202306車輛工程專業(yè)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

202406車輛工程專業(yè)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書《自動(dòng)掌握原理》課程試驗(yàn)指導(dǎo)書

主編田玉冬

適用專業(yè)：車輛工程

上海電機(jī)學(xué)院

2024年06月

名目

前言(2)

試驗(yàn)規(guī)章(3)

試驗(yàn)一典型環(huán)節(jié)的時(shí)域響應(yīng)試驗(yàn)(4)

試驗(yàn)二典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性分析試驗(yàn)(6)

試驗(yàn)三掌握系統(tǒng)的頻率特性分析試驗(yàn)(9)

前言

《自動(dòng)掌握原理》是車輛工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是國(guó)內(nèi)各院校相應(yīng)專業(yè)的主干課程。

當(dāng)前，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展趨勢(shì)既高度綜合又高度分化，這要求高等院校培育的高校生，既要有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，又要有嚴(yán)格的工程技術(shù)訓(xùn)練，不斷提高的試驗(yàn)討論力量、分析計(jì)算力量、總結(jié)歸納力量和解決各種實(shí)際問題的力量。21世紀(jì)要求培育“制造型、開發(fā)型、應(yīng)用型”人才，這就對(duì)我們?cè)囼?yàn)教學(xué)提出了新的考驗(yàn)。自動(dòng)掌握原理課程的理論性較強(qiáng)，因此在學(xué)習(xí)本課程時(shí)，開設(shè)必要的試驗(yàn)，對(duì)同學(xué)加深理解深化把握基本理論和分析方法，培育同學(xué)分析問題、解決問題的力量，以及使抽象的概念和理論形象化、詳細(xì)化，對(duì)增加學(xué)習(xí)的愛好有極大的好處，做好本課程的試驗(yàn)，是學(xué)好本課程的重要教學(xué)幫助環(huán)節(jié)。

自動(dòng)掌握原理試驗(yàn)系統(tǒng)是為《自動(dòng)掌握原理》的教學(xué)試驗(yàn)特地研制的，是師生科研的有利工具。它具有直觀、操作敏捷等便于培育同學(xué)試驗(yàn)技能的優(yōu)點(diǎn)，為充分發(fā)揮同學(xué)獨(dú)立思索力量和主觀能動(dòng)性。試驗(yàn)指導(dǎo)書明確要求試驗(yàn)前做好有關(guān)理論計(jì)算或分析，而試驗(yàn)步驟通常是原則性的。試驗(yàn)中可能遇到的主要問題則列在思索題內(nèi)以引起同學(xué)的留意。

《自動(dòng)掌握原理試驗(yàn)》是該課程的課內(nèi)試驗(yàn)，總計(jì)6學(xué)時(shí)。本課程試驗(yàn)主要完成線性連續(xù)系統(tǒng)方面的試驗(yàn)共三個(gè)。試驗(yàn)主要以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)、以操作觀看檢測(cè)為主，在試驗(yàn)中應(yīng)主要熟識(shí)自動(dòng)掌握系統(tǒng)的時(shí)頻分析，熟識(shí)各部件的安裝位置，把握工作的原理及檢測(cè)方法。在完成試驗(yàn)后，需寫出具體的試驗(yàn)報(bào)告，包括試驗(yàn)方法、試驗(yàn)過程和結(jié)果、心得和體會(huì)等。

試驗(yàn)規(guī)章

試驗(yàn)前要做好充分預(yù)備，試驗(yàn)進(jìn)行中才能有條不紊的進(jìn)行操作、觀看和測(cè)量擬訂的各量，以達(dá)預(yù)期的效果。試驗(yàn)應(yīng)集中思想、細(xì)心操作、留意平安，否則難以達(dá)到預(yù)期的效果，甚至損壞儀器設(shè)備或造成人身事故。

1．試驗(yàn)前必需仔細(xì)預(yù)習(xí)，作好充分的預(yù)備，以保證明驗(yàn)?zāi)苡行Ф槷?dāng)?shù)倪M(jìn)行。預(yù)習(xí)要求搞清晰試驗(yàn)的目的、要求、設(shè)備性能、試驗(yàn)原理和試驗(yàn)步驟。

