控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告院系名稱：機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：機(jī)械 09-3 班學(xué)生：王賀學(xué)號(hào)： 2009041302指導(dǎo)教師：弘完成日期2012 年 6月6日實(shí)驗(yàn)一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)構(gòu)成典型環(huán)節(jié)的模擬電路。2熟悉各種典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，了解參數(shù)變化對(duì)典型環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性的影響。3學(xué)會(huì)由階躍響應(yīng)曲線計(jì)算典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。4熟悉仿真分析軟件。實(shí)驗(yàn)容各典型環(huán)節(jié)的模擬電路如下：1.比例環(huán)節(jié)G(s)R2R12.慣性環(huán)節(jié)G(s)1T RCTs3. 積分環(huán)節(jié)KR2G(s)TR2CKTs 1R14. 微分環(huán)節(jié) G( s)RCs改進(jìn)微分環(huán)節(jié)G(s)R2 CsR1Cs15.比例微分環(huán)節(jié)G(s)R2 (1

2、R2C s)R14實(shí)驗(yàn)步驟1用 Workbench 連接好比例環(huán)節(jié)的電路圖，將階躍信號(hào)接入輸入端，此時(shí)使用理想運(yùn)放;2用示波器觀察輸出端的階躍響應(yīng)曲線，測(cè)量有關(guān)參數(shù); 改變電路參數(shù)后，再重新測(cè)量, 觀察曲線的變化。3 將運(yùn)放改為實(shí)際元件，如采用“LM741", 重復(fù)步驟 2。4 記錄波形和數(shù)據(jù)。5 仿真其它電路，重復(fù)步驟2， 3， 4。實(shí)驗(yàn)總結(jié)通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，我對(duì)典型環(huán)節(jié)的模擬電路有了更加深刻的了解, 也熟悉了各種典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，了解參數(shù)變化對(duì)典型環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性的影響；熟悉仿真分析軟件。這對(duì)以后的控制的學(xué)習(xí)有很大的幫助。實(shí)驗(yàn)二二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 研究二階系統(tǒng)的兩個(gè)重要參數(shù)

3、阻尼比和無(wú)阻尼自然頻率n 對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。2 學(xué)會(huì)根據(jù)階躍響應(yīng)曲線確定傳遞函數(shù)，熟悉二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)容二階系統(tǒng)模擬電路如圖：G(s)1思考：如何用電路參數(shù)表示和n(R2 / R1)RCs1R2C 2s2實(shí)驗(yàn)步驟1 在 workbench下連接電路圖；將階躍信號(hào)接入輸入端，用示波器觀測(cè)記錄響應(yīng)信號(hào)；2取 n=10rad/s,即令 R=100K,C=1uf ：分別取 =0， 0.25,0.5,0.7,1,2,即取 R1=100K,考慮 R2 應(yīng)分別取何值，分別測(cè)量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并記錄最大超調(diào)量p%和調(diào)節(jié)時(shí)間 ts 。3 取 =0.5 ，即 R1=R2=100K； n=100rad

4、/s ，即取 R=100K， C=0.1uf ，注意：兩個(gè)電容同時(shí)改變，測(cè)量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并記錄最大超調(diào)量p%和調(diào)節(jié)時(shí)間 ts 。4 取 R=100K， C=1uf ， R1=100K， R2=50K，測(cè)量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，記錄響應(yīng)曲線，特別要記錄最大超調(diào)量 p%和調(diào)節(jié)時(shí)間 ts的數(shù)值。5 記錄波形及數(shù)據(jù)。6. 取 C=1nF，比較理想運(yùn)放和實(shí)際運(yùn)放情況下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)分析由實(shí)驗(yàn)可知：二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)的超調(diào)量p 與 n 無(wú)關(guān)：在 0< <1 時(shí)，即欠阻尼情況下， p 隨增大而減小，在欠阻尼情況下，在0.7左右時(shí) ts取得極值；當(dāng) 0< < （阻尼比臨界值） ， n

5、不變的情況下， t s 隨增大而減??；當(dāng)>，越大， ts越大。rr實(shí)驗(yàn)總結(jié)通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，我研究二階系統(tǒng)的兩個(gè)重要參數(shù)阻尼比和無(wú)阻尼自然頻率 n 對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，同時(shí)學(xué)會(huì)根據(jù)階躍響應(yīng)曲線確定傳遞函數(shù)，熟悉二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線?；就瓿蓪?shí)驗(yàn)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)三控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。2 研究系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益和時(shí)間常數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響。實(shí)驗(yàn)電路圖系統(tǒng)模擬電路如圖：其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)： G (s)10 KK R3/ R2, T RCs(0.1s 1)( Ts 1)實(shí)驗(yàn)步驟1. 在 workbench 下連接電路圖；將階躍信號(hào)接入輸入端，用示波器觀測(cè)記錄響應(yīng)信號(hào)；2 輸入信號(hào)電

