自動控制原理實驗報告

自動掌握原理試驗報告自動掌握原理試驗報告試驗一、典型環(huán)節(jié)的時域響應(yīng)一．試驗?zāi)康纳璨盐誘D-ACC+〔TD-ACS〕設(shè)備的使用方法及各典型環(huán)節(jié)模擬掌握電路的構(gòu)成方法。生疏各種典型環(huán)節(jié)的抱負(fù)階躍曲線和實際階躍響應(yīng)曲線。比照差異、分析緣由。了解參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響。二．試驗設(shè)備PC機一臺，TD-ACC+〔TD-ACS〕試驗系統(tǒng)一套。三．試驗內(nèi)容比例環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)比例積分環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)比例微分環(huán)節(jié)比例積分微分環(huán)節(jié)四、試驗感想在本次試驗后，我了解了典型環(huán)節(jié)的時域響應(yīng)方面的學(xué)問，并且通過實踐，實現(xiàn)了時域響應(yīng)相關(guān)的操作，感受到了試驗成功的喜悅。試驗二、線性系統(tǒng)的矯正一、目的要求把握系統(tǒng)校正的方法，重點了解串聯(lián)校正。依據(jù)期望的時域性能指標(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)二、儀器設(shè)備PC機一臺，TD-ACC+(或TD-ACS)教學(xué)試驗系統(tǒng)一套。三、原理簡述所謂校正就是指在系統(tǒng)中參加一些機構(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、反響校正和復(fù)合掌握校正三種。串聯(lián)校正是在主反饋回路之內(nèi)采用的校正方式，串聯(lián)校正裝臵串聯(lián)在前向通路上，一般接在誤差檢測點之后和放大器之前。本次試驗主要介紹串聯(lián)校正方法。1．原系統(tǒng)的構(gòu)造框圖及性能指標(biāo)對應(yīng)的模擬電路圖2．期望校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)3．串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的理論推導(dǎo)四、試驗現(xiàn)象分析校正前：校正后：校正前：校正后：六、試驗心得次試驗讓我進(jìn)一步生疏了TD-ACC+試驗系統(tǒng)的使用，進(jìn)一步學(xué)習(xí)了虛擬儀器，更加深入地學(xué)習(xí)了自動掌握原理，更加結(jié)實地把握了相關(guān)理論學(xué)問，激發(fā)了我理論學(xué)習(xí)的興趣。試驗三、線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析一、試驗?zāi)康陌盐詹ㄌ貓D的繪制方法及由波特圖來確定系統(tǒng)開環(huán)傳函。把握試驗方法測量系統(tǒng)的波特圖。二、試驗設(shè)備PC機一臺，TD-ACC+系列教學(xué)試驗系統(tǒng)一套。三、試驗原理及內(nèi)容〔一〕試驗原理1．頻率特性當(dāng)輸入正弦信號時，線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)具有隨頻率(ω由0變至∞)而變化的特性。頻率響應(yīng)法的根本思想是：盡管掌握系統(tǒng)的輸入信號不是正弦函數(shù)，而是其它形式的周期函數(shù)或非周期函數(shù)，但是，實際上的周期信號，都能滿足狄利克萊條件，可以用富氏級數(shù)開放為各種諧波重量；而非周期信號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)掌握系統(tǒng)對正弦輸入信號的響應(yīng)，可推算出系統(tǒng)在任意周期信號或非周期信號作用下的運動狀況。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的幅值比Φ〔jω〕和相位差∠Φ〔jω〕隨角頻率(ω由0變到∞)變化的特性。而幅值比Φ〔jω〕和相位差∠Φ〔jω〕恰好是函數(shù)Φ〔jω〕的模和幅角。所以只要把系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Φ〔s〕，令s=jω，即可得到Φ〔jω〕。我們把Φ〔jω〕稱為系統(tǒng)的頻率特性或頻率傳遞函數(shù)。當(dāng)ω由0到∞變化時，Φ〔jω〕隨頻率ω的變化特性成為幅頻特性，∠Φ〔jω〕隨頻率ω的變化特性稱為相頻特性。幅頻特性和相頻特性結(jié)合在一起時稱為頻率特性。