自动控制原理实验指导书.docx
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自动控制原理实验指导书
实验一二阶系统阶跃响应
一、实验目的
1.研究二阶系统的特征参数,阻尼比和无阻尼自然频率n对系统动态性能的影响。
定量分析和n与最大超调量Mp和调节时间tS之间的关系。
2.进一步学习实验系统的使用方法
3.学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。
二、实验仪器
1.EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台
2.PC计算机一台
三、实验原理
1.模拟实验的基本原理:
控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节,即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节,然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来,便得到了相应的模拟系统。
再将输入信号加到模拟系统的输入端,并利用计算机等测量仪器,测量系统的输出,便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。
若改变系统的参数,还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。
2.域性能指标的测量方法:
超调量Ó%:
1)启动计算机,在桌面双击图标[自动控制实验系统]运行软件。
2)测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。
如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。
3)连接被测量典型环节的模拟电路。
电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输
出,电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。
检查无误后接通电源。
4)在实验课题下拉菜单中选择实验二[二阶系统阶跃响应]。
5)鼠标单击实验课题弹出实验课题参数窗口。
在参数设置窗口中设置相应的
实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。
6)利用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值,带入下式算出超调
量:
YMAX-Y∞
Ó%=——————×100%
Y∞
TP与TP:
利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达95%稳态值所需的时间值,便可得到TP与TP。
四、实验内容
典型二阶系统的闭环传递函数为
2n
(S)=
(1)
s2+2ns+2n
其中和n对系统的动态品质有决定的影响。
构成图2-1典型二阶系统的模拟电路,并测量其阶跃响应:
图2-1二阶系统模拟电路图
电路的结构图如图2-2:
图2-2二阶系统结构图
系统闭环传递函数为
(2)
式中T=RC,K=R2/R1。
比较
(1)、
(2)二式,可得
n=1/T=1/RC
=K/2=R2/2R1(3)
由(3)式可知,改变比值R2/R1,可以改变二阶系统的阻尼比。
改变RC值可以改变无阻尼自然频率n。
今取R1=200K,R2=100K和200K,可得实验所需的阻尼比。
电阻R取100K,电容C分别取1f和0.1f,可得两个无阻尼自然频率n。
五、实验步骤
1.连接被测量典型环节的模拟电路。
电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出,电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。
检查无误后接通电源。
2.启动计算机,在桌面双击图标[自动控制实验系统]运行软件。
3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。
如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。
4.在实验课题下拉菜单中选择实验二[二阶系统阶跃响应],鼠标单击该选项弹出实验课题参数窗口。
5.取n=10rad/s,即令R=100K,C=1f;分别取=0.5、1、2,即取R1=100K,R2分别等于100K、200K、400K。
输入阶跃信号,测量不同的时系统的阶跃响应,并由显示的波形记录最大超调量Mp和调节时间Ts的数值和响应动态曲线,并与理论值比较。
6.取=0.5。
即电阻R2取R1=R2=100K;n=100rad/s,即取R=100K,改变电路中的电容C=0.1f(注意:
二个电容值同时改变)。
输入阶跃信号测量系统阶跃响应,并由显示的波形记录最大超调量p和调节时间Tn。
