2023年自控实验报告材料(含大数据)(西电自动化专业)

自动掌握原理试验报告课程编号：ME31210231304031XXX1304XXXXXX试验时间：202312月10一、试验目的和要求：通过自动掌握原理试验结实地把握《自动掌握原理》课的根本分析方法和试验测试手段。能应用运算放大器建立各种掌握系统的数学模型，把握系统校正的常用方法，把握系统性能指提高从事数据采集与调试的力量，为构建系统打下坚实的根底。二、试验仪器、设备〔软、硬件〕及仪器使用说明自动掌握试验系统 一套计算机〔已安装虚拟测量软件〕 一台椎体连接线 18根试验一线性典型环节试验〔一、试验目的：123〔时域数学模型及相应传递函数的表达形式，生疏各典型环节的参数、T。4〔二、试验内容：1、用运算放大器构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节和比例积分微分环节。23、在运算放大器上实现各环节的参数变化，观看和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响。〔三、试验要求：12各典型环节的时域输出响应〔时域数学模型〕和相应参数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，测量各典型环节的输入和输出波形及相关参数，并记录。〔四、试验原理：试验原理及试验设计：比例环节：图1-1 比例环节试验原理图传递函数：

G(S)

U (S)O KU(S)iKR2R1阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=2𝑢𝑖(t)Ui-Uo的时域响应理论波形：图1-2 比例环节单位阶跃响应图惯性环节：传递函数：

G(S)

U(S)O

图1-3 惯性环节试验原理图KU(S)i

1TS比例系数：KR 1R1时常数：T=R1C=0.1阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=(1-𝑒10𝑡)ε(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积分环节：图1-5 积分环节试验原理图传递函数：

U(S) 1OU(S) TSi时常数：T=R1C=0.1阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=10𝑢𝑖(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比例积分环节：图1-7 比例积分环节试验原理图传递函数：

G(S)

U(S)O

K(11)U(S) TSi比例系数：KR 1R1时常数：T=RC=0.1阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=(1+10t)ε(t)Ui-Uo的时域响应理论波形：图1-8 比例积分环节单位阶跃响应图比例微分环节：传递函数：

G(S)

U(S)O

图1-9 比例微分环节试验原理图K(1TS)U(S)iKD

//R3R

)R44时常数：T K RC0.1D D 3阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=2+1.2δ(t)Ui-Uo的时域响应理论波形：图1-10 比例微分环节单位阶跃响应图比例积分微分环节：图1-11 比例积分微分环节试验原理图传递函数：

G(S)

U O

K

KpKTS比例系数：

UiRK 2R

(S)R3

p TS pdiP R4时常数：T

( 2 3 R)C

0.06RRd R R RR2 3Ti(R2R3)C10.2阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=(90t+9)ε(t)=0.1δ(t)Ui-Uo的时域响应理论波形：

图1-12 比例积分微分环节单位阶跃响应图1、依据原理图构造试验电路。2、测量输入和输出波形图。3〔六、争论与思考1、写出各典型环节的微分方程〔建立数学模型。答：比例环节𝑢𝑐=𝑏𝑢𝑟𝑐 惯性环节T𝑑𝑢𝑐+𝑢 =𝑘𝑢𝑐 𝑑𝑡积分环节𝑢𝑐=𝑘∫𝑢𝑟𝑑𝑡2中的学问设计出相应的系统？请举例说明，并画出原理图。答：电枢掌握的直流伺服电机，微分方程如下3、利用MATLAB仿真，与试验中实测数据和波形相比较，分析其误差及产生的缘由。答：试验箱中电阻值和电容值得与标准值存在误差、外界电磁的干扰和信息传输时间的延迟滞后,都使得理论值与实测数据与波形存在误差。〔七、记录试验数据：名称 参数 理论值 实测值比R1=50KK=R/R1=2K=Uo/Ui=2.05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*CC=1ufT=R*C=0.1sT=0.112sC=2uFT=R*C=0.2sT=0.214sC=3uFT=R*C=0.3sT=0.321sC=1uFT=R1*C=0.1sT=0.096sC=2uFT=R1*C=0.2sT=0.214sC=3uFT=R1*C=0.3sT=0.332sC=1uFT=R*C=0.1sT=0.238sR=R1=100k积分环节R1=100K比例积分环节R=R1=100K比例微分环节比例积分微分环节

