南京理工大学控制工程基础实验报告

1、南京理工大学控制工程基础实验报告控制工程基础实验报告姓名欧宇涵周竹青学院教育实验学院指导老师蔡晨晓南京理工大学自动化学院2017年1月11/30南京理工大学控制工程基础实验报告22/30南京理工大学控制工程基础实验报告实验1：典型环节的模拟研究一、实验目的与要求：1、学习成立典型环节的模拟电路；2、研究阻、容参数对典型环节阶跃响应的影响；3、学习典型环节阶跃响应的丈量方法，并计算其典型环节的传达函数。二、实验内容：完成比率环节、积分环节、比率积分环节、惯性环节的电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃响应特色的影响。三、实验步骤与方法（1）比率环节图1-1比率环节模拟电路图比率环节的传达函数为：U

2、O(s)K，此中KR2，参数取R2=200K，R1=100K。Ui(s)R1步骤：1、连接好实验台，按上图接好线。2、调理阶跃信号幅值(用万用表测)，此处以1V为例。调理完成后恢复初始。3、Ui接阶跃信号、Uo接IN收集信号。4、打开上端软件，设置收集速率为“1800uS，”撤消“自动收集”选项。5、点击上端软件“开始”按键，随后向上拨动阶跃信号开关，收集数据以以以下图。图1-2比率环节阶跃响应33/30南京理工大学控制工程基础实验报告（2）积分环节CVIRVo200K图1-3积分环节模拟电路图积分环节的传达函数为：VO1，f。，此中TI=RC，参数取R=100KVITIS步骤：同比率环节，收

3、集数据以以以下图。图1-4积分环节阶跃响应（3）微分环节2CVIR1Vo200K图1-5微分环节模拟电路图44/30南京理工大学控制工程基础实验报告微分环节的传达函数为：VOTDSK，此中TD=R1C、K=R2。参数取：VI1TDSR1R1=100K，R2=200K，C=1f。步骤：同比率环节，收集数据以以以下图。图1-6微分环节阶跃响应（）惯性环节2RVI1CVo200K图1-7惯性环节模拟电路图惯性环节的传达函数为：VOK，此中TR2C,KR2。参数取：VITS1R1R1=100K，R2=200Kf。步骤：同比率环节，收集数据以以以下图。55/30南京理工大学控制工程基础实验报告图1-8惯

4、性环节阶跃响应四、实验结果分析：1、画出比率环节、微分环节、积分环节、惯性环节的模拟电路图，并求出传达函数。经过实验得出比率环节、微分环节、积分环节、惯性环节的阶跃响应曲线；2、由阶跃响应曲线预计出比率环节、惯性环节的传达函数，并与由电路计算的结果进行比较分析。（1）比率环节图4-1-1比率环节原始电路阶跃响应曲线66/30南京理工大学控制工程基础实验报告图4-1-2比率环节R2=400k电路阶跃响应曲线77/30南京理工大学控制工程基础实验报告（2）积分环节图4-2-1积分环节原始电路阶跃响应曲线图4-2-2积分环节C=0.2uF电路阶跃响应曲线88/30南京理工大学控制工程基础实验报告（3

5、）微分环节图4-3-1微分环节原始电路阶跃响应曲线图4-3-2微分环节R2=500k阶跃响应曲线99/30南京理工大学控制工程基础实验报告（4）惯性环节图4-4-1惯性环节原始电路阶跃响应曲线图4-4-2惯性环节R1=400k阶跃响应曲线1010/30南京理工大学控制工程基础实验报告1111/30南京理工大学控制工程基础实验报告实验2：典型系统时域响应动、静态性能分析和坚固性研究一、实验目的与要求：1、熟习二阶模拟系统的构成，研究二阶系统分别工作在1，01等状态下的阶跃响应；2、学习掌握动向性能指标的测试方法，研究典型系统参数对系统动向性能和坚固性的影响；3、检验系统的坚固性与系统自己结构参数

6、的关系。二、实验内容：1、观察典型二阶系统的阶跃响应，测出系统的超调量和调理时间，并研究其参数变化对系统动向性能和坚固性的影响；2、针对某一给定控制系统进行实验，系统输入是脉冲函数，观察系统的不坚固现象。研究系统开环增益和时间常数对坚固性的影响。三、实验步骤与方法：(一)二阶系统的阶跃响应实验典型二阶系统的方块结构图以以以下图所示：R(S)E(S)C(S)1K1T1.s+1图2-1典型二阶系统结构图其开环传达函数为G(S)K，KK1为开环增益。S(T1S1)T02其闭环传达函数为W(S)n，此中nK1，1T0。2S22ST1T02K1T1nn取二阶系统模拟电路图以下：图2-2典型二阶系统模拟电

