南昌大学自动控制理论实验报告

2014-2015-1实验报告自动控制理论学校：南昌大学院系：信息工程学院班级：姓名：学号：日期：2014.12.19目录实验一典型环节的模拟研究....................................................1实验二二阶系统瞬态响应和稳定性......................................10实验三三阶系统的瞬态响应和稳定性..................................15实验四一阶、二阶系统的频率特性......................................20实验五频率特性的时域分析..................................................41实验六频域法串联超前校正..................................................44实验七频域法串联滞后校正..................................................52实验八时域法串联比例微分校正和时域法微分反馈校正..591实验一典型环节的模拟研究一.实验要求1．了解和掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式2．观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响二．典型环节的方块图及传递函数典型环节名称方块图传递函数比例（P）K(S)U(S)U(S)GiO积分（I）TS1(S)U(S)U(S)GiO比例积分（PI）)TS11(K(S)U(S)U(S)GiO比例微分（PD）)TS1(K(S)U(S)U(S)GiO惯性环节（T）TS1K(S)U(S)U(S)GiO比例积分微分（PID）STKSTKK(S)U(S)U(S)GdpippiO三．实验内容及步骤在实验中欲观测实验结果时，可用普通示波器，也可选用本实验机配套的虚拟示波器。如果选用虚拟示波器，只要运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。具体用法参见用户手册中的示波器部分。1)．观察比例环节的阶跃响应曲线典型比例环节模拟电路如图3-1-1所示。2图3-1-1典型比例环节模拟电路实验步骤：注：‘SST’不能用“短路套”短接！（1）用信号发生器（B1）的‘阶跃信号输出’和‘幅度控制电位器’构造输入信号（Ui）：B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。阶跃信号输出（B1的Y测孔）调整为4V（调节方法：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y测孔）。（2）构造模拟电路：按图3-1-1安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线模块号跨接座号1A1S4，S7（电阻R1=100K）2A6S2，S6（3）运行、观察、记录：（注：CH1选‘×1’档。时间量程选‘×1’档）①打开虚拟示波器的界面，点击开始，按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮（0→+4V阶跃），用示波器观测A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）。②改变比例系数（改变运算模拟单元A1的反馈电阻R1），重新观测结果，填入实验报告。2)．观察惯性环节的阶跃响应曲线典型惯性环节模拟电路如图3-1-4所示。图3-1-4典型惯性环节模拟电路实验步骤：注：‘SST’不能用“短路套”短接！（1）用信号发生器（B1）的‘阶跃信号输出’和‘幅度控制电位器’构造输入信号（Ui）：B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。阶跃信号输出（B1的Y测孔）调整为4V（调节方法：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y测孔）。（2）构造模拟电路：按图3-1-4安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线模块号跨接座号1A1S4，S8，S10（电容C=1uf）2A6S2，S6（3）运行、观察、记录：（注：CH1选‘×1’档。时间量程选‘×1’档）①打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测A6输出端（Uo），按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮时（0→+4V阶跃），等待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到4V（输入）×0.6321信号输入（Ui）B1（Y）→A1（H1）2运放级联A1（OUT→A6（H1）1信号输入（Ui）B1（Y）→A1（H1）2运放级联A1（OUT）→A6（H1）3处，，得到与惯性的曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得惯性环节模拟电路时间常数T。A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）。②改变时间常数及比例系数（分别改变运算模拟单元A1的反馈电阻R1和反馈电容C），重新观测结果，填入实验报告。3)．观察积分环节的阶跃响应曲线典型积分环节模拟电路如图3-1-5所示。图3-1-5典型积分环节模拟电路实验步骤：注：‘SST’用短路套短接！（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。①在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。②量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒左右（D1单元左显示）。③调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=1V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图3-1-5安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线（3）运行、观察、记录：（注：CH1选‘×1’档。时间量程选‘×1’档）①打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测A6输出端（Uo），调节调宽电位器使宽度从0.3秒开始调到积分输出在虚拟示波器顶端（即积分输出电压接近+5V）为止。