自动控制原理实验报告(1)

实验1控制系统典型环节的模拟实验（一）实验目的：1掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。2.测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。实验原理：控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。实验内容及步骤实验内容：观测比例、惯性和积分环节的阶跃响应曲线。实验步骤：分别按比例，惯性和积分实验电路原理图连线，完成相关参数设置，运行。 按各典型环节的模拟电路图将线接好（先接比例）。（PID先不接） 将模拟电路输入端（UJ与阶跃信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端（Uo）接至示波器。按下按钮（或松开按钮）SP时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo（t）,且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果。 同理得积分和惯性环节的实际响应曲线，它们的理想曲线和实际响应曲线。实验二控制系统典型环节的模拟实验（二）实验目的1 掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。2.测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。实验仪器1. 自动控制系统实验箱一台计算机一台实验原理控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。实验内容及步骤内容：观测PI,PD和PID环节的阶跃响应曲线。步骤：分别按PI,PD和PID实验电路原理图连线，完成相关参数设置，运行 按各典型环节的模拟电路图将线接好。 将模拟电路输入端（U）与方波信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端（Uo）接至示波器。用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo（t），且将结果记下。改变参数，重新观测结果。实验数据rig/uFzlOKT|=恥Cx+-TB=理复Ca-1|买侧；|aa反1十尺二KO1t|理6IOOK-h1Ka=9OK-Cl=41HERi-*-EODK实验结论及分析实验结果符合预期要求。实验三二阶系统稳定性分析实验目的1.观察系统的不稳定现象。2. 研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。实验仪器1. 自动控制系统实验箱一台2计算机一台实验原理利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。实验内容及步骤内容：通过对二阶系统开环增益的调节，使系统分别呈现为欠阻尼OvEv1(R=10K,K=10),临界阻尼E=1(R=40K,K=2.5)和过阻尼E1(R=100K,K=1)三种状态，并用示波器记录它们的阶跃响应曲线。步骤：将“信号发生器单元”U1的ST端和+5V端用“短路块”短接，并使运放反馈网络上的场效应管3DJ6夹断。按图2-2接线，并使R分别等于100K、40K、10K用于示波器，分别观测系统的阶跃的输出响应波形。实验数据R使7XOK-1Cj1jr_/roftQ2OK*-C1zC1a1c1.O丄丄.53*1bc*十实验结论及分析实验4二阶系统暂态性能指标测试实验目的1通过二阶系统的模拟电路实验，掌握线性定常系统动、静态性能的一般测试方法。2研究二阶系统的参数与其动、静态性能间的关系。实验仪器1. 自动控制系统实验箱一台2计算机一台实验原理利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。图2-1为二阶系统的方块图。由图可知，系统的开环传递函数K.G(SFwir，式中KKi相应的闭环传递函数为KC(S)_K_可両pS2SK二s2丄S上TiTi二阶系统闭环传递函数的标准形式为C(s)_R(S)S22AnS亠心2n比较式、得：3n=K二Kl，”，”，”匕=2Kti=2“KVTi忖实验内容及步骤内容：通过对二阶系统开环增益的调节，使系统分别呈现为欠阻尼OvEv1(R=10K,K=10),临界阻尼E=1(R=40K,K=2.5)和过阻尼E1(R=100K,K=1)三种状态，并用示波器记录它们的阶跃响应曲线。