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1、广西大学实验报告纸组长:组员:指导老师:成绩:学院:电气工程学院专业:自动化班级:163实验内容:实验五 二阶瞬态响应特性与稳定性分析2018年5月11日【实验时间】2018年 5月 11日【实验地点】 综合808【实验目的】1、 以实际对象为基础,了解和掌握典型二阶系统的传递函数和模拟电路图。2、 观察和分析典型二阶系统在欠阻尼、临界阻尼、过阻尼的响应曲线。3、 学会用MATLAB分析系统稳定性。【实验设备与软件】1、 Multisim 10电路设计与仿真软件2、 labACT试验台与虚拟示波器3、 MATLAB数值分析软件【实验原理】1、 被模拟对象模型描述 永磁他励电枢控制式直流电机如图
2、1(a)所示。根据Kirchhoff定律和机电转换原理,可得如下方程 (1) (2) (3)式中,各参数如图1(a)所示:L、R为电机和负载折合到电机轴上的转动惯量,Tl是折合到电机轴上的总的负载转矩,b是电机与负载折合到电机轴上的粘性摩擦系数;kt是转矩系数(Nm/A),ke是反电动势系数(Vs/rad)。令(电磁时间常数),(机械时间常数),于是可由这三个方程画出如图1(b)的线性模型框图。将Tl看成对控制系统的扰动,仅考虑先行模型框图中的传递函数为 (4)考虑到电枢电感L较小,在工程应用中常忽略不计,于是上式转化为 (5)式中,为传动函数,为机电时间常数。本实验中,去,传动系数可变。2、
3、 系统的稳定性 线性系统稳定的充要条件是闭环系统特征值均在左半平面。3、 接线和操作 输入信号产生的操作方法: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r(t),即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2.5V(调试方法:调节电位器,用万用表测量Y测孔)。 构造有源放大电路用模拟运算单元和阻容库A1-A9资源。 输入和输出信号的测量利用虚拟示波器,直接将信号接入CH1和CH2测孔,运行LABACT程序,打开单迹示波器或双迹示波器,便可以得到波形。【实验内容、方法、过程与分析】1、 用运算放大器
4、搭建出实验原理给出的电机模型,并在Mulsitim10中仿真,选择合适的电阻R0改变速度增益K0,观察和分析典型二阶系统在欠阻尼、临界阻尼、过阻尼的响应曲线,并记录波形、超调量、峰值时间、调节时间。并计算出在欠阻尼下阶跃信号输入时的动态指标,与仿真时的测量值进行比较。Mulsitim仿真电路图如下所示表1:Mulistim10仿真数据记录表格及实验波形参数项目电阻(k)增益(1/s)自然频率(计算值)(1/s)阻尼比(计算值)超调量峰值时间(s)调节时间(s)测量值计算值测量值计算值测量值计算值过阻尼5024.4721.1181515.6临界阻尼402.5511.021.5欠阻尼23.463.
5、86.1630.84.04.50.620.651.11.22057.070.70716.316.50.360.40.970.9742515.80.31635.136.00.210.250.960.96 R=10k R=25.64k R=20k R=4k R=50k2、用运算放大器搭建出实验原理给出的电机模型,在labACT实验平台上实验,选择合适的电阻R0改变速度增益K0,观察和分析典型二阶系统在欠阻尼、临界阻尼、过阻尼的响应曲线,并记录波形、超调量、峰值时间、调节时间。并计算出在欠阻尼下阶跃信号输入时的动态指标,预实验测量值比较。表2:实验数据记录表格及实验波形参数项目电阻(k)增益(1/s
6、)自然频率(计算值)(1/s)阻尼比(计算值)超调量峰值时间(s)调节时间(s)测量值计算值测量值计算值测量值计算值过阻尼5024.4721.1181515.6临界阻尼402.5511.01.5欠阻尼23.463.86.1630.84.14.50.550.651.11.22057.070.70715.316.50.320.40.850.9742515.80.31634.536.00.210.250.800.96过阻尼临界阻尼欠阻尼分析实验:1、 比较过阻尼和临界阻尼达到稳定的时间,分析它们之间存在差异的原因?答:调节时间一般近似表达式为(按5%误差),可知决定系统响应的快速性,所以临界阻尼情况下系统达到稳定的时间比过阻尼短。2、 在欠阻尼情况下,随着阻尼比的改变,超调量、平稳性和调节时间会怎样变化?答:阻尼比越小,超调量越大、达到峰值的时间和调节时间越小。3、 过阻尼、临界阻尼和欠阻尼情况下曲线在同一坐标系如下图所示。4、 对于欠阻尼系统,如果阶跃输入信号过大,会在实验和实际中产生什么后果?答:会使波形超出示波器显示范围,造成失真,影响实验测量和图形的读取。【实验总结】通过这次实验,我
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