2．試驗(yàn)按預(yù)定的步驟進(jìn)行，做好后經(jīng)老師的檢查允后方可啟動(dòng)或通電試驗(yàn)。

3．試驗(yàn)做完后，應(yīng)自行檢查數(shù)據(jù)等結(jié)果，并與理論相對(duì)比，分析試驗(yàn)結(jié)果，做好試驗(yàn)報(bào)告。

4．試驗(yàn)做完后，工具不要亂放，擦潔凈后，整理好裝入工具箱內(nèi)。

5．試驗(yàn)時(shí)發(fā)生事故，切勿慌張失措，首先切斷電源，保持現(xiàn)場(chǎng)，由老師檢查處理。

6．要愛惜國(guó)家財(cái)產(chǎn)，正確使用試驗(yàn)設(shè)備，如有損壞要添表上報(bào)，并聽候處理，特殊是操作不當(dāng)或使用不當(dāng)者，要部分或全部賠償。

7．嚴(yán)禁動(dòng)與本次試驗(yàn)無(wú)關(guān)的儀器、儀表等。

8．每次做完試驗(yàn)后，各組輪番打掃試驗(yàn)室，以保持清潔。

試驗(yàn)一典型環(huán)節(jié)的時(shí)域響應(yīng)試驗(yàn)

一、目的與要求

把握典型環(huán)節(jié)模擬電路的構(gòu)成方法，了解各環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線和參數(shù)變化對(duì)典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性的影響。

二、試驗(yàn)設(shè)備

計(jì)算機(jī)、自動(dòng)掌握原理試驗(yàn)系統(tǒng)、Matlab軟件、萬(wàn)用表、示波器。

三、試驗(yàn)內(nèi)容

1、比例（P）環(huán)節(jié)：其方塊圖如圖1-1A所示。

其傳遞函數(shù)為：

比例環(huán)節(jié)的模擬電路如圖1-1B所示。

分別記錄Ri=1M，Rf=510K；Ri=1M，Rf=1M；Ri=510K，Rf=1M時(shí)的階躍響應(yīng)曲線。

2、積分（I）環(huán)節(jié)：

其方塊圖如圖1-2A所示。

其傳遞函數(shù)為:

積分環(huán)節(jié)的模擬電路如圖1-2B所示。

分別記錄Ri=1M，Cf=1μF；Ri=1M，Cf=4.7μF；Ri=1M，Cf=10μF時(shí)的階躍響應(yīng)曲線。

3、比例積分（PI）環(huán)節(jié)。

其方塊圖如圖所示。

詳細(xì)見教材。

其傳遞函數(shù)為：見教材。

比例積分環(huán)節(jié)的模擬電路如圖1-3B所示。

其中：K=R1/R0T=R0C

分別記錄Ri=Rf=1M，Cf=4.7μF；Ri=Rf=1M，Cf=4.7μF；Ri=Rf=1M，Cf=10μF時(shí)的階躍響應(yīng)曲線。

五、復(fù)習(xí)思索題

1、繪制一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，并分析其性能。

2、推導(dǎo)模擬電路的閉環(huán)傳遞函數(shù)Y（s）/X（s）？

3、確定R、C、Rf、Ri與自然振蕩角頻率和阻尼比之間的關(guān)系。若模擬試驗(yàn)中Y（t）的穩(wěn)態(tài)值不等于階躍輸入函數(shù)X（t）的幅度，分析主要緣由可能是什么？

試驗(yàn)二典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性分析試驗(yàn)

一、目的與要求

通過測(cè)定典型系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，性能指標(biāo)。

二、試驗(yàn)設(shè)備

計(jì)算機(jī)、自動(dòng)掌握原理試驗(yàn)系統(tǒng)、Matlab軟件、萬(wàn)用表、示波器。

三、試驗(yàn)內(nèi)容

1、典型二階系統(tǒng)方框圖為：

其閉環(huán)傳遞函數(shù)：

Wn----無(wú)阻尼振蕩角頻率；（Wn=1/T=1/RC）

ξ---阻尼比；(ξ=K/2=Rf/(2Ri))