1通过对二阶系统开环增益K的调节，使系统的阻尼比E=0.707(R=20K,K=5),72观测此时系统在阶跃信号作用下的动态性能指标：超调量Mp上升时间tP和调整时间ts。步骤：准备工作：将“信号发生器单元”U1的ST端和+5V端用“短路块”短接，并使运放反馈网络上的场效应管3DJ6夹断。1.二阶系统瞬态性能的测试 按图2-2接线，并使R分别等于100K、40K10K用于示波器，分别观测系统的阶跃的输出响应波形。 调节R,使R=20K(此时E=0.707)，然后用示波器观测系统的阶跃响应曲线，并由曲线测出超调量Mp上升时间tp和调整时间ts。并将测量值与理论计算值进行比较。实验数据券斷JMMTpltitih1项目卢KhOdC+-1测费/亘Q阶跌响应曲賤空gy10(101010.5.4,6.1X1).75/也J120.5.T.OT,o.ror.4.2.nd.】/o.8.】T/iT.=i.i40-2.5血0/ji0CM厂!*.11.SHJB.iimnin5.16.1.53.14:15/5.S5.iiat实验结论及分析实验5三阶系统稳定性分析一、实验目的1通过三阶系统的模拟电路实验，掌握线性定常系统动、静态性能的一般测试方法。2研究三阶系统的参数与其动、静态性能间的关系。实验仪器1自动控制系统实验箱一台2计算机一台实验原理利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。G(S)=KS(T1S1)(T2S2)式中Ti=0.1S,T2=0.51S,K=5R系统的闭环特征方程:S（Ti+1）（T2S+1）+K=032即0.051S+0.61S+3+K=0由Routh稳定判据可知K12（系统稳定的临界值）系统产生等幅振荡，K12,系统不稳定，KV12,系统稳定。实验内容及步骤内容：研究三阶系统的开环增益K或一个慢性环节时间常数T的变化对系统动态性能的影响。1 由实验确定三阶系统稳定由临界K值，并与理论计算结果进行比较。步骤： 按图2-4接线，并使R=30K 用示波器观测系统在阶跃信号作用下的输出波形。 减小开环增益（令R=42.6K,100K），观测这二种情况下系统的阶跃响应曲线。在同一个K值下，女口K=5.1（对应的R=100K）,将第一个惯性环节的时间常数由0.1s变为1s，然后再用示波器观测系统的阶跃响应曲线。实验数据RCKQW需出波理a3I1t*不韬走诡散A42.6Itr临界居定幣帖酝藩2100JLt-租足乐闕厨实验6MATLAB在典型二阶系统的时域分析实验目的1、掌握用MATLAB对系统进行时间响应分析；2、掌握二阶系统的时间响应特征以及系统性能与系统参数之间的关系。实验仪器1、计算机2、MATLAB软件实验原理1、利用计算机对控制系统进行时域分析。2、使用MATLAB件在计算机上对一、二阶系统进行时域分析。实验内容及步骤内容：2On已知二价震荡环节的传递函数G(s)=2，其中n=0.4，从0s+2：灼n+灼n变化到2，求此系统的单位阶跃响应曲线、脉冲响应曲线和斜坡响应曲线。步骤：1)键入程序，观察并记录单位阶跃响应曲线2)记录脉冲响应曲线和斜坡响应曲线实验数据(1)系统单位阶跃响应曲线的程序代码：clear,clfwn=0.4;forzeta=0,0.4,0.7,0.9,1.0,1.5;num=w门人2;den=1,2*zeta*wn,wnA2;s=tf(num,den);figure(1),step(s,60),holdonendholdoffgtext(O)，gtext(0.4)，gtext(0.7)，gtext(I.O)gtext(1.5)结论：如图1-1所示的系统阶跃响应曲线为不同阻尼比时所得到的运行结果。Time(sec)图1-1不同阻尼比时系统的单位阶跃响应曲线(2)系统脉冲响应曲线的程序代码：clear,clfwn=0.4;forzeta=0,0.4,0.7,0.9,1.0,1.5;num=w门人2;den=1,2*zeta*wn,wnA2;s=tf(num,den);figure(1),impulse(s,70),holdonendholdoffgtext(0)gtext(0.4)gtext(0.7)gtext(1.0)gtext(1.5)结论：如图1-2所示的系统脉冲响应曲线为不同阻尼比时所得到的运行结果。ImpulseResponse图1-2不同阻尼比时系统的单位脉冲响应曲线(3)系统斜坡响应曲线的程序代码clear,clfwn=0.4;forzeta=0,0.4,0.7,0.9,1.0,1.5;num=w门人2;den=1,2*zeta*wn,wn人2,0;s=tf(num,den);figure(1),step(s,150),holdonendholdoffgtext(0)gtext(0.4)gtext(0.7)结论：如图1-4所示的系统斜坡响应曲线在0Z2.0时所得到的运行结果。