2015自控实验报告(含数据)(西电自动化专业)

1、自动控制原理实验报告课程编号：ME3121023专业自动化班级1304031姓名XXX学号1304XXXXXX实验时间：2015年12月.一、实验目的和要求：经过自动控制原理实验坚固地掌握自动控制原理课的基本剖析方法和实验测试手段。能应用运算放大器成立各样控制系统的数学模型，掌握系统校订的常用方法，掌握系统性能指标同系统结构和参数之间的基本关系。经过大批实验，提升着手、动脑、理论联合实质的能力，提升从事数据收集与调试的能力，为建立系统打下坚固的基础。二、实验仪器、设施（软、硬件）及仪器使用说明自动控制实验系一致套计算机（已安装虚构丈量软件）一台椎体连结线18根实验一线性典型环节实验（一）、实验

2、目的：1、认识相像性原理的基本观点。2、掌握用运算放大器组成各样常用的典型环节的方法。3、掌握各种典型环节的输入和输出时域关系（时域数学模型）及相应传达函数的表达形式，熟习各典型环节的参数（K、T）。4、学会时域法丈量典型环节参数的方法。（二）、实验内容：1、用运算放大器组成比率环节、惯性环节、积分环节、比率积分环节、比率微分环节和比率积分微分环节。2、在阶跃输入信号作用下，记录各环节的输出波形，写出输入输出之间的时域数学关系。、在运算放大器上实现各环节的参数变化，察看和剖析各典型环节的阶跃响应曲线，认识各项电路参数对典型环节动向特征的影响。（三）、实验要求：1、认真阅读自动控制实验装置布局图

3、和计算机虚构丈量软件的使用说明书。2、做好预习，依据实验内容中的原理图及相应参数，写出其传达函数的表达式，并计算各典型环节的时域输出响应（时域数学模型）和相应参数（K、T）。3、分别画出各典型环节的阶跃响应理论波形。5、输入阶跃信号，丈量各典型环节的输入和输出波形及有关参数，并记录。（四）、实验原理：实验原理及实验设计：1比率环节：图1-1比率环节实验原理图UO(S)传达函数：G(S)KUi(S)比率系数：KR2R1.阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=2(t)Ui-Uo的时域响应理论波形：图1-2比率环节单位阶跃响应图2惯性环节：图1-3惯性环节实验原理图传达函数：UO(S)KG(S)1

4、TSUi(S)比率系数：R1KR1经常数：T=R1C=0.1阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=(1-)(t)Ui-Uo的时域响应理论波形：.图1-4惯性环节单位阶跃响应图3积分环节：图1-5积分环节实验原理图传达函数：UO(S)1G(S)TSUi(S)经常数：T=R1C=0.1阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=10(t)Ui-Uo的时域响应理论波形：图1-6积分环节单位阶跃响应图4比率积分环节：.图1-7比率积分环节实验原理图传达函数：UO(S)1G(S)K(1)Ui(S)TS比率系数：R1KR1经常数：T=RC=0.1阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=(1+10t)(t)U

5、i-Uo的时域响应理论波形：图1-8比率积分环节单位阶跃响应图5比率微分环节：图1-9比率微分环节实验原理图传达函数：G(S)UO(S)K(1TS)Ui(S).比率系数：(R2/R3)R4KDR4经常数：TDKDR3C0.1阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=2+1.2(t)Ui-Uo的时域响应理论波形：图1-10比率微分环节单位阶跃响应图6比率积分微分环节：图1-11比率积分微分环节实验原理图传达函数：比率系数：UO(S)KpG(S)KpKpTdSUi(S)TiSR2R3KPR4经常数：Td(R2R3R4)C20.06R2R3Ti(R2R3)C10.2阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t

6、)=Ui-Uo的时域响应理论波形：.图1-12比率积分微分环节单位阶跃响应图（五）、实验方法与步骤1、依据原理图结构实验电路。2、丈量输入和输出波形图。3、将所测得的数据填入实验数据表中。（六）、议论与思虑1、写出各典型环节的微分方程（成立数学模型）。答：比率环节惯性环节积分环节2、依据所描绘的各典型环节的微分方程，你可否用电学、力学、热力学和机械学等学科中的知识设计出相应的系统？请举例说明，并画出原理图。答：电枢控制的直流伺服电机，微分方程以下3、利用MATLAB仿真，与实验中实测数据和波形对比较，剖析其偏差及产生的原由。答：实验箱中电阻值和电容值得与标准值存在偏差、外界电磁的扰乱和信息传输