頻率特性的表達(dá)式對數(shù)頻率特性：又稱波特圖，它包括對數(shù)幅頻和對數(shù)相頻兩條曲線，是頻率響應(yīng)法中廣泛使用的一組曲線。這兩組曲線連同它們的坐標(biāo)組成了對數(shù)坐標(biāo)圖。對數(shù)頻率特性圖的優(yōu)點：①它把各串聯(lián)環(huán)節(jié)幅值的乘除化為加減運算，簡化了開環(huán)頻率特性的計算與作圖。②利用漸近直線來繪制近似的對數(shù)幅頻特性曲線，而且對數(shù)相頻特性曲線具有奇對稱于轉(zhuǎn)折頻率點的性質(zhì)，這些可使作圖大為簡化。③通過對數(shù)的表達(dá)式，可以在一張圖上既能繪制出頻率特性的中、高頻率特性，又能清楚地畫出其低頻特性。極坐標(biāo)圖(或稱為奈奎斯特圖)對數(shù)幅相圖(或稱為尼柯爾斯圖)本次試驗中，承受對數(shù)頻率特性圖來進(jìn)展頻域響應(yīng)的分析爭論。試驗中供給了兩種試驗測試方法：直接測量和間接測量。直接頻率特性的測量：用來直接測量對象的輸出頻率特性，適用于時域響應(yīng)曲線收斂的對象〔如：慣性環(huán)節(jié)〕。該方法在時域曲線窗口將信號源和被測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線顯示出來，直接測量對象輸出與信號源的相位差及幅值衰減狀況，就可得到對象的頻率特性。間接頻率特性的測量：用來測量閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)特性，由于有些線性系統(tǒng)的開環(huán)時域響應(yīng)曲線發(fā)散，幅值不易測量，可將其構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反響穩(wěn)定系統(tǒng)后，通過測量信號源、反響信號、誤差信號的關(guān)系，從而推導(dǎo)出對象的開環(huán)頻率特性。4．舉例說明間接和直接頻率特性測量方法的使用。(1)間接頻率特性測量方法①對象為積分環(huán)節(jié)：S1.01由于積分環(huán)節(jié)的開環(huán)時域響應(yīng)曲線不收斂，穩(wěn)態(tài)幅值無法測出，我們承受間接測量方法，將其構(gòu)成閉環(huán)，依據(jù)閉環(huán)時的反響及誤差的相互關(guān)系，得出積分環(huán)節(jié)的頻率特性。3.1-1所示。③理論依據(jù)圖3.1-1所示的開環(huán)頻率特性為：ωωωωωωωjEjBjEjBjEjBjG∠==承受對數(shù)幅頻特性和相頻特性表示，則上式表示為：其中Gjw)為積分環(huán)節(jié)，所以只要將反響信號、誤差信號的幅值及相位按上式計算出來即可得積分環(huán)節(jié)的波特圖。CH1和CH2來測量圖3.1-1中的反響測量點和誤差測量點，通過移動游標(biāo)，確定兩路信號和輸入信號之間的相位和幅值關(guān)系，即可間接得出積分環(huán)節(jié)(2)直接頻率特性測量方法只要環(huán)節(jié)的時域響應(yīng)曲線收斂就不用構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)而承受直接測量法直接測量輸入、輸出信號的幅值和相位關(guān)系，就可得出環(huán)節(jié)的頻率特性。①試驗對象：選擇一階慣性其傳函為：11.01+=SSG②構(gòu)造框圖：如下圖③模擬電路圖CH1路表筆測輸出測量端，通過移動游標(biāo)，測得輸出與信號源的幅值和相位關(guān)系，直接得〔二〕試驗內(nèi)容本次試驗利用教學(xué)試驗系統(tǒng)供給的頻率特性測試虛擬儀器進(jìn)展測試，畫出對象波特圖。1．試驗對象的構(gòu)造框圖2．模擬電路圖開環(huán)傳函為：11.01.01+=SSSG閉環(huán)傳函：101010011.01.0122++=++=ΦSSSSS得轉(zhuǎn)折頻率srad10=ω，阻尼比5.0=ξ。四、試驗步驟此次試驗，承受直接測量方法測量對象的閉環(huán)波特圖及間接測量方法測量對象的開環(huán)波特圖。將信號源單元的“ST”插針分別與“S”插針和“+5V”插針斷開，運放的鎖零掌握端“ST”此時接至示波器單元的“SL”插針處，鎖零端受“SL”來掌握。試驗過程中“SL”信號由虛擬儀器自動給出。1．試驗接線：按模擬電路圖3.1-5接線，檢查無誤前方可開啟設(shè)備電源。2將示波器單元的“SIN ”接至圖 3.1-5中的信號輸入端，“CH1”路表筆插至圖3.1-5中的4＃運放的輸出端。翻開集成軟件中的頻率特性測量界面，彈出時域窗口，點擊按鈕，在彈出的窗口中依據(jù)需要設(shè)置好幾組正弦波信號的角頻率和幅值，選擇測量方式為“直接”測量，每組參數(shù)應(yīng)選擇適宜的波形比例系數(shù)，具體如以下圖所示:(3)確認(rèn)設(shè)置的各項參數(shù)后，點擊按鈕，發(fā)送一組參數(shù)，待測試完畢，顯示時域波形，此時需要用戶自行移動游標(biāo)，將兩路游標(biāo)同時放置在兩路信號的相鄰的波峰(波谷)處，或零點處，來確定兩路信號的相位移。