自動控制原理實驗

第8章自動控制原理實驗8.1典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)8.2二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)8.3控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析8.4系統(tǒng)頻率特性的測試8.5控制系統(tǒng)串聯(lián)校正8.6采樣實驗8.1典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)1.實驗?zāi)康?1)學(xué)習(xí)構(gòu)成典型環(huán)節(jié)的模擬電路，了解電路參數(shù)對環(huán)節(jié)特性的影響。(2)學(xué)習(xí)典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)的測量方法，并學(xué)會由階躍響應(yīng)曲線計算典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。2.實驗設(shè)備(1)電子模擬實驗裝置。(2)雙線慢掃描示波器。(3)信號發(fā)生器一臺（100kHz以上）。3.實驗內(nèi)容(1)按圖8-1所示接成下列典型環(huán)節(jié)的模擬電路。(2)以信號發(fā)生器所給出的階躍信號作為輸入信號（幅值整定為-1V），用慢掃描示波器觀察ui(t)和uo(t)。(3)記錄波形及數(shù)據(jù)。圖8-1典型環(huán)節(jié)的模擬電路4.實驗報告(1)畫出各典型環(huán)節(jié)的模擬電路，繪制各環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線。(2)由階躍響應(yīng)曲線計算出慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并與由電路計算的結(jié)果相比較。5.實驗要求(1)首先掌握與實驗有關(guān)的理論知識，明確實驗的目的，了解實驗內(nèi)容和方法。(2)按要求進行接線和操作，經(jīng)檢查和指導(dǎo)老師同意后再通電。(3)實驗中記錄有關(guān)數(shù)據(jù)和圖像。(4)實驗后斷掉設(shè)備電源，整理實驗臺。(5)寫出實驗報告，并按要求作出圖、表曲線，并分析實驗結(jié)果。8.2二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)1.實驗?zāi)康?1)研究二階系統(tǒng)的特征參數(shù)，阻尼比ζ和無阻尼自然震蕩角頻率ωn對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，定量分析ζ和ωn與最大超調(diào)量Mp和調(diào)節(jié)時間ts之間的關(guān)系。(2)進一步學(xué)習(xí)實驗儀器的使用方法。(3)學(xué)會根據(jù)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線確定傳遞函數(shù)。2.實驗設(shè)備(1)電子模擬實驗裝置。(2)雙線慢掃描示波器。(3)信號發(fā)生器一臺（100kHz以上）。3.實驗內(nèi)容(1)典型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為（８-1）其中，ζ和ωn對系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)有決定性的影響。(2)按圖8-2接成二階系統(tǒng)的模擬電路。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖8-3所示。該系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為（８-２）其中，與標(biāo)準(zhǔn)式相比較,得（8-３）圖8-2二階系統(tǒng)的模擬電路圖8-3二階系統(tǒng)的模擬電路的結(jié)夠圖(3)取ωn=10rad/s，即令R=100kΩ，C=1μF。分別取ζ=0,0.25,0.5,0.7,1,2，即保持R1=100kΩ，通過調(diào)節(jié)電位計使R2=0,25kΩ,50kΩ,70kΩ,100kΩ,200kΩ。輸入階躍信號，用示波器測量系統(tǒng)階躍響應(yīng)uo(t)。記錄最大超調(diào)量Mp和調(diào)節(jié)時間ts的數(shù)值和響應(yīng)的動態(tài)曲線，并與理論值比較。(4)取ωn=100rad/s，即令R=100kΩ，C=0.1μF。分別取ζ=0,0.25,0.5,0.7,１,２，即保持R1=100kΩ，通過調(diào)節(jié)電位計使R2=0,25kΩ,50kΩ,70kΩ,100kΩ,200kΩ。輸入階躍信號，用示波器測量系統(tǒng)階躍響應(yīng)uo(t)。記錄最大超調(diào)量Mp和調(diào)節(jié)時間ts的數(shù)值和響應(yīng)的動態(tài)曲線，并與上一組數(shù)據(jù)進行比較。4.實驗報告(1)畫出二階系統(tǒng)的模擬電路。(2)把不同ζ、ωn條件下測量的Mp和ts值列表，根據(jù)測量結(jié)果得出相應(yīng)結(jié)論。