ACT0512實驗指導(dǎo)書

1、自動控制原理自動控制原理 實驗指導(dǎo)書實驗指導(dǎo)書 冉立冉立 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 電氣信息工程專業(yè)中心實驗室電氣信息工程專業(yè)中心實驗室 二二一一年八月年八月 電 氣 信 息 學(xué) 院 電 氣 信 息 工 程 專 業(yè) 中 心 實 驗 室 I 目目 錄錄 目目 錄錄 .I 實驗一典型環(huán)節(jié)的電模擬及階躍響應(yīng)分析實驗一典型環(huán)節(jié)的電模擬及階躍響應(yīng)分析.1 實驗二二、三階系統(tǒng)動態(tài)分析實驗二二、三階系統(tǒng)動態(tài)分析.6 實驗三基于根軌跡法的系統(tǒng)綜合實驗三基于根軌跡法的系統(tǒng)綜合.10 實驗四頻率特性測試實驗四頻率特性測試.11 實驗五三階系統(tǒng)串聯(lián)校正實驗五三階系統(tǒng)串聯(lián)校正.14 實驗六典型非線性環(huán)

2、節(jié)與非線性系統(tǒng)實驗六典型非線性環(huán)節(jié)與非線性系統(tǒng).16 實驗七采樣系統(tǒng)分析實驗七采樣系統(tǒng)分析.22 電 氣 信 息 學(xué) 院 電 氣 信 息 工 程 專 業(yè) 中 心 實 驗 室 1 實驗一典型環(huán)節(jié)的電模擬及階躍響應(yīng)分析實驗一典型環(huán)節(jié)的電模擬及階躍響應(yīng)分析 一實驗?zāi)康模阂粚嶒災(zāi)康模?1學(xué)習(xí)典型環(huán)節(jié)的電模擬方法及參數(shù)測試方法； 2觀察典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，了解參數(shù)變化對動態(tài)特性的影響； 3學(xué)習(xí)虛擬儀器(抵頻示波器)的使用方法； 4學(xué)習(xí)使用 MATLAB 中 SIMULINK 的使用，進行時域法分析； 5了解虛擬實驗的使用方法。 二實驗設(shè)備及儀器二實驗設(shè)備及儀器 1模擬實驗箱； 2低頻信號發(fā)生器； 3

3、虛擬儀器（低頻示波器） ； 4計算機； 5MATLABL 仿真軟件。 三實驗內(nèi)容三實驗內(nèi)容 1比例環(huán)節(jié)：比例環(huán)節(jié)： ， KsG 1 2 R R K 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date:25-Aug-2004Sheet of File:E:DosPPro33ZK01.DDBDrawn By: A1 R1 R0 R2 c(t) r(t) 從輸入端加入階躍信號，觀察不同的比例系數(shù) K 時的輸出波形，并作記錄。 MATLAB 仿真： 如圖所示連接系統(tǒng)； 在 Simulation/Simulation parameters

4、 中將仿真時間(Stop Time )設(shè)置為 10 秒； 計 算 機 控 制 技 術(shù) 實 驗 指 導(dǎo) 書 2 單擊 Simulation/Start 開始仿真，打開示波器 Scope 顯示仿真結(jié)果； 改變比例系數(shù) K（Gain） ，觀察仿真結(jié)果的變化。 2積分環(huán)節(jié)：積分環(huán)節(jié)： ， s T sG 1 CRT 1 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date:25-Aug-2004Sheet of File:E:DosPPro33ZK02.DDBDrawn By: C A1 R1 R0 r(t) c(t) 從輸入端加入階躍信號

5、，觀察 T=0.1 秒、0.5 秒時的輸出波形，并作記錄。 MATLAB 仿真： 如圖所示連接系統(tǒng)； 與比例環(huán)節(jié)的步驟相同； 與比例環(huán)節(jié)的步驟相同； 改變時間常數(shù) T，觀察仿真結(jié)果的變化。 3慣性環(huán)節(jié)（一階系統(tǒng)）：慣性環(huán)節(jié)（一階系統(tǒng)）： 1 s T K sG， ， 1 2 R R K CRT 2 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date:25-Aug-2004Sheet of File:E:DosPPro33ZK03.DDBDrawn By: A1 R1 R0 R2 C r(t) c(t) 從輸入端加入階躍信號。a保持

