自控實驗一二

1、電氣工程學院 自動控制理論 實驗報告 姓名： 學 號： 同 組 人： 指導教師： 實驗日期： 2012.10.27 實驗成績評定表姓 名 學 號實驗名稱： 典型線性環(huán)節(jié)的研究實驗報告 實驗驗收或提問記錄：成績評定依據(jù)：實驗預習報告及方案設(shè)計情況（30）：實驗考勤情況（15）：實驗操作情況（30）：實驗總結(jié)報告與答辯情況（25）：最終評定成績：指導教師簽字： 年 月 日典型線性環(huán)節(jié)的研究實驗報告姓名： 學號 指導教師： 實驗臺號： 一、實驗?zāi)康?學習典型線性環(huán)節(jié)的模擬方法； 研究阻、容參數(shù)對典型線性環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)的影響。二、實驗預習1、理論計算2、計算機仿真分析三、實驗儀器與設(shè)備計算機、XMN-2

2、自動控制原理模擬實驗箱、CAE-PCI軟件、萬用表。四、實驗內(nèi)容 比例環(huán)節(jié)圖1-18 比例環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)圖中，分別求??；時的階躍響應(yīng)。 積分環(huán)節(jié)圖1-19 積分環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)圖中，分別求；時的階躍響應(yīng)曲線。 比例積分環(huán)節(jié)圖1-20 比例積分環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)圖中，分別求??；時的階躍響應(yīng)曲線。 比例微分環(huán)節(jié)圖1-21 比例微分環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)圖中，其中。分別求取；時的階躍響應(yīng)曲線。 比例微分積分環(huán)節(jié)圖1-22 比例微分積分環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)圖中，求取，時的階躍響應(yīng)曲線。 一階慣性環(huán)節(jié)圖1-23 一階慣性環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)圖中，分別求取，時的階躍響應(yīng)曲線。五、實驗步驟以比例環(huán)節(jié)為例根據(jù)實驗電路連接實物圖；系統(tǒng)輸入擾動信號為

3、階躍信號,需要將“輸入”插口接入 +15V電源端,撥動階躍開關(guān),可得到015V幅度正階躍；調(diào)節(jié)階躍信號旁邊的電位器，選擇合適的階躍信號幅值，從實驗臺上的點邊讀出階躍信號幅值大小。試驗運行前，關(guān)掉階躍信號。用Cae-pci軟件進行數(shù)據(jù)采集、顯示、測量、記錄，設(shè)置起始地址為DC00；檢查電路無誤，Cae-pci的某些值設(shè)定好后，啟動虛擬示波器，在點擊OFF按鈕成ON狀態(tài)后，還需點擊窗口左上角的右向白色小箭頭，使其變?yōu)楹谏?，向上打開階躍信號開關(guān)，此時階躍信號輸入，觀察此時的波形，在一整屏波形未顯示完之前，點擊顯示方式選擇按鈕，使其轉(zhuǎn)換為回顯方式，則在現(xiàn)有的一屏波形顯示完后，該屏波形會在顯示面板上再次

4、快速顯示一遍，并最終靜態(tài)停留在顯示面板上。拖動游標對波形進行數(shù)據(jù)測量，利用鍵盤上的 Print Screen Sys Rq鍵或抓圖軟件對波形進行存儲，再將其轉(zhuǎn)換為實時方式，并點擊示波器開關(guān)按鈕成OFF 狀態(tài)。其他實驗的操作步驟與比例環(huán)節(jié)的操作步驟一致六、實驗數(shù)據(jù)圖像及與理論計算和仿真分析比較結(jié)果1.比例環(huán)節(jié)h(t)= -Kp*uo(t), （1）時，實驗結(jié)果如下：理論值：h(t)= -0.5uo(t) uo(t) =2.339v 所以h(t)=-1.1695v實際值：h(t)=-1.1864v誤差：1.4誤差分析：可能由于光標放的位置不準確，而導致數(shù)據(jù)不準確。（2）時，實驗結(jié)果如下： 理論值：

5、h(t)= -uo(t) uo(t) =2.339v 所以h(t)=- 2.339v實際值：h(t)=- 2.339v誤差：0（3）時，實驗結(jié)果如下：理論值：h(t)= -2uo(t)Uo(t) =2.339v 所以h(t)=-4.678 v實際值：h(t)=-4.6441v誤差：0.7誤差分析：可能由于光標放的位置不準確，而導致數(shù)據(jù)不準確。結(jié)果分析：階躍信號經(jīng)過比例環(huán)節(jié)后的輸出幅值大小由Kp決定，Kp越大階躍幅值越大。2.積分環(huán)節(jié)h(t)= -t , (1)理論值：曲線斜率k=-2.339實際值：經(jīng)計算k=-2.331誤差：0.3誤差分析：可能由于光標放的位置不準確，而導致數(shù)據(jù)不準確。（2）