(3)畫出系統(tǒng)響應(yīng)曲線，再由Mp和ts計算傳遞函數(shù)，并與由模擬電路計算的傳遞函數(shù)比較。5.實驗要求(1)首先掌握與實驗有關(guān)的理論知識，明確實驗的目的，了解實驗內(nèi)容和方法。(2)按要求進行接線和操作，經(jīng)檢查和指導(dǎo)老師同意后再通電。(3)實驗中記錄有關(guān)數(shù)據(jù)和圖像。(4)實驗后斷掉設(shè)備電源，整理實驗臺。(5)寫出實驗報告，并按要求作出圖、表曲線，并分析實驗結(jié)果。通過實驗可以看到二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)比較直觀地體現(xiàn)了控制系統(tǒng)的3大性能：(1)超調(diào)量σ%表征系統(tǒng)響應(yīng)過渡階段的平穩(wěn)性——體現(xiàn)“穩(wěn)”。(2)態(tài)誤差ess表征系統(tǒng)響應(yīng)的最終穩(wěn)態(tài)精度——體現(xiàn)“準(zhǔn)”。(3)值時間tp表征系統(tǒng)響應(yīng)的初始段快慢。調(diào)節(jié)時間ts表征系統(tǒng)響應(yīng)過渡階段的總的持續(xù)時間，從總體上反映了過程的快速性——體現(xiàn)“快”。8.3控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析1.實驗?zāi)康?1)觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。(2)理解系統(tǒng)開環(huán)增益和時間常數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。2.實驗設(shè)備(1)電子模擬實驗裝置。(2)雙線慢掃描示波器。(3)信號發(fā)生器一臺（100kHz以上）。3.實驗內(nèi)容(1)按圖8-4接好系統(tǒng)模擬電路。該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為（8-４）圖8-4某系統(tǒng)模擬電路(2)取C=1μF，輸入階躍信號，使R3從0→500kΩ，用示波器觀察uo(t)，找到系統(tǒng)輸出產(chǎn)生等幅振蕩時所對應(yīng)的R3值，并計算出對應(yīng)的開環(huán)增益；再調(diào)節(jié)電位計，使R3從500→0kΩ，找到系統(tǒng)輸出產(chǎn)生等幅振蕩時所對應(yīng)的R3值，并計算出對應(yīng)的開環(huán)增益。(3)取上述系統(tǒng)處于等幅振蕩的情況下的R3值，并使電容C的容值由C=1μF變?yōu)镃=0.1μF，觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化情況。4.實驗報告(1)畫出該系統(tǒng)的模擬電路。(2)畫出系統(tǒng)增幅、等幅、減幅振蕩的波形圖。(3)由模擬電路計算系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，并與實際測量所得臨界放大系數(shù)比較。5.實驗要求(1)首先掌握與實驗有關(guān)的理論知識，明確實驗的目的，了解實驗內(nèi)容和方法。(2)按要求進行接線和操作，經(jīng)檢查和指導(dǎo)老師同意后再通電。(3)實驗中記錄有關(guān)數(shù)據(jù)和圖像。(4)實驗后斷掉設(shè)備電源，整理實驗臺。(5)寫出實驗報告，并按要求作出圖、表曲線，并分析實驗結(jié)果。8.4系統(tǒng)頻率特性的測試1.實驗?zāi)康?/p>

(1)熟悉系統(tǒng)及元件頻率特性的測試方法。(2)加深了解系統(tǒng)及元件頻率特性的物理概念。2.實驗設(shè)備(1)電子模擬實驗裝置。(2)超低頻頻率特性測試儀。(3)高頻正弦波信號發(fā)生器（f≥1MHz）。(4)雙線示波器（掃描速度與信號發(fā)生器頻率配合）。3.實驗內(nèi)容(1)按圖8-5接好系統(tǒng)模擬電路。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖8-6所示。

該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為(2)取R3=500kΩ，輸入正弦信號，將其幅值整定為2V。改變輸入頻率，觀察輸出信號的幅值與相位的變化情況。圖8-5系統(tǒng)模擬電路圖8-6系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.實驗報告(1)畫出被測系統(tǒng)的模擬電路圖，計算其傳遞函數(shù)，根據(jù)傳遞函數(shù)繪制伯德圖。(2)根據(jù)實驗觀察結(jié)果，繪制系統(tǒng)的伯德圖。(3)比較(1)、(2)的結(jié)果，分析測量誤差。5.實驗要求(1)首先掌握與實驗有關(guān)的理論知識，明確實驗的目的，了解實驗內(nèi)容和方法。(2)按要求進行接線和操作，經(jīng)檢查和指導(dǎo)老師同意后再通電。(3)實驗中記錄有關(guān)數(shù)據(jù)和圖像。(4)實驗后斷掉設(shè)備電源，整理實驗臺。(5)寫出實驗報告，并按要求作出圖、表曲線，并分析實驗結(jié)果。8.5控制系統(tǒng)串聯(lián)校正1.