7.取R=100K;改变电路中的电容C=1f,R1=100K,调节电阻R2=50K。
输入阶跃信号测量系统阶跃响应,记录响应曲线,特别要记录Tp和p的数值。
8.测量二阶系统的阶跃响应并记入表中:
实验结果
参数
σ%
tp(ms)
ts(ms)
阶跃响应曲线
R=100K
C=1μf
ωn=10rad/s
R1=100K
R2=0K
ζ=0
R1=100K
R2=50K
ζ=0.25
R1=100K
R2=100K
ζ=0.5
R1=50K
R2=200K
ζ=1
R1=100K
C1=C2=0.1μf
ωn=100rad/s
R1=100K
R2=100K
ζ=0.5
R1=50K
R2=200K
ζ=1
六、实验报告要求
1.简述实验目的、仪器、原理、内容和步骤
2.画出二阶系统的模拟电路图,讨论典型二阶系统性能指标与ζ,ωn的关系。
3.把不同和n条件下测量的σ%、tp和ts值列表,要求表格绘制规整,数据测量准确。
4.绘制二阶系统的阶跃响应曲线,直线要用尺子绘制,响应曲线严格按实验曲线的形状绘制,并要标出稳态值、最大值、峰值时间、调整时间等关键数据点。
5.进行数据分析,由σ%、tp计算出传递函数,并与由模拟电路计算的传递函数相比较。
七、预习要求
1.阅读实验原理部分,掌握时域性能指标的测量方法。
2.按实验中二阶系统的给定参数,计算出不同ζ、ωn下的性能指标的理论值。
实验二系统频率特性测量
一、实验目的
1.加深了解系统及元件频率特性的物理概念。
2.掌握系统及元件频率特性的测量方法。
3.掌握利用“李沙育图形法”测量系统频率特性的方法。
二、实验仪器
1.EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台
2.PC计算机一台
3.双踪示波器一台
三、实验原理
频率特性的测量方法:
(1)将正弦信号发生器、被测系统和示波器按图4-1连接起来。
将示波器X和Y
图3-1频率特性测量电路
轴的输入选择开关,均打在“DC”输入状态,并调整X和Y轴的位移,使光点处于萤光屏上的坐标原点上。
(2)选定信号发生器的频率,调节其输出衰减,使被测系统在避免饱和的情况下,输出幅度尽可能大。
然后调节示波器的X和Y轴输入幅值选择开关,使在所取信号幅度下,图象尽可能达到满刻度。
(3)根据萤光屏上的刻度及输入幅值选择开关指示的伏/格数,算出2Xm、2Yn及2ym,并进一步计算幅值比和相位差。
为读数方便,可将示波器X轴输入X-Y开关打在工作状态,使光点在荧光屏上只作垂直运动,此时可方便地读出2Ym。
同理,也可方便地读出2Xm。
四、实验内容
1.
模拟电路图及系统结构图分别如图3-2和图3-3。
图4-2系统模拟电路图
图3-3系统结构图
2.系统传递函数取R3=500k,则系统传递函数为
U2(S)500
G(S)==
U1(S)S2+10S+500
若输入信号U1(t)=U1sint,则在稳态时,其输出信号为
U2(t)=U2sin(t+)
改变输入信号角频率值,便可测得二组U2/U1和随变化的数值,这个变化规律就是系统的幅频特性和相频特性。
五、实验步骤
1.连接被测量典型环节的模拟电路。
电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出,电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。
检查无误后接通电源。
2.启动计算机,在桌面双击图标[自动控制实验系统]运行软件。
3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。
如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。
测频率图
4.选中[实验课题→系统频率特性测量→手动方式]菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。
参数设置完成后点确认等待观察波形,如图4-4所示。
图3-4手动方式测量波特图
测波特图
5.在测量波特图的过程中首先应选择[实验课题→系统频率特性测量→自动方式→数据采集]采集信息。
如图4-5所示
图3-5数据采集
6.待数据采样结束后点击[实验课题→系统频率特性测量→自动方式→波特图观测]即可以在显示区内显示出所测量的波特图。
测奈氏图
7.在测量波特图的过程中首先应选择[实验课题→系统频率特性测量→自动方式→数据采集]采集信息。
8.待数据采样结束后点击[实验课题→系统频率特性测量→自动方式→奈氏图观测]即可以在显示区内显示出所测量的奈氏图。
9.按下表所列频率,测量各点频率特性的实测值并计算相应的理论值。
F
(Hz)
ω
(rad/s)
理论值
实测值
L(db)
Xm
Ym
L(db)
李沙育图
1
2
3
3.5
4
5
6
六、实验报告
1.简述实验目的、仪器、原理、内容和步骤
2.画出被测系统的结构图和模拟电路图。
3.将测量数据列表填入,并计算出理论值。
4.画出被测系统的开环L(ω)曲线与φ(ω)曲线,要求与实测形状完全一致并标出测量点的数据。
5.进行数据分析。
根据L(ω)和φ(ω)曲线求系统的相角裕度,并据此判断系统的稳定性