6、理論值：曲線斜率k=-0.498實際值：經(jīng)計算k=-0.50誤差：0.4誤差分析：可能由于光標放的位置不準確，而導致數(shù)據(jù)不準確。（3）理論值：曲線斜率k=-0.2339實際值：經(jīng)計算k=-0.24誤差： 2.6誤差分析：可能由于光標放的位置不準確，而導致數(shù)據(jù)不準確；還有儀器誤差。結(jié)論：階躍信號經(jīng)過積分環(huán)節(jié)后是斜坡信號，ti越大斜率越小3.比例積分環(huán)節(jié)h(t)= -Kp*uo(t)-Kp t (1)理論值：向下跳躍U1=-2.339V 曲線斜率k=-0.498實際值：向下跳躍U1=-2.339V 經(jīng)計算k=-0.50誤差：斜率誤差0.4誤差分析：可能由于光標放的位置不準確，而導致數(shù)據(jù)不準確。（2

7、）理論值：向下跳躍U1=-2.339V 曲線斜率k=-0.2339實際值：向下跳躍U1=-2.4068V 經(jīng)計算k=-0.267誤差：向下跳躍誤差2.8 斜率誤差14誤差分析：可能由于光標放的位置不準確，而導致數(shù)據(jù)不準確，還有儀器誤差。（3）理論值：向下跳躍U1=-1.1695V 曲線斜率k=-0.249實際值：向下跳躍U1=-1.1864V 經(jīng)計算k=-0.267誤差：向下跳躍誤差1.4 斜率誤差7.2誤差分析：可能由于光標放的位置不準確，而導致數(shù)據(jù)不準確，還有儀器誤差。結(jié)果分析：階躍信號經(jīng)過比例積分環(huán)節(jié)后的階躍幅值大小由Kp決定，Kp越大階躍幅值越大，積分曲線的斜率由Ti決定，Ti越大斜率

8、越小。4.比例微分環(huán)節(jié)ut=Kpet+KpTdde(t)dt (1) 理論值：當t趨近于無窮時，輸出U(t)=-4.678v實際值：當t趨近于無窮時, 輸出U(t)=-4.9153v誤差：5誤差分析：可能由于光標放的位置不準確，而導致數(shù)據(jù)不準確，還有儀器誤差。(2) 理論值：當t趨近于無窮時，輸出U(t)=-2.339v實際值：當t趨近于無窮時, 輸出U(t)=-2.4068v誤差：2.8誤差分析：可能由于光標放的位置不準確，而導致數(shù)據(jù)不準確，還有儀器誤差。(3) 理論值：當t趨近于無窮時，輸出U(t)=-2.339v實際值：當t趨近于無窮時, 輸出U(t)=-2.4068v誤差：2.8誤差分

9、析：可能由于光標放的位置不準確，而導致數(shù)據(jù)不準確，還有儀器誤差。結(jié)果分析：階躍信號經(jīng)過比例微分環(huán)節(jié)后的階躍幅值大小和積分曲線的平滑程度由Kp和Td共同決定，積分曲線的穩(wěn)態(tài)輸出由Kp決定。5. 比例微分積分環(huán)節(jié) ，結(jié)果分析：輸出電壓在剛有輸入時產(chǎn)生階躍，又由于微分作用曲線略向上升，但最后由于積分的作用曲線接近于一條斜直線。.6. 一階慣性環(huán)節(jié)h(t)=uo× (1) 理論值：當系統(tǒng)穩(wěn)定后，t趨近于無窮時，響應(yīng)為-2.339v，實際值： 當系統(tǒng)穩(wěn)定后，t趨近于無窮時，響應(yīng)為-2.339v誤差：向0結(jié)果分析：當t小時，由公式可知輸出逐漸減小，當系統(tǒng)穩(wěn)定后，t趨近于無窮時，輸出為恒值。（2）

