《自动控制原理》指导书

-PAGE13-《自动控制原理》实验指导书适用专业：测控技术与仪器生产过程自动化技术辽宁科技学院仪表教研室目录TOC\o"1-1"\h\z实验一一阶系统的时域性能指标的研究 1实验二一阶系统的阶跃响应分析 4实验三二阶系统的时域性能指标的研究 6实验四典型环节的频率特性的测试 9实验五系统的稳定性分析 12实验六三阶系统的串联校正 14实验一一阶系统的时域性能指标的研究实验性质：验证性实验学时：2每组人数：1开出要求：必做一、预习内容：掌握一阶系统的数学模型和阶跃响应的特点，熟练计算一阶系统的性能指标和结构参数，特别是一阶系统由阶跃响应曲线来读取性能指标。二、实验目的：学习一阶系统中比例、积分和惯性环节的模拟方法和参数测定的方法。通过仿真观察上述三个典型环节阶跃响应曲线，了解参数变化对系统动态特性的影响。三、基本原理： 一阶系统的单位阶跃响应曲线是一条由零开始的，按指数规律上升并最终趋于1的曲线。其响应曲线具有非振荡的特征，又称为非周期响应。由于一阶系统的阶跃响应没有超调，所以其性能指标主要是调节时间，它表示系统过渡过程的快慢。四、实验设备： PC机一台（含Windows98操作系统）、EWB仿真软件一套。五、实验内容：比例环节：微分方程：C(t)=Kr(t)传递函数：C(s)/R(s)=K模拟线路如图1所示。由于输入信号r(t)是从运算放大器的反向端输入，输出信号与输入信号在相位上正好相反，传递函数中出现了负号。从输入端加入阶跃信号，改变电阻R2观测不同的比例系数K时输出的波形并记录。积分环节：微分方程：传递函数：模拟线路如图2所示。改变电阻R1和电容C的大小，可得到不同的积分时间常数T，输入阶跃信号，观测T=1s、0.1s时的输出波形，并记录结果。3、惯性环节：微分方程：传递函数：模拟线路如图3所示。 从输入端加入阶跃信号，保持K=R2/R1不变，分别观测T=R2C=1s、0.1s时的输出波形并记录。保持T=1s不变，分别观测K=1、2时输出的波形并记录。六、实验步骤：比例环节：进入EWB界面按图1连接好实验电路图。将输入的阶跃信号设为1V，依次改变R2为50KΩ、100KΩ、200KΩ、500KΩ，观测系统的响应曲线，分别记录响应曲线的形状。积分环节：进入EWB界面按图2连接好实验电路图，取R0=R1=100KΩ。观测C=1μF和C=10μF时的输出波形。记录在不同积分时间下的波形，求出夹角θ及T。惯性环节：进入EWB界面按图3连接好实验电路图，取R0=R1=100KΩ，K=R2/R1，T=R2C保持K=1不变，分别测出T=0.1s和T=1s时输出波形。保持T=1s不变，分别测出K=1、2时的波形。数据处理及分析。七、实验报告要求：画出实验线路记录原始数据、测试数据及输出响应曲线。对实验中出现的现象进行讨论，对内容3从绘制的阶跃响应曲线上求出K、T，并与理论计算值比较。实验二一阶系统的阶跃响应分析实验性质：验证性实验学时：2每组人数：1开出要求：必做一、实验目的：掌握有源网络典型环节的结构形式。观察分析一阶系统在阶跃输入信号作用下的输出响应。加强对控制系统瞬态过程的认识。进一步了解典型环节参数变化时对系统阶跃响应性能指标的影响。二、实验原理：利用运算放大器和各种电子元件，模拟一阶系统的典型环节。模拟一阶系统中惯性环节的电路原理图，如图1所示。三、实验设备： PC机一台（含Windows98操作系统）、EWB仿真软件一套。