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1、控制工程基础实验报告院系名称： 机电工程学院 专业班级： 机械 09-3 班 学生姓名： 王贺 学号： 2009041302 指导教师： 赵弘 完成日期 2012 年 6 月 6 日实验一实验一 典型环节及其阶跃响应典型环节及其阶跃响应实验目的实验目的 1学习构成典型环节的模拟电路。 2熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对典型环节动态特性的影响。 3学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。 4熟悉仿真分析软件。 实验内容实验内容 各典型环节的模拟电路如下：1. 比例环节12)(RRsG2. 惯性环节RCTTssG1)(3. 积分环节12 21)(RRKCRTTsKsG4. 微分环节
2、RCssG)(改进微分环节 1)(12 CsRCsRsG5. 比例微分环节)41 ()(212sCR RRsG实验步骤实验步骤 1用 Workbench 连接好比例环节的电路图，将阶跃信号接入输入端，此时使用理想运放; 2用示波器观察输出端的阶跃响应曲线，测量有关参数;改变电路参数后，再重新测量,观察曲线的变化。3 将运放改为实际元件，如采用“LM741“,重复步骤 2。 4 记录波形和数据。 5 仿真其它电路，重复步骤 2，3，4。实验总结实验总结 通过这次实验，我对典型环节的模拟电路有了更加深刻的了解,也熟悉了各种典型环节的阶跃响应曲 线，了解参数变化对典型环节动态特性的影响；熟悉仿真分析
3、软件。这对以后的控制的学习有很大的帮 助。实验二实验二 二阶系统阶跃响应二阶系统阶跃响应实验目的实验目的1 研究二阶系统的两个重要参数阻尼比 和无阻尼自然频率 n 对系统动态性能的影响。 2 学会根据阶跃响应曲线确定传递函数，熟悉二阶系统的阶跃响应曲线。实验内容实验内容二阶系统模拟电路如图：思考：如何用电路参数表示 和 n 1)/(1)(12222RCsRRsCRsG实验步骤实验步骤1 在 workbench 下连接电路图；将阶跃信号接入输入端，用示波器观测记录响应信号； 2取 n=10rad/s,即令 R=100K,C=1uf：分别取 =0，0.25,0.5,0.7,1,2, 即取 R1=1
4、00K,考虑 R2 应 分别取何值，分别测量系统阶跃响应，并记录最大超调量 p%和调节时间 ts。 3 取 =0.5，即 R1=R2=100K；n=100rad/s，即取 R=100K，C=0.1uf，注意：两个电容同时改变， 测量系统阶跃响应，并记录最大超调量 p%和调节时间 ts。 4 取 R=100K，C=1uf，R1=100K，R2=50K，测量系统阶跃响应，记录响应曲线，特别要记录最大超调 量 p%和调节时间 ts 的数值。 5 记录波形及数据。 6. 取 C=1nF，比较理想运放和实际运放情况下系统的阶跃响应。实验分析实验分析由实验可知：二阶系统的阶跃响应的超调量 p 与 n 无关
5、：在 0， 越大，ts 越rr大。实验总结实验总结 通过本次实验，我研究二阶系统的两个重要参数阻尼比 和无阻尼自然频率 n 对系统动态性能的 影响，同时学会根据阶跃响应曲线确定传递函数，熟悉二阶系统的阶跃响应曲线。基本完成实验任务。实验三 控制系统的稳定性分析实验目的实验目的 1 观察系统的不稳定现象。 2 研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。 实验电路图实验电路图 系统模拟电路如图：其开环传递函数：RCTRRKTsssKsG, 2/3) 1)(11 . 0(10)(实验步骤实验步骤 1.在 workbench 下连接电路图；将阶跃信号接入输入端，用示波器观测记录响应信号； 2 输入信号
6、电压设置为 1V，C=1uf，改变电位器 R3，使之从 0 向 500K 方向变化，此时相应 K=0-100。 观察输出波形，找到系统输出产生增幅振荡时相应的 R3 及 K 值；再把 R3 由大变小，找出系统输出产生 等幅振荡时相应的 R3 及 K 值。 3使系统工作在不稳定状态，即工作在等幅振荡情况，电容 C 由 1uf 变成 0.1u，观察系统稳定性的变化。4 记录波形及数据。R3=130K 时时R3=110K 时时当当 R3=76K 时时当当 C=0.1K 时时R3=76KR3=110K 实验分析实验分析C=1uf 时系统闭环传递函数: RCTRRKKsssKsG, 2/310) 11
7、. 0)(11 . 0(10)(系统特征方程：0102 . 001. 023Ksss由劳斯判据系统稳定条件：K0 且 10K*0.01=2 时，系统含有实部大于 0 的极点，根据稳定性判剧，当系统有一个或一个以上实部大于 0 的极点时系统不稳定。实验结论实验结论 通过这次实验，观察系统的不稳定现象，了解系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。由闭环传 函的劳斯判据，可以观察到开环增益对系统稳定性的影响。我们通过这次试验，对上课所讲的不稳定现 象有了很深的了解，对劳斯判据的应用有了实际的运用，这对以后的控制知识的学习有很大的意义。实验四 系统频率特性测量实验目的实验目的 1. 加深了解系统频率特性
8、的物理概念； 2. 掌握系统频率特性的测量方法； 3. 观察典型环节的频响图。 实验内容实验内容 模拟电路图如下:若输入信号 Ui(t)=UiSint,则在稳态时，其输出信号为 Uo(t)=UoSin(t+)。改变输入信号角频率 值，便可测得二组 Uo/Ui 和 随 变化的数值，这个变化规律 就是 系统的幅频特性和相频特性。系统传递函数为：2/310010100)(2RRKKssKsG实验步骤实验步骤 1 连接电路图；将函数发生器信号接入输入端，用示波器观测记录响应信号； 2 在函数发生器参数设置一栏中，置输入信号为正弦波，改变输入频率参数，分别设 =0.1,0.5,1,3,5,7,10,20
