中南大学自动控制原理实验报告

信息科学与工程学院本科实验名称自动控制原理实验预定时间实验时间姓名学号授课教师实验台号专业班级实验一 11典型环节的时域分析实验目的：1. 熟悉并掌握TD-ACC+（或TD-ACS）设备的使用方法及各典型环节模拟电路的构 成方法。2. 熟悉各种典型环节的理想阶跃响应曲线和实际阶跃响应曲线。对比差异、分析原 因。3. 了解参数变化对典型环节动态特性的影响。实验设备：PC机一台，TD-ACC+（或TD-ACS）实验系统一套。模拟电路图如下：实验结果:当 R0=200K； R1=100K。-1-_2 - 2C.J msF1-V2 - SS3.B mv1 厂= 1&.23 l-zV1-V2| = S33.F mv输出电压约为输入电压的1/2，误差范围内满足理论波形, 当 R0 = 200K； R1 = 200K。F1-T25 = iGSmaV1-V2| = 仙 斗liW-TZ! =21.33V1-V2 = 10.0&4 v实验步骤1. 按1.1.3节中所列举的比例环节的模拟电路图将线接好。检查无误后开启设备 电源。2. 将信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。由于每个运 放单元均设臵了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。将开关设在“方波”档，分别调 节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为1V,周期为10s左右。3. 将2中的方波信号加至环节的输入端Ui,用示波器的“CH1”和“CH2”表笔 分别监测模拟电路的输入Ui端和输出U0端，观测输出端的实际响应曲线U0(t)，记录实 验波形及结果。4. 改变几组参数，重新观测结果。5. 用同样的方法分别搭接积分环节、比例积分环节、比例微分环节、惯性环节和 比例积分微分环节的模拟电路图。观测这些环节对阶跃信号的实际响应曲线，分别记录实 验波形及结果。实验二1.2典型系统的时域响应和稳定性分析实验目的：1研究二阶系统的特征参量（、sn）对过渡过程的影响。2研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。3熟悉Routh判据，用Routh判据对三阶系统进行稳定性分析。实验设备：PC机一台，TD-ACC+（或TD-ACS）教学实验系统一套。模拟电路图：实验步骤：1将信号源单元的“ ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。由于每个 运放单元均设臵了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。将开关设在“方波”档， 分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为1V,周期为10s左右。2典型二阶系统瞬态性能指标的测试。(1) 按模拟电路图接线，将1中的方波信号接至输入端，取R = 10K。(2) 用示波器观察系统响应曲线C(t),测量并记录超调MP、峰值时间tp和调节时 间ts。(3) 分别按R = 50K；160K；200K;改变系统开环增益，观察响应曲线C(t)，测量并记录性能指标MP、tp和tS，及系统的稳定性。并将测量值和计算值进行比较 (实验前必须按公式计算出)。将实验结果填入表1.2-1中。表1.2-2中已填入了一组 参考测量值，供参照。3.典型三阶系统的性能(1) 按图1.2-4接线，将1中的方波信号接至输入端，取R = 30K。(2) 观察系统的响应曲线，并记录波形。(3) 减小开环增益(R = 41.7K； 100K)，观察响应曲线，并将实验结果填入表1.2-3 中。表1.2-4中已填入了一组参考测量值，供参照。实验现象分析孟2 (A,K.