7、时间的延缓滞后,都使得理论值与实测数据与波形存在偏差。.（七）、记录实验数据：名称参数理论值实测值R=100KK=R/R1K=Uo/UiR1=50K=2=2.05比例R=100KK=R/R1K=Uo/Ui环R1=100K=1=1.01节R=50KK=R/R1K=Uo/UiR1=100K=0.5=0.49C=1ufT=R*C=0.1sT=0.112s惯性环节C=2uFT=R*C=0.2sT=0.214sR=R1=100kC=3uFT=R*C=0.3sT=0.321sC=1uFT=R1*C=0.1sT=0.096s积分环节C=2uFT=R1*C=0.2sT=0.214sR1=100KC=3uFT=

8、R1*C=0.3sT=0.332s比率积C=1uFT=R*C=0.1sT=0.238s分环节R=R1=100KC=2uFT=R*C=0.2sT=0.158s比率微R2=100KK=2分环节R3=100KT=0.6R4=10KC=1Uf比率积分C1=1uFTi=0.02微分环节C2=1uFTd=0.06R2=100KR3=100KR4=10K.（八）、实测波形：比率环节R=100KR1=50KR=100KR1=100KR=50KR1=100K.惯性环节C=1uFC=2UfC=3uF.积分环节C=1uFC=2uFC=3uF.比率积分环节C=1uFC=2uF比率微分环节.比率积分微分环节实验二二阶系

9、统的性能研究（一）、实验目的：经过实验加深理解二阶系统的性能指标同系统参数的关系。（二）、实验内容：掌握典型二阶系统模拟电路的组成方法及二阶闭环系统的传达函数标准式。研究二阶闭环系统的结构参数-无阻尼振荡频次n、阻尼比对过渡过程的影响。3.掌握欠阻尼二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动向性能指标Mp、tp、ts的计算。察看和丈量二阶闭环系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼的瞬态响应曲线，及在阶跃信号输入时的动向性能指标Mp、tp值，并与理论计算值作比对。（三）、实验要求：1、做好预习，依据实验原理图所示相应参数，写出系统的开环，闭环传达函数。计算、n、tr、ts、tp、%、等理论值，并绘制单位阶跃信号下

10、的输出响应理论波形。、自己设计实验参数，分别组成欠阻尼，临界阻尼，过阻尼二阶闭环系统。（四）、实验原理：实验原理及实验设计：.图2-1二阶系统实验原理图预习内容：(1)二阶系统时域实验参数计算：图2-2二阶系统实验方框图二阶系统的开环传达函数：G(S)K（2-1）TiS(TS1)G(S)2二阶系统的闭环传达函数标准式：(s)n（2-2）1G(S)S22nS2n自然频次（无阻尼振荡频次）：nK阻尼比：1Ti（2-3）TiT2KT由二阶闭环系统模拟电路如图2-1所示。它由积分环节和惯性环节的组成。要修业生自行设计三种欠阻尼、临界阻尼和过阻尼二阶闭环系统，并计算出它们在阶跃信号输入时的动向指标Mp、

11、tp、tr、ts。（注：要求有设计和计算过程，结果填入数据记录表中）.图2-3二阶系统的单位阶跃响应图（理论）（注：将二阶系统的欠阻尼、临界阻尼、过阻尼画在同一坐标系中做比较。）（五）、实验方法与步骤1、依据原理图结构实验电路。2、丈量时域响应波形和数据。3、将所测得的数据填入实验数据表中。（六）、记录实验数据：输入电阻R70K40K20K10K5K参数增益K1.432.551020自然频次n3.7857.071014.14（计算值)阻尼比1过阻尼临界阻尼欠阻尼欠阻尼欠阻尼（计算值)=1.32=1=0.707=0.5=0.356超调量计算值/4.3%16.3%30.2%丈量值/6.0%14.9

