自控原理实验课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,自动控制原理实验,（自动化,/,电气工程及其自动化专业）,河北大学电子信息工程学院,目 录,实验一 典型环节和典型系统的构成及其响应,实验二 二阶系统阶跃响应特性,实验三 控制系统的稳态误差,实验四 控制系统的稳定性,实验五 控制系统的串联校正,实验六 典型非线性环节,实验一 典型环节和典型系统 的构成及其响应,一、实验目的和要求,1,、熟悉各典型环节的模拟电路的组成及其工作原理，熟练推导各典型环节的传递函数；,2,、观察典型环节阶跃响应曲线，定性了解参数变化对典型环节特征的影响；,3,、观察不同阶数线性系统对阶跃输入信号的瞬态响应，了解参数变化对它的影响。,二、实验内容及步骤,1,、将各运算放大器接成比例状态，接通电源，调节各放大器零点（输入端接地；万用表电压档接在输出端，调节调零电位器使输出电压为零）。,2,、断开模拟装置电源，按实验线路接线，注意：不用的运算放大器仍接成比例状态，切勿断开放大器的反馈电阻，输出禁止接地。,3,、接通电源，用示波器观察各条件下的输入和输出波形，并作好记录。,（一） 典型环节的阶跃响应,1,、比例环节,调节,W,使其分别为,0K,50K,150K,250K,输入端加阶跃信号，用示波器同时观察输入和输出波形，画图如下,(,标明数值,并注意极性,),，写出传递函数,G(S),表达式。,2,、积分环节,其中,T = RC=100C,取,C=1F,和,0.1F,两种情况，观察,T,不同时的输入和输出波形，写出传递函数,G(S),表达式。,3,、惯性环节,K= R2 / R1=,（,50+W,）,/100,，,T=R2C=,（,50+W,）,C,参数取值分别如下，观察,K,和,T,不同时的输入和输出波形，写出传递函数,G(S),表达式。,取,W=50K,C=1F,，用输出达到稳态值,63.2%,的方法测量惯性环节的时间常数，用达到稳态值,95%,的方法测量调节时间，并与理论值比较。,4,、比例微分环节,参数取值分别如下，观察不同时的输入和输出波形，写出传递函数,G(S),表达式,。,5,、比例积分环节,参数取值分别如下，观察不同时的输入和输出波形，写出传递函数,G(S),表达式。,（二） 典型系统的阶跃响应,典型二阶系统,典型二阶系统实验线路图,典型三阶系统,系数器,和电容,C2,（或,Cx,）取不同值下的输出波形（图中,2=133K,，,3=330K,）,参数取值分别如下表所示，观察不同时的输入和输出波形，写出传递函数,G(S),表达式,。,三、实验报告,1,、画出各环节及系统的模拟电路图，推导出各环节的传递函数；,2,、分析记录的波形及数据，将各环节和系统的理想阶跃响应曲线与实验响应曲线加以比较，总结分析。,四、思考题,1,、积分环节和惯性环节的主要区别是什么？什么条件下的惯性环节可视为积分环节？,2,、惯性环节在什么条件下可视为比例环节？,3,、为什么典型二阶系统实验中加入比例环节？三阶系统是否要加？,4,、二阶系统在什么情况下不稳定，怎样构成振荡环节？,实验二 二阶系统阶跃响应特性,一、实验目的和要求,1,、研究二阶系统的两个重要参数,（阻尼比）和,Wn,（无阻尼自然频率）对系统动态特性的影响。,2,、通过对二阶系统阶跃响应的测定，分析,、,Wn,与超调量,Mp,、调节时间,ts,的关系。,二、实验内容及步骤,搭建二阶闭环系统，分别通过改变电阻比值和积分器的积分时间常数改变系统的阻尼比（,）和无阻尼自然频率（,Wn,），研究参数变化对系统动态特性（超调量,Mp,和调节时间,ts,）的影响。,1,、接线图,2,、方块图,三、实验报告要求,1,、画出二阶系统模拟电路图；,2,、计算实验中几种情况的,ts,和,p,值，并与观测值比较；,3,、分析,、,Wn,与超调量,Mp,、调节时间,ts,的关系，对实验中的现象正确描述与分析。,实验三 控制系统的稳态误差,一、实验目的和要求,掌握不同型系统在不同输入下的稳态误差，验证理论上的结论。