6、壓設(shè)置為1V，C=1uf ，改變電位器R3，使之從 0 向 500K 方向變化，此時(shí)相應(yīng)K=0-100 。觀察輸出波形，找到系統(tǒng)輸出產(chǎn)生增幅振蕩時(shí)相應(yīng)的R3 及 K 值；再把 R3 由大變小，找出系統(tǒng)輸出產(chǎn)生等幅振蕩時(shí)相應(yīng)的R3及 K 值。3使系統(tǒng)工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，即工作在等幅振蕩情況，電容C 由 1uf 變成 0.1u ，觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。4 記錄波形及數(shù)據(jù)。R3=130K 時(shí)R3=110K 時(shí)當(dāng) R3=76K 時(shí)當(dāng) C=0.1K 時(shí)R3=76KR3=110K實(shí)驗(yàn)分析C=1uf 時(shí)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù): G( s)10KK R3/ R2,T RCs( 0.1s 1)( 0.1s 1) 10K

7、系統(tǒng)特征方程：0.0130.22100s sKs由勞斯判據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定條件：K>0 且 10K*0.01<0.2*1得 0<K<2系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因：當(dāng)K>=2 時(shí)，系統(tǒng)含有實(shí)部大于0 的極點(diǎn)，根據(jù)穩(wěn)定性判劇，當(dāng)系統(tǒng)有一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)部大于0 的極點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)不穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)論通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，了解系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益和時(shí)間常數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響。由閉環(huán)傳函的勞斯判據(jù)，可以觀察到開(kāi)環(huán)增益對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。我們通過(guò)這次試驗(yàn)，對(duì)上課所講的不穩(wěn)定現(xiàn)象有了很深的了解，對(duì)勞斯判據(jù)的應(yīng)用有了實(shí)際的運(yùn)用，這對(duì)以后的控制知識(shí)的學(xué)習(xí)有很大的意義。實(shí)驗(yàn)四系統(tǒng)頻率特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 加深

8、了解系統(tǒng)頻率特性的物理概念；2. 掌握系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量方法；3. 觀察典型環(huán)節(jié)的頻響圖。實(shí)驗(yàn)容模擬電路圖如下:若輸入信號(hào)Ui(t)=UiSin t, 則在穩(wěn)態(tài)時(shí)，其輸出信號(hào)為Uo(t)=UoSin( t+ ) 。改變輸入信號(hào)角頻率值，便可測(cè)得二組Uo/Ui 和隨變化的數(shù)值，這個(gè)變化規(guī)律就是系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：G( s)100 KK R3/R2s210s 100 K實(shí)驗(yàn)步驟1 連接電路圖；將函數(shù)發(fā)生器信號(hào)接入輸入端，用示波器觀測(cè)記錄響應(yīng)信號(hào)；2 在 函 數(shù) 發(fā) 生 器 參 數(shù) 設(shè) 置 一 欄 中 ， 置 輸 入 信 號(hào) 為 正 弦 波 ， 改 變 輸 入 頻 率 參 數(shù)

9、， 分 別 設(shè) =0.1,0.5,1,3,5,7,10,20,30,40,50。3 運(yùn)行仿真命令，觀察輸出波形及其幅值和相位差。4 改變輸入頻率參數(shù)，重復(fù)步驟2 和 3，期間改變幅值項(xiàng)參數(shù)，以使輸出波形達(dá)到最佳。5將 C=0.01uF, 觀察系統(tǒng)的Bode 圖；改變運(yùn)放的型號(hào)（LM741），觀察 Bode 圖。 =0.1 =0.5 =1 =3 =5 =7 =10 =20 =30 =40 =50 =5 =7 =10 =20 =30 =40 =50實(shí)驗(yàn)總結(jié)通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，了解了系統(tǒng)頻率特性的物理概念并且初步掌握系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量方法，觀察典型環(huán)節(jié)的頻響圖，成功的完成實(shí)驗(yàn)要求的容。實(shí)驗(yàn)五開(kāi)環(huán)頻率特性與

10、系統(tǒng)性能的關(guān)系實(shí)驗(yàn)?zāi)康?觀察兩類不同類型的開(kāi)環(huán)頻率特性與系統(tǒng)性能的關(guān)系；2檢驗(yàn)中頻段的形狀對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響；3了解低頻段的大時(shí)間常數(shù)和高頻段的小時(shí)間常數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。實(shí)驗(yàn)原理由于開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性比較容易求得，因而建立它與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系對(duì)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)十分有用。利用電子模擬實(shí)驗(yàn)可以更好突出主要因素，避免實(shí)際系統(tǒng)中存在的次要因素的影響。同時(shí)利用電子模擬裝置，參數(shù)的改變比較方便，更利于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。為了便于研究，本實(shí)驗(yàn)選擇兩種典型的開(kāi)環(huán)模型：第一類系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)模型 ( 圖 A5.1) 、第二類系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)模型 ( 圖 A5.2) 。很多實(shí)際系統(tǒng)具有與它們相似的特性。圖 A51圖 A52

