控制工程基礎實驗報告

1、控制工程基礎實驗報告實驗一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應實驗目的1.2.3.學習構(gòu)成典型環(huán)節(jié)的模擬電路。熟悉各種典型環(huán)節(jié)的階躍響應曲線，了解參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響。學會由階躍響應曲線計算典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。熟悉仿真分析軟件。4.實驗內(nèi)容各典型環(huán)節(jié)的模擬電路如下：G(s)=-R11G(s)=T=RCTs1.比例環(huán)節(jié)2慣性環(huán)節(jié)曰曰因iaoknR；2LM74IR-103熾-VW1UJ比例環(huán)節(jié)模扭目旳門=1|i-R1103也砒R2I100I烷亠/DuLC=liiFS1/1M7rC1100kQ小/VvP100kQ3-積分環(huán)節(jié)G(S)=-右T=R2CRK=-2Ri4微分環(huán)節(jié)g(s)=-RCs0QIJ、-I

2、M74114LUKS2i1P.2110吭呼凹蘭-|_FW丑思徴分電路0QSDuFR12k訂-UU偏rP1021邊M7411改進微分環(huán)節(jié)G(s)=R2CsRCs+11比例微分環(huán)節(jié)RRCG(s)=-(1+s)R41實驗步驟R2/21DQ10QkQR2/2用Workbench連接好比例環(huán)節(jié)的電路圖,將階躍信號接入輸入端，此時使用理想運放;用示波器觀察輸出端的階躍響應曲線，測量有關參數(shù);改變電路參數(shù)后，再重新測量，觀察曲線的變化。將運放改為實際元件，如采用“LM741，重復步驟2。記錄波形和數(shù)據(jù)。5仿真其它電路，重復步驟2，3，4。實驗總結(jié)通過這次實驗，我對典型環(huán)節(jié)的模擬電路有了更加深刻的了解,也熟悉

3、了各種典型環(huán)節(jié)的階躍響應曲線，了解參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響；熟悉仿真分析軟件。這對以后的控制的學習有很大的幫助。實驗二二階系統(tǒng)階躍響應實驗目的研究二階系統(tǒng)的兩個重要參數(shù)阻尼比E和無阻尼自然頻率sn對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。學會根據(jù)階躍響應曲線確定傳遞函數(shù)，熟悉二階系統(tǒng)的階躍響應曲線。實驗內(nèi)容二階系統(tǒng)模擬電路如圖:G(s)=1R2C2s2+(R/R)RCs+121思考：如何用電路參數(shù)表示g和sn實驗步驟在workbench下連接電路圖；將階躍信號接入輸入端，用示波器觀測記錄響應信號；取sn=10rad/s，即令R=100K,C=luf:分別取g=0,0.25,0.5,0.7,1,2,即取Rl

4、=100K,考慮R2應分別取何值，分別測量系統(tǒng)階躍響應，并記錄最大超調(diào)量5p%和調(diào)節(jié)時間ts。取2=0.5，即R1=R2=100K；sn=100rad/s，即取R=100K，C=0.1uf，注意：兩個電容同時改變，測量系統(tǒng)階躍響應，并記錄最大超調(diào)量Sp%和調(diào)節(jié)時間tso取R=100K，C=1uf，R1=100K，R2=50K，測量系統(tǒng)階躍響應，記錄響應曲線，特別要記錄最大超調(diào)量Sp%和調(diào)節(jié)時間ts的數(shù)值。記錄波形及數(shù)據(jù)。取C=1nF，比較理想運放和實際運放情況下系統(tǒng)的階躍響應。實驗分析由實驗可知：二階系統(tǒng)的階躍響應的超調(diào)量p與sn無關：在OE1時，即欠阻尼情況下，p隨E增大而減小，在欠阻尼情況

