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文档简介
1、自动控制原理实验指导书池州学院机械与电子工程系目 录实验一、典型线性环节的模拟1实验二、二阶系统的阶跃响应5实验三、根轨迹实验8实验四、频率特性实验11实验五、控制系统设计与校正实验16实验六、控制系统设计与校正计算机仿真实验18实验七、采样控制系统实验20实验八、典型非线性环节模拟22实验九、非线性控制系统分析25实验十、非线性系统的相平面法28实验一、典型线性环节的模拟一、实验目的:1、学习典型线性环节的模拟方法。2、研究电阻、电容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。二、实验设备:1、XMN-2型实验箱;2、LZ2系列函数记录仪;3、万用表。三、实验内容:1、比例环节: 方块图 模拟电路图中
2、:分别求取Ri=1M,Rf=510K,(KP=0.5);Ri=1M,Rf=1M,(KP=1);Ri=510K,Rf=1M,(KP=2);时的阶跃响应曲线。2、积分环节: 方块图 模拟电路图中:Ti=RiCf分别求取Ri=1M,Cf=1m,(Ti=1s);Ri=1M,Cf=4.7m,(Ti=4.7s););Ri=1M,Cf=10m,(Ti=10.0s);时的阶跃响应曲线。3、比例积分环节: 方块图 模拟电路图中:;Ti=RfCf分别求取Ri=Rf=1M,Cf=4.7m,(KP=1,Ti=4.7s);Ri=Rf=1M,Cf=10m,(KP=1,Ti=10s);Ri=2M, Rf=1M,Cf=4.7
3、m,(KP=0.5,Ti=4.7s);时的阶跃响应曲线。4、比例微分环节: 方块图 模拟电路图中:;Tf=R2C分别求取Ri=Rf=R1=R2=1M,C=2m,(KP=2,Td=3.0s);Ri=2M,Rf=R1=R2=1M,Cf=2m,(KP=1,Td=3.0s);Ri=2M, Rf=R1=R2=1M,Cf=4.7m,(KP=1,Td=7.05s);时的阶跃响应曲线。5、比例积分微分环节: 方块图 模拟电路图中:+;Ti=(Rf+R1)Cf+(R1+R2)C;Tf=R2C求取Ri=4M,Rf=R1=R2=1M,C=Cf=4.7m,(KP=1,Ti=18.8s,Td=3.525s)时的阶跃响应
4、曲线。6、一阶惯性环节: 方块图 模拟电路图中:;T=RfCf分别求取Ri=Rf=1M,Cf=1m,(K=1,T=1s);Ri=Rf=1M,Cf=4.7m,(K=1,T=4.7s);Ri=510K,Rf=1M,Cf=4.7m,(K=2,T=4.7s);时的阶跃响应曲线。四、实验结果记录上述实验曲线。五、实验结果分析1、对给定的电路结构和参数计算阶跃响应;2、将实验结果与计算结果对照,对实验的满意度进行分析;3、根据电路参数分析计算系统响应,与实验数据对照分析测试误差原因;4、提高精度的方法和措施(或建议); 5、实验体会。六、思考题1、设计一个能满足e1+e2+e3=e运算关系的实用加法器;2
5、、一阶惯性环节在什么条件下可视为积分环节;在什么条件可视为比例环节?3、如何设置必要的约束条件,使比例微分环节、比例积分微分环节的参数计算工作得以简化?实验二、二阶系统的阶跃响应一、实验目的:1、学习二阶系统阶跃响应曲线的实验测试方法。2、研究二阶系统的两个重要参数x、wn对阶跃瞬态响应指标的影响。二、实验设备:1、XMN-2型实验箱;2、LZ2系列函数记录仪;3、万用表。三、实验内容:典型二阶系统方块图 典型二阶系统方块图其闭环传递函数wn无阻尼自然频率;x阻尼比;T=时间常数模拟电路运算放大器的运算功能:(op1)积分;(op2)积分;(op9)反相(-1);(op6)反相比例;(rad/
6、s);1、调整Rf=40K,使K=0.4(x=0.2);取R=1M,C=0.47m,使T=0.47秒(wn=1/0.47),加入单位阶跃扰动r(t)=1(t)V,记录响应曲线c(t),记作。2、保持x=0.2不变,阶跃扰动r(t)=1(t)V不变,取R=1M,C=1.47m,使T=1.47秒(wn=1/1.47),加入单位阶跃扰动r(t)=1(t)V,记录响应曲线c(t),记作。3、保持x=0.2不变,阶跃扰动r(t)=1(t)V不变,取R=1M,C=1.0m,使T=1.0秒(wn=1/1.0),加入单位阶跃扰动r(t)=1(t)V,记录响应曲线c(t),记作。4、保持wn=1/1.0不变,阶
7、跃扰动r(t)=1(t)V不变,调整Rf=80K,使K=0.8秒(x=0.4),记录响应曲线c(t),记作。5、保持wn=1/1.0不变,阶跃扰动r(t)=1(t)V不变,调整Rf=200K,使K=2.0秒(x=1.0),记录响应曲线c(t),记作。四、实验结果记录上述实验曲线。五、实验结果分析1、根据电路的结构和参数计算阶跃响应;2、将实验结果与计算结果对照,对实验的满意度进行分析;3、根据电路参数分析计算系统响应,与实验数据对照分析测试误差原因;4、提高精度的方法和措施(或建议); 5、实验体会。六、思考题1、设计一个能满足e1+e2+e3=e运算关系的实用加法器;2、一阶惯性环节在什么条
8、件下可视为积分环节;在什么条件可视为比例环节?3、如何设置必要的约束条件,使比例微分环节、比例积分微分环节的参数计算工作得以简化?实验三、根轨迹实验一、实验目的:1、掌握根轨迹的意义;2、掌握控制系统根轨迹的绘制方法。二、实验设备:1、计算机;2、数据采集卡;3、MATLAB软件。三、实验内容:1、预备知识MATLAB绘制根轨迹命令;建立数学模型参数矩阵:numerator=b0,b1,b2,bm; denominator=a0,a1,a2,an;zeropoint=z1,z2,zm;poles=p1,p2,pn;k=k;系统传递函数:system=tf(numerator, denomina
