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1、实验六 线性定常系统的串联校正一、实验目的1. 通过实验，理解所加校正装置的结构、特性和对系统性能的影响；2. 掌握串联校正几种常用的设计方法和对系统的实时调试技术。二、实验设备同实验一。三、实验内容 1. 观测未加校正装置时系统的动、静态性能；2. 按动态性能的要求，分别用时域法或频域法（期望特性）设计串联校正装置；3. 观测引入校正装置后系统的动、静态性能，并予以实时调试，使之动、静态性能均满足设计要求；4. 利用上位机软件，分别对校正前和校正后的系统进行仿真，并与上述模拟系统实验的结果相比较。四、实验原理图6-1为一加串联校正后系统的方框图。图中校正装置Gc(S)是与被控对象Go(S)串
2、联连接。图6-1 加串联校正后系统的方框图串联校正有以下三种形式： 1) 超前校正，这种校正是利用超前校正装置的相位超前特性来改善系统的动态性能。2) 滞后校正，这种校正是利用滞后校正装置的高频幅值衰减特性，使系统在满足稳态性能的前提下又能满足其动态性能的要求。3) 滞后超前校正，由于这种校正既有超前校正的特点，又有滞后校正的优点。因而它适用系统需要同时改善稳态和动态性能的场合。校正装置有无源和有源二种。基于后者与被控对象相连接时，不存在着负载效应，故得到广泛地应用。下面介绍两种常用的校正方法：零极点对消法（时域法；采用超前校正）和期望特性校正法（采用滞后校正）。1. 零极点对消法(时域法)所
3、谓零极点对消法就是使校正变量Gc(S)中的零点抵消被控对象Go(S)中不希望的极点，以使系统的动、静态性能均能满足设计要求。设校正前系统的方框图如图6-2所示。图6-2 二阶闭环系统的方框图1.1 性能要求静态速度误差系数：KV=25 1/S，超调量：；上升时间：。1.2 校正前系统的性能分析校正前系统的开环传递函数为：系统的速度误差系数为：，刚好满足稳态的要求。根据系统的闭环传递函数求得，代入二阶系统超调量的计算公式，即可确定该系统的超调量，即，这表明当系统满足稳态性能指标KV的要求后，其动态性能距设计要求甚远。为此，必须在系统中加一合适的校正装置，以使校正后系统的性能同时满足稳态和动态性能
4、指标的要求。1.3 校正装置的设计根据对校正后系统的性能指标要求，确定系统的和。即由，求得，解得根据零极点对消法则，令校正装置的传递函数则校正后系统的开环传递函数为：相应的闭环传递函数于是有：，为使校正后系统的超调量，这里取 ， 则 ，。这样所求校正装置的传递函数为：设校正装置GC(S)的模拟电路如图6-3或图6-4(实验时可选其中一种)所示。图6-3校正装置的电路图1 图6-4校正装置的电路图2其中图6-3中 时 则有而图6-4中，时有图6-5 (a)、(b)分别为二阶系统校正前、后系统的单位阶跃响应的示意曲线。 (a) (约为63%) (b) (约为16.3%)图6-5 加校正装置前后二阶
5、系统的阶跃响应曲线2. 期望特性校正法根据图6-1和给定的性能指标，确定期望的开环对数幅频特性L()，并令它等于校正装置的对数幅频特性Lc()和未校正系统开环对数幅频特性Lo()之和，即 L()= Lc()+ Lo()当知道期望开环对数幅频特性L()和未校正系统的开环幅频特性L0()，就可以从Bode图上求出校正装置的对数幅频特性 Lc()= L()-Lo()据此，可确定校正装置的传递函数，具体说明如下：设校正前系统为图6-6所示，这是一个0型二阶系统。图6-6二阶系统的方框图其开环传递函数为：，其中 ，K=K1K2=2。则相应的模拟电路如图6-7所示。图6-7 二阶系统的模拟电路图 由于图6