6、 K 不變，分別觀察 T=1、2 秒時的輸出波形，并作記錄；b保持 T 不變，分別觀察 K=1、2 時的輸出波形，并作記錄。 電 氣 信 息 學(xué) 院 電 氣 信 息 工 程 專 業(yè) 中 心 實 驗 室 3 MATLAB 仿真： 如圖所示連接系統(tǒng)； 與比例環(huán)節(jié)的步驟相同； 與比例環(huán)節(jié)的步驟相同； 保持 K 不變，分別觀察 T=1、2 秒時仿真結(jié)果的變化； 保持 T 不變，分別觀察 K=1、2 時的仿真結(jié)果的變化。 4震蕩環(huán)節(jié)：震蕩環(huán)節(jié)： 12 1 22 sTsT sG ss ， 2 1 2R R 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize

7、 A4 Date:25-Aug-2004Sheet of File:E:DosPPro33ZK04.DDBDrawn By: C1 R2 R1 A1 A2 R3 C2 A3 R4 R5 R6 r(t) c(t) 其中從輸入端加入階躍信號，分別觀察 T=0.1s、=0.1、0.5、0.7、1 時的輸出波形，并作記錄。 MATLAB 仿真： 如圖所示連接系統(tǒng)； 與比例環(huán)節(jié)的步驟相同； 與比例環(huán)節(jié)的步驟相同； 觀察 T=0.1s, =0.1、0.5 、0.7、1 時的仿真結(jié)果。 四實驗方法及步驟四實驗方法及步驟 1根據(jù)摸擬電路圖的要求，在摸擬實驗箱上選擇實驗單元，認真接線； 2被測信號接到虛擬儀器(

8、抵頻示波器)輸入端，調(diào)試； 計 算 機 控 制 技 術(shù) 實 驗 指 導(dǎo) 書 4 3在被測系統(tǒng)輸入端加入階躍信號，觀測并記錄系統(tǒng)輸出波形和有關(guān)數(shù)據(jù)。 五實驗報告要求五實驗報告要求 1實驗線路及原始數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)及波形圖； 2對實驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象進行討論，對實驗內(nèi)容 3，從繪制的階躍響應(yīng)曲線上求出 K、T、ts，并將 ts 與理論計算值進行比較； 3簡單敘述 MATLAB 仿真軟件進行時域法分析的步驟； 4將兩種測算結(jié)果進行誤差分析； 5虛擬實驗的感受及希望改進的地方。 思考題思考題 1根據(jù)實驗結(jié)果，分析一階系統(tǒng) Ts 與 T、K 之間的關(guān)系。 2認真思考一般環(huán)節(jié)的電路摸擬圖構(gòu)成，并找出規(guī)律，學(xué)會設(shè)

9、計簡單的環(huán)節(jié)摸擬圖。 附：一階滯后慣性環(huán)節(jié)的虛擬實驗演示附：一階滯后慣性環(huán)節(jié)的虛擬實驗演示 進入 MATLAB 運行環(huán)境，將當前工作路徑設(shè)置為“虛擬實驗/爐溫系統(tǒng)” ； 運行 main.m 程序，出現(xiàn)主窗體，如圖（a） ，單擊“系統(tǒng)分析”按鈕，進入“系統(tǒng)分析”窗體，如圖 （b） ； 單擊“輸入系統(tǒng)參數(shù)“按鈕，進入”系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計“窗體，如圖（c） ； 單擊“給定參數(shù)”按鈕，進行系統(tǒng)缺省參數(shù)的設(shè)置；或在“參數(shù)輸入”的各文本框中進行系統(tǒng)參數(shù) 的設(shè)置； 單擊“查看原始系統(tǒng)” ，可顯示當前系統(tǒng)的 SIMULINK 模型； 單擊“退出” ，返回“系統(tǒng)分析”窗體。 在“系統(tǒng)分析”窗體中，單擊各功能按鈕，觀察

10、當前參數(shù)作用下，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線、根軌 跡、Bode 圖、幅值裕量和相角裕量和 Nyquist 圖。 改變系統(tǒng)的增益 K、時間常數(shù) T、延遲時間常數(shù)，重復(fù)步驟（3） 、 （4） （5） ，觀察不同的參數(shù)作用 下，系統(tǒng)的時域、頻域響應(yīng)變化。 單擊“退出” ，返回主窗體。 圖(a) 圖(b) 電 氣 信 息 學(xué) 院 電 氣 信 息 工 程 專 業(yè) 中 心 實 驗 室 5 圖(c) 返回目錄返回目錄 計 算 機 控 制 技 術(shù) 實 驗 指 導(dǎo) 書 6 實驗二二、三階系統(tǒng)動態(tài)分析實驗二二、三階系統(tǒng)動態(tài)分析 一實驗?zāi)康模阂粚嶒災(zāi)康模?1學(xué)習(xí)二、三階系統(tǒng)的電模擬方法及參數(shù)測試方法； 2觀察二、三階系

