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1、2008.4.3,自动控制原理实验课,实验二:,典型系统动态性能和稳定性分析,一实验目的：,l、学习和掌握动态性能指标的测试方法（如%、tp、ts 、n 等）。 2、研究典型系统参数变化对系统动态性能和稳定性的影响。,二. 实验内容：,1、观测不同参数下二阶、三阶系统的阶跃响应，测试出时域性能指标（如%、tp、ts ），并分析其参数变化对动态性能和稳定性的影响。 2、观测增益对三阶系统稳定性的影响，找出临界稳定的增益值。,三. 实验原理：,1、典型二阶系统的方块结构图：2、典型三阶系统的方块结构图：,四、实验手段,1、利用MATLAB中的Simulink仿真软件。 2、利用ACCC-I实验台，
2、用电模拟单元，构成典型系统。 3、用实际物理模型进行控制演示：直流电机转速控制系统实验。,五实验步骤：,1、利用MATLAB中的Simulink仿真软件构成一个二阶系统，如图所示：,典型二阶系统瞬态响应指标的测试。,建立如图所示的实验方块图 。开始仿真，观测在阶跃输入信号下，典型二阶系统的输出值。根据输出波形调整“Gain”模块的增益，使输出波形呈现衰减比n:1分别为4:1和10:1时的衰减振荡状态。然后记录超调量，峰值时间， 调节时间及此时的增益值，分析系统参数对动态性能的影响。 调整“Gain”模块的增益，使呈现临界振荡时的波形，记录此时“Gain”模块的增益值，与计算的理论值相比较。,2
3、、利用MATLAB中的Simulink仿真软件构成一个三阶系统，如图所示：,典型三阶系统瞬态响应指标的测试及稳定性分析。,在典型二阶系统实验方块图的基础上，将对象串联一个惯性环节，重新连接模块，建立三阶系统的实验方块图。开始仿真，观测阶跃输入信号下典型三阶系统的输出值，根据输出的波形，调整“Gain”模块的增益，使输出波形呈现2:1衰减振荡状态。然后记录超调量，峰值时间，调节时间及此时的“Gain”模块的增益值，分析系统参数对动态性能的影响。 调整“Gain”模块的增益，观测系统输出值的波形，使波形呈现等幅震荡状态，然后记录“Gain”模块的增益值，与计算的临界稳定时的理论值相比较。 调整Ga
4、in 模块的增益，观测系统输出值的波形，使波形呈现发散震荡状态，分析系统参数对稳定性的影响。,3、利用ACCC-I实验台，用电模 拟单元，构成一个二阶系统。,照片,选用U9+U15+U11+U8模块。r(t)接AD/DA转换器上的O1，c(t)接AD/DA转换器上的采集通道I1。锁零G接G1。Rx选用U2单元中的220K电位器。实验参数参照模拟图。 打开桌面上的计控与自控文件夹中的自控lebview7.1程序，再打开时域上位机实验界面软件。显示模式：X-t。 测试信号设置实验波形为周期阶跃信号，幅值：5V（偏移0），频率：2 s（占空比90%）。点击开始/停止按钮运行软件。 改变元件参数Rx大
5、小，研究不同参数特征下的时域响应。分别得出二阶系统在过阻尼，临界阻尼，欠阻尼三种情况下的阶跃响应曲线。,4、利用ACCC-I实验台，用电模 拟单元，构成一个三阶系统。,选用U9+U15+U11+U10+U8模块。r(t)接AD/DA转换器上的O1，c(t)接AD/DA转换器上的采集通道I1。锁零G接G1。Rx选用U2单元中的220K电位器。 打开桌面上的计控与自控文件夹中的自控lebview7.1程序，再打开时域上位机实验界面软件。显示模式：X-t。 测试信号设置实验波形为周期阶跃信号，幅值：5V（偏移0），频率：10s（占空比90%）。点击开始/停止按钮运行软件。 改变元件参数Rx大小，研究
6、不同参数特征下的时域响应。分别得出二阶系统在过阻尼，临界阻尼，欠阻尼三种情况下的阶跃响应曲线。,5、对实际对象进行控制演示： 直流电机转速控制实验。,在自动控制理论实验基础上通过对实际的模拟对象进行控制，加深对理论的理解；掌握闭环控制系统的参数调节对系统动态性能的影响。,直流电机调速系统接线图,具体的实验步骤如下： 1先将ACCT-01A自动控制理论及计算机控制技术和ACCT-02物理对象，低压直流电动机调速部分面板上的电源船形开关均放在“OFF”状态。 2利用ACCT-01A实验板上的单元电路U9、U15和U11，设计并连接如图1.2所示的闭环系统。需要注意的是，运放的锁零信号G接到15V。
7、参考的实验参数为：R0=R1=R2=100K，R3=100K，R4=2M，R5=10K，C1=1F，Rf/Ri=1。,（1）将ACCT-01A面板上U1单元的可调电压（015V）接到Ug； （2）给定输出接PID调节器的输入，这里参考电路中Kd=0，R4的作用是提高PI调节器的动态特性。 （3）经PID运算后给电机驱动电路提供输入信号，即将调节器电路单元的输出接到ACCT-02面板上的低压直流电动机调速中的功率转换电路的正极输入端（IN），负极端（IN）接地； （4）功率转换的输出接到直流电机的电枢两端（实际当中已经接好了）； （5）转速测量的输出同时接到电压反馈输入端和20V电压表头的输入端
8、，由于转速测量输出的电压为正值，所以反馈回路中接一个反馈系数可调节的反相器。调节反馈系数=Rf/Ri，从而调节输出的电压Uo。,3连接好上述线路，全面检查线路后，先合上ACCT-02实验面板上的电源船形开关，再合上ACCT-01A面板上的船形开关，调整PID参数，使系统稳定，同时观测输出电压变化情况。 4在闭环系统稳定的情况下，外加干扰信号，系统达到无静差。如达不到，则根据PID参数对系统性能的影响重新调节PID参数。 5改变给定信号，观察系统动态特性。,六实验要求：,1、按照实验步骤分别用MATLAB方法和实验台电模拟方法做出二阶、三阶系统的阶跃响应曲线。 2、调整系统开环增益，使响应曲线满
9、足n:1设计要求,测试动态性能指标，记录指标数据和对应的系统参数，对二阶系统计算出理论值，并于实测值相比较。 3、绘出各种情况下的响应曲线，分析系统开环增益的变化对系统性能的影响。 4、总结实验过程，写出实验报告。,问题： 1、什么是动态性能指标？动态性能指标有哪几项？ 2、怎样判断系统的稳定性？3、临界稳定时，响应曲线是什么情况？阻尼比是多少？ 4、什么是临界振荡？,5、欠阻尼系统响应曲线是什么情况？特征根如何分布？ 6、过阻尼系统响应曲线是什么情况？特征根是否是实根？ 7、欠阻尼情况下，系统增益增大时，超调量如何变化？ 8、三阶系统的增益较大时，系统会变得不稳定，为什么？,9、有那些措施能增加系统的稳定程度？它们对系统的性能还有什么影响? 10、将二阶系统的增益调得很大，系统是否会不稳定？ 11、系统时间常数的改变，对系统的动态性能和稳定性有何影响？,