9、tor)=zpk(z,p,k);绘制开环系统的零极点图:z,p=pzmap(system)=pzmap(numerator, denominator)=pzmap(p,z);绘制闭环根轨迹命令:r,k=rlocus(system)=rlocus(numerator, denominator)= rlocus(numerator, denominator,k);确定给定一组根的根轨迹增益命令:k,poles=rlocfind(system)= rlocfind(system,p)=rlocfind(numerator, denominator);2、根据实际物理系统建立数学模型;设数学模型为3、
10、改变系统参数绘制系统根轨迹;输入系统参数:w=wn=1;b=z=0.5;建立数学模型:numerator=wn;denominator=1,2*z*wn,1;G=tf(numerator, denominator);则G(s)=4、绘制系统根轨迹,输入命令:rlocus(G)5、微分二阶系统的根轨迹输入系统参数:w=wn=2;b=z=0.5;建立数学模型:number=2,1;den=4,5,6;G=tf(number,den);则输入命令:rlocus(G) ,制系统根轨迹;6、针对作业题绘制根轨迹7、记录根轨迹图例:绘制单位反馈控制系统的根轨迹。输入命令:a=2,1;b=4,5,6;g=t
11、f(a,b);rlocus(g);则绘制出的根轨迹如下图所示。试绘制如下系统的根轨迹。1、 2、3、4、四、实验结果记录上述实验曲线。五、实验结果分析1、根据数学模型和根轨迹绘制规则分析计算概略根轨迹,与计算机绘制的根轨迹对照,分析误差原因; 2、对实验结果的满意度进行分析;3、提高精度的方法和措施(或建议); 4、实验体会。六、实验结果分析1、给定物理系统对象,即可建立数学模型;2、只要有系统数学模型,即可绘制系统根轨迹;3、根据系统根轨迹可分析系统的稳定性及系统性能指标。实验四、频率特性实验一、实验目的:1、学习频率特性的实验方测定法;2、掌握根据频率响应实验结果绘制bode图方法;3、根
12、据实验结果所绘制的Bode图,分析系统的主要动态特性(Mp,ts)。二、实验设备:1、XMN-2型自动控制原理实验箱;2、LZ3系列函数记录仪;3、DX5型超低频信号发生器;4、万用表。三、实验内容:典型二阶系统方块图 典型二阶系统方块图其闭环传递函数wn无阻尼自然频率;x阻尼比;T=时间常数闭环频率特性其中:(rad/s)模拟电路图运算放大器的运算功能:(op1)积分;(op2)积分;(op9)反相(-1);(op6)反相比例;(rad/s);1、选定R、C、Rf值,使wn =1;z=0.2;2、使用XD5型超低频信号发生器产生正弦波输入信号r(t)=Sinwt稳态时其响应c(t)=Ysin
13、(wt+j);3、改变输入信号频率,使w=0.2,0.4,0.6,0.8,0.9,1.0,1.2,1.4,1.6,2.0,3.0rad/s;用函数记录仪测量输入r(t)和输出c(t)。记录曲线序号依次记作,记录曲线序号f(Hz)w(rad/s)A(w)L(w)(dB)j(w)(deg)4、根据上述表格所整理的实验数据,在半对数坐标纸上绘制bode图,标出Mr,wr。5、根据所绘制的bode图分析二阶系统的主要瞬态响应指标标出Mp,ts。6、改变二阶系统的wn值或z值,重复上述步骤3,4,5,6。四、绘制系统的频率特性在MATLAB环境下建立开环系统的数学模型,同系统根轨迹。在MATLAB环境下
14、绘制开环系统的频率特性。1、绘制连续系统的幅相(Nyquist曲线)频率特性曲线。re,im,w=nyquist(system)= nyquist(num,den)= nyquist(system,w)= nyquist(num,den,w)绘制坐标网格线命令:grid on去除坐标网格线命令:grid off2、绘制连续系统的对数(Bode图)频率特性曲线。mag,phrase,w=bode(system)=bode(num,den)= bode(system,w)= bode(num,den,w)绘制对数坐标网格线命令:grid on去除坐标网格线命令:grid off3、绘制连续系统的尼
15、柯尔斯(Nichols图)频率特性曲线。mag,phrase,w=nichols(system)= nichols(num,den)= nichols(system,w)= nichols(num,den,w)绘制Nichols曲线网格线命令:ngrid on4、在对数(Bode图)频率特性曲线上求增益裕量和相位裕量。 gm,pm,wcp,wcg=margin(system)= margin(num,den)= margin(mag,phrase,w)5、结合作业题绘制系统的频率特性。7、记录系统的频率特性(Nyquist曲线,Bode图)例:绘制单位反馈控制系统的开环幅相频率特性和对数频率特性。输入命令:a=2,1;b=4,5,6;g=tf(a,b);nyquist(g);则绘制出的开环幅相频率特性如下图所示。输入命令:a=2,1;b=4,5,6;g=tf(a,b);bode(g
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