C=2uFR2=100KR3=100KR4=10KC=1UfC1=1uFC2=1uFR2=100KR3=100KR4=10K

T=R*C=0.2sK=2T=0.6Ti=0.02Td=0.06

T=0.158s〔八、实测波形：比例环节R=100KR1=50KR=100KR1=100KR=50KR1=100K惯性环节C=1uFC=2UfC=3uF积分环节C=1uFC=2uFC=3uF比例积分环节C=1uFC=2uF比例微分环节比例积分微分环节试验二二阶系统的性能争论〔一、试验目的：通过试验加深理解二阶系统的性能指标同系统参数的关系。〔二、试验内容：把握典型二阶系统模拟电路的构成方法及二阶闭环系统的传递函数标准式。争论二阶闭环系统的构造参数--无阻尼振荡频率ωn、阻尼比ξ对过渡过程的影响。把握欠阻尼二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标Mp、tp、ts的计算。观看和测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态性能指标Mp、tp值，并与理论计算值作比对。〔三、试验要求：1、做好预习，依据试验原理图所示相应参数，写出系统的开环，闭环传递函数。计算、n、tr、ts、tp、%、等理论值，并绘制单位阶跃信号下的输出响应理论波形。2、自己设计试验参数，分别构成欠阻尼，临界阻尼，过阻尼二阶闭环系统。〔四、试验原理：试验原理及试验设计：图2-1 二阶系统试验原理图预习内容：(1)二阶系统时域试验参数计算：图2-2 二阶系统试验方框图二阶系统的开环传递函数：G(S) K 〔2-1〕TiS(TS1)二阶系统的闭环传递函数标准式：

G(S)

2 n

〔2-2〕1G(S) S2

n

S2nKTiT自然频率〔无阻尼振荡频率：nKTiT

阻尼比：

〔2-3〕12TiKT由二阶闭环系统模拟电路如图12TiKT要求学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态指标Mp、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、试验方法与步骤1、依据原理图构造试验电路。2、测量时域响应波形和数据。3、将所测得的数据填入试验数据表中。输入电阻R参数输入电阻R参数K自然频率ωn〔计算值)阻尼比ξ〔计算值)超调量计算值%测量值上升时间计算值tr〔ms〕测量值70K1.4340K2.520K510K105K203.7857.071014.14ξ>1过阻尼临界阻尼欠阻尼欠阻尼欠阻尼ξ=1.32ξ=1ξ=0.707ξ=0.5ξ=0.356//4.3%16.3%30.2%//6.0%14.9%31.3%1.25s0.700s0.417s0.242s0.146s1.22s0.653s0.498s0.252s0150s//0.630s0.36s0.238s//0.642s0.359s0.235s//0.600s0.600s0.600s1.809s0.889s0.610s0.567s0.583s峰值时间计算值tP峰值时间计算值tP测量值〔ms〕调整时间计算值tS测量值〔ms〕将试验结果与理论学问作比照，并进展争论。答：此次试验中不行能消灭不稳定的状况，由于闭环传递函数的极点始终在s左半震荡性和参数的转变。试验中的电阻、电容实际值与标称值之间存在偏差；使得计算结果消灭误差，还有是按条件的变化也会对结果产生影响。〔八、记录试验实测波形：1R=70K0上升时间调整时间2R=40K上升时间调整时间2R=20K超调量和峰值时间上升时间调整时间R=10K超调量和峰值时间上升时间调整时间R=5K峰值时间和超调量上升时间调整时间试验三系统时域分析试验〔一、试验目的：1、把握典型三阶系统模拟电路的构成方法及三阶系统的传递函数表达式。2、了解和把握求解高阶闭环系统临界稳定增益K的多种方法〔劳斯稳定判据法、代数求解法、根轨迹求解法。1、观看和分析三阶系统在阶跃信号输入时，系统的稳定、临界稳定及不稳定三种瞬态响应。2MATLAB的开环根轨迹求解系统的性能指标的方法。3、把握利用主导极点的概念，使原三阶系统近似为标准二阶系统，估算系统的时域特性指标。〔二、试验内容：1、运用根轨迹法对掌握系统进展分析；明确闭环零、极点的分布和系统阶跃响应的定性关系。2、用劳斯稳定判据推断系统的稳定性，并计算临界稳定增益K。3、娴熟把握根轨迹作图法，并确定临界稳定增益K，与计算值做比较。〔三、试验要求：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，用摸索法确定主导极点的大致位置。2、用Routh稳定判据，求出系统稳定、临界稳定和不稳定时的K值范围和R的取值。3、画出输入输出的理论波形(单位阶跃信号作用下)。〔四、试验原理：1K由0S平面上移动的轨迹城根轨迹，不仅直观的表示了KS平面上分布的影响。可判定系统的稳定性，确定系统的品质。稳定性：根轨迹假设越过虚轴进入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，确定系统的型别，同时可以确定对应的静态误差系数。预习内容：(1)三阶系统时域试验参数计算和根轨迹图：三阶系统的开环传递函数：