兩路信號的幅值系統(tǒng)將自動讀出。重復(fù)操作(3)，直到全部參數(shù)測量完畢。待全部參數(shù)測量完畢后，點擊按鈕，彈出波特圖窗口，觀看所測得的波特圖，該圖由假設(shè)干點構(gòu)成，幅頻和相頻上同一角頻率下兩個點對應(yīng)一組參數(shù)下的測量結(jié)果。依據(jù)所測圖形可適當(dāng)修改正弦波信號的角頻率和幅值重測量，到達(dá)滿足的效果。3．間接測量方法：(測對象的開環(huán)波特圖)將示波器的“CH1”接至3＃運放的輸出端，“CH2”接至1＃運放的輸出端。按直接測量的參數(shù)將參數(shù)設(shè)置好，將測量方式改為間接測量。此時相位差是指反響信號和誤差信號的相位差，應(yīng)將兩根游標(biāo)放在反響和誤差信號上。測得對象的開環(huán)波特圖如下：4．留意：測量過程中要去除運放本身的反相的作用，即保持兩路測量點的相位關(guān)系與運放無關(guān)，所以在測量過程中可能要適當(dāng)參加反相器，濾除由運放所導(dǎo)致的相位問題。測量過程中，可能會由于所測信號幅值衰減太大，信號很難讀出，須放大，假設(shè)放大的比例系數(shù)不適宜，會導(dǎo)致測量誤差較大。所以要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整誤差或反響比例系數(shù)。五、試驗結(jié)果分析1、直接測量：2、間接測量：七、試驗心得通過本次試驗，我把握了波特圖的繪制方法及由波特圖來確定系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)，把握了試驗方法測量系統(tǒng)的波特圖。本次試驗讓我進(jìn)一步生疏了TD-ACC+試驗系統(tǒng)的使用，進(jìn)一步學(xué)習(xí)了虛擬儀器，更加深入地學(xué)習(xí)了自動掌握原理有關(guān)波特圖這局部的學(xué)問，更加結(jié)實地把握了相關(guān)理論學(xué)問，激發(fā)了我理論學(xué)習(xí)的興趣。試驗四離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析1.試驗?zāi)康陌盐障戕r(nóng)定理，了解信號的采樣保持與采樣周期的關(guān)系。把握采樣周期對采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響。2.試驗設(shè)備PC機一臺，TD-ACC+(或TD-ACS)教學(xué)試驗系統(tǒng)一套。試驗原理及內(nèi)容本試驗承受“采樣－保持器”LF398芯片，它具有將連續(xù)信號離散后以零階保持器輸出信號的功能。其管腳連接圖如 5.1-1所示，采樣周期T等于輸入至LF398第8腳(PU)的脈沖信號周期，此脈沖由多諧振器(由MC1555和阻容元件構(gòu)成)發(fā)生的方波經(jīng)單穩(wěn)電路(由MC14538和阻容元件構(gòu)成)產(chǎn)生，轉(zhuǎn)變多諧振蕩器的周期，即轉(zhuǎn)變采樣周期。圖5.1-2是LF398采樣－保持器功能的原理方塊圖。15.1-3所示。連續(xù)信號x(t)經(jīng)采樣器采樣后變?yōu)殡x散信號x*(t(Shannon)采樣定理指出，離散信號x*(t)可以完滿地復(fù)原為連續(xù)信號條件為：2．閉環(huán)采樣掌握系統(tǒng)(1)原理方塊圖圖5.1-4所示閉環(huán)采樣系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：從式(5.1-4)知道，特征方程式的根與采樣周期T有關(guān)，假設(shè)特征根的模均小于1，則系統(tǒng)穩(wěn)定，假設(shè)有一個特征根的模大于1，則系統(tǒng)不穩(wěn)T試驗步驟1．預(yù)備：將信號源單元的“ST”的插針和“＋5V”插針用“短路塊”短接。信號的采樣保持試驗步驟按圖5.1-3接線。檢查無誤后開啟設(shè)備電源。將正弦波單元的正弦信號(將頻率調(diào)為2.5HZ)接至LF398的輸入端“IN1”。調(diào)整信號源單元的信號頻率使“S”端的方波周期為20ms即T=20ms。用示波器同時觀測LF398的OUT1輸出和IN1輸入，此時輸出波形和輸入波形全都。(5)轉(zhuǎn)變采樣周期，直到200ms，觀測輸出波形。此時輸出波形仍為輸入波形的采樣波形，還未失真，但當(dāng)T>200ms時，沒有輸出波形，即系統(tǒng)采樣失真，從而驗證了香農(nóng)定理。閉環(huán)采樣掌握系統(tǒng)試驗步驟按圖5.1-5接線。檢查無誤后開啟設(shè)備電源。取“S”端的方波信號周期T=20ms。階躍信號的產(chǎn)生：產(chǎn)生1V的階躍信號。加階躍信號至