7、路图1212/30南京理工大学控制工程基础实验报告此中T0R0C1T1RxC2K1RX。下边即测出二阶系统在过阻尼（1），R1临界阻尼（1），欠阻尼（01）等状态下的阶跃响应曲线。步骤：1、连接好实验台，按上图接好线。2、调理阶跃信号为1V(使用万用表丈量)。调理完成后恢复信号到0V状态。3、Ui接阶跃信号，Uo接IN收集信号。4、打开上端软件，选中“低频扫描”，设置收集速率为“50mS”，撤消“自动收集”选项。5、调理可变电阻观察过阻尼、临界阻尼、欠阻尼状态。改变电阻重新观察时需在进行放电操作（能够重新开关一次实验台）。6、点击上端软件“开始”按键，随后向上拨动阶跃信号开关，收集数据以以以下

8、图。图2-3过阻尼、临界阻尼阶跃响应图2-4欠阻尼阶跃响应1313/30南京理工大学控制工程基础实验报告(二)控制系统的坚固性分析给定系统模拟电路图以下：图2-5系统模拟电路图步骤：(注：系统出现等幅振荡响应时的电阻值范围在250-300K)1、依照上图接好线路，令C=1uf。点击上端软件“开始”按键，随后向上拨动阶跃信号开关再关掉（即模拟产生了一个脉冲信号）。2、改变电位器，使R3从01M方向变化，此时相应K1=010。观察输出波形，找到系统产生增幅振荡时相应的R3值及K1值；3、再把电位器电阻由大到小变化，即R3从10M方向变化，找到系统输出从产生等幅振荡向减幅振荡变化的R3及K1值。图2

9、-6增幅振荡1414/30南京理工大学控制工程基础实验报告图2-7等幅振荡图2-8减幅振荡4、在步骤1的条件下，使系统工作在不坚固状态，即工作在等幅振荡状况，电容从1uf变为，观察系统坚固性的变化。四、实验结果分析：依照实验(一)：1、画出二阶系统的模拟电路图，并求出参数、n的表达式；2、观察实验结果，求出不一样样和n条件下的超调量Mp和调理时间ts；3、依照二阶系统的响应曲线，由Mp和ts值预计系统的传达函数，并与模拟电路计算的传达函数比较较。1515/30南京理工大学控制工程基础实验报告图4-1-1临界阻尼Rx=71.7k阶跃响应曲线1616/30南京理工大学控制工程基础实验报告图4-1-

10、2过阻尼Rx=50k阶跃响应曲线1717/30南京理工大学控制工程基础实验报告图4-1-3欠阻尼Rx=840k阶跃响应曲线1818/30南京理工大学控制工程基础实验报告依照实验(二)：1、画出系统的模拟电路图；2、画出系统的等幅、增幅及减幅的响应波形图；图4-2-1增幅振荡图4-2-2等幅振荡1919/30南京理工大学控制工程基础实验报告图4-2-1减幅振荡3、实验结果计算系统出现等幅振荡响应时的可调电阻值和临界放大系数。2020/30南京理工大学控制工程基础实验报告实验3：控制系统的频率特色研究一、实验目的与要求：1、学习丈量典型环节（或系统）频率响应曲线的方法和技术；2、掌握依照实验获得系

11、统的频率特色的方法。二、实验内容：完成惯性环节的频率特色测试实验。三、实验步骤与方法：（一）频率响应图3-1惯性环节模拟电路图步骤：1）测试500Hz正弦波1、连接好实验台，按上图接好线。调理R1电阻阻值约为2K，Ui接OUT0。2、打开上端软件收集显示：选中“频率特色”，设置收集速率100Us，撤消“自动收集”选项。波形输出：选中“正弦波”，设置峰值输出为“10V”，频率输出为“500Hz”。3、IN第一接Ui，点击“开始”，提示收集第一次波形,点击“确认”(输入波形)。4、收集完成后，出现提示收集第二次波形，将IN改接Uo，点击“确认”（输出波形），收集完成后以以以下图。图3-2惯性环节正

12、弦信号频率响应(500Hz)（2）测试50Hz正弦波1、连接好实验台，按上图接好线。调理R1电阻阻值约为2K，Ui接OUT0。2121/30南京理工大学控制工程基础实验报告2、打开上端软件收集显示：选中“频率特色”，设置收集速率500Us，撤消“自动收集”选项。波形输出：选中“正弦波”，设置峰值输出为“10V”，频率输出为“50Hz”。3、IN第一接Ui，点击“开始”，提示收集第一次波形,点击“确认”(输入波形)。4、收集完成后，出现提示收集第二次波形，将IN改接Uo，点击“确认”（输出波形），收集完成后以以下图。图3-3惯性环节正弦信号频率响应(50Hz)（二）由MATLAB进行频率特色仿逼