5、下，E在0.7左右時ts取得極值；當2gr（阻尼比臨界值），sn不變的情況下，ts隨E增大而減?。划擡Er，E越大，ts越大。實驗總結(jié)通過本次實驗，我研究二階系統(tǒng)的兩個重要參數(shù)阻尼比E和無阻尼自然頻率sn對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，同時學會根據(jù)階躍響應曲線確定傳遞函數(shù)，熟悉二階系統(tǒng)的階躍響應曲線?；就瓿蓪嶒炄蝿?。實驗三控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析實驗目的觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。研究系統(tǒng)開環(huán)增益和時間常數(shù)對穩(wěn)定性的影響。實驗電路圖系統(tǒng)模擬電路如圖：實驗步驟1在workbench下連接電路圖；將階躍信號接入輸入端，用示波器觀測記錄響應信號；輸入信號電壓設置為1V,C=1uf,改變電位器R3,使之從0向500K方

6、向變化，此時相應K=0-100。觀察輸出波形，找到系統(tǒng)輸出產(chǎn)生增幅振蕩時相應的R3及K值；再把R3由大變小，找出系統(tǒng)輸出產(chǎn)生等幅振蕩時相應的R3及K值。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。記錄波形及數(shù)據(jù)。X&C1iQGtnhmVArIDOkcnm1ZVR3=130K時R11133kEhm-WVIDOkstimVW-iMkohmRIDR3i(HcchmWi_l_Ik-hmR?WVI_LiC-OknhmLWIQCiDhmWv2DOkchm1UFiCDkahmC3VW10OkchmU.1UFIIw-lOOkohmUSHWcDhrnR13AW

7、R14iQCkDhm15.010.05.00-5.0-10.0-15.00320.1m640.1m960.2m1.31.6TimeR3=110K時30.0n.o當R3=76K時20.0-20.0-30.01110320.1m540.1m9d0.2mTime1.3chamlelwvonacrtlnty)10.0劃0-5.0-10.0O51110.0-30.00-ChSy旦EVolt晶eV)o5-一I320.11U640.1mPSO.Stn13-H-當C=01K時iGOkntiminaKffhrnOlUFHWU3R7R24Ft12-WtVIQknhmlOOkZihm-VW-IDOkohmR.11A

8、.1UFRIO-vwlODkhmWv1KCkijjhmlODkoihmJ.-WVlOOtonm-WvIknhm-VW741DQkchmX&C1U+lOOkDhm-Wz1DQkEhm5.030.0R3=76KchamlElwVol膚Efv)-30.0a-u.oSO,0mISO.Om240.0m320.0m400.ItnTimeR3=110K30.0-30.0a20.0-10.0-0-10.0-20.0-10.0-5.0-0-5.0-10.0SO.Om160.0m240.0m320.0m1J.0-1.0OT.lmTime(S)實驗分析C=1uf時系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)：G(s)=10Ks(0.1s+l)

9、(O.ls+1)+10KK=R3/R2,T=RC系統(tǒng)特征方程：0.01s3+0.2s2+s+10K=0由勞斯判據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定條件：K0且10K*0.010.2*l得0K2系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因：當K=2時，系統(tǒng)含有實部大于0的極點，根據(jù)穩(wěn)定性判劇，當系統(tǒng)有一個或一個以上實部大于0的極點時系統(tǒng)不穩(wěn)定。實驗結(jié)論通過這次實驗，觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，了解系統(tǒng)開環(huán)增益和時間常數(shù)對穩(wěn)定性的影響。由閉環(huán)傳函的勞斯判據(jù)，可以觀察到開環(huán)增益對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。我們通過這次試驗，對上課所講的不穩(wěn)定現(xiàn)象有了很深的了解，對勞斯判據(jù)的應用有了實際的運用，這對以后的控制知識的學習有很大的意義。實驗四系統(tǒng)頻率特性測量實驗目的加深了解