四、实验步骤：进入EWB界面按图1连接好实验电路图，电阻元件的取值按图中标示值选取。将阶跃信号发生器的输出端与模拟电路的输入端相连。将模拟信号的输出端连接到示波器上观察输出曲线。按实验报告记录表上的要求，对电容元件选取不同的值，测量不同的系统参数下系统的输出响应在各时间点上的输出值。五、实验报告要求；实验记录：把实验结果记录到表1中。表1一阶系统阶跃响应曲线在各时间点上的输出值实验参数时间/msT2T3T4T5TR1=200KΩC=1μF输出/VR1=200KΩC=2μF输出/V实验结果分析：对测量结果进行分析，总结一阶系统在不同参数下阶跃响应曲线的变化规律。六、思考题：由运算放大器组成的典型环节是在什么条件下得到的？惯性环节在什么条件下可近似为比例环节？在什么条件下可近似为积分环节？如何在惯性环节、积分环节的阶跃响应曲线上求各自的时间常数？实验三二阶系统的时域性能指标的研究实验性质：验证性实验学时：2每组人数：1开出要求：必做一、预习内容：掌握二阶系统的数学模型和阶跃响应的特点，熟练计算二阶系统在欠阻尼情况下的性能指标和结构参数，特别是二阶系统在欠阻尼情况下由阶跃响应曲线来读取性能指标。二、实验目的：熟悉EWB软件的使用方法。通过仿真，观测二阶系统在欠阻尼情况下阶跃响应曲线，研究参数变化对动态特性的影响。三、实验原理：二阶系统的单位阶跃响应曲线呈衰减振荡，。其响应曲线具有振荡的特征，又称为振荡环节。其性能指标主要是调节时间和超调量，调节时间表示系统过渡过程持续的时间，是系统快速性的一个指标，超调量反映系统响应过程的平稳性。四、实验设备： PC机一台（含Windows98操作系统）、EWB仿真软件一套。五、实验内容：标准二阶系统的微分方程：传递函数：模拟电路图如图1所示。图1与二阶系统标准形式相比：ζ=1/2K=R1/2R2，ωn=1/T=1/R1C1同时改变C1和C2的大小，可改变无阻尼自然振荡的角频率ωn的大小，改变R2的大小可改变阻尼比ζ的大小。令T=0.1s（R1=R3=100KΩ。C1=C2=1μF）分别设置阻尼比ζ=0.1、0.5、0.7、1，观测输入同样的幅度的阶跃信号时的输出波形，读出并记录各阻尼比ζ时的超调量和调节时间（取误差带为0.05）并绘制阻尼比ζ=0.5、0.7、1三种情况的输出响应曲线的波形。令T=1s（R1=R3=100KΩ。C1=C2=10μF），重复上述测试。六、实验步骤：进入EWB界面按图1连接好实验电路图。2、令T=0.1s（R1=R3=100KΩ。C1=C2=1μF）分别设置阻尼比ζ=0.1、0.5、0.7、1，即R2=500KΩ、100KΩ、71KΩ、50KΩ时，观测记录各阻尼比ζ时的超调量和调节时间（取误差带为0.05）并绘制阻尼比ζ=0.5、0.7、1三种情况的输出响应曲线的波形。令T=1s（R1=R3=100KΩ。C1=C2=10μF），重复上述测试。七、实验报告要求：画出实验线路图及波形图。实验记录：将测量得到的不同系统参数下二阶系统的响应曲线各性能指标的值记录在下面的表格中。表1T=0.1s时二阶系统阶跃响应曲线各性能指标值ζtpσp%ts（5%误差带）0.10.50.71表2T=1s时二阶系统阶跃响应曲线各性能指标值ζtpσp%ts（5%误差带）0.10.50.71实验结果分析：对测量结果进行分析，总结出二阶系统在不同系统参数下阶跃响应曲线的变化规律。根据实验结果，分析二阶系统的调节时间和超调量与ζ、ωn之间的关系。