11、統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，了解參數(shù)變化對動態(tài)特性的影響； 3學(xué)習(xí)虛擬儀器（超抵頻示波器）的使用方法； 4使用 MATLAB 仿真軟件進行時域法分析； 5了解虛擬實驗的使用方法。 二實驗設(shè)備及儀器二實驗設(shè)備及儀器 1模擬實驗箱； 2低頻信號發(fā)生器； 3虛擬儀器(低頻示波器)； 4計算機； 5MATLABL 仿真軟件。 三實驗內(nèi)容三實驗內(nèi)容 1二階系統(tǒng) 11 21 21 sTsT KK sG 其中：K1分別為 1、5、7、10；K2=1；T1=T2=0.1s； K1=K2=1；T1分別為 0.01s、0.1s、1s。 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisi

12、onSize A4 Date:28-Aug-2004Sheet of File:E:DosPPro33ZK04.DDBDrawn By: C1 R2 R1 A1 A2 R3 C2 A3 R5 R6 R7 r(t) c(t) R4 2三階系統(tǒng) 電 氣 信 息 學(xué) 院 電 氣 信 息 工 程 專 業(yè) 中 心 實 驗 室 7 111 . 0 sss K sG 其中：K 分別為 1、5、7、10。 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date:25-Aug-2004Sheet of File:E:DosPPro33ZK05.DDB

13、Drawn By: R6 R5 R4 A3 C2 R3 A2 A1 R1 R2 C1 C3 A4 R7 R8 R9 A5 R10 c(t) r(t) 3自行設(shè)計系統(tǒng)的模擬電路，并根據(jù)時間常數(shù)，放大倍數(shù)要求選擇合適的電阻和電容； 4用模擬實驗箱，虛擬儀器(低頻示波器)組成測試系統(tǒng)； 5紀錄和觀察每個頻率點對應(yīng)的系統(tǒng)輸入和輸出信號的變化。 四實驗方法及步驟四實驗方法及步驟 1請同學(xué)根據(jù)傳函自行設(shè)計模擬電路，參數(shù)變動可采用改變電阻或電容方式實現(xiàn)； 2在模擬實驗箱上按設(shè)計的模擬電路自行接線，并組成測試系統(tǒng)； 3輸入信號采用階躍信號，注意記錄輸出波形和有關(guān)數(shù)據(jù)（%，k，ts，N，tp） ； 4使用 MA

14、TLAB 仿真軟件，重復(fù)上述過程并注意記錄輸出波形和有關(guān)數(shù)據(jù)。 五實驗報告要求五實驗報告要求 1請將自己設(shè)計的摸擬電路和系統(tǒng)組成圖繪出； 2請將參數(shù)組成的電阻 電容以表格形式列出； 3請將記錄的波形繪出,測試數(shù)據(jù)以表格形式列出； 4比較兩種仿真的結(jié)果進行誤差分析。 附附 1： MATLAB 仿真仿真 已知一個二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： 2 1.25 ( ) 1.25 c G s ss 試繪制該系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，并計算系統(tǒng)的性能指標。 MATLAB 程序如下所示： %計算單位階躍響應(yīng)的超調(diào)量、峰值時間、調(diào)節(jié)時間（可以選擇 5%或者 2%的誤差帶） 計 算 機 控 制 技 術(shù) 實 驗 指 導(dǎo) 書

15、 8 Gc=tf(1.25,1,1,1.25); %系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型 step(Gc); y,t=step(Gc); mp,tf=max(y); %系統(tǒng)的最大峰值輸出 cs=length(t); tm=max(t); %仿真最大時間 yss=y(cs); % 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出 sigma=100*(mp-yss)/yss %超調(diào)量 ts tp=t(tf); %峰值時間 tp %計算調(diào)節(jié)時間 ts i=cs+1; n=0; while n=0 i=i-1; if i=1 n=1; elseif y(i)1.05*yss %選擇 5%的誤差帶 n=1; end end; t1=t(i); cs=l

16、ength(t); j=cs+1; n=0; while n=0 j=j-1; if j=1 n=1; elseif y(j)0.95*yss %選擇 5%的誤差帶 n=1; end; end t2=t(j); if t2t2 ts=t1 end elseif t2tp if t2t1 ts=t2 else ts=t1 end end 附附 2：電動機速度：電動機速度/位置控制系統(tǒng)的虛擬實驗演示位置控制系統(tǒng)的虛擬實驗演示 電 氣 信 息 學(xué) 院 電 氣 信 息 工 程 專 業(yè) 中 心 實 驗 室 9 進入 MATLAB 運行環(huán)境，將當前工作路徑設(shè)置為“虛擬實驗/電動機系統(tǒng)” ； 運行 main

