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自控实验指导
目录
实验一典型环节及系统性能模拟………………………………………………2
实验二自动控制系统的稳定性和稳态误差分析………………………………8
实验三系统频率特性的测试……………………………………………………12
实验四自动控制系统性能的校正………………………………………………14
附录ZK—III型自动控制原理模拟实验系统使用说明……………………16
实验一典型环节及系统性能模拟
一、实验目的
1了解ZK—III型自动控制原理实验系统的功能,掌握其操作使用方法;
2熟悉并定性验证各种典型环节和系统的阶跃响应曲线;
3了解参数变化对典型环节和系统动态性能的影响。
二、实验仪器
1ZK—III型自动控制原理实验系统一台;
2接插线若干。
三、实验步骤
1实验系统的“测试准备”处于压下状态,Ui为负阶跃信号,其值为负的3V左右;
2先接一反相器电路(如图一所示),其
输入接负阶跃信号,输出接“测试启动”和
直流信号的“输入1”端。
3将负阶跃信号接在实验线路的输入端,
再将实验线路的输出端接直流信号的“输入
2”端;
4选择适当的“采样时间”和“量程”,图一反相器
按一下“复位”键,仪器即做好了测试准备;
5重复测量时先关断“负阶跃信号”,再
按一下“复位”键即可。
;
6电位器顺时针调节阻值增大;
7整个实验系统共地,实验系统内部地线
可以不接。
四、实验内容图二比例环节
1.比例环节
传递函数G(S)=K,其中:
K=R2/R1。
①按图二所示将实验线路接好;
②“采样时间”选0.5S,
“量程”选6V,按一下“复位”键,
仪器已经做好了测试准备;
③打开“负阶跃信号”开关,观察并记录输出波形;
④关掉“负阶跃信号”,调节R2的大小后,再按一下“复位”键,然后打开“负阶跃信号“开关,观察输出的变化情况,并记录
波形。
2.积分环节
传递函数G(S)=1/TS,其中:
T=R1×C。
①按图三所示接好线路,并将积分电容的两
端并到“放电”的两端;
②采样时间选0.5S,量程选12V;图三积分环节
③在输入端加上“负阶跃信号”,观察输出的动态过程并记录输出波形;
④改变电容C,了解参数的变化对输出波形的影响,观察并记录波形。
3.惯性环节
传递函数G(S)=K/(TS+1)。
其中:
K=R2/R1,T=R2×C。
①按图四所示接好线路;
②采样时间选1S,量程选6V;
③在输入端加上“负阶跃信号”,观察
并记录输出的波形;
④分别改变参数R2和C,观察对输出
波形的影响。
并记录波形。
4.比例微分环节图四惯性环节
传递函数G(S)=K(1+τS)。
其中:
K=R2/R1,τ=R1×C。
①按图五所示接好线路;
②采样时间选0.5S,量程选6V;
③在输入端加上“负阶跃信号”,观察
并记录输出的波形;图五比例微分环节
④分别改变参数R2和C,观察对输出波
形的影响。
并记录波形;
⑤去除电阻R1,并将电容C的两端分别
接到“放电”的两端,记录理想微分环节的输出波形。
5.比例积分环节
传递函数G(S)=K(1+1/TS)。
其中:
K=R2/R1,T=R2×C。
1
按图六所示接好线路,并将电容的
两端并到“放电”的两端;
②采样时间选0.5S,量程选12V;
2在输入端加上“负阶跃信号”,观察
并记录输出的波形;
3分别改变参数R2和C,观察对输出波
形的影响。
并记录输出波形。
图六比例积分环节
6.比例微分积分环节
传递函数G(S)=K(1+τS)(1+1/TS)。
其中:
K=R2/R1,τ=R1C1,T=R2×C2。
1
按图七所示接好线路,电容C1选2.2μ,
并将电容C2的两端并到“放电”的两端;
②采样时间选0.5S,量程选12V;
2在输入端加上“负阶跃信号”,观察
并记录输出的波形;
④改变参数R2,观察对输出波形的影响。
并记录波形。
图七比例微分积分环节
7.一阶系统
1按图八所示接好线路;
2负阶跃信号调成负3V,加到系统输入端,
打开负阶跃信号,观察系统的输出波形
并记录之;
③改变系统参数C观察其对系统输出波形的影响。
8.二阶系统图八一阶系统
⑴典型二阶系统
①按图九所示接好线路(将R1电阻调到最大),在输入端加上负阶跃信号,观察系统的输出波形,记录波形;
R4
②分别调整参数R1,C1,C2的大小,分别记录波形,观察并定性的分析参数改变对输出波形的影响,记录系统阻尼比ξ、自然振荡角频率ωn和tr、ts及其他性能指标的变化情况。
图九二阶系统
其中:
K1=R1/R0,K2=R4/R3,T1=R2C1,T2=R4C2
⑵比例—微分控制的二阶系统
系统中加入比例微分环节能使系统阻尼比增加,减小超调,同时,闭环零点将使系统的响应速度加快,调节时间和上升时间都有所减小。
①按图十所示接好线路,先去掉C3,将R4电位器调到最大,在输入端加上负阶跃信号,记录输出波形;
R2
②并上电容C3,C3=2.2μF观察比例微分对系统性能的影响,并记录输出波形。
图十比例微分控制二阶系统
其中:
K1=R2/R1,K2=R4/R3,T1=R0C1,T2=R2C2,τ=R3C3
