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文档简介
1、自动控制理论实验指导书自动控制理论实验指导书目录实验一 典型环节与典型系统的模拟1实验二 二阶系统阶跃响应特性6实验三 自动控制系统稳定性实验10实验四 线性系统动态特性的研究12实验五 自动控制系统静态误差实验13实验六 控制系统的品质及校正装置的应用(设计性)15实验七 控制系统频率特性仿真研究17实验八 非线性系统运动特性的研究18实验九 非线性系统的计算机仿真20附录 KJ82-3型自动控制系统模拟机可做模拟运算电路举例21实验一 典型环节与典型系统的模拟一实验目的1.观察典型环节阶跃响应曲线,定性了解参数变化对典型环节动特性的影响;2.观测不同阶数线性系统对阶跃输入信号的瞬态响应,了
2、解参数变化对它的影响。二实验设备和仪器1.KJ82-3型自动控制系统模拟机一台2.Tektronix TDS 1002数字存储示波器一台3.万用表一块三实验内容及步骤(一)典型环节的阶跃响应1.实验步骤:(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。(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,并用示波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各环节输入端。(4)闭合电源,调节有关旋钮,观察阶跃响应波形,并利用表1.1-1.6记录之。2.实验内容:(1)比例调节器表1.1比例调节器增大(顺旋)减小(逆旋)阶跃输入响应波形输出(2)积
3、分调节器改变时保护输入信号不变表1.2积分调节器0.010.1110输入输出响应(3)惯性环节时间常数0.010.1110调节器(=0.1 =100)(=1 =100)(=1 =1)(=10 =1)输入波形阶跃响应表1.3(4)比例微分表1.4-调节器输入波形输出波形(5)比例积分表1.5-输入波形输出波形(6)比例、积分、微分表1.6调节器输入波形输出波形(二)典型二阶系统模拟1.实验线路:2.方框图:其中: 时间常数; 为阻尼比; 为无阻尼自然频率(角频率:弧度/秒)。 为阻尼自振频率(单位Hz)。3.实验步骤:(1)关上电源,按上图接线,经教师检查后,再合电源,由调零转入工作。(2)在秒
4、(,)10附近改变增益系数a,观察方波输入作用下之响应曲线,利用表1.7记录之。(3)让,0.1秒,1秒,10改变增益系数a,观察方波输入作用下之响应曲线,利用表1.7记录之。表1.7第一组参数1,0.1,1M第二组参数1,1,1M输入波形输出a0.1阶跃响应波形a0.5a1(三)三阶系统的模拟1.接线图:2.方框图:式中:;3.实验步骤:(1)按图接线,先取0.1,缓缓改变a的值,观察并记录阶跃响应曲线(用表1.8记录)。(2)取1,重复上述实验过程。表1.8三阶系统第一组参数Cx0.1第二组参数Cx1输入波形输出a0.1阶跃响应波形a0.5a1四思考题1.积分环节和惯性环节主要差别是什么?
5、什么条件下惯性环节可视为积分环节?2.惯性环节在什么条件下可近似为比例环节?3.为什么典型二阶系统实验中加入比例环节?三阶系统是否要加?4.二阶系统在什么情况下不稳定,怎样构成振荡环节?五实验报告要求1.写出实验各环节的结构图和传递函数,推出理想阶跃响应曲线。2.实测各环节不同参数下输出波形,认真填写表1.1至表1.8,并与理想曲线对照。3.分析实验中出现的现象。15自动控制理论实验指导书实验二 二阶系统阶跃响应特性一实验目的1.学习二阶系统阶跃响应特性测试方法。2.了解系统参数对阶跃响应特性的影响。二实验设备和仪器1.KJ82-3型自动控制系统模拟机一台2.Tektronix TDS 100
6、2数字存储示波器一台3.万用表一块三实验线路四方框图式中: 时间常数; 为无阻尼自然频率例:若 则当 秒,。当 秒,。 (,)当 时,;而 时,则根据及的值则依下述公式可求其它参量。无阻尼自然角频率:无阻尼自然频率: 阻尼自然频率: 衰减系数: 超调量: 峰值时间: 调整时间: 阻尼振荡周期: 五实验步骤1.将各运放接成比例状态(反馈电阻调到最大),仔细调零,(用万用表直流毫伏档或示波器直流电平档)。2.调整好方波信号源,频率调到1以下。3.断开电源按图接线,经检查无误后再闭合电源,按以下步骤进行实验记录:(1)令1,1,10,保持输入方波幅值不变,依表2.1所列a的变化值逐次改变a,记录输出