12、%31.3%上涨时间计算值1.25s0.700s0.417s0.242s0.146str（ms）1.22s0.653s0.498s0.252s0150s丈量值.峰值时间计算值/0.630s0.36s0.238stP丈量值/0.642s0.359s0.235sms）调理时间计算值/0.600s0.600s0.600stS丈量值1.809s0.889s0.610s0.567s0.583sms）（七）、思虑与议论：将实验结果与理论知识作对照，并进行议论。答：此次实验中不行能出现不稳固的状况，因为闭环传达函数的极点向来在s左半平面，知足劳斯判据。增添比率微分控制环节和速度反应控制环节，减少原系统的震荡

13、性和参数的改变。实验中的电阻、电容实质值与标称值之间存在偏差；使得计算结果出现偏差，还有是按条件的变化也会对结果产生影响。.（八）、记录实验实测波形：1R=70K0上涨时间调理时间2R=40K上涨时间.调理时间2R=20K超调量和峰值时间.上涨时间调理时间R=10K超调量和峰值时间.上涨时间调理时间R=5K峰值时间和超调量.上涨时间调理时间实验三系统时域剖析实验.（一）、实验目的：1、掌握典型三阶系统模拟电路的组成方法及三阶系统的传达函数表达式。2、认识和掌握求解高阶闭环系统临界稳固增益K的多种方法（劳斯稳固判据法、代数求解法、根轨迹求解法）。1、察看和剖析三阶系统在阶跃信号输入时，系统的稳固

14、、临界稳固及不稳固三种瞬态响应。2、认识和掌握利用MATLAB的开环根轨迹求解系统的性能指标的方法。3、掌握利用主导极点的观点，使原三阶系统近似为标准二阶系统，估量系统的时域特征指标。（二）、实验内容：1、运用根轨迹法对控制系统进行剖析；明确闭环零、极点的散布和系统阶跃响应的定性关系。2、用劳斯稳固判据判断系统的稳固性，并计算临界稳固增益K。3、娴熟掌握根轨迹作图法，并确立临界稳固增益K，与计算值做比较。（三）、实验要求：1、做好预习，依据原理图所示相应参数，计算理论值并绘制根轨图，用尝试法确立主导极点的大概地点。2、用Routh稳固判据，求出系统稳固、临界稳固和不稳准时的K值范围和R的取值。

15、3、画出输入输出的理论波形(单位阶跃信号作用下)。（四）、实验原理：1、根轨迹：当K由0变化时，闭环特色根在S平面上挪动的轨迹城根轨迹，不单直观的表示了K变化时间闭环特色根的变化，还给出了参数时闭环特色根在S平面上散布的影响。可判断系统的稳固性，确立系统的质量。稳固性：根轨迹若超出虚轴进入s右半平面，与虚轴交点的k即为临界增益。稳态性能：依据坐标原点的根数，确立系统的型别，同时能够确立对应的静态偏差系数。预习内容：(1)三阶系统时域实验参数计算和根轨迹图：三阶系统的开环传达函数：K1K（4-1）G(S)1)(T2S1)TiS(T1S闭环传达函数（单位反应）：G(S)K1K（4-2）(S)TiS

16、(T1S1)(T2S1)K1K1G(S)三阶闭环系统模拟电路如图3-1所示。它由积分环节、2个惯性环节组成。其积分时间常.数Ti=R1*C1=1秒，惯性环节的参数分别是：时间常数T1=R3*C2=0.1秒，K1=R3/R2=1，T2=R4*C3=0.5秒，K2=R4/R=500K/R模拟实验电路的开环传达函数为：G(S)KK（4-3）0.05S30.6S2SS(0.1S1)(0.5S1)模拟电路的开环传达函数代入式（），该电路的闭环传达函数为：(S)KK（4-5）1)(0.5S1)K0.05S30.6S2SKS(0.1S要修业生自行用Routh稳固判据，求出系统稳固、临界稳固和不稳准时的K值范

17、围和R的取值。（注：要求有设计和计算过程，结果填入数据记录表中）闭环系统的特色方程，成立劳斯队列表：系统稳固：解得系统稳固临界稳固不稳固.（五）、实验方法与步骤1、依据原理图结构实验电路。2、丈量时域响应波形和相应参数。3、将所测得的数据填入实验数据表中。（六）、记录实验数据：反反稳固（衰减振荡）临界稳固（等幅振荡）不稳固（发散振荡馈馈（超调量不大于25%）电电350K40.4K38.8K容容C2C317.35%R=40.4KR=38.8K11.670su2.297s1u3.639sR=43.8KR=38.8K32.65%2u1.969s3.039s7.192s22.49%R=72.0KR=3