9、,30,40,50。 3 运行仿真命令，观察输出波形及其幅值和相位差。 4 改变输入频率参数，重复步骤 2 和 3，期间改变幅值项参数，以使输出波形达到最佳。 5将 C=0.01uF,观察系统的 Bode 图；改变运放的型号（LM741） ，观察 Bode 图。=0.1=0.5=1=3=5=7=10=20=30=40=50=5=7=10=20=30=40=50实验总结实验总结 通过本次实验，了解了系统频率特性的物理概念并且初步掌握系统频率特性的测量方法，观察典型 环节的频响图，成功的完成实验要求的内容。实验五 开环频率特性与系统性能的关系实验目的实验目的 1观察两类不同类型的开环频率特性与系统
10、性能的关系； 2检验中频段的形状对系统动态性能的影响； 3了解低频段的大时间常数和高频段的小时间常数对系统性能的影响。 实验原理实验原理由于开环对数频率特性比较容易求得，因而建立它与系统性能之间的关系对控制系统的分析和设计 十分有用。利用电子模拟实验可以更好突出主要因素，避免实际系统中存在的次要因素的影响。同时利用电子 模拟装置，参数的改变比较方便，更利于进行实验研究。为了便于研究，本实验选择两种典型的开环模型：第一类系统的开环模型(图 A5.1)、 第二类系统的开环模型(图 A5.2)。很多实际系统具有与它们相似的特性。图 A51 图 A52图 A51 所示开环模型的传递函数为 ) 1)(1
11、()(21STsTsKsQ其中 w11/T1，w2=1/T2。实现上述传递函数，可采用如图 A5.3 的模拟线路。图 5.3 由图可得 K=K1K2K3, K1=1/R1/C1,K2R3/R2, K3=R5/R4，T1=R3C2, T2=R5C3而图 A5.2 所示开环模型的传递函数为其中 w1=1/T1, w2=1/T2, w3=1/T3 ) 1)(1() 1()(312 STsTssTKsQ采用图 A5.4 所示的模拟实验线路可获得该开环模型的传递函数。图 A5.4 由图可得 K=K1K2K3, K1=1/R1/C1,K2R3/R2, K3=R6/R5， Tl(R3+R4)C2，T2R4C
12、2, T3R6C3通过改变 R、C 参数，可得到不同形状的开环频率特性。同时观测输出电压的阶跃过 渡过程，即可研究二者之间的相互关系。 实验内容实验内容 l. 第一类系统开环频率特性的形状与系统性能的关系 采用图 A5.3 的实验线路。取 Rl50k，Cl1uF，R220k，C21uF，R320k，R350k，C30.1uF，R450k。(1)测量输出 Uy 的阶跃响应，求出 和 ts 。(2)取 R410k，其余参数同上。重复步骤(1)。 2第二类系统中频段斜率为一 20dB10 倍频的长度 h=w3/w2 与系统性能的关系。采用图 A5.4 的实验线路，取 Rl10k，Cl1uF，R250
13、k，Rd20k，R3(即开路，相当于 wl0，即暂不考虑 w1 的影响，以突出 h 与系统性能的关系)，C2 分别等于 1uF，1.65uF，2uF,3.3uF 四 种情况，R520k，R650k，C30.1uF。对于每种情况分别测量输出 Uy 的阶跃响应，并求出 和 ts。图 A5.5对于 C22uF 的情况，测量闭环幅频特性峰值 Mr|M(jw)|max 和谐振频率 wr。 3开环对数频率特性形状一定的情况下，开环放大倍数与系统性能的关系。仍用图 A5.4 的实验线路。取 C22uF，R5 分别等于 100k，50k，20k,l0k,其余参数同实验内容 2。 对于每种情况测量输出 Uy 的
14、阶跃响应，并求出 和 ts 4低频段大时间常数 Tl 对系统性能的影响。采用图 A5.4 的实验线路。取 C22uF，R3 分别为开路和 100k 两种情况，其余参数同实验内容 2。对于每种情况测量输出 Uy 的阶跃响应，并求出 和 ts。 改变输入信号为三角波，观察系统稳态误差。 5高频段小时间常数对系统性能的影响按图 A5.5 所示的实验线路接线。分别让 C 为开路、0.33uF 和 1uF 三种情况。分别测量 Uy 的阶跃响应， 求出 和 ts 。12 3U112 3U212 3U3R150kohmR250kohmR320kohmR520kohmC11uFC21uFC30.1uFR610
15、0kohmR7100kohmR8100kohmR9100kohmR1050kohmABTGXSC1XFG1=-3.0302V ts=302.6635m当 R3=50 12 3U112 3U212 3U3R150kohmR250kohmR320kohmR550kohmC11uFC21uFC30.1uFR6100kohmR7100kohmR8100kohmR9100kohmR1050kohmABTGXSC1XFG1当 R4=10 12 3U112 3U212 3U3R150kohmR250kohmR320kohmR520kohmC11uFC21uFC30.1uFR6100kohmR7100kohmR8100kohmR9100kohmR1010kohmABTGXSC1XFG1=-4.3638V ts=119.7263m12 3U112 3U212 3U3R110kohmR210kohmR350kohmC11uFC23.3uFC30.1uFR650kohmR7100kohmR8100kohmR9100kohmR1020kohmABTGXSC1XFG1R420kohm=-1.9018V ts=232.7404m实验总结实验总结 这次实验，我们观察了两类不同类型的开环频率特性与系统性能的关系，检验中频段的形状对系统