KK 〔4-1〕2G(S)TiS(TS1 TS1)2闭环传递函数〔单位反响

(S)

1G(S)

1)(

KK 〔4-2〕11G(S)

1

13-1所示。它由积分环节、2个惯性环节构成。其积分时间常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模拟试验电路的开环传递函数为：G(S) K

K 〔4-3〕S(0.1S1)(0.5S1) 0.05S30.6S2S模拟电路的开环传递函数代入式3.1.，该电路的闭环传递函数为：(S) K

K 〔4-5〕1)K 3

2

SK要求学生自行用Routh稳定判据，求出系统稳定、临界稳定和不稳定时的K值范围和R〔注：要求有设计和计算过程，结果填入数据记录表中〕G(s)=

107𝑅𝑠(𝑠+2)(𝑠+10)闭环系统的特征方程，0.05𝑠3+0.6𝑠2+𝑠+𝑘=0

𝑠3 0.05 1𝑠2 0.6 𝐾𝑠 0.6−0.05𝐾 00.6𝑠0 𝐾 0系统稳定：解得

0.6−0.05𝐾>0{0.6{𝐾>00<K<12→R>41.7K系统稳定K=12→R=41.7K临界稳定K>12→R<41.7K不稳定〔五、试验方法与步骤1、依据原理图构造试验电路。2、测量时域响应波形和相应参数。3、将所测得的数据填入试验数据表中。R=40.4KR=38.8K1uR=40.4KR=38.8K1uδ%=17.35%𝑡𝑟=1.670s𝑡𝑝=2.297s𝑡𝑠=3.639s1uR=43.8KR=38.8K2uδ%=32.65%𝑡𝑟=1.969s𝑡𝑝=3.039s𝑡𝑠=7.192sR=72.0KR=38.8K1uδ%=22.49%𝑡𝑟=1.627s𝑡𝑝=2.526s𝑡𝑠=5.437s2uR=84.8KR=38.8K2uδ%=38.8%𝑡𝑟=1.969s𝑡𝑝=3.125s𝑡𝑠=9.975s反馈反馈稳定〔衰减振荡〕〔25%〕临界稳定〔等幅振荡〕不稳定〔发散振荡电电350K40.4K38.8K容C2容C3〔七、思考与争论：将试验结果与理论学问作比照，并进展争论。s平面内，系s左半平面就可以了。〔八、记录试验实测波形：稳定C2=1UC1=1U超调量和峰值时间上升时间调整时间C2=1uC3=2u超调量和峰值时间上升时间调整时间C2=2Uc3=1U超调量和峰值时间上升时间调整时间C2=2uC3=2u超调量和峰值时间上升时间调整时间临界C2=1uc3=1uC2=1uC3=2uC2=2uC3=1uC2=2uC1=2u不稳定C2=1UC3=1uC2=1uC3=2uC2=2uC3=1uC2=2uC3=2u试验四二阶系统的性能频域争论〔一、试验目的：1、通过试验加深理解二阶系统的性能指标同系统参数的关系。2、把握系统频率特性测试方法。3、争论二阶系统频率特性与系统动态性能之间的关系。〔二、试验内容：1、二阶系统的频域动态性能争论；2、娴熟把握线性系统频率特性的根本概念。3、把握波德图、乃奎斯特图的构造及绘制方法。