18、8.8K1u1.627s2.526s2u5.437sR=84.8KR=38.8K38.8%2u1.969s3.125s9.975s（七）、思虑与议论：将实验结果与理论知识作对照，并进行议论。在实质中不可以无穷制的改变系统的零、极点的地点，零点对系统根轨迹有排挤的作.用，而极点有吸引的作用，所以要适合的选择零极点的地点使系统拥有优秀的安稳性。经过改变零，极点的地点能够让系统稳固，因为若系统极点都在s平面内，系统稳固，所以只需将全部极点移到s左半平面就能够了。.（八）、记录实验实测波形：稳固C2=1UC1=1U超调量和峰值时间上涨时间调理时间.C2=1uC3=2u超调量和峰值时间上涨时间调整时间.

19、C2=2Uc3=1U超调量和峰值时间上涨时间.调理时间C2=2uC3=2u超调量和峰值时间上涨时间调理时间.临界C2=1uc3=1uC2=1uC3=2u.C2=2uC3=1uC2=2uC1=2u.不稳固C2=1UC3=1uC2=1uC3=2u.C2=2uC3=1uC2=2uC3=2u实验四二阶系统的性能频域研究.（一）、实验目的：1、经过实验加深理解二阶系统的性能指标同系统参数的关系。2、掌握系统频次特征测试方法。3、研究二阶系统频次特征与系统动向性能之间的关系。（二）、实验内容：1、二阶系统的频域动向性能研究；2、娴熟掌握线性系统频次特征的基本观点。3、掌握波德图、乃奎斯特图的结构及绘制方法

20、。（三）、实验要求：1、自己设计实验参数。2、依据原理图所示相应参数，计算理论值MP、p、B等理论值，并绘制对数幅频、对数相频和幅相特征图.（四）、实验原理：频域剖析法是应用频次特征研究线性系统的一种经典方法。它以控制系统的频次特征作为数学模型，以波德图或其余图表作为剖析工具，来研究和剖析控制系统的动向性能与稳态性能。波德图又称对数频次特征曲线（包含对数幅频和相频两条曲线），因为方便适用，所以被宽泛地应用于控制系统剖析时的作图。对数频次特征曲线的横坐标一致为角频次，并按十倍频程（dec）对数分度，单位是弧度/秒rad/s。对数幅频特征曲线的纵坐标表示对数幅频特征的函数值，为平均分度，单位是分贝

21、dB。对数相频特征曲线的纵坐标表示相频特征的函数值，为平均分度，单位是度。实验原理及实验设计：预习内容：(1)、二阶系统的频域实验参数计算：（五）、实验方法与步骤1、依据原理图结构实验电路。2、丈量频域伯德图和奈奎斯特图。3、将所测得的数据填入实验数据表中。（六）、记录实验数据：.输入电阻R参数增益K自然频次n（计算值)阻尼比（计算值)谐振峰值计算值MP丈量值谐振频次计算值p丈量值截止频次计算值c丈量值带宽计算值B丈量值转折计算值频次丈量值虚轴计算值交点丈量值.40K5K255临界阻尼欠阻尼=1=0.354/1.51db/3.48db/12.24rad/s/12.00rad/s/13.96ra

22、d/s/16.00rad/s3.16rad/s19.97rad/s3.00rad/s19.12rad/s5rad/s14.14rad/s4.65rad/s14.50rad/s/-0.47-1.31（七）、思虑与议论：将实验结果与理论知识作对照，并进行议论。经过自己亲身着手实验，进一步理解了二阶系统的性能指标同系统参数的关系，固然刚开始的时候比较难以理解，到最后获得图形和数据时对书上的公式获得考证。.（八）、记录实验实测图形：R=40K带宽转折频次虚轴交点R=5K谐振峰值和睦振频次.截止频次转折频次虚轴交点实验五校订实验超前校订（一）、实验目的：.1、掌握系统校订的基本方法及原理。2、深入理解开