11、圖 A5 1 所示開(kāi)環(huán)模型的傳遞函數(shù)為Q(s)Ks(T1 s1)(T2 S 1)其中 w1 1/T1 ，w2=1/T2 。實(shí)現(xiàn)上述傳遞函數(shù)，可采用如圖A5.3 的模擬線路。圖 5.3由圖可得K=K1K2K3, K1=1/R1/C1,K2 R3/R2, K3=R5/R4 ， T1=R3C2, T2=R5C3而圖 A5.2 所示開(kāi)環(huán)模型的傳遞函數(shù)為Q(s)K (T2 s 1)其中 w1=1/T1, w2=1/T2, w3=1/T3s(T1s1)(T3S1)采用圖 A5.4 所示的模擬實(shí)驗(yàn)線路可獲得該開(kāi)環(huán)模型的傳遞函數(shù)。圖 A5.4由圖可得K=K1K2K3, K1=1/R1/C1,K2 R3/R2,

12、 K3=R6/R5 ，Tl (R3+R4)C2， T2 R4C2, T3 R6C3通過(guò)改變 R、 C參數(shù)，可得到不同形狀的開(kāi)環(huán)頻率特性。同時(shí)觀測(cè)輸出電壓的階躍過(guò)渡過(guò)程，即可研究二者之間的相互關(guān)系。實(shí)驗(yàn)容l. 第一類系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性的形狀與系統(tǒng)性能的關(guān)系采用圖 A5.3 的實(shí)驗(yàn)線路。取Rl 50k，Cl 1uF，R2 20k， C2 1uF， R3 20k ，R350k ，C30.1uF ，R4 50k 。(1) 測(cè)量輸出 Uy 的階躍響應(yīng)，求出和 ts 。(2)取 R4 10k，其余參數(shù)同上。重復(fù)步驟(1) 。2第二類系統(tǒng)中頻段斜率為一20dB10 倍頻的長(zhǎng)度h=w3/w2 與系統(tǒng)性能的關(guān)系。

13、采用圖 A5.4 的實(shí)驗(yàn)線路，取Rl 10k ，Cl 1uF，R250k ，Rd 20k，R3 ( 即開(kāi)路，相當(dāng)于wl 0，即暫不考慮w1 的影響，以突出h 與系統(tǒng)性能的關(guān)系) ， C2 分別等于1uF， 1.65uF ， 2uF,3.3uF四種情況，R5 20k ， R6 50k ，C3 0.1uF 。對(duì)于每種情況分別測(cè)量輸出Uy 的階躍響應(yīng)，并求出和ts 。圖 A5.5對(duì)于 C2 2uF 的情況，測(cè)量閉環(huán)幅頻特性峰值Mr|M(jw)|max 和諧振頻率 wr。3開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性形狀一定的情況下，開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)與系統(tǒng)性能的關(guān)系。仍用圖 A5.4 的實(shí)驗(yàn)線路。取 C22uF， R5分別等于100

14、k， 50k， 20k,l0k, 其余參數(shù)同實(shí)驗(yàn)容2。對(duì)于每種情況測(cè)量輸出Uy 的階躍響應(yīng)，并求出和ts4低頻段大時(shí)間常數(shù) Tl對(duì)系統(tǒng)性能的影響。采用圖 A5.4 的實(shí)驗(yàn)線路。取 C2 2uF， R3 分別為開(kāi)路和 100k 兩種情況，其余參數(shù)同實(shí)驗(yàn)容2。對(duì)于每種情況測(cè)量輸出Uy 的階躍響應(yīng)，并求出和ts 。改變輸入信號(hào)為三角波，觀察系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。5高頻段小時(shí)間常數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響按圖 A5.5所示的實(shí)驗(yàn)線路接線。分別讓C為開(kāi)路、 0.33uF 和 1uF 三種情況。 分別測(cè)量 Uy 的階躍響應(yīng)，求出和 ts。R5C3C120kohm0.1uFXFG1C21uFR6R1U11uF100kohm

15、2R3U250kohmU332R1020kohmR213250kohm1350kohm1R7R8R9100kohm100kohm100kohm =-3.0302Vts=302.6635m當(dāng) R3=50R 5C 3C 150 k o hm0.1u FXF G1C 2R 6XS C11uFR 1U 11u F10 0k ohmG2R 3U 2T50 k ohmU 3ABR 1032ko hmR 212032150ko hm350 k ohm1R 7R 8R 910 0kohm10 0k ohm10 0k ohmXSC1GTAB當(dāng) R4=10R5C3C 120ko hm0.1u FXF G1C21u FR6XSC1R 1U 11uF10 0kohmG2R3U 2TAB50 kohmU332R10R 2120 ko hm32110ko hm350 kohm1R 7R8R910 0kohm100k ohm10 0kohm =-4.3638Vts=119.7263mC3C10.1u FC 2XF G1R 4R6XSC11uFR 1