7、波形,并与理论值比较。表2.1计算0输出波形计算0.13输出波形计算0.33输出波形计算0.44输出波形计算0.63输出波形(2)令1,1,10,a0.33,输入信号改为阶跃开关,记录的瞬态响应曲线并与理论曲线比较。六实验分析及思考1.结合实验数据进一步从物理意义上分析改变系统参数a对,等系统瞬态响参数的影响。2.为满足一般控制系统瞬态响应特性的性能指标,各参量一般取值范围。3.通过实验总结出观测一个实验二阶系统阶跃响应的方法。七实验报告要求1.根据理论计算,认真填写表2.1中各项数据。2.根据实验观测,认真绘制表2.1中输出波形,特别注意,的变化。3.绘制实验步骤(2)所要求的二阶系统瞬态响
8、应曲线。实验三 自动控制系统稳定性实验一实验目的1.观察线性系统稳定和不稳定的运动状态,验证理论上的稳定判别的正确性。2.研究系统的开环放大系数对稳定性的影响。3.了解系统时间常数对稳定性的影响。二实验设备和仪器1.KJ82-3型自动控制系统模拟机一台2.Tektronix TDS 1002数字存储示波器一台3.万用表一块三实验内容(一)系统稳定性观察,验证理论判据。1.实验线路图3.12.按下表分别接实验线路 方案一 方案二同 上同 上方案三同 上同 上在输入端接适当宽度的方波信号,将a(即之值)由0®1逐步变化,观察并记录各组参数时系统稳定性变化,特别是系统由稳定到出现自持振荡的
9、a值。3.按上面的线路,依下表调整参数(接成积分器)参数组别第一组第二组重复2的实验过程并做记录。(二)测系统临界比例系数,观察该系数对稳定性影响。1.实验线路结构图图3.22.对于图3.2所示的系统,当4,5,6,7时,分别测出其临界开环比例系数,并与理论值比较。建议选0.01-0.5秒,选0.5-10。临测试方法:设计记录表及接线图,先取较大值(即将衰减电位器系数a值于1)使系统出现饱和的等幅自持振荡,然后缓缓减小a的值,直到出现很慢的衰减振荡时,记下此时的a值,即可求得临。3.当4时,观察由小到大变化时,系统动态响应的变化。(三)研究系统中各时间常数的比例对稳定性的影响。对于一个 的系统
10、,建议选0.5秒,测出当1,2,5时系统的临和自振频率。四实验准备及要求1.对实验内容(一)的实验线路,分别用代数稳定判据和频率分析法判据,判定其稳定性,实验结果验证。2.对实验内容(二)所给结构图,分别画出模拟实验图,选择好各组参数,拟定实验步骤,分别计算临。3.对实验内容(三)给的开环传递函数,选择设计各项参数,拟定实验步骤。4.设计各项实验内容中的记录表格。五实验报告要求1.画出各项实验的模拟实验线路图。2.各项实验参数选择方案。3.按各选择方案进行预先理论计算,包括计算中有关公式及运算结果。4.实验中数据整理,实验现象记录。5.实验结果分析得出结论。6.实验中出现问题,体会及建议。六思
11、考题1.三阶系统的各时间常数怎样组合时系统稳定性最好?何种组合时最差?2.已知三阶系统各时间常数,如何估计其自振频率?实验四 线性系统动态特性的研究一实验目的观察并熟悉线性系统在不同稳定储备的条件下动态过程的特征,验证经验公式的适用性。二实验内容1.对于传递函数为 的系统,排出模拟运算图,选择合适的,使系统稳定储备如下表所示,分别计算和描述表中各项内容。稳 定阶 跃 响超 调 量过 渡 过 程 时 间储 备应 曲 线计 算实 测计 算实 测建议选,2.测出该系统的临界值和自振频率,与理论值比较。三预习要求1.复习有关内容,画出系统伯德图。2.排出模拟实验图,拟定实验步骤。四实验报告要求1.画出
12、实验的模拟实验线路图。2.各项实验参数选择方案。3.按各选择方案进行预先理论计算,包括计算中有关公式及运算结果。4.实验中数据整理,实验现象记录。5.实验结果分析得出结论。6.实验中出现问题,体会及建议。实验五 自动控制系统静态误差实验一实验目的分析O型、I型、II型系统在三种不同典型输入下的静态误差,验证理论上的结论。二实验原理与线路1.实验线路2.典型输入信号(1)方波信号 由信号源直接取得(2)斜坡信号(3)加速度输入信号说明:由于运算放大器非理想特性,存在积分源移,故采用近似方式取代理想信号:即用 ;3.校正网络三实验内容1.定性观察三种系统在三种不同典型输入时的误差,记录点波形。2.
