北航自动控制实验三2014最新最全

成绩自动控制原理实验报告控制系统串联校正学院自动化科学与电气工程学院专业方向测试与控制班级120323学号xxx学生姓名xxx指导教师张军香2014年12月自动控制原理实验报告自动控制与测试教学实验中心2实验三控制系统串联校正一、实验目的1.了解和掌握串联校正的分析和设计方法。2.研究串联校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响。二、实验内容1、设计串联超前校正，并验证。2、设计串联滞后校正，并验证。三、实验原理1.系统结构如图所示：图3-1其中𝐺𝐶（s）为校正环节，可放置在系统模型中来实现，也可使用模拟电路的方式来实现。2.系统模拟电路图如图：利用模拟电子电路知识可知：第一个集成运放构成比例器，输出与输入关系为：U1(S)U𝑖(S)=−𝑅2𝑅1=-1第二个集成运放构成积分器，输出与输入关系为：U2(S)U1(S)=−1R3∗C1∗S=1s第三个集成运放构成一个一阶惯性系统，输出与输入关系为：UC(S)U2(S)=R5/R4R5C2S+1=4S+1自动控制原理实验报告自动控制与测试教学实验中心3则可以得到参数为𝑅1=𝑅3=𝑅2=𝑅6=100KΩ，𝑅5=1MΩ，𝑅4=250KΩ,𝐶1=10μF,𝐶2=1μF3.未加校正时𝐺𝐶(s)=14、加串联超前校正时GC(s)=aTS+1TS+1，a1给定a=2.44，T=0.26，则GC(s)=0.63S+10.26S+15、加串联滞后校正时GC(s)=bTS+1TS+1，0b1给定a=0.12，T=83.33，则GC(s)=10S+183.33S+1四、实验设备1、HHMN-1型电子模拟机一台。2、PC机一台。3、数字万用表一块。五、实验步骤1、将各运算放大器接成比例器，通电调零。断开电源，按照系统结构图和系统传递函数计算电阻和电容的取值，并按照模拟线路图搭接线路，不用的运算放大器接成比例器。2、将D/A1与系统输入端U连接，将A/D1与系统输出端U连接3、分别完成不加校正、加入超前校正、加入滞后校正的实验。在系统模型上的“ManualSwitch”处可设置系统是否加入校正环节，在“𝐺𝐶（s）”处可设置校正环节的传递函数。4、绘制以上三种情况时系统的波特图和阶跃响应曲线。5.分析实验数据，就理论值与实测值的差异进行分析，说明误差产生的原因六、实验结果处理（一）阶跃响应图像和波特图（1）不加校正自动控制原理实验报告自动控制与测试教学实验中心4（2）加串联超前校正自动控制原理实验报告自动控制与测试教学实验中心5（2）加串联滞后校正自动控制原理实验报告自动控制与测试教学实验中心6（二）实验数据处理（1）理论推导：①截止角频率：对数频率幅频特性曲线上，L（W）=0时对应的W为截止角频率W𝑐②相稳定裕度γ：对数频率特性曲线上，相当于L（w）=20lg|G（jw）H(jw)|=0处，对应相频∠G（jw）H(jw)与-π的差角，即γ=∠G（jw）H(jw)-(-180)=180+∠G（jw）H(jw)③模稳定裕度h：对数频率特性曲线上，相当于∠G（jw）H(jw)=-π处，对应的对数幅频的绝对值，即h(dB)=20lgh=20lg|1G(jw)H(jw)|=-20lg|G(jw)H(jw)|（2）实验数据处理表格控制系统串联校正研究指标校正调节时间s超调量%截止频率（rad/s）相稳定裕度(度)模稳定裕度不加校正5.99245.581.8828加超前校正2.23122.522.3847.23加滞后校正15.23118.230.44954.90（3）实验数据分析从上面表格中数据可知，对于调节时间ts来说，加入超前校正后，调节时间缩短，而对于串联滞后校正后，调节时间增长；对于超调量来说，加入超前校正和滞后校正后，超调量都减小；对于截止频率来说，加入超前校正后，截止频率增大，而串联滞后校正后，截止频率减小；对于相稳定裕度来说，加入超前校正和滞后校正后，相稳定裕度都增大；对于模稳定裕度来说，不论串不串超前校正或滞后校正，模稳定裕度都为无穷大。这是自动控制原理实验报告自动控制与测试教学实验中心7因为只有对于系统开环传递函数满足如下形式：G（s）=aTS+1TS+1∗1s∗4S+1,其频率特性响应G（jw）=aTjw+1Tjw+1∗1jw∗4jw+1,当且仅当w=,此时相角∠G（jw）H(jw)=-π，而此时|G（jw）|=0，所以模值裕度h(dB)=20lgh=20lg|1G(jw)H(jw)|=-20lg|G(jw)H(jw)|=七、实验误差分析由实验过程可知，由于波特图是用matlab仿真出来的，为理论值，所以没有误差。而调节时间和超调量为实时测量，存在一定的误差。（1）定量分析采用数字SIMULINK仿真，可以画出系统的理论阶跃响应。从理论阶跃响应图中得到系统的理论调节时间和理论超调量。如下表所示未加校正超前校正滞后校正调节时间实际值t1/s5.9922.23115.231调节时间理论值t2/s5.611.9915.41调节时间误差16.8%12.11%1.16%超调量实际值145.5822.5218.23超调量理论值244.44%22.61%20.08%超调量误差22.56%0.398%9.21%误差计算公式如下：1=1−211002=121100（2）误差原因定性分析对于实验误差，可能是由于测试过程中可变电阻的调节上不是很精确。以及连接线路上接触不好及温度影响等原因有微小的干扰造成误差。八、实验结论与感想通过实验上面实验分析可知，当一个系统串联超前校正后，可以提高系统的快速性，并且可是稳定裕度增大，改善系统的振荡性能，但其抗高频干扰能力降低。而当系统串联滞后校正时，系统的快速性减低，衰减很慢，但同时系统稳定裕度和振荡性都得到改善。所以在实际系统中一般将两者结合使用，从而充分综合两者的优点。总的来说通过这个实验加深了我们对于控制系统串联校正的理解，使我通过实验验证了我们所学的知识。当然整个实验做得还算比较理想。虽然这是最后动手操作的自控实验了，但我希望自己在以后的学习中能够继续保持做实验时的严谨态度，将这种态度带到生活、学习，使自己能够做的更好。同时很感激张老师在这三次实验中给予我的指导和帮助，祝您身体健康、工作顺利。