〔三、试验要求：1、自己设计试验参数。P p 2依据原理图所示相应参数计算理论值M ωω等理论值P p 〔四、试验原理：又〔包括对数幅频和相频两条曲线泛地应用于掌握系统分析时的作图。对数频率特性曲线的横坐标统一为角频率ω，并按十倍频程〔dec〕对数分度，单位是弧度/秒[rad/s]。对数幅频特性曲线的纵坐标表示对数幅频特性的函数值，为均匀分度，单位是分贝[dB][°]。试验原理及试验设计：预习内容：(1)、二阶系统的频域试验参数计算：〔五、试验方法与步骤1、依据原理图构造试验电路。2、测量频域伯德图和奈奎斯特图。3、将所测得的数据填入试验数据表中。〔六、记录试验数据：5〔计算值)阻尼比ξ临界阻尼欠阻尼〔计算值)ξ=1ξ=0.354输入电阻R40K5K输入电阻R40K5K参数K25自然频率ωn谐振峰值MP计算值/1.51db测量值/3.48db谐振频率计算值/12.24rad/sωp测量值/12.00rad/s截止频率计算值/13.96rad/sωc测量值/16.00rad/s带宽B3.16rad/s19.97rad/s测量值3.00rad/s 19.12rad/sw5rad/s14.14rad/s4.65rad/s14.50rad/s虚轴交点计算值//测量值-0.47 -1.31通过自己亲自动手试验，进一步理解了二阶系统的性能指标同系统参数的关系，虽然刚开头的时候比较难以理解，到最终得到图形和数据时对书上的公式得到验证。〔八、记录试验实测图形：R=40K带宽转折频率虚轴交点R=5K谐振峰值和谐振频率截止频率转折频率虚轴交点试验五校正试验——超前校正〔一、试验目的：1、把握系统校正的根本方法及原理。2、深入理解开环零、极点对闭环系统性能的影响关系。3、加深理解串联校正的特点，学会正确选择校正装置。〔二、试验内容：了解和把握超前校正的原理。了解和把握利用闭环和开环的对数幅频特性和相频特性完成超前校正网络的参数的计算。把握在被控系统中如何串入超前校正网络，构建一共性能满足指标要求的系统的方法。〔三、试验要求：1、做好预习，依据试验原理图所示相应参数，写出系统的开环，闭环传递函数。计算开环L()和相频特性()，幅值穿越频率ωc，相位裕度γ，按“校正后系统的相位裕度γ′”要求,设计校正参数，构建校正后系统。观测校正前、后的时域特性曲线，並测量校正后系统的相位裕度γ′、超调量Mp、峰值时间tP。转变“校正后系统的相位裕度γ′”要求,设计校正参数，构建校正后系统，画出其系统模拟电路图和阶跃响应曲线，观测校正后相位裕度γ′、超调量Mp、峰值时间tP填入试验报告。〔四、试验原理：超前校正的原理是利用超前校正网络的相角超前特性，使中频段斜率由-40dB/dec变为-20dB/dec环截止频率增大，从而使闭环系统带宽也增大，响应速度也加快。超前校正网络的电路图及伯3-3-1。图5-1 超前校正网络的电路图及伯德图超前校正网络传递函数为： G