13、真验：已知某单位负反响系统的开环传达函数为：6s326s26s20G(s)s43s34s22s2频率范围0.1,1001）绘制频率响应曲线，包含Bode图和幅相曲线（Nyquist图）。2）依照Nyquist判据判断系统的坚固性。（3）依照Bode图求出系统的截止频率c以及幅值裕度与相位裕度。四、实验结果分析：1、画出系统的模拟电路图，计算其传达函数；2、依照实验(一)，给出系统在正弦输入下的频率响应并记录响应曲线；图4-1-1惯性环节正弦信号频率响应(500Hz)2222/30南京理工大学控制工程基础实验报告图4-1-2惯性环节正弦信号频率响应(50Hz)依照实验(二)，绘制Bode图和幅相

14、曲线，并判断系统的坚固性和坚固裕度。图4-1-3波特图2323/30南京理工大学控制工程基础实验报告图4-1-4幅相曲线幅值裕度：Gm=infinite相位裕度：截止频率：Wc=6.8694rad/s2424/30南京理工大学控制工程基础实验报告实验4：线性系统校订一、实验目的与要求：掌握控制系统设计方法，设计串连校订装置，比较观察系统校订前后的响应曲线。二、实验内容：1、观察未加校订装置时系统的动、静态性能；2、按动向性能的要求，设计串连超前校订装置；3、观察引入校订装置后系统的动、静态性能，并进行及时调试，使系统动、静态性能均满足设计要求。三、实验步骤与方法：1、未加校订二阶闭环系统的系统

15、框图和模拟电路图，以下所示：r(t)200K200KR(S)E(S)15C(S)0.5s+1图4-1未校订二阶闭环系统框图200K500K-1uf1ufR100K-+200KR+-C(t)+图4-2未校订二阶闭环系统的模拟电路图系统开环传达函数为：系统闭环传达函数为：步骤：5G(S)H(S)0.2S(0.5S1)W(S)50S22S501、连接好实验台，按原理图接线。2、调理阶跃信号(使用万用表丈量)，此处以2V为例，调理完成后恢复初始。3、Ui接阶跃信号、Uo接IN收集信号。4、打开上端软件，撤消“自动收集”，选中“低频扫描”，设置收集速率为10ms。5、点击上端软件“开始”按键，以后向上拨

16、动阶跃开关，收集完成后以以下图，用标尺读出相对应的数据，计算其超调量、稳准时间等指标。2525/30南京理工大学控制工程基础实验报告图4-3未校订阶跃响应2、设计校订装置2.1性能要求静态速度偏差系数：KV251/s，超调量：P20%；上升时间：tS1s。2.2校订前系统的性能分析校订前系统的开环传达函数为：5G0(S)G(S)H(S)1)偏差系数为：KVlimSG0(S)25，刚好满足稳态的要求。S0依照系统的闭环传达函数：G(S)502W(S)02221G0(S)S2S50S2nSn求得n50，22，11n50n代入二阶系统超调量P的计算公式，即可确立该系统的超调量P，即123Pe，ts3

17、s(0.05)n这表示当系统满足稳态性能指标KV的要求后，其动向性能不行以达到指标要求。在系统中加入校订装置，使校订后系统的性能同时满足稳态和动向性能指标的要求。2.3校订装置的设计依照对校订后系统的性能指标要求，确立系统的和n。即由2Pe1，求得ts31s(0.05)，解得n36n2626/30南京理工大学控制工程基础实验报告依照零极点抵消原理，令校订装置的传达函数GC(S)则校订后系统的开环传达函数为：12525G(S)Gc(S)G0(S)1)S(TS1)TS1相应的闭环传达函数W(S)G(S)2525/TG(S)1TS2S25S2S/T25/TS2于是有：n225，2n1TT为使校订后系

18、统的超调量P20%，这里取251。20.5，TTT这样所求校订装置的传达函数为：1GC(S)1设校订装置GC(S)的模拟电路用图4-3所示的电路表示。图4-4校订装置的电路图设图4-3中R2=R4=200k,R1=400k,R3=10k,C=4uF时TR3C=10103410-6R2R3R2R4R3R4C2000400002000410-6R2R44001R2R3R2R4R3R4CS0.5S1R2R4R2R4则有Go(S)R1R3CS11271TS12n2nS2n0.5(P16.3%)，则27/30南京理工大学控制工程基础实验报告3、校订后模拟电路图以下：R2R4cR31u1u200k200kR1100k500k200kUi-Uo+2