10、理論值：當系統(tǒng)穩(wěn)定后，t趨近于無窮時，響應(yīng)為-2.339v，實際值： 當系統(tǒng)穩(wěn)定后，t趨近于無窮時，響應(yīng)為-2.339v誤差：向0結(jié)果分析：當t小時，由公式可知輸出逐漸減小，當系統(tǒng)穩(wěn)定后，t趨近于無窮時，輸出為恒值（3）理論值：當系統(tǒng)穩(wěn)定后，t趨近于無窮時，響應(yīng)為-4.678v，實際值： 當系統(tǒng)穩(wěn)定后，t趨近于無窮時，響應(yīng)為-4.6441v誤差：0.7誤差分析：可能由于光標放的位置不準確，而導致數(shù)據(jù)不準確，還有儀器誤差。結(jié)果分析：當t小時，由公式可知輸出逐漸減小，當系統(tǒng)穩(wěn)定后，t趨近于無窮時，輸出為恒值，恒值的大小由K決定，K越大，最后的穩(wěn)定值越大。T越大曲線變化越平緩。七、思考題 設(shè)計一個能

11、滿足e1+e2+e3=e運算關(guān)系的實用加法器。 一階慣性環(huán)節(jié)在什么條件下可視為積分環(huán)節(jié)？在什么條件下可視為比例環(huán)節(jié)？ 答：T遠大于1時，傳遞函數(shù)中的1可以忽略，一階慣性環(huán)節(jié)可以視為積分環(huán)節(jié)，T遠小于1時，一階慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)中Ts的作用可以忽略，一階慣性環(huán)節(jié)可以視為比例環(huán)節(jié) 如何設(shè)置必要的約束條件,使比例微分環(huán)節(jié)、比例積分微分環(huán)節(jié)的參數(shù)計算工作得以簡化?答：比例微分環(huán)節(jié)：設(shè)R1=R2= Rf ，則 Kp = 2Rf/Ri ，Td = 1.5R1C，Tf = R1C；比例積分微分環(huán)節(jié)：設(shè)R1= R2 = Rf ，則 Kp = 2Rf(C+Cf)/(Ri Cf ) , Ti = 2 Rf(C+Cf

12、),Tf = R2C , Td = 1.5RfCCf/( C+Cf)。八、結(jié)論、體會和建議 實驗成績評定表姓 名 李甜學 號10291078 實驗名稱： 二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究 實驗驗收或提問記錄：成績評定依據(jù)：實驗預習報告及方案設(shè)計情況（30）：實驗考勤情況（15）：實驗操作情況（30）：實驗總結(jié)報告與答辯情況（25）：最終評定成績：指導教師簽字： 年 月 日二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究姓名： 學號 指導教師： 實驗臺號： 一、實驗?zāi)康?學習二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線的實驗測試方法； 研究二階系統(tǒng)的兩個重要參數(shù)對階躍瞬態(tài)響應(yīng)指標的影響； 研究線性系統(tǒng)的開環(huán)比例系數(shù)K對

13、穩(wěn)定性的影響； 研究線性系統(tǒng)的時間常數(shù)T對穩(wěn)定性的影響。二、實驗預習1、理論計算2、計算機仿真分析三、實驗儀器與設(shè)備計算機、XMN-2自動控制原理模擬實驗箱、CAE-PCI軟件、萬用表。四、實驗內(nèi)容1.典型二階系統(tǒng)方塊圖和實現(xiàn)電路如圖1-24所示。圖1-24 二階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)如下： ， （T是時間常數(shù)）。各運算放大器運算功能：OP1，積分，；OP2，積分，；OP9，反相，（-1）；OP6，反相比例，?？梢缘玫剑?調(diào)整，使，取，使T=0.47s，加入單位階躍擾動，記錄響應(yīng)曲線，記作1。 保持不變，單位階躍擾動不變，取，使T=1.47s，記錄響應(yīng)曲線，記作2。 保持不變，單位階躍擾動不變，取，

14、,使T=1.0s，記錄響應(yīng)曲線，記作3。 保持不變，單位階躍擾動不變，取，使k=0.8，記錄響應(yīng)曲線，記作4。 保持不變，單位階躍擾動不變，取，使k=2.0，記錄響應(yīng)曲線，記作5。2. 三階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析三階系統(tǒng)的方框圖和模擬電路如圖1-25所示。圖1-25 三階系統(tǒng)圖中，。 求取系統(tǒng)的臨界開環(huán)比例系數(shù)KC,其中：Cf1=Cf2=Cf3=0.47u；Ri3=1M。實驗求取方法：先將電位器WR置于最大（470K）；加入r=0.5V的階躍擾動；調(diào)整WR使系統(tǒng)輸出c(t)呈等幅振蕩。（t=5s/cm,y=0.5V/cm）；保持WR不變，斷開反饋線，維持r=0.5V的擾動，測取系統(tǒng)輸出電壓Uc,則。

