实验六开环增益与零极点对系统性能的影响

实验六开环增益与零极点对系统性能的影响一．实验目的1．研究闭环、开环零极点对系统性能的影响；2．研究开环增益对系统性能的影响。二．实验内容1．搭建原始系统模拟电路，观测系统响应波形，记录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts；2．分别给原始系统在闭环和开环两种情况下加入不同零极点，观测加入后的系统响应波形，记录超调量σ%和调节时间ts；3．改变开环增益K，取值1，2，4，5，10，20等，观测系统在不同开环增益下的响应波形，记录超调量σ%和调节时间ts。三．实验步骤在实验中观测实验结果时，可选用普通示波器，也可选用本实验台上的虚拟示波器。如果选用虚拟示波器，只要运行ACES程序，选择菜单列表中的相应实验项目，再选择开始实验，就会打开虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验台上的虚拟示波器CH1、CH2两通道观察被测波形。具体用法参见用户手册中的示波器部分。1．原始二阶系统实验中所用到的功能区域：阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3。原始二阶系统模拟电路如图1-6-1所示，系统开环传递函数为：0.1(0.21)Kss，图1-6-1原始二阶系统模拟电路（1）设置阶跃信号源：A．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V”；B．将阶跃信号区的“0～5V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接；C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V”端子产生阶跃信号。（2）搭建原始二阶系统模拟电路：A．将A3的“OUT3”与A1的“IN11”、“IN13”同时连接，将A1的“OUT1”与A2的“IN21”相连接，将A2的“OUT2”与A3的“IN33”相连接；1B．按照图1-6-1选择拨动开关：图中：R1=200K、R2=200K、R3=200K、R4=100K、R5＝64K、R6=200K、R7=10K、R8=10K、C1=1.0uF、C2=1.0uF将A3的S5、S6、S10，A1的S3、S6、S9，A2的S3、S8、S13拨至开的位置；（3）连接虚拟示波器：将实验电路A2的“OUT2”与示波器通道CH1相连接。（4）输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测原始二阶系统输出响应曲线，记录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts。2．闭环极点对原始二阶系统的影响实验中所用到的功能区域：阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3、实验电路A4、实验电路A5、实验电路A6。给原始二阶系统加入闭环极点后的模拟电路如图1-6-2所示图1-6-2加入闭环极点的二阶系统模拟电路（1）设置阶跃信号源：A．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V”；B．将阶跃信号区的“0～5V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接；C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V”端子产生阶跃信号。（2）搭建加入闭环极点的二阶系统模拟电路：A．按照步骤1中的（1）、（2）搭建原始二阶系统；B．加入闭环极点环节模拟电路中的表示不同的极点环节，请分别将下表中的极点环节加入到原始二阶系统中。2极点环节极点传递函数参数值选择拨动开关1(1)sR9=200KR10=200KC3=5.0uF将A4的S5、S14拨至开的位置2(2)sR9=500KR10=500KC3=1.0uF将A5的S4、S11拨至开的位置5(5)sR9=200KR10=200KC3=1.0uF将A4的S5、S13拨至开的位置10(10)sR9=100KR10=100KC3=1.0uF将A5的S5、S13拨至开的位置320(20)sR9=50KR10=50KC3=1.0uF将A6的S4、S15拨至开的位置50(50)sR9=200KR10=200KC3=0.1uF将A4的S5、S15拨至开的位置（3）连接虚拟示波器：将实验电路Ax的“OUTX”与示波器通道CH1相连接。（4）输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测加入闭环极点的二阶系统输出响应曲线，记录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts。3．闭环零点对原始二阶系统的影响实验中所用到的功能区域：阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3、实验电路A4、实验电路A5、实验电路A6。原始二阶系统加入闭环零点后的模拟电路如图1-6-3所示图1-6-3加入闭环零点的二阶系统模拟电路（1）设置阶跃信号源：A．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V”；B．将阶跃信号区的“0～5V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接；C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V”端子产生阶跃信号。（2）搭建加入闭环零点的二阶系统模拟电路：A．按照步骤1中的（1）、（2）搭建原始二阶系统；4B．加入闭环零点环节模拟电路中的表示不同的零点环节，请分别将下表中的零点环节加入到原始二阶系统中。零点环节零点传递函数参数值选择拨动开关22sR9=30KR10=470KR11=470KC3=1.0uF将A4的S3、S10拨至开的位置55sR9=1.0KR10=200KR11=200KC3=1.0uF将A4的S4、S11拨至开的位置1010sR9=1.0KR10=100KR11=100KC3=1.0uF将A5的S2、S9拨至开的位置2020sR9=8.0KR10=41KR11=41KC3=1.0uF将A6的S1、S8拨至开的位置5050sR9=1.0KR10=100KR11=100KC3=0.2uF将A5的S3、S9拨至开的位置（3）连接虚拟示波器：5将实验电路Ax的“OUTX”与示波器通道CH1相连接。（4）输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测加入闭环零点的二阶系统输出响应曲线，记录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts。4．