13、改变O型系统的放大系数(即改变电位器的衰减系数a值)观察在S1信号输入时的静态误差有何变化。四预习要求1.复习有关控制系统误差的理论,设计记录波形的表格。2.写出实验内容所给三种系统的结构图。3.估计在点测量误差时的波形。五实验报告要求1.按设计的表格画好实验中各种波形图。2.将实验结果与理论分析比较,分析产生实验误差的原因,讨论实验中出现的现象。六思考问题在取得不同典型输入信号波形的线路中,在什么情况下可以用近似 ;用近似?实验六 控制系统的品质及校正装置的应用(设计性)一实验目的利用伯德图对给定非稳定系统(或动态特性不良的系统)设计校正装置,并验证设计的正确性。二实验预习和准备1.对本实验
14、所给电路,分别推出开环传递函数。2.画出各系统的伯德图,根据伯德图分析讨论系统稳定性,选择校正方案,设计校正装置,制定实验计划(包括实验步骤、记录表格等)。三实验设备和仪器1.KJ82-3型自动控制系统模拟机一台2.Tektronix TDS 1002数字存储示波器一台3.万用表一块四实验线路图6.1图6.2五实验步骤1.按所给实验电路图接线,先不加校正,调节系统开环放大倍数,使系统处于临界振荡。2.加入自己设计的校正装置,观察系统输出波形的变化,与理论计算比较。六实验报告要求1.写明设计过程,画出实验电路图校正前后的伯德图。2.按设计的记录表格画出校正前后系统阶跃输入响应曲线,分析系统稳定性
15、与品质,与实验结果对照。3.总结实验体会。23实验七 控制系统频率特性仿真研究一实验目的1.熟悉MATLAB的一些基本操作。2.掌握使用MATLAB绘制系统的频率特性图,如绘制伯德图、奈奎斯特曲线。3.利用频率特性图分析闭环系统的稳定性,并用响应曲线验证。二实验内容1.典型二阶系统 绘制出取不同值时的伯德图。2.开环系统 绘制出系统的奈奎斯特曲线,并判别闭环系统的稳定性,最后求出闭环系统的单位冲激响应。三实验步骤1.熟悉MATLAB的一些基本操作。2.熟悉MATLAB编程语言中与实验相关的函数的使用。3.打开文件(),在命令窗口( )中输入编写的语句程序。4.打开自动生成的图形窗口()查看频率
16、特性图及单位冲激响应。四实验报告要求1.使用MATLAB语言编制仿真程序。2.在坐标纸上画出图形窗口()显示的频率特性图及单位冲激响应。3.分析仿真结果。实验八 非线性系统运动特性的研究一实验目的1.了解非线性环节对控制系统的影响。2.观察非线性系统的自持振荡。3.学习和理解描述函数分析法。二实验内容(一)死区特性对控制系统的影响。图8.11.如图,先不加非线性环节(单元接成反相器)逐步加大值,观察系统动特性变化。2.加进非线性环节,使值由小到大逐步变化,观察并记录系统动特性变化,与不加非线性环节时比较。(二)饱和特性对线性系统的影响。某非线性系统图8.2参数选择方案表方案参数第一组第二组第三
17、组100502000.33101033331100100100注:33可由100/501.按所给模拟运算图,分别画出三个方案的频率特性曲线,并依此判断系统的稳定性,若不稳定,计算系统自持振荡的频率及振幅。2.在学习机上接模拟运算图接线,分别实现三个方案,对于出现自持振荡,记录振荡的频率和振幅并记录各运放输出端的波形(画出草图即可)。3.对于稳定的方案,改变输入扰动信号的幅度(例如,)分别记录系统输出端及。三实验预习要求1.实验前复习条件稳定系统的开环比例系数与稳定性关系,典型非线性系统的描述函数以及如何应用描述函数法分析系统。2.画好频率特性曲线,完成有关计算。3.拟定实验步骤及记录表格。四实验报告要求1.按实验内容要求,整理实验中记录的数据及图形,并按自己设计的表格填写。2.对比理论计算与实验结果,分析对比结果。3.总结如何用描述函数法分析非线性系统。实验九 非线性系统的计算机仿真
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