15、系統(tǒng)的開環(huán)比例系數(shù)K對穩(wěn)定性的影響適當調(diào)整WR，觀察K增大、減小時，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線；記錄當K=0.5Kc時的系統(tǒng)響應(yīng)曲線（t=5s/cm,y=100mV/cm）；記錄當K=1.25Kc時的系統(tǒng)響應(yīng)曲線（t=5s/cm,y=0.5V/cm）。五、實驗步驟根據(jù)實驗電路連接實物圖；系統(tǒng)輸入擾動信號為階躍信號,需要將“輸入”插口接入 +15V電源端,撥動階躍開關(guān),可得到015V幅度正階躍；調(diào)節(jié)階躍信號旁邊的電位器，選擇合適的階躍信號幅值，從實驗臺上的點邊讀出階躍信號幅值大小。試驗運行前，關(guān)掉階躍信號。用Cae-pci軟件進行數(shù)據(jù)采集、顯示、測量、記錄，設(shè)置起始地址為DC00；檢查電路無誤，Cae-pc

16、i的某些值設(shè)定好后，啟動虛擬示波器，在點擊OFF按鈕成ON狀態(tài)后，還需點擊窗口左上角的右向白色小箭頭，使其變?yōu)楹谏?，向上打開階躍信號開關(guān)，此時階躍信號輸入，觀察此時的波形，在一整屏波形未顯示完之前，點擊顯示方式選擇按鈕，使其轉(zhuǎn)換為回顯方式，則在現(xiàn)有的一屏波形顯示完后，該屏波形會在顯示面板上再次快速顯示一遍，并最終靜態(tài)停留在顯示面板上。拖動游標對波形進行數(shù)據(jù)測量，利用鍵盤上的 Print Screen Sys Rq鍵或抓圖軟件對波形進行存儲，再將其轉(zhuǎn)換為實時方式，并點擊示波器開關(guān)按鈕成OFF 狀態(tài)。其他實驗的操作步驟與比例環(huán)節(jié)的操作步驟一致六、實驗數(shù)據(jù)圖像及與理論計算和仿真分析比較結(jié)果1.二階系

17、統(tǒng)當 時，；，記錄響應(yīng)曲線，記作1 ， 記錄響應(yīng)曲線，記作2 ，記錄響應(yīng)曲線，記作3。 將曲線1、2、3進行對比：二階系統(tǒng)具有相同的和不同的，由圖中的曲線到達最大值的時間和其峰值可以看出，上升時間并不相同，但峰值差不多一樣，即其振蕩特性相同但響應(yīng)速度不同，越大，響應(yīng)速度越快。 ，記錄響應(yīng)曲線，記作4。 ，記錄響應(yīng)曲線，記作5。結(jié)果處理：將曲線1、2、3進行對比：二階系統(tǒng)具有相同的和不同的，由圖中的曲線到達最大值的時間和其峰值可以看出，上升時間并不相同，但峰值差不多一樣，即其振蕩特性相同但響應(yīng)速度不同，越大，響應(yīng)速度越快。將曲線3、4、5 進行對比：二階系統(tǒng)具有相同的和不同的，5對應(yīng)的=1，所以

18、是臨街阻尼響應(yīng)，3、4的 ，所以是欠阻尼響應(yīng)，由圖可以看出5 即臨街阻尼響應(yīng)具有最短的上升時間，無超調(diào)量，對比3、4可看出，阻尼比越小，超調(diào)量越大，上升時間越短。將3中的和理論值進行比較：； 理論值： ，實際值：， 誤差：超調(diào)量14，調(diào)節(jié)時間6.6誤差分析：可能由于光標放的位置不準確，而導致數(shù)據(jù)不準確。還有系統(tǒng)本身有一定的系統(tǒng)誤差。信號源存在波動，使得輸出超調(diào)量不穩(wěn)定。2. 三階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析求取系統(tǒng)的臨界開環(huán)比例系數(shù)KC調(diào)整WR使系統(tǒng)輸出c(t)呈等幅振蕩保持WR不變，斷開反饋線，維持r=0.5V的擾動，測取系統(tǒng)輸出電壓Uc計算： Uc=-8.7119v, r=0.7119V 系統(tǒng)的開環(huán)比例系數(shù)K對穩(wěn)定性的影響記錄當K=0.5Kc時的系統(tǒng)響應(yīng)曲線記錄當K=1.25Kc時的系統(tǒng)響應(yīng)曲線振蕩的幅值越來越小，衰減振蕩記錄當K=1.25Kc時的系統(tǒng)響應(yīng)曲線振蕩幅值越來越大七、思考題 若模擬實驗中c（t）的穩(wěn)態(tài)值不等于階躍輸