开环极点对原始二阶系统的影响实验中所用到的功能区域：阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3、实验电路A4、实验电路A5、实验电路A6。给原始二阶系统加入开环极点后的模拟电路如图1-6-4所示图1-6-4加入开环极点的二阶系统模拟电路（1）设置阶跃信号源：A．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V”；B．将阶跃信号区的“0～5V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接；C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V”端子产生阶跃信号。（2）搭建加入开环极点的二阶系统模拟电路：A．按照步骤1中的（1）、（2）搭建原始二阶系统；B．加入开环极点环节模拟电路中的表示不同的极点环节，请分别将下表中的极点环节加入到原始二阶系统中。6极点环节极点传递函数参数值选择拨动开关50(50)sR9=200KR10=200KC3=0.1uF将A4的S5、S15拨至开的位置（3）连接虚拟示波器：将实验电路Ax的“OUTX”与示波器通道CH1相连接。（4）输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测加入开环极点的二阶系统输出响应曲线，记录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts。5．开环零点对原始二阶系统的影响实验中所用到的功能区域：阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3、实验电路A4、实验电路A5、实验电路A6。原始二阶系统加入开环零点后的模拟电路如图1-6-5所示图1-6-5加入开环零点的二阶系统模拟电路（1）设置阶跃信号源：A．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V”；B．将阶跃信号区的“0～5V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接；C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V”端子产生阶跃信号。（2）搭建加入开环零点的二阶系统模拟电路：A．按照步骤1中的（1）、（2）搭建原始二阶系统；B．加入开环零点环节7模拟电路中的表示不同的零点环节，请分别将下表中的零点环节加入到原始二阶系统中。零点环节零点传递函数参数值选择拨动开关22sR9=30KR10=470KR11=470KC3=1.0uF将A4的S3、S10拨至开的位置55sR9=1.0KR10=200KR11=200KC3=1.0uF将A4的S4、S11拨至开的位置1010sR9=1.0KR10=100KR11=100KC3=1.0uF将A5的S2、S9拨至开的位置2020sR9=8.0KR10=41KR11=41KC3=1.0uF将A6的S1、S8拨至开的位置5050sR9=1.0KR10=100KR11=100KC3=0.2uF将A5的S3、S9拨至开的位置（3）连接虚拟示波器：将实验电路Ax的“OUTX”与示波器通道CH1相连接。8（4）输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测加入开环零点的二阶系统输出响应曲线，记录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts。6．开环增益K对二阶系统的影响实验中所用到的功能区域：阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3。二阶系统模拟电路如图1-6-6所示，系统开环传递函数为：0.1(0.11)Kss，K＝R6/R5，当R5=100K时闭环传递函数为：2222221021010nnnssss，K＝1，0.5，10n。在开环零点、极点保持不变的情况下，改变开环增益K，系统的阻尼系数和固有频率n也将发生变化，系统的特性从而改变。图1-6-6二阶系统模拟电路（1）设置阶跃信号源：A．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V”；B．将阶跃信号区的“0～5V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接；C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V”端子产生阶跃信号。（2）搭建原始二阶系统模拟电路：A．将A3的“OUT3”与A1的“IN13”相连接，将A1的“OUT1”与A2的“IN24”相连接，将A2的“OUT2”与A3的“IN33”相连接；B．按照图1-6-6选择拨动开关：图中：R1=200K、R2=200K、R3=200K、R4=50K、R5可调、R6=100K、R7=10K、R8=10K、C1=2.0uF、C2=1.0uFC．K＝R6/R5，调节R5的阻值，使K分别取值：1，2，4，5，10，20将A3的S5、S6、S10，A1的S7、S10，A2的S8、S11拨至开的位置；（3）连接虚拟示波器：将实验电路A2的“OUT2”与示波器通道CH1相连接。（4）输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测不同开环增益K下的二阶系统输出响应曲线，记录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts。四．实验结果9根据实验结果填写下表表一闭环极点对原始二阶系统的影响极点传递函数实测响应曲线超调量σ%峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值1(1)s2(2)s5(5)s10(10)s20(20)s50(50)s10表二闭环零点对原始二阶系统的影响零点传递函数实测响应曲线超调量σ%峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值22s55s1010s2020s5050s表三开环极点对原始二阶系统的影响极点传递函数实测响应曲线超调量σ%峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值50(50)s11表四开环零点对原始二阶系统的影响零点传递函数实测响应曲线超调量σ%峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值22s55s1010s2020s5050s12表五开环增益K对二阶系统的影响开环增益K实测响应曲线超调量σ%峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值K=1K=2K=4K=5K=10K=20