实验四典型环节的频率特性的测试实验性质：综合性实验学时：2每组人数：1开出要求：本科必做、专科选做一、预习内容：典型环节的频率响应曲线的绘制方法。二、实验目的：1、巩固频率特性的概念。根据频率响应结果绘制Bode图。三、实验原理：系统的正弦稳态响应具有和正弦输入信号的幅值比│φ(jω)│和相位差∠φ(jω)随角频率（ω由0变到∞）变化的特性。而幅值比│φ(jω)│和相位差∠φ(jω)恰好是φ(jω)函数的模和幅角。所以只要把系统的传递函数φ(s)，令s=jω，即可得到φ(jω)。我们把φ(jω)称为系统的频率特性或频率传递函数。当由0到∞变化时，│φ(jω)│随频率ω的变化特性成为幅频特性，∠φ(jω)随频率的变化特性称为相频特性。幅频特性和相频特性结合在一起时称为频率特性。四、实验设备： PC机一台（含Windows98操作系统）、EWB仿真软件一套。五、实验步骤：（一）比例环节在模拟工作平台上按图1连接比例环节的模拟电路图。函数信号发生器作为输入信号，并设函数信号发生器输入信号的类型为“正弦波”，幅值为5V，频率为0.16Hz，此时角频率ω=2πf=1rad/s。确定要分析的节点，这里选择输出节点，设置电路节点标志。选好待分析节点后点击Simulate（仿真）按钮，即可显示已选节点的频率特性。按Esc键，将停止仿真的运行。（二）积分环节在模拟工作平台上按图2连接积分环节的模拟电路图。重复上述2、3、4步（三）惯性环节在模拟工作平台上按图3连接惯性环节的模拟电路图。2、重复上述2、3、4步（四）二阶振荡环节在模拟工作平台上按图4连接二阶振荡环节的模拟电路图。2、重复上述2、3、4步六、实验报告要求：观察自己所设计的系统在正弦信号作用下的稳态响应，画出系统开环对数幅频率特性和相频特性曲线。实验五三阶系统的串联校正实验性质：设计性实验学时：4每组人数：1开出要求：专科必做、本科选做一、预习内容：了解三阶系统的典型结构以及串联校正的基本形式，并掌握串联超前校正、串联滞后校正的原理和结构图。二、实验目的：1、通过对模拟控制系统的调整，了解控制系统中校正装置的作用。2、了解系统开环放大倍数对系统稳定性的影响。三、实验基本原理：系统的校正就是给系统附加一些具有某种典型环节的传递函数，靠这些环节的参数配置和系统增益的调节来有效的改善整个系统的控制性能，以达到要求的指标。串联超前校正环节所对应的系统的结构如图4所示。超前校正主要用于展宽系统的频带和提高稳定裕度，以改善系统的快速性和振荡性，但它会使高频增益增大，不利于提高系统的抗高频干扰的能力。串联滞后校正环节所对应的系统的结构如图5所示。加入滞后校正主要利用其高频衰减特性，以解决提高系统增益和要求一定稳定裕度之间的矛盾。又由于它会使高频增益减小，有利于提高系统的抗高频干扰的能力。四、实验设备：PC机一台（含Windows98操作系统）、EWB仿真软件一套。五、实验内容：三阶系统的串联超前校正以及串联滞后校正。设一单位负反馈系统的结构图如图1所示，图中Gc(s)为串联校正环节。GGc(s)RC图1原系统的模拟图如图2所示，其响应曲线如图3所示。图3三阶系统响应曲线由图3可知，原来的系统不稳定，必须加以校正，才能满足要求。图3三阶系统响应曲线六、实验步骤：先将Gc(s)接成放大系数为1的比例环节。1、调节开环放大系数k，使δ%=25%,测试此时的k,ts=？以及阶跃响应曲线。2、增加k，直到系统出现临界振荡，记录k1(临界放大系数)二、在原系统中加入串联超前校正，如图4所示。保证k1(3