中南大學(xué)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、精選文檔信息科學(xué)與工程學(xué)院本科生試驗(yàn)報(bào)告試驗(yàn)名稱自動(dòng)把握原理試驗(yàn)預(yù)定時(shí)間試驗(yàn)時(shí)間姓名學(xué)號(hào)授課老師試驗(yàn)臺(tái)號(hào)專業(yè)班級(jí) 試驗(yàn)一 1.1 典型環(huán)節(jié)的時(shí)域分析 試驗(yàn)?zāi)康模? 生疏并把握 TD-ACC+(或 TD-ACS)設(shè)備的使用方法及各典型環(huán)節(jié)模擬電路的構(gòu)成方法。2生疏各種典型環(huán)節(jié)的抱負(fù)階躍響應(yīng)曲線和實(shí)際階躍響應(yīng)曲線。對(duì)比差異、分析緣由。3了解參數(shù)變化對(duì)典型環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性的影響。試驗(yàn)設(shè)備：PC 機(jī)一臺(tái)， TD-ACC+(或 TD-ACS)試驗(yàn)系統(tǒng)一套。模擬電路圖如下：試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)R0=200K；R1=100K。輸出電壓約為輸入電壓的1/2，誤差范圍內(nèi)滿足理論波形，當(dāng)R0 = 200K； R1 = 200

2、K。積分環(huán)節(jié)模擬電路圖：當(dāng)R0=200K；C=1uF。試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)R0 = 200K； C = 2uF。比例積分環(huán)節(jié) (PI)模擬電路圖：取 R0 = R1 = 200K； C = 1uF。試驗(yàn)結(jié)果取 R0=R1=200K； C=2uF。慣性環(huán)節(jié) (T)模擬電路圖： 取 R0=R1=200K； C=1uF。取 R0=R1=200K； C=2uF。比例微分環(huán)節(jié) (PD)模擬電路圖： 取 R0 = R2 = 100K， R3 = 10K， C = 1uF； R1 = 100K。取 R0=R2=100K， R3=10K， C=1uF； R1=200K。比例積分微分環(huán)節(jié) (PID)模擬電路圖： 取 R

3、2 = R3 = 10K， R0 = 100K， C1 = C2 = 1uF； R1 = 100K。取 R2 = R3 = 10K， R0 = 100K， C1 = C2 = 1uF； R1 = 200K。試驗(yàn)步驟1. 按 1.1.3 節(jié)中所列舉的比例環(huán)節(jié)的模擬電路圖將線接好。 檢查無(wú)誤后開(kāi)啟設(shè)備電源。2. 將信號(hào)源單元的“ST” 端插針與“S” 端插針用“短路塊” 短接。由于每個(gè)運(yùn)放單元均設(shè)臵了鎖零場(chǎng)效應(yīng)管， 所以運(yùn)放具有鎖零功能。 將開(kāi)關(guān)設(shè)在“方波”檔，分別調(diào)整調(diào)幅和調(diào)頻電位器，使得“OUT”端輸出的方波幅值為 1V，周期為 10s 左右。3. 將 2 中的方波信號(hào)加至環(huán)節(jié)的輸入端 Ui，

4、用示波器的“CH1” 和“CH2” 表筆分別監(jiān)測(cè)模擬電路的輸入 Ui 端和輸出 U0 端，觀測(cè)輸出端的實(shí)際響應(yīng)曲線 U0(t)， 記錄試驗(yàn)波形及結(jié)果。4. 轉(zhuǎn)變幾組參數(shù)，重新觀測(cè)結(jié)果。5. 用同樣的方法分別搭接積分環(huán)節(jié)、比例積分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)、 慣性環(huán)節(jié)和比例積分微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖。 觀測(cè)這些環(huán)節(jié)對(duì)階躍信號(hào)的實(shí)際響應(yīng)曲線， 分別記錄試驗(yàn)波形及結(jié)果。 試驗(yàn)二 1.2 典型系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)和穩(wěn)定性分析試驗(yàn)?zāi)康模? 爭(zhēng)辯二階系統(tǒng)的特征參量 (、 n) 對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響。2 爭(zhēng)辯二階對(duì)象的三種阻尼比下的響應(yīng)曲線及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3 生疏 Routh 判據(jù)，用 Routh 判據(jù)對(duì)三階系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析