17、.m 程序，出現(xiàn)主窗體（圖（a） ） ，單擊各按鈕進入相應(yīng)的控制窗體，若單擊“閉環(huán)速度控 制”按鈕，進入圖（b）所示窗體； 單擊“電動機參數(shù)“部分的“修改”按鈕，在文本框中進行電動機參數(shù)的重新設(shè)置； 在“輸入信號”或“干擾信號”的列表框中，選擇信號類型以及參數(shù)最大值的設(shè)置，調(diào)節(jié)滑動條可 改變參數(shù)大??； 保持 PID 控制參數(shù)的缺省設(shè)置 P=1、I=0、D=0； 單擊“運行”按鈕，在三維虛擬場景和示波器中觀察電機轉(zhuǎn)速方向和大小的改變； 改變電機參數(shù)，輸入信號和干擾信號的類型與大小，觀察電機轉(zhuǎn)速方向和大小的改變。 單擊“退出” ，返回主窗體。 圖（a） 圖（b） 返返回回目錄目錄 計 算 機 控

18、制 技 術(shù) 實 驗 指 導(dǎo) 書 10 實驗三基于根軌跡法的系統(tǒng)綜合實驗三基于根軌跡法的系統(tǒng)綜合 一實驗?zāi)康囊粚嶒災(zāi)康?1學(xué)會在 MATLAB 運行環(huán)境下繪制根軌跡圖； 2學(xué)會在 MATLAB 運行環(huán)境下分析根軌跡圖。 二、實驗設(shè)備及儀器二、實驗設(shè)備及儀器 1計算機； 2MATLABL 仿真軟件。 三、實驗內(nèi)容三、實驗內(nèi)容 系統(tǒng)的根軌跡繪制與分析 1進入 MATLAB 運行環(huán)境，將當前工作路徑設(shè)置為“d：/ 自動控制實驗/根軌跡繪制與分析” ； 2運行 main.m 程序，出現(xiàn)主窗體，單擊“系統(tǒng)模型輸入“按鈕； 3在文本框中輸入前向通道兩環(huán)節(jié) G1(s)、G2(s) 和反饋環(huán)節(jié) H(s) 的多項

19、式，若： 1 2 2 ( ) 1 s G s s 則：分子多項式的輸入方式為：1 2 ；分母多項式的輸入方式為： 1 0 1 （注意：“0“不能 省略） ，G2(s) 和 H(s) 的輸入方式同 G1(s)。 4單擊“確定”按鈕，計算系統(tǒng)的開環(huán)與閉環(huán)傳遞函數(shù)； 5單擊“根軌跡繪制”按鈕，進行系統(tǒng)根軌跡的繪制； 6請同學(xué)自己在教材上選一個有零極點的三階系統(tǒng)繪制其根軌跡圖并分析； 7請同學(xué)自己選一個有雙重零極點的三階系統(tǒng)繪制其根軌跡圖并分析。 四、一階滯后慣性環(huán)節(jié)的虛擬實驗演示四、一階滯后慣性環(huán)節(jié)的虛擬實驗演示 1進入 MATLAB 運行環(huán)境，將當前工作路徑設(shè)置為“d：/ 自動控制實驗/虛擬實驗/

20、爐溫系統(tǒng)” ； 2運行 main.m 程序，出現(xiàn)主窗體，單擊“系統(tǒng)分析”按鈕，進入“系統(tǒng)分析”窗體； 3單擊“輸入系統(tǒng)參數(shù)”按鈕，進入“系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計”窗體； 4單擊“給定參數(shù)”按鈕，進行系統(tǒng)缺省參數(shù)的設(shè)置；或在“參數(shù)輸入”的各文本框中進行系統(tǒng)參 數(shù)的設(shè)置；單擊“查看原始系統(tǒng)” ，可顯示當前系統(tǒng)的 SIMULINK 模型；單擊“退出” ，返回“系統(tǒng)分析” 窗體。 5在“系統(tǒng)分析”窗體中，單擊各功能按鈕，觀察當前參數(shù)作用下，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線、根 軌跡、Bode 圖、幅值裕量和相角裕量和 Nyquist 圖。 6改變系統(tǒng)的增益 K、時間常數(shù) T、延遲時間常數(shù)，重復(fù)步驟 3、4、5，觀察不同的參