*()ts时响 应 情 况理 论 值测値理论值测值理 论 iii测量値0学14】 临界 RI尼& 1过Hi尼表1丄2甲目K.Mp （附）中（8埒（5）响 应 悄 况理论值量值理论值量值理测量值光齟尼1020101.4144430.北L&寢振蕩5042J51.1L1110O.fi500.6AI临界 阻尼1-602.31无1无无1.95单 调A2.00无1无无2.93.5单 调 措表 1-2-3R(Kft开坏晦益K稳定性表 L2-4R(KQ)开环増益K稳定性3016. 7不稳定发散41 .712临界穂定等幅振荡1005稳定衰减收敛注意：在做实验前一定要进行对象整定，否则将会导致理论值和实际测量值相差较大。首先调节电阻使系统处于临界稳定的状态欠阻尼状态，是我们所期望的一种状态，相比于过阻尼，系统响应时间比较短，相比于临界阻尼， 系统的超调量比较小。工程上，也是希望系统能够快速平稳准确的追踪输入信号，因此欠阻尼相对比 较理想。三阶系统三阶系统处于临界稳定时nri-rzi= 117.z msp/i-vzi = 51方 rw三阶R30KR(S)0c4实验三2.1线性系统的根轨迹分析实验目的1根据对象的开环传函，做出根轨迹图。2掌握用根轨迹法分析系统的稳定性。3通过实际实验，来验证根轨迹方法。实验设备PC机一台，TD-ACC+（或TD-ACS）教学实验系统一套。实验原理及内容实验对象的结构框图:jmiK.伯号输模拟电路构成：如图2.1-2所示。1K1K2ToSTlS+IT2&tlG(S) =S(S + 1)(O.5S + 1)系统的开环增益为K= 500KQ/R,开环传递函数为:绘制根轨迹由开环传递函数分母多项式S(S+l)(0.5S+l)中最高阶次n= 3,故根轨迹分支数 为3。开环有三个极点：p1= 0, p2= 1, p3 = 2。实轴上的根轨迹： 起始于0、 1、 2,其中一2终止于无穷远处。 起始于0和一1的两条根轨迹在实轴上相遇后分离，分离点为dsS2 =-1.578显然S2不在根轨迹上，所以S1为系统的分离点，将S1 = 0.422代入特征方 程 S(S+1)(0.5S+1)+ K 中，得 K= 0.193(3)根轨迹与虚轴的交点将S= j W代入特征方程可得:呻7卄込珅讥册;m产w庄根据以上计算，将这些数值标注在S平面上，并连成光滑的粗实线，如下图所示。 图上的粗实线就称为该系统的根轨迹。其箭头表示随着K值的增加，根轨迹的变化趋势, 而标注的数值则代表与特征根位臵相应的开环增益K的数值。Zl-3根据根轨迹图分析系统的稳定性根据图2.1-3所示根轨迹图，当开环增益K由零变化到无穷大时，可以获得系统 的下述性能：R= 500/K(1) 当K= 3；即R= 166 KQ时，闭环极点有一对在虚轴上的根，系统等幅振荡， 临界稳定。(2) 当K 3；即R 166 KQ时，两条根轨迹进入S右半平面，系统不稳定。(3) 当0 K 166 KQ时，两条根轨迹进入S左半平面，系统稳定。上述分析表明，根轨迹与系统性能之间有密切的联系。利用根轨迹不仅能够分析闭 环系统的动态性能以及参数变化对系统动态性能的影响，而且还可以根据对系统暂态特 性的要求确定可变参数和调整开环零、极点位臵以及改变它们的个数。这就是说，根轨 迹法可用来解决线性系统的分析和综合问题。由于它是一种图解求根的方法，比较直观, 避免了求解高阶系统特征根的麻烦，所以，根轨迹在工程实践中获得了广泛的应用。实验步骤1绘制根轨迹图：实验前根据对象传函画出对象的根轨迹图，对其稳定性及暂态性能做出理论上的判断。并确定各种状态下系统开环增益K的取值及相应的电阻值R。2将信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。由于每个 运放单元均设臵了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。将开关设在“方波”档， 分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为1V,周期为10s左右。