5、。試驗(yàn)設(shè)備:PC 機(jī)一臺(tái)， TD-ACC+(或 TD-ACS)教學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)一套。模擬電路圖：試驗(yàn)步驟:1 將信號(hào)源單元的“ST” 端插針與“S” 端插針用“短路塊” 短接。由于每個(gè)運(yùn)放單元均設(shè)臵了鎖零場(chǎng)效應(yīng)管， 所以運(yùn)放具有鎖零功能。 將開(kāi)關(guān)設(shè)在“方波”檔，分別調(diào)整調(diào)幅和調(diào)頻電位器，使得“OUT”端輸出的方波幅值為 1V，周期為 10s 左右。2 典型二階系統(tǒng)瞬態(tài)性能指標(biāo)的測(cè)試。(1) 按模擬電路圖接線，將 1 中的方波信號(hào)接至輸入端，取 R = 10K。(2) 用示波器觀看系統(tǒng)響應(yīng)曲線 C(t)，測(cè)量并記錄超調(diào) MP、峰值時(shí)間 tp 和調(diào)整時(shí)間 tS。(3) 分別按 R = 50K； 160

6、K； 200K；轉(zhuǎn)變系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益，觀看響應(yīng)曲線 C(t)，測(cè)量并記錄性能指標(biāo) MP、 tp 和 tS，及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并將測(cè)量值和計(jì)算值進(jìn)行比較 (試驗(yàn)前必需按公式計(jì)算出 )。將試驗(yàn)結(jié)果填入表 1.2-1 中。表 1.2-2 中已填入了一組參考測(cè)量值，供參照。3. 典型三階系統(tǒng)的性能(1) 按圖 1.2-4 接線，將 1 中的方波信號(hào)接至輸入端，取 R = 30K。(2) 觀看系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，并記錄波形。(3) 減小開(kāi)環(huán)增益 (R = 41.7K； 100K)，觀看響應(yīng)曲線，并將試驗(yàn)結(jié)果填入表 1.2-3 中。表1.2-4 中已填入了一組參考測(cè)量值，供參照。試驗(yàn)現(xiàn)象分析留意：在做試驗(yàn)前肯定要進(jìn)

7、行對(duì)象整定 ，否則將會(huì)導(dǎo)致理論值和實(shí)際測(cè)量值相差較大。首先調(diào)整電阻使系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定的狀態(tài)當(dāng)R160時(shí)系統(tǒng)處于過(guò)阻尼狀態(tài)當(dāng)R160時(shí)，由可知道該系統(tǒng)的自然頻率和阻尼比均與R值大小有關(guān)，當(dāng)R處于160左右處于臨界阻尼狀態(tài)，則R160時(shí)阻尼比增大，系統(tǒng)則應(yīng)處于過(guò)阻尼狀態(tài)，輸出波形如上圖所示。同理當(dāng)R的阻值減小時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)趨于欠阻尼狀態(tài)；如R=50時(shí)，系統(tǒng)處于欠阻尼狀態(tài)，其輸出波形如下圖所示：欠阻尼欠阻尼狀態(tài)，是我們所期望的一種狀態(tài)，相比于過(guò)阻尼，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間比較短，相比于臨界阻尼，系統(tǒng)的超調(diào)量比較小。工程上，也是期望系統(tǒng)能夠快速平穩(wěn)精確的追蹤輸入信號(hào)，因此欠阻尼相對(duì)比較抱負(fù)。三階系統(tǒng)三階系統(tǒng)處于臨

8、界穩(wěn)定時(shí)三階R30KR 3； 即 R 166 K 時(shí)，兩條根軌跡進(jìn)入 S 右半平面，系統(tǒng)不穩(wěn)定。(3) 當(dāng) 0 K 166 K 時(shí)，兩條根軌跡進(jìn)入 S 左半平面，系統(tǒng)穩(wěn)定。上述分析表明，根軌跡與系統(tǒng)性能之間有親密的聯(lián)系。利用根軌跡不僅能夠分析閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能以及參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，而且還可以依據(jù)對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)特性的要求確定可變參數(shù)和調(diào)整開(kāi)環(huán)零、極點(diǎn)位臵以及轉(zhuǎn)變它們的個(gè)數(shù)。這就是說(shuō)，根軌跡法可用來(lái)解決線性系統(tǒng)的分析和綜合問(wèn)題。由于它是一種圖解求根的方法，比較直觀，避開(kāi)了求解高階系統(tǒng)特征根的麻煩，所以，根軌跡在工程實(shí)踐中獲得了廣泛的應(yīng)用。試驗(yàn)步驟1 繪制根軌跡圖：試驗(yàn)前依據(jù)對(duì)象傳函畫(huà)出對(duì)象

9、的根軌跡圖，對(duì)其穩(wěn)定性及暫態(tài)性能做出理論上的推斷。并確定各種狀態(tài)下系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益 K 的取值及相應(yīng)的電阻值 R。2 將信號(hào)源單元的“ST” 端 插針與“S” 端插針用“短路塊” 短接。由于每個(gè)運(yùn)放單元均設(shè)臵了鎖零場(chǎng)效應(yīng)管， 所以運(yùn)放具有鎖零功能。 將開(kāi)關(guān)設(shè)在“方波”檔，分別調(diào)整調(diào)幅和調(diào)頻電位器，使得“OUT”端輸出的方波幅值為 1V，周期為 10s 左右。3 按模擬電路圖 2.1-2 接線，并且要求對(duì)系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行整定，詳見(jiàn)附錄一；將 2中的方波信號(hào)加至輸入端。4 轉(zhuǎn)變對(duì)象的開(kāi)環(huán)增益，即轉(zhuǎn)變電阻 R 的值，用示波器的“CH1”和“CH2”表筆分別測(cè)量輸入端和輸出端，觀看對(duì)象的時(shí)域響應(yīng)曲線，應(yīng)當(dāng)

