电路中的电容C=0.1uf（注意：二个 电容值同时改变）。输入阶跃信号测量系统阶跃响应，并由显示的波形记录最大 超调量（和调节时间t s。六、实验结果及分析1. 画出二阶系统的模拟电路图，画出

13、二阶系统结构图并写出系统闭环传递函数,阶系统结构图图2-3系统闭环传递函数:（S）U11/T2s2 (K/T)s 1/T2与（s）2nS22 nS比较可得:n1RCR22R改变比值暑，可以改变二阶系统的阻尼比；改变RC值可以改变无阻尼自然频率n。令 R1=100K R2 分别等于 0、50K、100K 200K、400K。可得：Z =0、0.25、0.5、1、2。令电阻R取100K,电容C分别取1uf和0.1uf,可得:n=10rad/s、100rad/s2. 把不同Z和n条件下测量的 MH ts值列表，根据测量结果得出相应结论超调量： e / L 100%调节时间：tsn（5%的误差带）3当

14、00.9时，ts （5%的误差带）n表2-1由系统响应曲线得出的超调量与调节时间R1/kR2/kC/ufzwn(rad/s)t s/ms10001010-1005010.251050.2%123710010010.51018.0%675100200111004781004001210012161001000.10.510018.0%62由表2-1可知：当Z =0时系统为临界阻尼状态，等幅振荡；当0Z 0时系统处于过阻尼状态，超调量为0。相同阻尼比的情况下，通过改变可以减小系统的响应时间并减少超调量第10页表1-2理论值与真实值的比较Zwn(rad/s)(%慎实值ts(ms)/真实值0%/理论值

15、t s(ms)/理论值010-0.251050.2%123744.4%12120.51018.0%67516.3%62911004780-210012160-0.510018.0%6216.3%63由表2-2可知：真实值与与理论值接近，普遍要大一点。且真实值与表 1中的特性相同。4.画出系统响应曲线，再由 珊口ts计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。依次将图中得出的超调量(T %与调节时间ts代入公式反解出Z、 皿口Qmg r;XDd-dBi口图2-4 Z =0, w=10rad/s 的响应曲线图2-4中无法得出准确的超调量(T %与调节时间ts ,若令(T %=96% ts=

16、20s,可得： 0.013, n 11.545真实传递函数(s)133.32s 0.3s 133.3而理论传递函数0(s)100s2 100可见真实的传递函数与理论差别不大，在误差允许范围之内图 2-5 Z =0.25 , Wn=10rad/s 的响应曲线图2-5中超调量(T %=50.2%调节时间ts=1237ms分别代入公式中得:0.214, n 11.407真实传递函数(s) -1301s24.9 s 130.1而理论传递函数0(s) s2 5s 100可见真实的传递函数与理论差别不大，在误差允许范围之内ai&MsMtigsc*曰3厶5 仔日占右&laa&a图 2-6 Z =0.5, W

17、n=10rad/s 的响应曲线图2-6中超调量(T %=18.0%调节时间ts =675ms分别代入公式中得:0.479,5.282真实传递函数（S）27.92s 5.1s 27.9而理论传递函数1000（S） s210s 100可见真实的传递函数与理论有些误差5Ba+30CDxoni f LHiv:亦ITflE 亠 SOTiffll LOD!L ln 祇口Ell mjln旳DIDzaoc1000c-|43Ehsaao-3dODV 口 DO-DiOO囂 1口 JtslTQQIS對-laag图6-7 Z =1, W!=10rad/s 的响应曲线图2-7中超调量(T %=0调节时间ts=478ms

18、分别代入公式中得:1,令=0.99,得 n 10.478真实传递函数109.8（s） s2 19.1s 109.8而理论传递函数0(s) s220s 100可见真实的传递函数与理论差别不大，并在误差允许范围之内-ICQQ1 T9- UMD- - -口图2-8 Z =2, w=10rad/s 的响应曲线图2-8中超调量（T %=0调节时间ts=1216ms分别代入公式中得:Mtl4 sad-3CfD冇SKIT?号?5局邛： 严口 sir goz- mj电电 C LfiDDlnV l lac 口 ln图 2-9 Z =0.5 , w,=100rad/s 的响应曲线1,得 n 9.786真实传递函数

19、,、95.8（S）2s2 19.6s 95.8而理论传递函数,、 1000（s）2s240s 100可见真实的传递函数与理论差别不大。图2-9中超调量（T %=18.0%调节时间ts =62ms分别代入公式中得:0.479,105.383真实传递函数/、11105.6(S)2S2101s 11105.6而理论传递函数10000O(s)2s 100s 10000可见真实的传递函数与理论差别不大，并在误差允许范围之内实验三连续系统串联校正一、实验目的1. 加深理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用。2. 对给定系统进行串联校正设计，并通过模拟实验检验设计的正确性。二、实验仪器1. EL-AT-I