,二、实验线路,0,型系统,I,型系统,II,型系统,校正网络,三、实验内容及步骤,1,、观察三种系统在三种不同典型输入时的静态误差，记录,a,点波形。,2,、改变,0,型系统的放大系数，观察,S1,点静态误差有何变化。,四、实验报告,1,、按实验表格画出实验波形及数据。,2,、将实验结果与理论值比较，分析产生误差的原因，讨论实验中出现的现象。,实验四 控制系统的稳定性,一、实验目的和要求,1,、观察系统的稳定和不稳定现象，验证理论,稳定判据的正确性。,2,、研究系统的开环增益对系统稳定性的影响,3,、研究系统的时间常数对系统稳定性的影响。,二、实验内容及实验步骤,1,、搭建三阶系统（输入接地），分别改变电容器,C,和电位器,W,的值为如下几种情况。观察改动系统的开环增益,K,和时间常数,T,，观察系统稳定性的变化。,（,1,）、,W=0,C=1f,观察系统输出波形。（,2,）、,C=1f, W,由零逐渐增大，在逐渐减至零，观察系统输出波形（系统稳定、不稳定状态）。（,3,）、在步骤,2,中使系统不稳定，即取,W=0,，改变电容,C,由,1f,至,0.1f,观察系统输出波形的变化。,2,、逐步调节电位器,W,的值，测量系统的临界,k,值。,三、实验报告,1,、画出结构图推导传递函数；,2,、对记录的波形和数据进行分析，计算系统临界,k,值与实验值比较。,3,、画出系统在下列,3,种情况下的,BODE,图及,Nyquist,图，判定系统稳定性。分析说明是否与实验结果一致。,1,）,W=0,C=1f,2,）,W=500K,C=1f,3,）,W=0,C=0.1f,实验五 控制系统的串联校正,一、实验目的和要求,1,、了解超前、滞后，超前,滞后串联校正装置的工作原理；,2,、校正环节对系统稳定性及动静态品质的影响；,3,、学习利用,BODE,图对给定动态特性不良系统设计校正装置，通过实验验正设计的正确性。,二、实验内容,由学生参照以下要求自行设计实验电路和实验步骤。能够根据给定的性能指标，设计串联校正装置，通过实验验正该校正装置的正确性。 观察,PD,、,PI,、,PID,三种校正方式的作用。,1,、 已知系统开环传递函数,加任何校正，观察系统的运动状态。如果接近等幅振荡，记下振荡的频率。,不加校正时的模拟电路图,2,、 要求,Kv,=100 1/s,，,1/s,设计一,PD,装置，这里给出一个参考的,PD,校正：,观察,PD,校正加入后的阶跃响应，记下,Mp,和,ts,。,3,、 要求,Kv,=100 1/s,，,1/s,，,设计一个,PI,装置。这里给出一个参考的,PI,校正：,观察,PI,校正加入后的阶跃响应，记下,Mp,和,ts,。,4,、,要求,Kv,=100 1/,秒，,1/s,，,设计一个,PID,装置。这里给出一个参考的,PID,校正：,观察,PID,校正加入后的阶跃响应，记下,Mp,和,ts,。,三、实验报告,1,、说明设计校正装置的基本思路及过程，结构及参数的选择依据。,2,、对比校正前后系统的稳定性能的改变，比较阶跃响应中的两个主要指标,p,和,ts,的变化。,3,、绘制校正前后系统的,BODE,图，分析说明校正环节的作用。,4,、叙述超前、滞后，超前,滞后串联校正装置各自的主要作用。,实验六,典型非线性环节,一、实验目的,1,、了解常用典型非线性环节对控制系统的影响。,2,、加深对具体实际控制工程中，各典型环节输入输出的真实关系的研究。,二、实验内容及实验步骤,（一）典型非线性环节饱和特性环节,饱和特性的模拟电路图,饱和特性特性图其中,， ，,2,、死区特性环节,死区特性的模拟电路图和特性图其中,，,3,、继电器特性环节,继电器特性的模拟电路图和特性图,图中,M,值等于双向稳压管的稳压值。,（二）死区型非线性环节对控制系统的影响,（,1,）先不接非线性环节，逐步加大系数器,a,值及增大,K,值，观察系统动态特性变化；,（,2,）加入非线性环节，使,K,值有小逐步变化，观察系统动态特性变化，比较加入非线性环节前后输入输出的关系变化。,