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1、自动控制原理实验指导书池州学院机械与电子工程系目 录实验一、典型线性环节的模拟 .1实验二、二阶系统的阶跃响应 .5实验三、根轨迹实验 .8实验四、频率特性实验 .11实验五、控制系统设计与校正实验 .16实验六、控制系统设计与校正计算机仿真实验 .18实验七、采样控制系统实验 .20实验八、典型非线性环节模拟 .22实验九、非线性控制系统分析 .25实验十、非线性系统的相平面法 .281实验一、典型线性环节的模拟一、实验目的:1、学习典型线性环节的模拟方法。2、研究电阻、电容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。二、实验设备:1、XMN-2 型实验箱;2、LZ2 系列函数记录仪;3、万用表。三、
2、实验内容:1、比例环节:-Kp R(s) C(s) - + c(t) r(t) Ri Rf Rp op1 方块图 模拟电路图中: ifP分别求取 Ri=1M,R f=510K, ( KP=0.5) ;Ri=1M,R f=1M, ( KP=1) ;Ri=510K,R f=1M, (K P=2) ;时的阶跃响应曲线。2、积分环节:sTi1 R(s) C(s) - + c(t) r(t) Ri Cf Rp Op3 方块图 模拟电路图中:T i=RiCf分别求取 Ri=1M,C f=1, (T i=1s) ;Ri=1M,C f=4.7, (T i=4.7s) ;) ;2Ri=1M,C f=10, (T
3、 i=10.0s) ;时的阶跃响应曲线。3、比例积分环节:)1(sTKi R(s) C(s) - + c(t) r(t) Ri Cf Rp Op3 Rf 方块图 模拟电路图中: ;T i=RfCfifP分别求取 Ri=Rf=1M,C f=4.7, (K P=1,T i=4.7s) ;Ri=Rf=1M,C f=10, (K P=1,T i=10s) ;Ri=2M, Rf=1M, Cf=4.7, (K P=0.5,T i=4.7s) ;时的阶跃响应曲线。4、比例微分环节:1sTKfdp R(s) C(s) - + c(t) r(t) Ri C Rp Op3 Rf 1 2 方块图 模拟电路图中: ;
4、 ;T f=R2Ci1fPRRffd 122分别求取 Ri=Rf=R1=R2=1M,C =2, (K P=2,T d=3.0s) ;Ri=2M,R f=R1=R2=1M,C f=2, (K P=1,T d=3.0s) ;Ri=2M, Rf=R1=R2=1M,C f=4.7, (K P=1,T d=7.05s) ;时的阶跃响应曲线。5、比例积分微分环节:3sTKfdiP1 R(s) C(s) - + c(t) r(t) Ri C Rp Op2 Rf 1 2 Cf 方块图 模拟电路图中: + ;T i=(Rf+R1)Cf+(R1+R2)C;i1fPRfCi2;T f=R2CT21f1f2d求取 R
5、i=4M,R f=R1=R2=1M,C =Cf=4.7, (K P=1,T i=18.8s,T d=3.525s)时的阶跃响应曲线。6、一阶惯性环节:1TsK R(s) C(s) - + c(t) r(t) Ri Rf Rp op1 Cf 方块图 模拟电路图中: ;T =RfCfifP分别求取 Ri=Rf=1M,C f=1, (K=1,T=1s ) ;Ri=Rf=1M,C f=4.7, (K=1,T=4.7s ) ;Ri=510K,R f=1M, Cf=4.7, (K=2,T=4.7s ) ;时的阶跃响应曲线。四、实验结果记录上述实验曲线。五、实验结果分析41、对给定的电路结构和参数计算阶跃响
6、应;2、将实验结果与计算结果对照,对实验的满意度进行分析;3、根据电路参数分析计算系统响应,与实验数据对照分析测试误差原因;4、提高精度的方法和措施(或建议) ; 5、实验体会。六、思考题1、设计一个能满足 e1+e2+e3=e 运算关系的实用加法器;2、一阶惯性环节在什么条件下可视为积分环节;在什么条件可视为比例环节?3、如何设置必要的约束条件,使比例微分环节、比例积分微分环节的参数计算工作得以简化?5实验二、二阶系统的阶跃响应一、实验目的:1、学习二阶系统阶跃响应曲线的实验测试方法。2、研究二阶系统的两个重要参数、 n 对阶跃瞬态响应指标的影响。二、实验设备:1、XMN-2 型实验箱;2、