10、系統(tǒng)頻率特性的物理概念；掌握系統(tǒng)頻率特性的測量方法；觀察典型環(huán)節(jié)的頻響圖。實驗內(nèi)容模擬電路圖如下：就是系統(tǒng)若輸入信號Ui(t)=UiSinst,則在穩(wěn)態(tài)時，其輸出信號為Uo(t)=UoSin(st+甲)。改變輸入信號角頻率s值，便可測得二組Uo/Ui和甲隨3變化的數(shù)值，這個變化規(guī)律的幅頻特性和相頻特性。系統(tǒng)傳遞函數(shù)為:G(s)=100Ks2+10s+100KK=R3/R2實驗步驟連接電路圖；將函數(shù)發(fā)生器信號接入輸入端，用示波器觀測記錄響應信號；在函數(shù)發(fā)生器參數(shù)設置一欄中，置輸入信號為正弦波，改變輸入頻率參數(shù)，分別設3=0.1,0.5,1,3,5,7,10,20,30,40,50。運行仿真命令，

11、觀察輸出波形及其幅值和相位差。改變輸入頻率參數(shù)，重復步驟2和3,期間改變幅值項參數(shù)，以使輸出波形達到最佳。將C=0.01uF,觀察系統(tǒng)的Bode圖；改變運放的型號(LM741)，觀察Bode圖。3=0.11X15.0:-15.0Time(S)15.0-10.0-5.0-0-5.0-10.0-15.0GhzmllntoVcl-Lngtifv)jO.T33.4廣.TJnnfLIL二ru=uk!s.l一ItaefS)5fiCh;iind_BV“II：厲曲IChmnd_DVol磁札.133ZIIMBns*-Ioi4:s.5.Saa一W-EB；A|6ft!|liA!HUUJU-jgH3COIIJ*倉.3

12、.*-LU30-3.icE.7nPM&1誥i：A：rtpAs-rruiuufiLi匚a卿.雷l-hsiiildAVnllid：V)ifogigII1o內(nèi)Q翻用片-puurq；）肖FMonH.ohSOiC.IPAfl：pLJiJ!qjn-Q=rrm.H吃三冠匸：V-iua)LXnCh弓ndlE5-=醫(yī)?.J.*o“3=403=50ie2nIiU崗)I：.In3=5Ghanllntevcl-sgefv)Time(S)Time(S)1SCO1X-3O2-3(巴3盟4CAEajtnIELu13.010.0500-5.0-10.0-15.015.010.0500-5.0-10.0-15.010.0-D.

13、0-o-5.0-10.0-15.0-06+S.-10.0-D.00-5.0-10.02.61.31.9Time(S)5.OchannELwvcl-LElgety)IIIIII-1D.032-15.0-1S.S-5.0kiPlftIIIIIlllllLu-I-一一06461m1J1.9Time(S)5.1tovo百盟tv)o-i-14-15.032T15.0-1S.C-5.(1GlElnc-tovo應盟tv)oJ-loLfl3=30Ghzmllntovcl-pgtifv)Time(S)40-3ufljEIELoGhalultov2_sgt;N)Time(S)o5-3(巴2黒4一GATajumqu

14、GhallnSLtovcl-smtitvTime(S)實驗總結(jié)通過本次實驗，了解了系統(tǒng)頻率特性的物理概念并且初步掌握系統(tǒng)頻率特性的測量方法，觀察典型環(huán)節(jié)的頻響圖，成功的完成實驗要求的內(nèi)容。實驗五開環(huán)頻率特性與系統(tǒng)性能的關系實驗目的觀察兩類不同類型的開環(huán)頻率特性與系統(tǒng)性能的關系；檢驗中頻段的形狀對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響；了解低頻段的大時間常數(shù)和高頻段的小時間常數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。實驗原理由于開環(huán)對數(shù)頻率特性比較容易求得，因而建立它與系統(tǒng)性能之間的關系對控制系統(tǒng)的分析和設計十分有用。利用電子模擬實驗可以更好突出主要因素，避免實際系統(tǒng)中存在的次要因素的影響。同時利用電子模擬裝置，參數(shù)的改變比較方便，更利