21、數(shù)作用下， 系統(tǒng)的時域、頻域響應(yīng)變化。 7單擊“退出” ，返回主窗體。 8單擊“控制器設(shè)計” ，進入設(shè)計窗體；單擊“根軌跡法校正器的設(shè)計”按鈕，進行 PID 控制器的 設(shè)計，設(shè)計的結(jié)果顯示于“PID 控制器參數(shù)”框體； 9單擊“運行”按鈕進行系統(tǒng)仿真；“退出”按鈕返回主窗體； 五、實驗報告要求及思考五、實驗報告要求及思考 1將繪制的根軌跡圖及繪制根軌跡的步驟寫出。 2將繪制的根軌跡圖的分析方法及結(jié)果寫出。 返回目錄返回目錄 電 氣 信 息 學(xué) 院 電 氣 信 息 工 程 專 業(yè) 中 心 實 驗 室 11 實驗四頻率特性測試實驗四頻率特性測試 一實驗?zāi)康囊粚嶒災(zāi)康?1掌握一種頻率特性測試方法 2

22、根據(jù)測試的數(shù)據(jù)和計算結(jié)果繪制波特圖 3掌握使用 MATLAB 仿真軟件繪制波特圖 4進一步熟悉儀器使用 二實驗設(shè)備及儀器二實驗設(shè)備及儀器 1模擬實驗箱 2低頻信號發(fā)生器 3虛擬儀器(低頻示波器) 4計算機 5MATLABL 仿真軟件 三實驗內(nèi)容三實驗內(nèi)容 1被測三階系統(tǒng)傳遞函數(shù)： ) 12)(1( 5 2 22 21 sTsTsT sG 2請同學(xué)自行設(shè)計三階系統(tǒng)（一個慣性環(huán)節(jié)與一個震蕩環(huán)節(jié)串聯(lián)）的模擬電路，其中 （T1=0.1s、T2=0.01s、K=5、=0.5） ； 3請同學(xué)用低頻信號發(fā)生器，模擬實驗箱，虛擬儀器（低頻示波器）組成頻率特性測試系統(tǒng)（其中 低頻信號發(fā)生器輸出為 A1（A1 也

23、是三階系統(tǒng)的輸入） ，三階系統(tǒng)輸出為 A2） ； 4紀錄和觀察每個頻率點對應(yīng)的系統(tǒng)輸入和輸出信號的變化。 四實驗方法及步驟四實驗方法及步驟 1用低頻信號發(fā)生器，模擬實驗箱,虛擬儀器（低頻示波器）組成頻率特性測試系統(tǒng)； 2低頻信號發(fā)生器輸出頻率由低到高，每調(diào)整一次記錄一次測試數(shù)據(jù)，特別是兩個轉(zhuǎn)折頻率點的附 計 算 機 控 制 技 術(shù) 實 驗 指 導(dǎo) 書 12 近（低頻端，轉(zhuǎn)折頻率點可根據(jù)傳函確定） ； 3測試數(shù)據(jù)方法，幅頻特性上 db 可由 A1 與 A2 的比求出 db=20Lg A1/A2，相頻特性的相位點相位 值 =(T1/T2)*180； 4測試數(shù)據(jù)范圍可先確定低頻端，其次再根據(jù)兩個轉(zhuǎn)折

24、頻率點的位置，選擇十到十二個點即可； 5使用 MATLAB 軟件仿真記錄圖形，和上述測試數(shù)據(jù)點的 db 和 ； 6用計算方法和實測方法，確定 WC 和相對應(yīng)的相位值。 五實驗報告要求五實驗報告要求 1完整的將自己設(shè)計的模擬電路圖和頻率特性測試系統(tǒng)接線圖畫出； 2將自己測試的數(shù)據(jù)和計算結(jié)果，以表格形式列出，并根據(jù)計算結(jié)果繪制波特圖； 3將自己測試的數(shù)據(jù)和計算結(jié)果和用 MATLAB 仿真的結(jié)果進行比較，分析誤差； 4了解用李莎育圖形頻率特性測試法的原理和方法（使用頻率特性測試儀） 。 附：附： 連續(xù)系統(tǒng) Bode 圖的函數(shù) bode( ) 函數(shù)命令調(diào)用格式： (1) mag,phase,w=bod