七、预习要求
1.阅读实验原理部分,掌握李沙育图形法的基本原理及频率特性的测量方法。
2.画出被测系统的开环L(ω)曲线与φ(ω)曲线。
3.按表中给出格式选择几个频率点,算出各点频率特性的理论值。
实验三连续系统串联校正
一、实验目的
1.加深理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用。
2.对给定系统进行串联校正设计,并通过模拟实验检验设计的正确性。
二、实验仪器
1.EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台
2.PC计算机一台
三、实验内容
1.串联超前校正
(1)系统模拟电路图如图4-1,图中开关S断开对应未校情况,接通对应超前校正。
图4-1超前校正电路图
(2)系统结构图如图4-2
图5-2超前校正系统结构图
图中Gc1(s)=2
2(0.055s+1)
Gc2(s)=
0.005s+1
2.串联滞后校正
(1)模拟电路图如图5-3,开关s断开对应未校状态,接通对应滞后校正。
图4-3滞后校正模拟电路图
(2)系统结构图示如图4-4
图4-4滞后系统结构图
图中Gc1(s)=10
10(s+1)
Gc2(s)=
11s+1
3.串联超前—滞后校正
(1)模拟电路图如图5-5,双刀开关断开对应未校状态,接通对应超前—滞后校正。
图4-5超前—滞后校正模拟电路图
(2)系统结构图示如图5-6。
图4-6超前—滞后校正系统结构图
图中Gc1(s)=6
6(1.2s+1)(0.15s+1)
Gc2(s)=
(6s+1)(0.05s+1)
四、实验步骤
1.启动计算机,在桌面双击图标[自动控制实验系统]运行软件。
2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。
如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。
超前校正
3.连接被测量典型环节的模拟电路(图5-1)。
电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出,电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。
检查无误后接通电源。
4.开关s放在断开位置。
5.选中[实验课题→连续系统串联校正→超前校正]菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。
系统加入阶跃信号。
参数设置完成后鼠标单击确认测量系统阶跃响应,并记录超调量p和调节时间ts。
6.开关s接通,重复步骤5,将两次所测的波形进行比较。
并将测量结果记入下表中:
超前校正系统
指标
校正前
校正后
阶跃响应曲线
δ%
Tp(秒)
Ts(秒)
滞后校正
7.连接被测量典型环节的模拟电路(图4-3)。
电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出,电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。
检查无误后接通电源。
8.开关s放在断开位置。
9.选中[实验课题→连续系统串联校正→滞后校正]菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。
系统加入阶跃信号。
参数设置完成后鼠标单击确认测量系统阶跃响应,并记录超调量p和调节时间ts。
10.开关s接通,重复步骤9,将两次所测的波形进行比较。
并将测量结果记入下表中:
滞后校正系统
指标
校正前
校正后
阶跃响应曲线
δ%
Tp(秒)
Ts(秒)
超前--滞后校正
11.连接被测量典型环节的模拟电路(图5-5)。
电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出,电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。
检查无误后接通电源。
12.开关s放在断开位置。
13.选中[实验课题→连续系统串联校正→超前滞后校正]菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。
系统加入阶跃信号。
参数设置完成后鼠标单击确认测量系统阶跃响应,并记录超调量p和调节时间ts。
14.开关s接通,重复步骤13,将两次所测的波形进行比较。
并将测量结果记入下表中:
超前-滞后系统
指标
校正前
校正后
阶跃响应曲线
δ%
Tp(秒)
Ts(秒)
五、实验报告
1.计算串联校正装置的传递函数Gc(s)和校正网络参数。
2.画出校正后系统的对数坐标图,并求出校正后系统的ω′c及ν′。
3.比较校正前后系统的阶跃响应曲线及性能指标,说明校正装置的作用。
六、预习要求
1.阅读实验二的实验报告,明确校正前系统的ωc及ν。
2.计算串联超前校正装置的传递函数Gc(s)和校正网络参数,并求出校正后系统的ω′c及ν′。
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