南昌大学自动控制原理实验报告

自动控制原理实验报告实验项目：自动控制原理实验专业班级：学号：学生姓名：目录实验一典型环节的模拟研究.....................................................实验二二阶系统瞬态响应和稳定性.........................................实验三三阶系统的瞬态响应和稳定性......................................实验四一阶惯性环节的频率特性.............................................实验五二阶闭环系统的频率特性.............................................实验六二阶开环系统的频率特性.............................................实验七频域法串联超前校正.....................................................实验八频域法串联滞后校正.....................................................1实验一典型环节的模拟研究一、实验目的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的时域表达式。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表达式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、实验仪器LABACT自控原理试验机一台，装有虚拟示波器程序的计算机一台，导线若2干四、实验内容及步骤1）观察比例环节的阶跃响应曲线1.在主实验板上，用信号发生器的“阶跃信号输出”和“幅度控制电位器”构造输入信号Ui。2.根据实验书上的比例环节模拟电路图接线，构造模拟电路。3.打开虚拟示波器的界面，点击开始，运行、观察输出端Uo的实际响应曲线，改变比例系数，重新观测结果，并记录数据。2）观察惯性环节的阶跃响应曲线1.在主实验板上，用信号发生器的“阶跃信号输出”和“幅度控制电位器”构造输入信号Ui。2.根据实验书上的惯性环节模拟电路图接线，构造模拟电路。3.打开虚拟示波器的界面，点击开始，运行、观察输出端Uo的实际响应曲线。4.移动虚拟示波器横游标到4V*0.632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，量的惯性关节模拟电路时间常数T。5.改变时间常数T以及比例系数K,重新观测结果，并记录数据。3）观察积分环节的阶跃响应曲线1.为了避免积分饱和，在主实验板上，用函数发生器所产生的周期性矩形波信号代替信号发生器中的人工阶跃信号作为信号输入Ui，该信号为0输出时，将自动对模拟电路锁零。2.根据实验书上的积分环节模拟电路图接线，构造模拟电路。3.打开虚拟示波器的界面，点击开始，观测波形。4.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1V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，量的惯性关节模拟电路时间常数Ti。5.改变时间常数Ti，重新观测结果，并记录数据。4）观察比例积分环节的阶跃响应曲线1.为了避免积分饱和，在主实验板上，用函数发生器所产生的周期性矩形波信号代替信号发生器中的人工阶跃信号作为信号输入Ui，该信号为0输出时，将自动对模拟电路锁零。2.根据实验书上的比例积分环节模拟电路图接线，构造模拟电路。3.打开虚拟示波器的界面，点击开始，观测波形。4.待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到1V处，再移动另一根横游标到Kp*输入电压处，得到与积分曲线的两个交点，再移动虚拟示波器两根纵游标到两个交点，量的比例积分环节模拟电路时间常数Ti。5.改变时间常数Ti及比例系数K，重新观测结果，并记录数据。5）观察比例微分环节的阶跃响应曲线1.将函数信号发生器的矩形波输出作为输入信号Ui.2.根据实验书上的比例微分环节模拟电路图接线，构造模拟电路。3.打开虚拟示波器的界面，点击开始，观测波形。4.待完整波形出来后，移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到△V=2.7V处为止，得到与微分曲线的交点，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△t。3五、实验结果1）比例环节的阶跃响应曲线2）惯性环节的阶跃响应曲线3）积分环节的阶跃响应曲线4）比例积分环节的阶跃响应曲线5）比例微分环节的积分响应曲线六、实验心得及总结通过本次实验，加深了我对典型环节的理解，并且对典型环节的阶跃响应有了比较直观的理解。同时，也掌握了虚拟示波器的基本用法，并对课本上的知识有了更进一步的掌握，增加了我对自动控制原理一课的兴趣。4实验二二阶系统瞬态响应和稳定性一、实验目的1.了解和掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法及Ⅰ型二阶闭环系统的递函数标准式。2.研究Ⅰ型二阶闭环系统的结构参数--无阻尼振荡频率ωn、阻尼比ξ对过渡过程的影响。3.掌握欠阻尼Ⅰ型二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标Mp、tp、ts的计算。4.观察和分析Ⅰ型二阶闭环系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼的瞬态响应曲线，及在阶跃信号输入时的动态性能指标Mp、tp、ts值，并与理论计算值作比对二、实验仪器LABACT自控原理试验机一台，装有虚拟示波器程序的计算机一台，导线若干三、实验内容及步骤本实验用于观察和分析单位阶跃二阶系统瞬态响应和稳定性。