23、环零、极点对闭环系统性能的影响关系。3、加深理解串连校订的特色，学会正确选择校订装置。（二）、实验内容：1认识和掌握超前校订的原理。2认识和掌握利用闭环和开环的对数幅频特征和相频特征达成超前校订网络的参数的计算。3掌握在被控系统中怎样串入超前校订网络，建立一个性能知足指标要求的新系统的方法。（三）、实验要求：1、做好预习，依据实验原理图所示相应参数，写出系统的开环，闭环传达函数。计算开环对数幅频特征L()和相频特征()，幅值穿越频次c，相位裕度，按“校订后系统的相位裕度”要求,设计校订参数，建立校订后系统。2观察校订前、后的时域特征曲线，並丈量校订后系统的相位裕度、超调量Mp、峰值时间tP。3

24、改变“校订后系统的相位裕度”要求,设计校订参数，建立校订后系统，画出其系统模拟电路图和阶跃响应曲线，观察校订后相位裕度、超调量Mp、峰值时间tP填入实验报告。（四）、实验原理：超前校订的原理是利用超前校订网络的相角超前特征，使中频段斜率由-40dB/dec变成-20dB/dec并占有较大的频次范围，进而使系统相角裕度增大，动向过程超调量降落；并使系统开环截止频次增大，进而使闭环系统带宽也增大，响应速度也加速。超前校订网络的电路图及伯德图见图3-3-1。图5-1超前校订网络的电路图及伯德图超前校订网络传达函数为：11aTS（5-1）GC(S)1TSa网络的参数为：aR4R5，TR4R5C（5-2

25、）R5R4R5在设计超前校订网络时，应使网络的最大超前相位角m尽可能出此刻校订后的系统的幅值穿越频次c处，即m=c。网络的最大超前相位角为：a-1或为：1sinmarcsinasina11m处的对数幅频值为：LC(m)10lga网络的最大超前角频次为：m1Tamm5-3）5-4）5-5）从式（3-3-1）可知，接入超前校订网络后被校订系统的开环增益要降落a倍，所以为了保持与系统未校订前的开环增益相一致，接入超前校订网络后，一定另行提升系统的开环增益a倍来赔偿。.实验原理及实验设计：图5-2未校订系统模拟电路图超前校订网络的设计：积分环节：惯性环节：K=R2/R3=6开环L(w)=0则=9.72

26、rad/s505-3得R4=140.4KR5=48.4K60T=0.03S5-3得R4=76.8KR5=29.2K串连超前校订后系统频域特征测试的模拟电路图见图5-3。.图5-3串连超前校订后系统频域特征测试的模拟电路图图5-3串连超前校订后系统的传达函数为：110.155S30G(S)10.031S0.2S(10.3S)5图5-4校订网络（部分）连线表示图（五）、实验方法与步骤1、依据原理图结构实验电路。2、分别丈量校订前、校订后的时域响应波形和数据。3、分别丈量校订前、校订后的频域特征曲线及相位裕度、超调量Mp等参数。3、将所测得的数据填入实验数据表中。（六）、记录实验数据：相位裕度测量值

27、相位（设计目裕度谐振峰值峰值时间上涨时间超调量调理时间标）Mp(%)tpts%tS50(15rad/s,2.7db)0.166s0.091s27%0.283s60(7.92rad/s,0.97db)0.286s0.126s10.3%0.407s未校订(10rad/s,9.25db)0.321s0.182s61.55%1.712s(七)、实验波形未校订峰值时间和超调量.上涨时间调理时间谐振峰值.相位裕度=谐振峰值相位裕度.峰值时间和超调量上涨时间.调理时间=峰值时间和超调量.上涨时间谐振峰值相位裕度.实验六非线性典型环节实验（一）、实验目的：1、认识相像性原理的基本观点。2、掌握用运算放大器组成各样常用的典型环节的方法。3、掌握各种典型环节的输入和输出时域关系。4、学会时域法丈量典型环节参数的方法。（二）、实验内容：1、用运算放大器组成饱和、继电器、死区、空回（可选做）非线性典型环节。2、输入在+5-5伏之间可连续变化的电压信号，丈量各典型环节的输入和输出波形及有关参数。（三）、实验要求：1、做好预习，依据实验内容中的原理图及相应参数，写出其数学表达式，并计算有关参数