②等待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到0V处，再移动另一根横游标到ΔV=1V（与输入相等）处，得到与积分的曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）。③改变时间常数（分别改变运算模拟单元A1的输入电阻Ro和反馈电容C），重新观测结果，填入实验报告。（可将运算模拟单元A1的输入电阻的短路套（S4）去掉，将可变元件库（A11）中的可变电阻跨接到A1单元的H1和IN测孔上，调整可变电阻继续实验。）4)．观察比例积分环节的阶跃响应曲线典型比例积分环节模拟电路如图3-1-8所示.。图3-1-8典型比例积分环节模拟电路1信号输入（Ui）B5（OUT）→A1（H1）2运放级联A1（OUT）→A6（H1）模块号跨接座号1A1S4，S10（电容C=1uf）2A6S2，S63B5‘S-ST’4实验步骤：注：‘SST’用短路套短接！（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时将自动对模拟电路锁零。①在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。②量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒秒左右（D1单元左显示）。③调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=1V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图3-1-8安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线（3）运行、观察、记录：（注：CH1选‘×1’档。时间量程调选‘×1’档）①打开虚拟示波器的单迹界面，点击开始，用示波器观测A6输出端（Uo）。②待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到1V（与输入相等）处，再移动另一根横游标到ΔV=Kp×输入电压处，得到与积分曲线的两个交点。③再分别移动示波器两根纵游标到积分曲线的两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。④改变时间常数及比例系数（分别改变运算模拟单元A5的输入电阻Ro和反馈电容C），重新观测结果，填入实验报告。5)．观察比例微分环节的阶跃响应曲线典型比例微分环节模拟电路如图3-1-9所示。图3-1-9典型比例微分环节模拟电路实验步骤：注：‘SST’用短路套短接!（1）将函数发生器（B5）单元的矩形波输出作为系统输入R。（连续的正输出宽度足够大的阶跃信号)①在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。②量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒左右（D1单元左显示）。③调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=0.5V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图3-1-9安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线（3）运行、观察、记录：CH1选‘×1’档。时间量程选‘／4’档。①打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测系统的A6输出端（Uo），响应曲线见图3-1-10。等待完整波形出来后，把最高端电压（4.77V）减去稳态输出电压（0.5V），然后乘以0.632，得到ΔV=2.7V。②移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到ΔV=2.7V处为止，得到与微分的指数曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得Δt=0.048S。1信号输入（Ui）B5（OUT→A5（H1）2运放级联A5（OUT）→A6（H1）模块号跨接座号1A5S4，S8，S9（电容C=2uf）2A6S2，S63B5‘S-ST’模块号跨接座号1A4S4，S92A6S2，S63B5‘S-ST’1信号输入(Ui)B5（OUT）→A4（H1）2运放级联A4（OUT）→A6（H1）5③已知KD=10，则图3-1-9的比例微分环节模拟电路微分时间常数：0.48StKTDD6)．观察PID（比例积分微分）环节的响应曲线PID（比例积分微分）环节模拟电路如图3-1-11所示。图3-1-11PID（比例积分微分）环节模拟电路实验步骤：注：‘SST’用短路套短接！（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时将自动对模拟电路锁零。①在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。②量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度0.1秒左右（D1单元左显示）。③调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=0.2V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图3-1-11安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线模块号跨接座号1A2当电阻R1=10K时S1，S72A6S2，S63B5‘S-ST’（3）运行、观察、记录：（CH1选‘×1’档。时间量程选‘／4’档）①打开虚拟示波器的单迹界面，点击开始，用示波器观测A6输出端（Uo）。②等待完整波形出来后，移动虚拟示波器两根横游标使之ΔV=Kp×输入电压，，得到与积分的曲线的两个交点。③再分别移动示波器两根纵游标到积分的曲线的两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。注意：该实验由于微分的时间太短，较难捕捉到，必须把波形扩展到最大（/4档），但有时仍无法显示微分信号。定量观察就更难了，因此，建议用一般的示波器观察。④改变时间常数及比例系数（分别改变运算模拟单元A2的输入电阻Ro和反馈电阻R1），重新观测结果，填入实验报告。1信号输入（Ui）B5（OUT）→A2（H1）2运放级联A2（OUT）→A6（H1）6实验截图78910实验二二阶系统瞬态响应和稳定性一．实验要求1.了解和掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法及Ⅰ型二阶闭环系统的传递函数