开环传递函数：)1()(TSTiSKSG闭环传递函数标准式：2222)(1)()(nnnSSSGSGs自然频率（无阻尼振荡频率）：TiTKn阻尼比：KTTi21超调量：%100Me21P峰值时间：2np1t有二阶闭环系统模拟电路如图一所示。它由积分环节（A2）和惯性环节（A3）构成。。图一Ⅰ型二阶闭环系统模拟电路图一的二阶系统模拟电路的各环节参数及系统的传递函数：积分环节（A2单元）的时间积分常数Ti=R1*C1=1S惯性环节（A3单元）的惯性时间常数T=R2*C2=0.1S该闭环系统在A3单元中改变输入电阻R来调整增益K，R分别设定为4k、40k、100k。当R=100k，K=1ξ=1.581为过阻尼响应，当R=40k，K=2.5ξ=1为临界阻尼响应，5当R=4k，K=25ξ=0.3160ξ1为欠阻尼响应。欠阻尼二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态指标Mp、tp、ts的计算：（K=25、=0.316、n=15.8）（1）用信号发生器的‘阶跃信号输出’和‘幅度控制电位器’构造输入信号Ui。（2）按照实验书上的I型二阶闭环系统的模拟电路图接线，构造模拟电路。（3）打开虚拟示波器的界面，点击开始，运行、观察输出端Uo的实际响应曲线。（4）分别改变比例系数K，惯性时间常数T，积分时间常数Ti，重新观测结果，并记录数据。四、实验结果1.改变比例系数K理论值和实际值R/ΩMp%tp/st/sMp%tp/sts/s4K35.50.220.7335.120.210.60140K/1.590.945//0.6100K/4.962.68//0.6T=0.1,Ti=1测量值计算值表一输出端C(t)的系统阶跃响应：分别将（A11）中的直读式可变电阻调整到4K、40K、100K，用示波器观察在三种增益K下，A6输出端C(t)的系统阶跃响应，分别见下图：图二R=4K图三R=40K图四100K2.改变时间积分常数Ti实验值和理论值6惯性时间常数T=0.1，惯性环节增益K=25，R=4K，C2=1u，重新观测结果，记录超调量MP，峰值时间tp和调节时间ts，见下表:2T=0.1,R=4K,C=1u,K=25TiMp%tp/sts/s计算值测量值计算值测量值计算值测量值0.548.57420.1440.180.5990.62135.1235.50.210.220.6010.73实验图图五Ti=0.5,T=0.1,R=4K图六Ti=13.改变惯性时间常数T实验值和理论值时间积分常数Ti=1，惯性环节增益K=25，R=4K，C1=2u，重新观测结果，记录超调量MP，峰值时间tp和调节时间ts，见表三。Ti=1,R=4K,C1=2u,K=25TMp%tp/sts/s计算值测量值计算值测量值计算值测量值0.248.6445.50.28830.281.21.24135.1235.50.210.220.6010.73实验图图七T=0.1图八T=0.2五、实验心得及总结通过本次实验，我对二阶系统有了一个更加清晰的了解，同时，也掌握了无阻尼振荡角频率和阻尼比对二阶系统响应的影响。掌握了二阶系统的阶跃响应的暂态性能各项性能指标的计算及其物理意义。7实验三三阶系统的瞬态响应和稳定性一、实验目的1.了解和掌握典型三阶系统模拟电路的构成方法及Ⅰ型三阶系统的传递函数表达式。2.熟悉劳斯（ROUTH）判据使用方法。3.应用劳斯（ROUTH）判据，观察和分析Ⅰ型三阶系统在阶跃信号输入时，系统的稳定、临界稳定及不稳定三种瞬态响应。二、实验仪器LABACT自控原理试验机一台，装有虚拟示波器程序的计算机一台，导线若干三．实验内容及步骤实验电路图本实验用于观察和分析三阶系统瞬态响应和稳定性。Ⅰ型三阶闭环系统模拟电路如图3-1-8所示。它由积分环节（A2）、惯性环节（A3和A5）构成。Ⅰ型三阶闭环系统模拟电路图图一的Ⅰ型三阶闭环系统模拟电路的各环节参数及系统的传递函数：积分环节（A2单元）的积分时间常数Ti=R1*C1=1S，惯性环节（A3单元）的惯性时间常数T1=R3*C2=0.1S，K1=R3/R2=1惯性环节（A5单元）的惯性时间常数T2=R4*C3=0.5S，K2=R4/R=500k/R该系统在A5单元中改变输入电阻R来调整增益K，R分别为30K、41.7K、100K。闭环系统的特征方程为：0202012,0)(123KSSSSG特征方程标准式：0322130aSaSaSa由ROUTH判据，得系统不稳定系统临界稳定系统稳定41.7KΩR12K41.7KΩR12K7.4112K0KRⅠ型三阶闭环系统模拟电路图见图一，分别将（A11）中的直读式可变电阻调整到30K、41.7K、100K，跨接到A5单元（H1）和（IN）之间，改变系统开环增益进行实验。实验步骤(1)用信号发生器的‘阶跃信号输出’和‘幅度控制电位器’构造输入信号Ui。(2)根据模拟电路图接线，构造模拟电路。8(3)打开虚拟示波器的界面，点击开始，运行、观察输出端Uo的实际响应曲线。（4）改变时间常数，重新观测结果，并记录数据。四、实验结果图一R=100kC2=C3=1u图二R=41.7kC2=C3=1uf图三R=30kC2=C3=1uf图四R=100kC2=2ufC3=1uf图五R=41.7kC2=2ufC3=1uf图六R=30.0kC2=2ufC2=1uf图七R=100kC2=1ufC3=2uf图八R=41.7kC2=1ufC3=2uf五、实验总结及心得通过本次实验，我掌握了典型三阶系统模拟电路的构成方法及Ⅰ型三阶系统9的传递函数表达式。熟悉了劳斯判据的使用方法。学会了应用劳斯判据观察和分析Ⅰ型三阶系统在阶跃信号输入时，系统的稳定、临界稳定及不稳定三种瞬态响应。使我们对劳斯判据的运用更加的灵活。10实验四一阶惯性环节的频率特性曲线一、实验要求了解和掌握对数幅频曲线和相频曲线（波德图）、幅相曲线（奈奎斯特图）的构造及绘制方法。二、实验仪器LABACT自控原理试验机一台，装有虚拟示波器程序的计算机一台，