25、e(num,den)：繪制出以連續(xù)時間多項式傳遞函數(shù)表示的系統(tǒng)的 Bode 圖,其中頻率 范圍由函數(shù)自動選取， 輸入變量： num 是系統(tǒng)的分子多項式； den 是系統(tǒng)的分母多項式。 輸出變量： mag 是系統(tǒng) Bode 圖的振幅值，可轉(zhuǎn)換為分貝單位：magdb=20log10(mag)； phase 是系統(tǒng) Bode 圖的相位值，單位為度； w 是系統(tǒng) Bode 圖的頻率點。 (2) mag,pha,w =bode(a,b,c,d)：繪制出連續(xù)狀態(tài)空間系統(tǒng)表示的系統(tǒng)的 Bode 圖。 輸入變量：連續(xù)狀態(tài)空間系統(tǒng)的 a,b,c,d 矩陣； 輸出變量：同上。 系統(tǒng)幅值裕量與相位裕量的函數(shù) mar

26、gin( ) 函數(shù)命令調(diào)用格式： (1) Gm,Pm,Wcp,Wcg=margin(num,den) ：計算出連續(xù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)表示的幅值裕度和相角裕度。 輸入變量： num 是系統(tǒng)的分子多項式； den 是系統(tǒng)的分母多項式。 輸出變量： Gm 是系統(tǒng)的幅值裕度； Pm 是系統(tǒng)的相角裕度； Wcp 是 Gm 對應(yīng)的角頻率； Wcg 是 Pm 對應(yīng)的角頻率； (2)Gm,Pm,Wcp,Wcg=margin(a,b,c,d):計算出連續(xù)狀態(tài)空間系統(tǒng)表示的幅值裕度和相角裕度。 輸入變量：連續(xù)狀態(tài)空間系統(tǒng)的 a,b,c,d 矩陣 輸出變量：同上。 （3）Gm,Pm,Wcp,Wcg=margin(amag

27、,phase,w): 由幅值 mag、相角 phase 及角頻率 w 矢量計算出系 電 氣 信 息 學(xué) 院 電 氣 信 息 工 程 專 業(yè) 中 心 實 驗 室 13 統(tǒng)幅值裕度和相角裕度。 輸入變量： mag 是由 bode 求出的幅值； phase 是由 bode 求出的相位； w 是角頻率。 輸出變量：同上。 已知一個三階系統(tǒng)傳遞函數(shù)為： ) 101 . 0 01 . 0 )(12 . 0( 10 22 sss sG 試繪制 Bode 圖并計算系統(tǒng)的幅值裕度和相角裕度。 MATLAB 程序如下所示： num=10; %系統(tǒng)分子多項式； den1=0.2,1; %慣性環(huán)節(jié); den2=0.0

28、12,0.014,1; %震蕩環(huán)節(jié); den=conv(den1,den2); %運用多項式乘積函數(shù) conv( ),求出系統(tǒng)的分母多項式; mag,phase,w=bode(num,den); %求出系統(tǒng)在各角頻率點 w 的幅值 mag 與相位 phase; bode(num,den); %繪制 Bode 圖 grid on; %繪制網(wǎng)格線 Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(num,den) %計算系統(tǒng)的幅值裕度和相角裕度。 返回目錄返回目錄 計 算 機 控 制 技 術(shù) 實 驗 指 導(dǎo) 書 14 實驗五三階系統(tǒng)串聯(lián)校正實驗五三階系統(tǒng)串聯(lián)校正 一實驗?zāi)康囊粚嶒災(zāi)康?1知道系統(tǒng)開環(huán)放大倍

29、數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響； 2根據(jù)要求,設(shè)計串聯(lián)矯正環(huán)節(jié).并適當?shù)卣{(diào)整控制系統(tǒng)參數(shù)； 3通過對控制系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整，熟悉控制系統(tǒng)中校正裝置的作用。 二實驗設(shè)備及儀器二實驗設(shè)備及儀器 1模擬實驗箱； 2虛擬儀器（低頻示波器） ； 3計算機； 4MATLAB 仿真軟件。 三實驗內(nèi)容三實驗內(nèi)容 設(shè)一單位反饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示： 其中，k 是開環(huán)放大倍數(shù)，Gc(s)為串聯(lián)校正環(huán)節(jié)。 當該系統(tǒng)出現(xiàn)近似等幅震蕩現(xiàn)象時（既系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象） ，試采用下列三種校正方案時，分別以 串聯(lián)的形式加入系統(tǒng)，再測試系統(tǒng)的時域性能指標，是否穩(wěn)定并加以比較（要求 %T2 1 1 2 1 sT sT sGc 1234 A B

30、 C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date:26-Aug-2004Sheet of File:E:DosPPro33ZK41.DDBDrawn By: R0 R1 A1 C R2R3 R4 c(t) r(t) 滯后校正方案（摸擬電路圖）用 MATLAB 仿真軟件完成。 Gc(S) 11 . 0s k s 1 1 1 s 電 氣 信 息 學(xué) 院 電 氣 信 息 工 程 專 業(yè) 中 心 實 驗 室 15 ，T2T1 1 1 2 1 sT sT sGc 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisio

31、nSize A4 Date:26-Aug-2004Sheet of File:E:DosPPro33ZK42.DDBDrawn By: R0 R1 A1 R2R3 C1 c(t) r(t) 滯后超前校正方案（摸擬電路圖） ，用 MATLAB 仿真軟件完成。 ，T1T2 ，T3T4 11 11 43 21 sTsT sTsT sGc 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date:26-Aug-2004Sheet of File:E:DosPPro33ZK43.DDBDrawn By: R0 R1 A1 C2 R2R3R4 C

32、1 R5R6 c(t) r(t) 四實驗方法及步驟四實驗方法及步驟 1Gc(s)=1 觀測并記錄該系統(tǒng) K=5 時的階躍響應(yīng)是否穩(wěn)定，記錄波形和有關(guān)數(shù)據(jù)； 2逐漸增大 K 值，直到系統(tǒng)出現(xiàn)近似等幅震蕩為止，記錄 Km 值； 3將設(shè)計的超前校正環(huán)節(jié)加入，觀測并記錄該系統(tǒng)階躍響應(yīng)是否穩(wěn)定,記錄波形和有關(guān)數(shù)據(jù)； 4若系統(tǒng)測試指標不滿足要求，則可通過控制參數(shù)修改適當調(diào)整（基于頻率法） ； 5使用 MATLAB 仿真軟件設(shè)計滯后校正環(huán)節(jié)，滯后-超前校正環(huán)節(jié)，分別加入該系統(tǒng)，觀測并記 錄該系統(tǒng)階躍響應(yīng)是否穩(wěn)定，記錄波形和有關(guān)數(shù)據(jù)，重復(fù)第 4 步。 五實驗報告要求五實驗報告要求 1原系統(tǒng)及各校正環(huán)節(jié)的模擬線

33、路圖（或傳遞函數(shù)） ，各測試數(shù)據(jù)及響應(yīng)曲線； 2對實驗結(jié)果加以討論： 3在開環(huán)放大倍數(shù) K 等于原系統(tǒng)的臨界 Km 情況下，采取哪種校正方案使得系統(tǒng)的動態(tài)性能最好？ 4在 %=25%的情況下，采取哪種校正方案可使系統(tǒng)在斜坡信號作用時，穩(wěn)態(tài)誤差最??？ 返回目錄返回目錄 計 算 機 控 制 技 術(shù) 實 驗 指 導(dǎo) 書 16 實驗六典型非線性環(huán)節(jié)與非線性系統(tǒng)實驗六典型非線性環(huán)節(jié)與非線性系統(tǒng) 一實驗?zāi)康囊粚嶒災(zāi)康?1了解和掌握典型非線性環(huán)節(jié)的原理； 2觀察和分析典型非線性環(huán)節(jié)的輸出特性； 3了解和掌握典型非線性系統(tǒng)的原理，學(xué)會用相軌跡分析非線性系統(tǒng)的瞬間響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差； 4了解和掌握相平面法，學(xué)會用相

34、平面法分析非線性三階系統(tǒng)。 二實驗設(shè)備及儀器二實驗設(shè)備及儀器 1自動控制原理教學(xué)模擬機一臺； 2雙蹤示波器或虛擬示波器一臺； 3計算機和數(shù)字萬用表各一臺。 三實驗內(nèi)容三實驗內(nèi)容 1典型非線性環(huán)節(jié)的特性實驗（包括繼電型、飽和型、死區(qū)、間隙） ； 2繼電型非線性系統(tǒng)實驗（包括不帶速度和帶速度負反饋） ； 3繼電型非線性三階系統(tǒng)實驗。 四實驗方法及步驟四實驗方法及步驟 1典型非線性環(huán)節(jié)：此實驗以運算放大器為基本元件，在輸入端和反饋網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置相應(yīng)元件（穩(wěn)壓 管、二極管、電阻和電容）組成各種典型非線性的模擬電路。 繼電特性：實驗電路如下圖所示： 繼電特性模擬電路 在自動控制原理教學(xué)模擬機上按上圖搭接好電