20、II型自动控制系统实验箱一台2 计算机一台三、实验内容1.串联超前校正(1)系统模拟电路图如图3-1，图中开关S断开对应未校情况，接通对应超前校 正。(2)系统结构图如图3-2VI图3-2超前校正系统结构图Gd( s)图中Gc2(S)22(0.055 s 1)0.005s 1(1)系统结构图示如图3-4图3-4滞后系统结构图5(s 1)6s 12 串联滞后校正(2)Gd(s)图中Gc2(S)3. 串联超前一滞后校正(1)模拟电路图如图3-5，双刀开关断开对应未校状态，接通对应超前一滞后（2）系统结构图示如图3-6Gc1(s) 6图3-6超前一滞后校正系统结构图图中/、6(1.2s 1)(0.1

21、5s 1)Gc2(S)(6 s 1)(0.05s 1)四、实验步骤超前校正：1 连接被测量典型环节的模拟电路（图3-1），开关s放在断开位置。2系统加入阶跃信号，测量系统阶跃响应，并记录超调量c嗨口调节时间ts。3开关s接通，重复步骤2,并将两次所测的波形进行比较。 滞后校正：4连接被测量典型环节的模拟电路（图3-3），开关s放在断开位置。系统加入阶 跃信号。测量系统阶跃响应，并记录超调量c呀口调节时间ts。5开关s接通，重复步骤2,并将两次所测的波形进行比较 超前-滞后校正：6.接被测量典型环节的模拟电路（图3-5）。双刀开关放在断开位置。系统加入阶 跃信号。测量系统阶跃响应，并记录超调量c

22、呀口调节时间ts7双刀开关接通，重复步骤2,并将两次所测的波形进行比较。五、实验结果1 计算串联校正装置的传递函数 Gc（s）和校正网络参数。 串联超前校正：Gc(s)2(0.055 s 1)0.005s 1串联滞后校正:Gc(s)5(s 1)6s 1串联超前-滞后校正:Gc(s)6(1.2s 1)(0.15s 1)(6 s 1)(0.05s 1)2画出校正后系统的对数坐标图，并求出校正后系统的3 c及丫串联超刖校正:之刖：G(s)40s(0.2s 1)400.2s2 s之后：G(s)40(0.55s s(0.2s 1)(0.005s 1)2.2s 40320.001s0.205s sMATL

23、AB: b1=40;a 1=0.2,1,0;subplot(1,2,1);bode(b1,a1);marg in( b1,a1);b2=2.2,40;a2=0.0001,0.205,1,0;subplot(1,2,2);bode(b2,a2);margi n( b2,a2);3w5e L ljran-h jfl *硏.A a tlx IJ il -I：皿SCOppDagra-On W |MP*S?7)fri 117-L I图3-7串联超前校正前后波特图由图3-7可得:13.7rad/s,20oo15.7rad/s,57.7Brc-f T 哗 il图3-8串联超前校正前后波特图对比由图3-8可见

24、校正后的相角裕度得到增加，系统的稳定性和平稳性得到了改善。串联滞后校正:之前：、5050G(S)32s(0.05s 1)(0.1s 1)0.005s0.15s s之后：、50(s 1)50s 50G(s)432s(0.05s 1)(0.1s 1)(6s 1)0.03s40.905s3 6.15s2 sMATLAB: b1=50;a 仁0.005,0.15,1,0;subplot(1,2,1);bode(b1,a1);marg in( b1,a1);b2=50,50;a2=0.03,0.905,6.15,1,0;subplot(1,2,2);bode(b2,a2);margi n( b2,a2)

25、;3c L|X M 14ll fMM) Wft l 1 Wf Al 11 fliUt)办=卜孑|纠I JBi* DCr M -fl Itf 1L： , SH* K 1 Mg b： !S Ed-i-= -L图3-9串联滞后校正前后波特图由图3-9可得:c 18rad / s,13oc 6.65rad / s,30.8E ya UJIridA 对 NLRAg: UE图3-10串联滞后校正前后波特图对比由图3-10可见校正后的相角裕度得到增加，校正通过快速性换取了系统的稳定性。超前-滞后校正:、-、八之刖：G(s)1010s(0.1s 1)(0.01s 1)0.001s3 0.11s2 s60(1.

26、2s 1)(0.15s 1)、二 ()s(0.1s 1)(0.01s 1)(6s 1)(0.05s 1) 之后：210.8s2 81s 600.0003s5 0.03905s4 0.9665s3 6.16s2 sMATLAB: b1=10;a 1= 0.001,0.11,1,0;subplot(1,2,1);bode(b1,a1);marg in( b1,a1);b2=10.8,81,60;a2=0.0003,0.03905,0.9665,6.16,1,0; subplot(1,2,2);bode(b2,a2);margi n(b2,a2);itCd沁之 L Bgr/frCr jfil fl 僅 11.1 I , Bffl 474 Atg UU TH Hfb：-ri|.wlC , I ! j j .-. ：FnMhisoc