R=50KT1-T21 = 234.4 m&IV1-V2I = 517.6 mvT:佃格CH1: h格CH2:当电阻RV166K时，系统逐渐趋于不稳定，当R=50K,系统不稳定，包络线发散，于是波形不收 敛，如上图所示。R=220K时，系统趋于稳定21= 46S.3 msIV1-V2I = 51 7.6 mv实验四 3.1线性系统的频率响应分析实验目的:1. 掌握波特图的绘制方法及由波特图来确定系统开环传函。2. 掌握实验方法测量系统的波特图。实验设备：PC机一台，TD-ACC+（或TD-ACS）教学实验系统一套。实验原理及内容1. 频率特性当输入正弦信号时，线性系统的稳态响应具有随频率（3由0变至 ） 而变化的特性。频率响应法的基本思想是：尽管控制系统的输入信号不是正弦函数，而 是其它形式的周期函数或非周期函数，但是，实际上的周期信号，都能满足狄利克莱条 件，可以用富氏级数展开为各种谐波分量；而非周期信号也可以使用富氏积分表示为连 续的频谱函数。因此，根据控制系统对正弦输入信号的响应，可推算出系统在任意周期 信号或非周期信号作用下的运动情况。2. 线性系统的频率特性系统的正弦稳态响应具有和正弦输入信号的幅值比和相位差随角频率3由 0 变到变化的特性。而幅值比和相位差恰好是函数的模和幅角。所以只要把系统的传 递函数，令s = j 3即可得到我们把。称为系统的频率特性或频率传递函数。当3由0到X 变化时，幅值比随频率3的变化特性成为幅频特性，相位差随频率3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。3. 直接频率特性的测量用来直接测量对象的输出频率特性，适用于时域响应曲线收敛的对象（如：惯性环 节）。该方法在时域曲线窗口将信号源和被测系统的响应曲线显示出来，直接测量对象输 出与信号源的相位差及幅值衰减情况，就可得到对象的频率特性。实验内容：本次实验利用教学实验系统提供的频率特性测试虚拟仪器进行测试，画出对象波特 图和极坐标图。开环传函为:& _ 0.15(0 JS +1)，100闭环传函：、心“得转折频率：3=10 (rad/s),阻尼比=0.5实验步骤此次实验，采用直接测量方法测量对象的闭环频率特性及间接测量方法测量对象的 频率特性。1. 实验接线：按模拟电路图3.1-5接线,TD-ACC+的接线：将信号源单元的“ST”插针分别与“S”插针和“+5V”插 针断开，运放的锁零控制端“ST”此时接至示波器单元的“SL”插针处，锁零端受“SL” 来控制。将示波器单元的“SIN”接至图3.1-5中的信号输入端，TD-ACS的接线：将信号源单元的“ST”插针分别与“S”插针和“+5V”插 针断开，运放的锁零控制端“ ST”此时接至控制计算机单元的“ DOUTO”插针处， 锁零端受“DOUTO”来控制。将数模转换单元的“/CS”接至控制计算机的“/IOY1”， 数模转换单元的“OUT1”，接至图3.1 -5中的信号输入端.2. 直接测量方法(测对象的闭环频率特性)“CH1”路表笔插至图3.1-5中的4#运放的输出端。(2)打开集成软件中的频率特性测量界面，弹出时域窗口，点击 按钮，在 弹出的窗口中根据需要设臵好几组正弦波信号的角频率和幅值，选择测量方式为“直接” 测量，每组参数应选择合适的波形比例系数，具体如下图所示：(3) 确认设路的各项参数后，点击 按钮，发送一组参数，待测试完毕，显示时域波形，此时 需要用户自行移动游标，将两路游标同时放路在两路信号的相邻的波峰(波谷)处，或零点处，来确 定两路信号的相位移。两路信号的幅值系统将自动读出。重复操作(3)，直到所有参数测量完毕。B(4) 待所有参数测量完毕后，点击按钮，弹出波特图窗口，观察所测得的波特图，该图由若干点构成，幅频和相频上同一角频率下两个点对应一组参数下的测量结果。点击极坐标图按钮，可以得到对象的闭环极坐标如下:He=U.bLI, lm = U.