10、和理論分析吻合。留意：此次試驗(yàn)中對(duì)象須嚴(yán)格整定，否則可能會(huì)導(dǎo)致和理論值相差較大。當(dāng)R=166KR=135KR=50K當(dāng)電阻R166K時(shí)，系統(tǒng)漸漸趨于不穩(wěn)定，當(dāng)R=50K，系統(tǒng)不穩(wěn)定，包絡(luò)線發(fā)散，于是波形不收斂，如上圖所示。R=220K時(shí)，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定試驗(yàn)四 3.1 線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析試驗(yàn)?zāi)康模? 把握波特圖的繪制方法及由波特圖來(lái)確定系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳函。2 把握試驗(yàn)方法測(cè)量系統(tǒng)的波特圖。試驗(yàn)設(shè)備:PC 機(jī)一臺(tái)， TD-ACC+(或 TD-ACS)教學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)一套。試驗(yàn)原理及內(nèi)容1 頻率特性 當(dāng)輸入正弦信號(hào)時(shí)，線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)具有隨頻率 ( 由 0 變至 ) 而變化的特性。頻率響應(yīng)法的基本思想是：

11、盡管把握系統(tǒng)的輸入信號(hào)不是正弦函數(shù)，而是其它形式的周期函數(shù)或非周期函數(shù)，但是，實(shí)際上的周期信號(hào)，都能滿足狄利克萊條件，可以用富氏級(jí)數(shù)開(kāi)放為各種諧波重量；而非周期信號(hào)也可以使用富氏積分表示為連續(xù)的頻譜函數(shù)。因此，依據(jù)把握系統(tǒng)對(duì)正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)，可推算出系統(tǒng)在任意周期信號(hào)或非周期信號(hào)作用下的運(yùn)動(dòng)狀況。2 線性系統(tǒng)的頻率特性 系統(tǒng)的正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)具有和正弦輸入信號(hào)的幅值比和相位差隨角頻率由 0 變到) 變化的特性。而幅值比和相位差恰好是函數(shù)的模和幅角。所以只要把系統(tǒng)的傳遞函數(shù),令s=j即可得到我們把。稱為系統(tǒng)的頻率特性或頻率傳遞函數(shù)。當(dāng)由0 到變化時(shí)， 幅值比隨頻率的變化特性成為幅頻特性， 相位差隨

12、頻率的變化特性稱為相頻特性。幅頻特性和相頻特性結(jié)合在一起時(shí)稱為頻率特性。3. 直接頻率特性的測(cè)量 用來(lái)直接測(cè)量對(duì)象的輸出頻率特性，適用于時(shí)域響應(yīng)曲線收斂的對(duì)象（如：慣性環(huán)節(jié)）。該方法在時(shí)域曲線窗口將信號(hào)源和被測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線顯示出來(lái)，直接測(cè)量對(duì)象輸出與信號(hào)源的相位差及幅值衰減狀況，就可得到對(duì)象的頻率特性。試驗(yàn)內(nèi)容：本次試驗(yàn)利用教學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)供應(yīng)的頻率特性測(cè)試虛擬儀器進(jìn)行測(cè)試，畫(huà)出對(duì)象波特圖和極坐標(biāo)圖。模擬電路圖：開(kāi)環(huán)傳函為：閉環(huán)傳函：得轉(zhuǎn)折頻率：=10（rad/s），阻尼比=0.5試驗(yàn)步驟此次試驗(yàn)，接受直接測(cè)量方法測(cè)量對(duì)象的閉環(huán)頻率特性及間接測(cè)量方法測(cè)量對(duì)象的頻率特性。1 試驗(yàn)接線：按模擬電路圖

13、 3.1 -5 接線，TD-ACC+的接線： 將信號(hào)源單元的“ST” 插針?lè)謩e與“S” 插針和“+5V” 插針斷開(kāi)，運(yùn)放的鎖零把握端“ST” 此時(shí)接至示波器單元的“SL” 插針處，鎖零端受“SL”來(lái)把握。 將示波器單元的“SIN” 接至圖 3.1-5 中的信號(hào)輸入端，TD-ACS 的接線： 將信號(hào)源單元的“ST” 插針?lè)謩e與“S” 插針和“+5V” 插針斷開(kāi)，運(yùn)放的鎖零把握端“ST” 此時(shí)接至把握計(jì)算機(jī)單元的“DOUT0” 插針處，鎖零端受“DOUT0” 來(lái)把握。 將數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的“/CS”接至把握計(jì)算機(jī)的“/IOY1”，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的“OUT1”， 接至圖 3.1 -5 中的信號(hào)輸入端.2

