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1、 自 动 控 制 原 理 实 验 报 告 册 班级： 391513 学号： 39151324 姓名： 廖志祥 2011 年 12 月 39151324 廖志祥 2 目 录 实验一 一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试 . 3 实验二 频率响应测试 . 10 实验三 控制系统串联校正 . 15 39151324 廖志祥 3 实验一 一、二阶系统的电子模拟 及时域响应的动态测试 一、 实验目的 1、 了解一、二阶系统阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系。 2、 学习在电子模拟机上建立典型环节系统模型的方法。 3、 学习阶跃响应的测试方法。 二、 实验内容 1、 建立一阶系统的电子模型，
2、观测并记录在不同时间常数 T 时的阶跃响应曲 线，并测定其过渡过程时间 Ts。 2、 建立二阶系统的电子模型，观测并记录在不同阻尼比时的阶跃响应曲线， 并测定其超调量及过渡过程时间。 三、实验原理 1一阶系统： 系统传递函数为： (s)= 模拟运算电路如图1- 1所示： 图 1- 1 由图 1-1得 在实验当中始终取R2= R1，则K=1，T= R2C取不同的时间常数T分别为： 0.25、 0.5、1 2二阶系统: 其传递函数为： 令 n=1弧度/秒，则系统结构如图1-2所示： 39151324 廖志祥 4 图1-2 根据结构图，建立的二阶系统模拟线路如图1-3所示： 图1-3 取R2C1=1
3、 ，R3C2 =1，则 及 取不同的值 =0.25 , =0.5 , =0.707， =1 四、实验步骤 1熟悉HHMN-1 型电子模拟机的使用方法，将各运算放大器接成比例器，通电调零。 2断开电源，按 照实验说明书上的条件和要求，计算电阻和电容的取值，按照模拟线路图搭接线 路，不用的运算放大器接成比例器。 3将D/A1 与系统输入端Ui连接，将A/D1与系统输出端UO连接(此处连接必须谨慎，不可接 错)。线路接好后，经教师检查后再通电。 4在Windows XP 桌面用鼠标双击“MATLAB”图标后进入，在命令行处键入“autolab”进入实验 软件系统。 5 在系统菜单中选择实验项目，选择
4、“实验一” ，在窗口左侧选择“实验模型” ，其 它步骤察看3.2节内容。 6观测实验结果，记 录实验数据，绘制实验结果图形，填写实验数据表格，完成实验报告。 7. 研究性实验方法。 实验者可自行确定典型环节传递函数，并建立系统的SIMULINK模型，验证自动控 制理论相关的理论知识。实现步骤可察看3.3节内容。 五、实验设备 39151324 廖志祥 5 1HHMN-1型电子模拟机一台。 2PC机一台。 3数字式万用表一块。 六、实验数据表 根据实验要求选取的参数如下： 0.25 0.5 1 R2 250K 500K 1M C 1 F 1 F 1 F Ts实测 /s 0.74 1.53 3.0
5、2 Ts理论 /s 0.75 1.5 3 0.25 0.5 0.707 1.0 R4 2M 1M 0.7M 0.5M C2 1 F 1 F 1 F 1 F %实测 49 18 4 0.1 %理论 44.5 16.5 4.3 0 Ts实测 11.19 5.52 5 4.74 Ts理论 14 7 4.95 3.5 七、实验结果图 39151324 廖志祥 6 39151324 廖志祥 7 39151324 廖志祥 8 八、数据分析与结论 实验误差的最大来源在于电阻的影响，尤其是当 =0.707 时，电阻的阻值用数 字万用表测出，再接入电路，故对误差会有较大影响。而且，电源电压的微笑波动也可能对39
6、151324 廖志祥 9 实验结果产生影响。 一阶系统的调节时间与时间常数成正比，时间常数越小，条件时间也会越 小。 二阶系统的调节时间与阻尼存在反比例关系，阻尼越大，调节时间越小； 二阶系统的超调量也与时间常数存在反比例关系，阻尼越大，超调量越小，特别 的，当 =1 时，没有超调量。 39151324 廖志祥 10 实验二 频率响应测试 一、 实验目的 1. 掌握频率特性的测试原理及方法。 2. 学习根据所测定出的系统的频率特性，确定系统传递函数的方法。 二、 实验内容 1、测定给定环节的频率特性。 2、系统模拟电路图及系统结构图分别如图2-1及图2-2。 3、系统传递函数为： 取R=200
7、K ，则 取R=500K ，则 若正弦输入信号为Ui(t)=A1Sin( t),则当输出达到稳态时，其输出信号为Uo(t)=A2Sin( t+ )。改变输入信号频率 值，便可测得二组A1/A2和随f(或 )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。 三、 实验原理 1. 幅频特性即测量输入与输出信号幅值A1及A2，然后计算其比值A2/A1。 2. 实验采用“李沙育图形”法进行相频特性的测试。以下简单介绍一下这种 测试方法的原理。 39151324 廖志祥 11 设有两个正弦信号: X( t)=XmSin( t) Y( t)=YmSin( t+ ) 若以X(t)为横轴，Y(t)为纵轴