35、路，再把模擬電路中的輸入 Ui 和輸出 U0 接至示波器 的 X 軸和 Y 軸的輸入通道，經(jīng)檢查無誤后接通電源，然后調(diào)節(jié)電位器 W（即調(diào)節(jié)輸入電壓）就可在示波 電 氣 信 息 學(xué) 院 電 氣 信 息 工 程 專 業(yè) 中 心 實 驗 室 17 器上觀察到繼電特性曲線并記錄曲線及數(shù)據(jù)。理想繼電特性如下圖所示：圖中 M 值等于雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn) 壓值。 理想繼電特性 飽和特性：模擬實驗電路如下圖所示： 飽和特性模擬電路 在自動控制原理教學(xué)模擬機上按上圖搭接好電路，再把模擬電路中的輸入 Ui 和輸出 U0 接至示波器 的 X 軸和 Y 軸的輸入通道，經(jīng)檢查無誤后接通電源，然后調(diào)節(jié)電位器 W（即調(diào)節(jié)輸入電壓

36、）就可在示波 器上觀察到飽和特性曲線并記錄曲線及數(shù)據(jù)。理想飽和特性如下圖所示： 理想飽和特性 計 算 機 控 制 技 術(shù) 實 驗 指 導(dǎo) 書 18 在理想飽和特性圖中特性飽和值等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，斜率 K 前一級反饋電阻值與輸入電阻值之比， 即：K=Rf/R，在實驗中可改變 Rf 的值，即可在示波器上觀察到特性曲線的在變化。 死區(qū)特性：模擬實驗電路如下 死區(qū)特性模擬電路 在模擬機上按上圖搭接好電路，再把模擬電路中的輸入 Ui 和輸出 U0 接至示波器的 X 軸和 Y 軸的輸 入通道，其中 Ui 輸入電壓電路采用繼電特性的輸入電壓電路，經(jīng)檢查無誤后接通電源，然后調(diào)節(jié)電位器 W（即調(diào)節(jié)輸入電壓）和

37、 Rf 的值就可在示波器上觀察到不同的飽和特性曲線并記錄曲線及數(shù)據(jù)。死區(qū)特 性如下圖所示： 死區(qū)特性 - 在死區(qū)特性圖中斜率 K 的值為：K=Rf/R0 ，死區(qū)=R212/30=0.4R2(V)，實際還要考慮二極管的 壓降值。 間隙特性：模擬實驗電路如下： 電 氣 信 息 學(xué) 院 電 氣 信 息 工 程 專 業(yè) 中 心 實 驗 室 19 間隙特性模擬電路 在模擬機上按上圖搭接好電路，再把模擬電路中的輸入 Ui 和輸出 U0 接至示波器的 X 軸和 Y 軸的輸 入通道，其中 Ui 輸入電壓電路采用繼電特性的輸入電壓電路，經(jīng)檢查無誤后接通電源，然后調(diào)節(jié)電位器 W（即調(diào)節(jié)輸入電壓）和 R1、R2、C

38、i、Cf 的值就可在示波器上觀察到不同的飽和特性曲線并記錄曲線及 數(shù)據(jù)。間隙特性如下圖所示： 間隙特性 在間隙特性圖中：(OA)= R212/30=0.4R2(V),式中 R2 的單位為 K，特性區(qū)線的斜率 tg=CiRf/CfR0,由此可知改變 R2 和 R1 可改變間隙特性的寬度，改變 Rf/R0 或 Ci/Cf 的比值可調(diào)節(jié) 特性曲線的斜率。 2繼電型非線性系統(tǒng)實驗（包括不帶速度和帶速度負反饋） 不帶速度負反饋繼電型非線性系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和模擬電路圖如下： 繼電型非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 計 算 機 控 制 技 術(shù) 實 驗 指 導(dǎo) 書 20 繼電型非線性系統(tǒng)模擬電路 在模擬機上按上圖搭接好電路

39、，再把模擬電路中的輸入 Ui 和輸出 U0 接至示波器的 X 軸和 Y 軸的輸 入通道，經(jīng)檢查無誤后接通電源，然后調(diào)節(jié)電位器 W（即調(diào)節(jié)輸入電壓） ，并分別施加及撤去幅值為 5V、4V、3V、2V、1V 電壓時，用示波器觀察并記錄系統(tǒng)在 e- 平面上的相軌跡。測量在 5V 階躍信號下 系統(tǒng)的超調(diào)量 Mp 及振蕩次數(shù)。 帶速度負反饋繼電型非線性系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下： 帶速度負反饋繼電型非線 性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 其模擬電路圖為： 繼電型非線性系統(tǒng)模擬電路 在模擬機上按上圖搭接好電路，再把模擬電路中的輸入 Ui 和輸出 U0 接至示波器的 X 軸和 Y 軸的輸 入通道，經(jīng)檢查無誤后接通電源，然后調(diào)節(jié)電位器 W（即調(diào)節(jié)輸入電壓） ，并分別施加及撤去幅值為 5V、4V、3V、2V、1V 電壓時