模擬電路圖為：

2、參數(shù)調(diào)整：

（1）調(diào)整Rf=40K,使K=0.4(即ξ=0.2)；取R=1M,C=0.47μ,使T=0.47秒（Wn=1/0.47），加入階躍擾動(dòng)X(t)=2(t)V,記錄階躍響應(yīng)曲線，記作①；

（2）保持ξ=0.2不變，階躍擾動(dòng)不變，取R=1M,C=1.0μ，使T=1.0秒（Wn=1/1.0），記

錄階躍響應(yīng)曲線，記作②；

（3）保持Wn=1/1.0不變、階躍擾動(dòng)不變，調(diào)整Rf=80K,使K=0.8(即ξ=0.4)，記錄階躍響應(yīng)曲線，記作③；

（4）保持Wn=1/1.0不變、階躍擾動(dòng)不變，調(diào)整Rf=100K,使K=1.0(即ξ=1.0)，記錄階躍響應(yīng)曲線，記作④；

3、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的模擬電路如下圖所示：

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖為：

4、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的試驗(yàn)參數(shù)調(diào)整：

（1）取C1=C2=C3=0.47uF，求該三階系統(tǒng)的臨界開環(huán)比例系數(shù)Kj1，方法如下：

1）電位器Rw置于最大（470K）。

2）加入Xr=0.5v的階躍輸入信號(hào)。

3）調(diào)整Rw使系統(tǒng)輸出Xc呈等幅振蕩。

4）保持Rw不變，斷開反饋線，維持輸入幅值不變（輸入單階躍信號(hào)），測(cè)取系統(tǒng)開環(huán)輸出值Xck。則：Kj1=Xck/Xr

（2）系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K對(duì)穩(wěn)定性的影響：

1）適當(dāng)調(diào)整Rw，觀看K增大；K減小時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)曲線。

2）記錄當(dāng)K=0.5Kj1時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)曲線。

3）記錄當(dāng)K=1.25Kj1時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)曲線。

（3）驗(yàn)證時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開原理：

取T=0.47秒，T1=T/n；T2=T；T3=nT。

1）求取該系統(tǒng)在n=2時(shí)的臨界開環(huán)放大系數(shù)Kj2，記錄此時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)曲線。

2）記錄該系統(tǒng)在n=5；K=Kj2時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)曲線。

3）記錄該系統(tǒng)在n=1；K=Kj2時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)曲線。

四、復(fù)習(xí)思索題

1、繪制典型二階欠阻尼系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，并進(jìn)行性能分析。

2、依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果：總結(jié)開環(huán)比例系數(shù)K準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)T影響系統(tǒng)穩(wěn)定的規(guī)律。

3、三階系統(tǒng)的各時(shí)間常數(shù)怎樣組合時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性最好？怎樣組合時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性最差？

試驗(yàn)三掌握系統(tǒng)的頻率特性分析試驗(yàn)

一、目的與要求

學(xué)會(huì)掌握系統(tǒng)頻率特性測(cè)試方法，和特性分析。

二、試驗(yàn)設(shè)備

計(jì)算機(jī)、自動(dòng)掌握原理試驗(yàn)系統(tǒng)、Matlab軟件、萬(wàn)用表、示波器

三、試驗(yàn)內(nèi)容

1、典型二階系統(tǒng)方框圖為：

其閉環(huán)傳遞函數(shù)：

其中：Wn----無(wú)阻尼振蕩角頻率；（Wn=1/T=1/RC）

ξ---阻尼比；(ξ=K/2=Rf/(2Ri))

模擬電路圖與試驗(yàn)二相同.

2、參數(shù)調(diào)整：

（1）選定R、Rf、C值，使Wn=1，ξ=0.2取R=1M,C=1μ，Rf=40K,；

（2）輸入X（t）=Xsinwt，穩(wěn)態(tài)時(shí)，其響應(yīng)為Y（t）=Ysin（wt+Ψ）；

（3）轉(zhuǎn)變輸入信號(hào)的頻率；使W分別等于0.2、0.4、0.6、0.8、0.9、1.2、1.4、1.6、2.0、

3.0（rad/s）穩(wěn)態(tài)時(shí)，分別記錄X（t）、Y（t），記錄序號(hào)依次為①、②、③、④、⑤、⑥、

⑦、⑧、⑨、⑩、（11）；

3、整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如下表所示：