7、LZ2 系列函数记录仪;3、万用表。三、实验内容:典型二阶系统方块图R(s) C(s) E(s) - n2 典型二阶系统方块图其闭环传递函数 22)(nssRCn无阻尼自然频率; 阻尼比;T= 时间常数n1模拟电路 c(t) - + r(t) R C Rp Op1 - + R C Rp Op2 - + 10K 10K Rp Op9 + - Rp 10K Rf 6运算放大器的运算功能:(op1)积分 ;RCTs,1(op2)积分 ;,(op9)反相(-1) ;(op6)反相比例 ;ifRK,(rad/s) ;RCTn1ifK21、调整 Rf=40K,使 K=0.4( =0.2) ;取 R=1M,
8、C=0.47,使 T=0.47 秒( n=1/0.47) ,加入单位阶跃扰动 r(t)=1(t)V,记录响应曲线 c(t),记作。2、保持=0.2 不变,阶跃扰动 r(t)=1(t)V 不变,取 R=1M,C=1.47,使 T=1.47 秒( n=1/1.47) ,加入单位阶跃扰动 r(t)=1(t)V,记录响应曲线 c(t),记作。3、保持=0.2 不变,阶跃扰动 r(t)=1(t)V 不变,取 R=1M,C=1.0,使 T=1.0 秒( n=1/1.0) ,加入单位阶跃扰动 r(t)=1(t)V,记录响应曲线 c(t),记作。4、保持 n=1/1.0 不变,阶跃扰动 r(t)=1(t)V
9、不变,调整 Rf=80K,使 K=0.8 秒( =0.4) ,记录响应曲线 c(t),记作。5、保持 n=1/1.0 不变,阶跃扰动 r(t)=1(t)V 不变,调整 Rf=200K,使 K=2.0 秒( =1.0) ,记录响应曲线 c(t),记作。四、实验结果记录上述实验曲线。五、实验结果分析1、根据电路的结构和参数计算阶跃响应;2、将实验结果与计算结果对照,对实验的满意度进行分析;3、根据电路参数分析计算系统响应,与实验数据对照分析测试误差原因;4、提高精度的方法和措施(或建议) ; 5、实验体会。六、思考题1、设计一个能满足 e1+e2+e3=e 运算关系的实用加法器;2、一阶惯性环节在
10、什么条件下可视为积分环节;在什么条件可视为比例环节?3、如何设置必要的约束条件,使比例微分环节、比例积分微分环节的参数计算工作得以简化?7实验三、根轨迹实验一、实验目的:1、掌握根轨迹的意义;2、掌握控制系统根轨迹的绘制方法。二、实验设备:1、计算机;2、数据采集卡;3、MATLAB 软件。三、实验内容:1、预备知识MATLAB 绘制根轨迹命令;建立数学模型参数矩阵:numerator=b 0,b1,b2,bm; denominator=a0,a1,a2,an;zeropoint=z1,z2,zm;poles=p 1,p2,pn;k=k;系统传递函数:system=tf(numerator,
11、denominator)=zpk(z,p,k);绘制开环系统的零极点图:z,p=pzmap(system)=pzmap(numerator, denominator)=pzmap(p,z);绘制闭环根轨迹命令:r,k=rlocus(system)=rlocus(numerator, denominator)= rlocus(numerator, denominator,k);确定给定一组根的根轨迹增益命令:k,poles=rlocfind(system)= rlocfind(system,p)=rlocfind(numerator, denominator);2、根据实际物理系统建立数学模型;
12、设数学模型为 22)(nssG3、改变系统参数绘制系统根轨迹;输入系统参数:w= n=1;b=0.5;建立数学模型:numerator= n;denominator=1,2* n,1;G=tf(numerator, denominator);则G(s)= 12s4、绘制系统根轨迹,输入命令:rlocus(G)5、微分二阶系统的根轨迹输入系统参数:w= n=2;b=0.5;8建立数学模型:number=2 ,1;den=4,5,6 ;G=tf(number,den);则 6412)(ssG输入命令:rlocus(G) ,制系统根轨迹;6、针对作业题绘制根轨迹7、记录根轨迹图例:绘制单位反馈控制系统 65412)(ssG的根轨迹。输入命令:a=2,1;b=4,5,6;g=tf(a,b);rlocus(g);则绘制出的根轨迹如下图所示。试绘制如下系统的根轨迹。1、 )4()*skGH2、 )202s3、 5)()(2*sk4、 1GH四、实验结果记录上述实验曲线。五、实验结果分析91、根据数学模型和根轨迹绘制规