160StepResponse401200080604020QdulrpmA50100Time(sec)150图1-3不同阻尼比时系统的单位斜坡响应曲线实验7自动控制系统校正实验目的1 掌握串联校正装置设计的一般方法。2 设计一个有源串联超前校正装置，使之满足实验系统动、静态性能的要求。实验仪器1. 自动控制系统实验箱一台2计算机一台实验原理未校正系统的方块图如图1所示，设计相应的模拟电路图，参见图2。图1未校正系统的方块图11图2未校正系统的模拟电路图根据系统动态性能的要求，设计一个超前校正装置，其传递函数为:Gc(s)=0.5S10.05S+1其模拟电路图为图3所示。要求校正后系统Kv=20,Mp=0.25,ts实验8自动控制系统频域分析实验目的1、利用MATLAB画一阶和二阶控制系统的伯德图2、利用MATLAB计算所给系统的相角裕量和幅值裕量实验仪器、设备及材料1、计算机2、MATLAB软件实验原理1、利用计算机对控制系统进行频域分析。2、使用MATLAB件在计算机对系统进行频域分析。Bode()函数：bode(num,den,w);，为频率向量，=logspace(a,b,n)得到10a到10b之间的将(b-a)进行(n-1)等分后的n个的值。相位裕度、幅值裕度的求取：Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(mag,phase,w)；其中mag为系统的幅频特性，phase为系统的相频特性，Gm为幅值裕度，Pm为相位裕度，Wcg为相位穿越频率(相位二-180),Wcp为幅值穿越频率(剪切频率)。实验内容及步骤内容:1、31.6s0.01s10.1s1，要求:(1)作波特图(2) 由稳定裕度命令计算系统的稳定裕度Lg和c，并确定系统的稳定性(3) 在图上作近似折线特性，与原准确特性相比其中：(1)GcS=1(2)Qs丄-Ss+1要求：(1) 作波特图，并将曲线保持进行比较；(2) 分别计算两个系统的稳定裕度值，然后作性能比较；步骤：(1) 启动matlab软件；依次键入源程序，运行，观察并记录相应图形和数据；实验数据实验1%作波特图G=zpk(,O-100-10,31.6);bode(G);gridon;title(实验3.6G(s)=31.6/s(0.01s+1)(0.1s+1)Bode曲线图);%计算系统的稳定裕度Lg和cG=zpk(,0-100-10,31.6);margin(G);gridon;结论如图1所示实验2%Matlab计算程序Gc仁tf(1,1);Gc2=tf(1,11O);G=tf(1,110);G11=series(Gc1,G);G22=series(Gc2,G);sys1=feedback(G11,1,-1);sys2=feedback(G22,1,-1);bode(sys1,sys2);gridon;title(波特图曲线比较);实验结论1、BodeDiagramGm=70.8dB(at31.6rad/sec),Pm=89.8deg(at0.0316rad/sec)图1Bode曲线图由图1可得系统的稳定裕度Lg=70.8dB，c=89.8波特图曲线比较50LbdlAaudlrnawaM)awaa(esanpoeeSath-20-9035烦005000-1-1-2匚-270o63-System:sys2Frequency(rad/sec):9.41Magnitude(dB):-78System:sys1Frequency(rad/sec):9.33Magnitude(dB):-38.7-System:sys2Frequency(rad/sec):1.68Phase(deg):-303LSystem:syslFrequency(rad/sec):1.69Phase(deg):-137-210-110010110210BodeDiagramFrequency(rad/sec)图2Gc1与Gc2Bode曲线比较图BodeDiagramGm=Inf,Pm=-139deg(at0.691rad/sec)rad/sec)InfdB(atInfrad/sec),Pm=90deg(at1Gm50110100-2-20-27000010210Frequency(rad/sec)图3Gc1Bode曲线图-300-360*-330-10101101010Frequency(rad/sec)Gc2Bode曲线图所以，当G(c)=1时，c=90度，当Gcs时,s+1)c=-139度