七U” d) =1b.J*tt =圧巾Ml= IZA-UJ 【肿i = Isa ml爛炯（riJ1箱寻9C0*900I机I = 13|41-4?| = 37*旬柴丰；兽坤酗同且方it直按|(M0| = G9惰号聲卩4MM粉 厘演却叫曲1H 号爾 1 -(Mtt|l 閃-V2| = 1.Ov 总$丁(1皿弔|7I 7?| J.OC -悄号 IJtwJftl VkV2| = 13v 氏境| 书i vi v?| i.n v敬当曲涉歎；血乐；毗剋M生；E rad松 制豆方式神岂前联科：tK： 3v 角黑丰：史r臣揍M当甫#ft；电压：甌0.0*DZ7DII|d1-（b2| = 112Bl*b*zi = ua卍当朮摆敬： tt： 3v 舗魏轧15 ra U捷方式蟹At柚号源卩（M piV?| = 1,03 v pf1-V2| = L03v荷号尊|1（M 樹 |V1 W| = 1,03v 駁惯 piM樹 pn-w）= i.03vrn 毗i = b3 v反碱卩创训喲|V1切=丄盟w刑I当貧秦数；龟压；Mir lO rfr 御亘方It肿当前移敷：电E： 3催罰怛 關屢方弧11.0UmG30| ibl-ib Z| = 14 *信号 n.ooY/fi) fepiowBVl-VZI = 1.03v|VI-V2| - D. I a v棺号 fip.OMO |V1-V2| = L03 V 反谯阿 Ov熾|vi-v| = 0,52v拮号 Sn.OOvfh) |V1| = 1.03v 反惯P1(MM IV1-V2I - D.1 a v和当前港麹 电E：兌頼聿：测rad怛餾世方式，亘掩制j当前嫁数：电压：头甬损至：SOrafVs 讀量方式匕直揍种怡数：电压:1V 甬殒率：1M说冷 牌吐方式！直按厂2ZAZV/ZV/-| H牛zt|o-胪(*_-弋630*化VvnI* I- 176实验五1.3线性系统的校正实验目的1. 掌握系统校正的方法，重点了解串联校正。2. 根据期望的时域性能指标推导出二阶系统的串联校正环节的传递函数。实验设备PC机一台，TD-ACC+（或TD-ACS）教学实验系统一套。实验原理及内容所谓校正就是指在系统中加入一些机构或装臵（其参数可以根据需要而调整），使系 统特性发生变化，从而满足系统的各项性能指标。按校正装臵在系统中的连接方式，可 分为：串联校正、反馈校正和复合控制校正三种。串联校正是在主反馈回路之内采用的 校正方式，串联校正装臵串联在前向通路上，一般接在误差检测点之后和放大器之前。 本次实验主要介绍串联校正方法。1. 原系统的结构框图及性能指标孑020C(Si*S(ClS5*1 )图 1.3-1对应的模拟电路图图 13-2由图可知系统开环传函:20, 由期望值得：则 K20o校正后系统的闭环传函为:取2= 0.5，贝y T = 0.05s,3n=20满足sn10，得校正后开环传函为:20因为原系统开环传函为:0.55 十 1加校正环节后的系统结构框R图为:且采用串联校正，所以串联校正环节的传函为：对应的模拟电路图：见图1.3-4实验步骤1. 将信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。由于每个运 放单元均设臵了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。将开关设在“方波”档，分 别调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为1V,周期为10s左右。2. 测量原系统的性能指标。(1) 按图1.3-2接线。将1中的方波信号加至输入端。(2) 用示波器的“CH1 ”和“CH2”表笔测量输入端和输出端。计算响应曲线的超调 量MP和调节时间tS。3. 测量校正系统的性能指标。(1) 按图1.3-4接线。将1中的方波信号加至输入端。(2) 用示波器的“CH1”和“CH2”表笔测量输入端和输出端。计算响应曲线的超调量MP 和调节时间tS，是否达到期望值，若未达到，请仔细检查接线(包括阻容值)。实验现象分析