6、-7是一个0型二阶系统，当系统输入端输入一个单位阶跃信号时，系统会有一定的稳态误差，其误差的计算方法请参考实验四“线性定常系统的稳态误差”。2.1 设校正后系统的性能指标如下：系统的超调量：，速度误差系数。后者表示校正后的系统为I型二阶系统，使它跟踪阶跃输入无稳态误差。 2.2 设计步骤2.2.1 绘制未校正系统的开环对数幅频特性曲线，由图6-6可得：其对数幅频特性曲线如图6-8的曲线(虚线) 所示。2.2.2 根据对校正后系统性能指标的要求，取，相应的开环传递函数为：，其频率特性为： 据此作出曲线（），如图6-8的曲线L所示。2.2.3 求因为。所以由上式表示校正装置是PI调节器，它的模拟电
7、路图如图6-9所示。图6-8 二阶系统校正前、校正后的幅频特性曲线图6-9 PI校正装置的电路图由于 其中取R1=80K（实际电路中取82K），R2=100K，C=10uF，则s， 校正后系统的方框图如图6-10所示。图6-10 二阶系统校正后的方框图图6-11 (a)、(b)分别为二阶系统校正前、后系统的单位阶跃响应的示意曲线。 (a) (稳态误差为0.33) (b) (约为4.3%)图6-11 加校正装置前后二阶系统的阶跃响应曲线五、实验步骤1. 零极点对消法(时域法)进行串联校正1.1 校正前根据图6-2二阶系统的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图6-12所
8、示。图6-12 二阶闭环系统的模拟电路图(时域法)电路参考单元为：U3、U5、U4、反相器单元在r输入端输入一个单位阶跃信号，用上位机软件观测并记录相应的实验曲线，并与理论值进行比较。1.2 校正后 在图6-12的基础上加上一个串联校正装置(见图6-3)，如图6-13所示。图6-13二阶闭环系统校正后的模拟电路图(时域法)电路参考单元为：U3、U7、U5、U4、反相器单元 其中。在系统输入端输入一个单位阶跃信号，用上位机软件观测并记录相应的实验曲线，并与理论值进行比较，观测是否满足设计要求。注：做本实验时，也可选择图6-4中对应的校正装置，此时校正装置装置使用U10、U16单元，但510K和3
9、90K电阻需用电位器来设置。2. 期望特性校正法2.1 校正前根据图6-6二阶系统的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图6-14所示。图6-14 二阶闭环系统的模拟电路图(频域法)电路参考单元为：U3、U5、U8、反相器单元在系统输入端输入一个单位阶跃信号，用上位机软件观测并记录相应的实验曲线，并与理论值进行比较。2.2 校正后在图6-14的基础上加上一个串联校正装置(见图6-9)，校正后的系统如图6-15所示。图6-15二阶闭环系统校正后的模拟电路图(频域法)注：80K电阻在实际电路中阻值可取82K。电路参考单元为：U3、U4、U5、U8、反相器单元在系统输入端输
10、入一个单位阶跃信号，用上位机软件观测并记录相应的实验曲线，并与理论值进行比较，观测和是否满足设计要求。六、实验报告要求1. 根据对系统性能的要求，设计系统的串联校正装置，并画出它的电路图；2. 根据实验结果，画出校正前系统的阶跃响应曲线及相应的动态性能指标；3. 观测引入校正装置后系统的阶跃响应曲线，并将由实验测得的性能指标与理论计算值作比较；4. 实时调整校正装置的相关参数，使系统的动、静态性能均满足设计要求，并分析相应参数的改变对系统性能的影响。七、实验思考题1. 加入超前校正装置后，为什么系统的瞬态响应会变快？2. 什么是超前校正装置和滞后校正装置，它们各利用校正装置的什么特性对系统进行校正？3. 实验时所获得的性能指标为何与设计确定的性能指标有偏差？5