實驗?zāi)康?1)理解串聯(lián)校正環(huán)節(jié)對系統(tǒng)穩(wěn)定性及過渡過程的影響。(2)熟悉串聯(lián)校正裝置。(3)熟悉和掌握系統(tǒng)過渡過程的測量方法。2.實驗設(shè)備(1)電子模擬實驗裝置。(2)雙線慢掃描示波器。(3)信號發(fā)生器一臺（100kHz以上）。3.實驗內(nèi)容(1)串聯(lián)超前校正。①串聯(lián)超前校正模擬電路如圖8-7所示。圖中開關(guān)QS處于斷開狀態(tài)時，對應(yīng)于未進行校正的情況；當(dāng)開關(guān)QS處于閉合狀態(tài)時，對應(yīng)于串聯(lián)超前校正的情況。②串聯(lián)超前校正模擬電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖8-8所示。圖8-7串聯(lián)超前校正模擬電路圖8-8串聯(lián)超前校正模擬電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為（8-６）其中，開關(guān)QS處于斷開狀態(tài)時，Gc(s)=2;開關(guān)QS處于閉合狀態(tài)時,(2)串聯(lián)滯后校正。①串聯(lián)滯后校正模擬電路如圖8-9所示，圖中開關(guān)QS處于斷開狀態(tài)時，對應(yīng)于未進行校正的情況；當(dāng)開關(guān)QS處于閉合狀態(tài)時，對應(yīng)于串聯(lián)滯后校正的情況。②串聯(lián)滯后校正模擬電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖8-10所示。圖8-9串聯(lián)滯后校正模擬電路圖8-10串聯(lián)滯后校正模擬電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為（8-７）其中，開關(guān)QS處于斷開狀態(tài)時，Gc(s)=5;開關(guān)QS處于閉合狀態(tài)時，(3)串聯(lián)滯后—超前校正。①串聯(lián)滯后—超前校正模擬電路如圖8-11所示，圖中開關(guān)QS處于斷開狀態(tài)時，對應(yīng)于未進行校正的情況；當(dāng)開關(guān)QS處于閉合狀態(tài)時，對應(yīng)于串聯(lián)滯后—超前校正的情況。圖8-11串聯(lián)滯后校正模擬電路②串聯(lián)滯后—超前校正模擬電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖8-12所示。圖8-12串聯(lián)滯后—超前校正模擬電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為其中，開關(guān)QS處于斷開狀態(tài)時，Gc(s)=6;開關(guān)QS處于閉合狀態(tài)時，(4)按圖連接模擬電路，將開關(guān)QS置于斷開狀態(tài)，輸入階躍信號（幅值整定為-1V）。測量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并記錄超調(diào)量σp和調(diào)節(jié)時間ts。(5)將開關(guān)QS置于閉合狀態(tài)，重復(fù)(4)的動作。4.實驗報告(1)畫出幾種校正方式的模擬電路圖以及結(jié)構(gòu)圖。(2)繪制校正前后的系統(tǒng)響應(yīng)曲線。(3)繪制校正前后的Bode圖，并確定校正前后的相穩(wěn)定裕度γ和截止頻率ωc，對結(jié)果進行分析。5.實驗要求(1)首先掌握與實驗有關(guān)的理論知識，明確實驗?zāi)康模私鈱嶒瀮?nèi)容和方法。(2)按要求進行接線和操作，經(jīng)檢查和指導(dǎo)老師同意后再通電。(3)實驗中記錄有關(guān)數(shù)據(jù)和圖像。(4)實驗后斷掉設(shè)備電源，整理實驗臺。(5)寫出實驗報告，并按要求作出圖、表曲線，并分析實驗結(jié)果。8.6采樣實驗1.實驗?zāi)康?1)了解采樣過程和信號恢復(fù)過程。(2)了解采樣器和零階保持器的電路結(jié)構(gòu)。(3)理解采樣定理并熟悉采樣控制系統(tǒng)的特點。2.實驗設(shè)備(1)電子模擬實驗裝置。(2)雙線慢掃描示波器。(3)信號發(fā)生器一臺（100kHz以上）。3.實驗內(nèi)容(1)采樣控制系統(tǒng)的模擬電路如圖8-13所示。(2)采樣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖8-14所示。

圖8-13采樣控制系統(tǒng)的模擬電路圖8-14采樣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖該系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為（8-9）系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為（8-10）(3)按圖8-13連接模擬實驗裝置。整定采樣周期分別為T=3ms,30ms,150ms，輸入階躍信號，觀察并記錄其輸出階躍響應(yīng)，測量超調(diào)量。(4)去掉采樣保持器，對系統(tǒng)施加階躍信號，觀察并記錄其輸出響應(yīng)。4.實驗報告(1)畫