15、于進行實驗研究。為了便于研究，本實驗選擇兩種典型的開環(huán)模型：第一類系統(tǒng)的開環(huán)模型(圖A5.1)、第二類系統(tǒng)的開環(huán)模型(圖A5.2)。很多實際系統(tǒng)具有與它們相似的特性。12其中w1=1/T1,w2=1/T2。實現(xiàn)上述傳遞函數(shù)，可采用如圖A5.3的模擬線路。而圖A5.2所示開環(huán)模型的傳遞函數(shù)為Q(s)_K(1s+1)其中w1=1/T1,w2=1/T2,w3=1/T3丿s(Ts+1)(TS+1)13采用圖A5.4所示的模擬實驗線路可獲得該開環(huán)模型的傳遞函數(shù)。由圖可得Tl=(R3+R4)C2,T2=R4C2,T3=R6C3通過改變R、C參數(shù)，可得到不同形狀的開環(huán)頻率特性。同時觀測輸出電壓的階躍過渡過程

16、，即可研究二者之間的相互關系。實驗內(nèi)容第一類系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的形狀與系統(tǒng)性能的關系采用圖A5.3的實驗線路。取Rl=50k,Cl=luF,R2=20k,C2=luF,R3=20k,R3=50k,C3=0.1uF,R4=50k。測量輸出Uy的階躍響應，求出5%和ts。取R4=10k,其余參數(shù)同上。重復步驟(1)。第二類系統(tǒng)中頻段斜率為一20dB/10倍頻的長度h=w3/w2與系統(tǒng)性能的關系。采用圖A5.4的實驗線路，取Rl=10k,Cl=1uF,R2=50k,Rd=20k,R3=(即開路，相當于wl=0,即暫不考慮w1的影響，以突出h與系統(tǒng)性能的關系)，C2分別等于1uF,1.65uF,2uF,

17、3.3uF四種情況,R5=20k,R6=50k,C3=0.1uF。對于每種情況分別測量輸出Uy的階躍響應，并求出5%和tso對于C2=2uF的情況，測量閉環(huán)幅頻特性峰值Mr=|M(jw)|max和諧振頻率wr。開環(huán)對數(shù)頻率特性形狀一定的情況下，開環(huán)放大倍數(shù)與系統(tǒng)性能的關系。仍用圖A5.4的實驗線路。取C2=2uF,R5分別等于100k,50k,20k,l0k，其余參數(shù)同實驗內(nèi)容2。對于每種情況測量輸出Uy的階躍響應，并求出5%和ts低頻段大時間常數(shù)Tl對系統(tǒng)性能的影響。采用圖A5.4的實驗線路。取C2=2uF,R3分別為開路和100k兩種情況，其余參數(shù)同實驗內(nèi)容2。對于每種情況測量輸出Uy的階

18、躍響應，并求出5%和tso改變輸入信號為三角波，觀察系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。高頻段小時間常數(shù)對系統(tǒng)性能的影響按圖A5.5所示的實驗線路接線。分別讓C為開路、0.33uF和1uF三種情況。分別測量Uy的階躍響應,求出5%和ts。50.015.020.010.0-10.0-50GhElnCD10.0toVci一r鬟tv)o-j-1一|-13.04000m80.0m.164).(hn.240.0m320.0m-TGrT%=-3.0302Vts=302.6635m當R4=10r.o-10.0-5.0-0-J.0-10.0-1.0ldO.Om320.0m4S0.CmTime(S)1J540.0m-1.0Stiti.Om弧0-20.0-10.0-0-10.0-20.0-30.0-1?.C-1S.S-5.0480.9m160.9mtovo百盟tv)o-i-10-15.0SOOlmTime(S)口旳一020.010.00-1X0-200-30.00h.O10.05.0S