(S)11aTS 〔5-1〕网络的参数为：

CRR ，

a 1TSRR

〔5-2〕a 4 5

T 4 5 CR RR5 4 5在设计超前校正网络时，应使网络的最大超前相位角值穿越频率ωc′处，即ωm=ωc′。

尽可能消灭在校正后的系统的幅m网络的最大超前相位角为：m

arcsina1 或为：a1

1sina1sinmm

〔5-3〕 L(m C

)10lga 〔5-4〕网络的最大超前角频率为：m

1 〔5-5〕T a从式〔3-3-1〕可知，接入超前校正网络后被校正系统的开环增益要下降a倍，因此为了保持与系统未校正前的开环增益相全都，接入超前校正网络后，必需另行提高系统的开环增益a倍来补偿。T a试验原理及试验设计：图5-2 未校正系统模拟电路图超前校正网络的设计：积分环节：𝑇𝑖𝑅𝑖𝐶𝑖0.2𝑠惯性环节：T=R2C2=0.3sK=R2/R3=6开环G(s)=L(w)=0

60.2𝑠(10.3𝑠)I(w)=20lg|G(jw)|=20lg30−20lg10−20lg√1 0.9𝑤2则20lg30−20lg𝑤𝑐−20𝑙𝑔√1 0.09𝑤𝑐2=00.09𝑤𝑐4 𝑤𝑐2−𝑤=0𝑤𝑐=9.72rad/s(1)γ=50

φ=50°−19°=31°𝜑𝑚=31°5°=36°α=1 𝑠𝑖𝑛𝜑𝑚1−𝑠𝑖𝑛𝜑𝑚

≈3.95-3得R4=140.4KR5=48.4K(2)γ=60

T=0.036s𝜑𝑚=40°−19°5°=36°T=0.03S5-3得R4=76.8KR5=29.2K

α=1 𝑠𝑖𝑛𝜑𝑚1−𝑠𝑖𝑛𝜑𝑚

≈2.56串联超前校正后系统频域特性测试的模拟电路图见图5-3。5-3串联超前校正后系统频域特性测试的模拟电路图图5-3串联超前校正后系统的传递函数为：G(S)110.155S 305 10.031S 0.2S(10.3S)5-4校正网络〔局部〕连线示意图〔五、试验方法与步骤1、依据原理图构造试验电路。2、分别测量校正前、校正后的时域响应波形和数据。3、分别测量校正前、校正后的频域特性曲线及相位裕度γ′、超调量Mp等参数。3、将所测得的数据填入试验数据表中。相位裕度γ′〔相位裕度γ′〔标〕测量值相位γ′谐振峰值Mp(%)峰值时间tp上升时间ts超调量%调整时间tS50°49.1°(15rad/s,2.7db)0.166s0.091s27%0.283s60°60.3°(7.92rad/s,0.97db)0.286s0.126s10.3%0.407s未校正15.86°(10rad/s,9.25db)0.321s0.182s61.55%1.712s(七)、试验波形未校正峰值时间和超调量上升时间调整时间谐振峰值相位裕度γ‘=50°谐振峰值相位裕度峰值时间和超调量上升时间调整时间γ’=60°峰值时间和超调量上升时间谐振峰值相位裕度试验六非线性典型环节试验〔一、试验目的：1、了解相像性原理的根本概念。2、把握用运算放大器构成各种常用的典型环节的方法。3、把握各类典型环节的输入和输出时域关系。4、学会时域法测量典型环节参数的方法。〔二、试验内容：1、用运算放大器构成饱和、继电器、死区、空回〔可选做〕非线性典型环节。~ -