14、直接測(cè)量方法 (測(cè)對(duì)象的閉環(huán)頻率特性)(1) “CH1” 路表筆插至圖 3.1-5 中的 4運(yùn)放的輸出端。(2) 打開(kāi)集成軟件中的頻率特性測(cè)量界面，彈出時(shí)域窗口，點(diǎn)擊 按鈕，在彈出的窗口中依據(jù)需要設(shè)臵好幾組正弦波信號(hào)的角頻率和幅值，選擇測(cè)量方式為“直接”測(cè)量，每組參數(shù)應(yīng)選擇合適的波形比例系數(shù)，具體如下圖所示:(3) 確認(rèn)設(shè)臵的各項(xiàng)參數(shù)后，點(diǎn)擊按鈕，發(fā)送一組參數(shù)，待測(cè)試完畢，顯示時(shí)域波形，此時(shí)需要用戶自行移動(dòng)游標(biāo)，將兩路游標(biāo)同時(shí)放臵在兩路信號(hào)的相鄰的波峰 (波谷) 處，或零點(diǎn)處，來(lái)確定兩路信號(hào)的相位移。兩路信號(hào)的幅值系統(tǒng)將自動(dòng)讀出。重復(fù)操作(3)，直到全部參數(shù)測(cè)量完畢。(4) 待全部參數(shù)測(cè)量完畢

15、后，點(diǎn)擊按鈕，彈出波特圖窗口， 觀看所測(cè)得的波特圖，該圖由若干點(diǎn)構(gòu)成，幅頻和相頻上同一角頻率下兩個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一組參數(shù)下的測(cè)量結(jié)果。點(diǎn)擊極坐標(biāo)圖按鈕 ，可以得到對(duì)象的閉環(huán)極坐標(biāo)如下：試驗(yàn)五 1.3 線性系統(tǒng)的校正試驗(yàn)?zāi)康? 把握系統(tǒng)校正的方法，重點(diǎn)了解串聯(lián)校正。2 依據(jù)期望的時(shí)域性能指標(biāo)推導(dǎo)出二階系統(tǒng)的串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。試驗(yàn)設(shè)備PC 機(jī)一臺(tái)， TD-ACC+(或 TD-ACS)教學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)一套。試驗(yàn)原理及內(nèi)容所謂校正就是指在系統(tǒng)中加入一些機(jī)構(gòu)或裝臵 (其參數(shù)可以依據(jù)需要而調(diào)整)，使系統(tǒng)特性發(fā)生變化，從而滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。按校正裝臵在系統(tǒng)中的連接方式，可分為：串聯(lián)校正、反饋校正和復(fù)合把握校

16、正三種。串聯(lián)校正是在主反饋回路之內(nèi)接受的校正方式，串聯(lián)校正裝臵串聯(lián)在前向通路上，一般接在誤差檢測(cè)點(diǎn)之后和放大器之前。本次試驗(yàn)主要介紹串聯(lián)校正方法。1.原系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及性能指標(biāo)對(duì)應(yīng)的模擬電路圖由圖可知系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳函：，系統(tǒng)閉環(huán)傳函：系統(tǒng)的特征參量： n 6.32, 0.158系統(tǒng)的性能指標(biāo)： M p 60， tS 4s，靜態(tài)誤差系數(shù) Kv 20 (1/s)2.期望校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求接受串聯(lián)校正的方法，使系統(tǒng)滿足下述性能指標(biāo)： Mp25， tS1s，靜態(tài)誤差系數(shù) Kv20 (1/s)3 串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的理論推導(dǎo)由公式，得：設(shè)校正后的系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳函為：，由期望值得：校正后系統(tǒng)的閉環(huán)傳函為： 取 0.5，則 T 0.05s， n 20 滿足 n10，得校正后開(kāi)環(huán)傳函為：由于原系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳函為：且接受串聯(lián)校正，所以串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的傳函為：加校正環(huán)節(jié)后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖為：對(duì)應(yīng)的模擬電路圖：見(jiàn)圖 1.3-4試驗(yàn)步驟1. 將信號(hào)源單元的“ST” 端插針與“S” 端插針用“短路塊” 短接。由于每個(gè)運(yùn)放單元均設(shè)臵了鎖零場(chǎng)效應(yīng)管， 所以運(yùn)放具有鎖零功能。 將開(kāi)關(guān)設(shè)在“方波”檔，分別調(diào)整調(diào)幅和調(diào)頻電位器，使得“OUT”端輸出的方波幅值為 1