8、，而以 作为参变量，则随着 t的变化，X(t) 和Y(t)所确定的点的轨迹，将在X-Y平面上描绘出一条封闭的曲线。这个图形就 是物理学上成称为的“李萨如图形” 。 . 相位差角的求法: 对于X( t)=XmSin( t)及Y( t)= YmSin( t) 当 t=0时，有 X(0)=0 ；Y(0)=Ym Sin( ) 即 =ArcSin（Y(0)/ Ym）, 0 /2时成立。 四、 实验步骤 1、熟悉 HHMN-1 型电子模拟机的使用方法。将各运算放大器接成比例器，通 电调零。 2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 按照器接成比例器。 3将 D/A1 与系统输入端
9、Ui 连接，将 A/D1 与系统输出端 Uo 连接(此处连接 必须谨慎，不可接错)。线路接好后，经教师检查后再通电。 4在 Windows XP 桌面用鼠标双击“MATLAB”图标后进入，在命令行处键入 “autolab”进入实验软件系统。 5在系统菜单中选择实验项目，选择“实验二” ，在窗口左侧选择“实验模 型” ，其它步骤察看 3.2 节内容。 6观测实验结果，记录实验数据，绘制实验结果图形，填写实验数据表格， 完成实验报告。采用示波器（Scope）观察“输入”与“输出”波形，测定输出 和输入的正弦曲线幅值。 7研究性实验方法。 实验者可自行确定代测系统传递函数，并建立系统的 SIMULI
10、NK 模型，验证自动控制理论相关的理论知识。实现步骤可察看 3.3 节内 容。 五、实验设备 39151324 廖志祥 12 1HHMN-1型电子模拟机一台。 2PC机一台。 3数字式万用表一块。 六、实验数据表 K=2： f/Hz 0.16 0.64 1.27 1.91 2.23 2.55 3.18 3.82 4.46 5.09 /(rad/s) 1 4 8 12 14.2 16 20 24 28 32 Ac/Ar 1.01 1.08 1.29 1.51 1.42 1.19 0.72 0.47 0.31 0.24 Y0/Ym 0.05 0.21 0.52 0.91 1 0.95 0.69 0
11、.53 0.45 0.36 /() 2.87 12.4 31.2 65.0 90 109 136 148 153 159 K=5 f/Hz 0.16 0.64 1.11 1.59 2.07 2.39 2.86 3.34 3.42 3.82 /(rad/s) 1 4 7 10 13 15 18 21 22.5 24 Ac/Ar 1 1.03 1.12 1.23 1.42 1.61 2.01 2.30 2.23 1.99 Y0/Ym 0.02 0.08 0.16 0.25 0.47 0.58 0.83 0.96 1 0.95 /() 1.15 4.83 9.14 14.3 28.2 35.7 56
12、.2 74.5 88.7 108 (PS：K=5 的数据与理论值误差太大，故我又重新做了一次实验，并把实验数据记录了下来) 七、实验结果图 K=2 时， =14.2 rad/s 的图像 39151324 廖志祥 13 K=5 时 =21.5rad/s 的图像 39151324 廖志祥 14 八、数据分析与结论 试验中误差的最大来源就是电阻、电容和滑动变阻器的数值不精确，这样便 造成了递函数参数的误差。 从实验数据和图像中可以看出幅频特性和相频特性的规律， 进而验证了理论 上关于 A( )和 ( )随着 增大的变化规律。 39151324 廖志祥 15 三 控制系统串联校正 一、 实验目的 1、
13、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 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 由模拟机实现。 3.未加校正时， 。 4.加串联超前校正时， 给定，则。 5加串联滞后校正时， 给定，则。 四、实验步骤 39151324 廖志祥 16 1熟悉 HHMN-1 电子模拟机的使用方法。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
14、接成比例器。 2将 D/A1 与系统输入端 Ui 连接，将 A/D1 与系统输出端 Uo 连接(此处连接 必须谨慎，不可接错)。线路接好后，经教师检查后再通电。 3在 Windows XP 桌面用鼠标双击“MATLAB”图标后进入在命令行处键入 “autolab”进入实验软件系统。 4在系统菜单中选择实验项目，选择“实验三” ，在窗口在侧选择“实验模 型” ，其它步骤察看 3.2 节内容。 5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“Manual Switch”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。 6绘制以上三种情况时系统的波
15、特图。 7采用示波器（Scope）观察阶跃响应曲线。观测实验结果记录实验数据， 绘制实验结果图形，完成实验报告。 8 研究性实验方法。 实验者可自行确定系统传递函数， 同时设计校正环节， 并建立系统的 SIMULINK 模型，验证自动控制理论相关的理论知识。实现步骤可 察看 3.3 节内容。 五、实验设备 1HHMN-1型电子模拟机一台。 2PC机一台。 3数字式万用表一块。 六、实验数据 1.未加校正 理论：wc=2 =180-90-arctan2=26.6 实测：wc=1.88 =28 2.加超前校正 理论：wc=2.52 =180-90+arctan0.63 2.52-arctan0.262.52- arctan2.52=46.2 实测：wc=2.38 =47.4 3.加滞后校正