⑶带速度反馈的二阶系统
R4
系统中加入微分反馈环节,增加了系统的阻尼比,使系统的稳定性变好,超调减小。
加速度反馈二阶系统的电路图和方框图如图十一所示。
图十一带速度反馈的二阶系统
其中:
K1=R1/R0,K2=R4/R3,T1=R2C1,T2=R4C2,τ=R5C3
①按图十一接好线路,先将速度反馈环断开,将R1电位器调到最大,加上负阶跃信号,记录系统的输出波形;
②加上速度反馈则超调减小,观察速度反馈对系统性能的影响,并记录系统的输出波形。
⑷带零点的二阶系统
系统闭环传递函数中加入零点,能改善系统的快速性,使系统响应增快,但超调量也增加。
闭环外加零点的二阶系统的电路图和方框如图十二所示。
①按图七接好线路,先将C0断开,调节R4电位器,使系统有一定的超调,记录输出波形;
R2
②加上C0,与不带零点的二阶系统比较,观察零点对系统性能的影响,并记录系统的输出波形。
图十二带零点的二阶系统
其中:
K1=R4/R3,K2=R2/R1,T1=R0C1,T2=R2C2,τ=R0C0
实验二自动控制系统的稳定性和稳态误差分析
一、实验目的
1研究三阶系统的稳定性,验证稳定判据的正确性;
2了解系统增益变化对系统稳定性的影响;
3观察系统的结构和稳态误差之间的关系。
二、实验仪器
1ZK—III型自动控制原理模拟实验系统一台;
2接插线若干。
三、实验步骤
1实验系统的“测试准备”处于压下状态,Ui为负阶跃信号,其值为负的3V左右;
2先接一反相器电路(如图一所示),其输入接负阶跃信号,输出接“测试启动”和直流信号的“输入1”端。
3将负阶跃信号接在实验线路的输入端,
再将实验线路的输出端接直流信号的“输入
2”端;
4选择适当的“采样时间”和“量程”,
按一下“复位”键,仪器即做好了测试准备;
5重复测量时先关断“负阶跃信号”,再图一反相器
按一下“复位”键,然后再加上“负阶跃信号”即可;
6电位器顺时针调节阻值增大;
7整个实验系统共地,实验系统内部地线可以不接。
四、实验内容
1.典型三阶系统的分析
①“直流信号”部分,压下“测试准备”键,量程选12V,采样时间选4S;
②三阶系统的电路图和方框图如图二所示。
在输入端加上单位负阶跃信号,单方向调节R4电位器,使系统的输出响应分别为稳定状态,临界稳定状态和不稳定状态,观察并记录波形,了解参数的变化对系统稳定性的影响。
③调节电位器R4的值,使系统处于稳定状态。
“量程”选择6V,由于稳定的三阶系统为Ⅰ型系统,加上负阶跃信号时,系统的稳态误差为零。
单方向调节R4的值,用万用表测量系统的输入电压和输出电压值填入下表,即可算出系统的稳态误差值。
测量时,输入电压值保持不变。
R2
图二
其中:
K1=R2/R1,K2=R4/R3,T1=R0C1,T2=R2C2,T3=R4C3
R4的变化趋势
Ui
Uo
ess
2.结构不稳定三阶系统的分析
系统的电路图和方框图如图三所示,在输入端加上负阶跃信号,系统的输出为不稳定状态。
改变系统的结构,将积分环节经过R4反馈后如图四所示,适当的调整参数,此时加上负阶跃信号,则系统成稳定状态。
(最好调节为欠阻尼工作状态),系统不稳定时,“量程”选12V,稳定时选6V。
观察并记录系统的输出波形,分析系统不稳定的原因,验证劳斯稳定判据的正确性。
图三
R2
其中:
K1=R2/R1,T1=R0C1,T2=R2C2,T3=R3C3
图四
其中:
T1=R0C1,K1=R2/R1,T2=R2C2,T3=R3C3
3.三阶有差系统的分析
三阶有差系统的电路图和方框图如图五所示。
按图接好线路。
ZK—III的“量程”选择6V,调节R5电位器的值使系统为稳定状态,在输入端加上负阶跃信号记录波形。
保持输入电压的值不变,单方向调节R5电位器的值,用万用表测量输入与输出电压值填入下表。
分析系统的稳态误差与放大倍数之间的关系。
图五
其中:
K1=R1/R0,K2=R3/R2,K3=R5/R4,T1=R1C1,T2=R3C2,T3=R5C3
R5的变化趋势
Ui
Uo
ess
要求推导以上各系统的闭环传递函数,分析系统的稳定性和稳态误差。
实验三系统频率特性的测试
一、实验目的
1通过对系统频率特性的测量,验证频率法分析系统的正确性;
2根据实验数据学会绘制伯德图和乃氏图,并和理论数据进行比较;
3学习测量系统或环节频率特性的方法。
二、实验仪器
1ZK—III型自动控制原理模拟实验系统一台;
2接插线若干。
三、实验内容
系统频率特性的测试线路如下图所示。
在不同的频率下测量系统的输入,输出电压值和相位差值。
绘制系统的伯德图和乃奎斯特图。
与输入电压值和输出与输入之间的相位差,
按下表改变输入信号的频率,测量对应的相位差和输入与输出的电压值。
根据上表可以画出被测电路的
四、实验方法
1按图接好线路,将正弦信号接到被测系统的输入端和“交流信号”的“输入1”。
将被测信号输出端接“交流信号”的“输入2”。
2松开“测试准备”键,仪器进入交流测试状态。
3波形选择“正弦波”,在频率为48Hz时,调输入电压为3—5V,并保持不变。
4通过“频率选择”和“频率微调”选择所需要的频率。
5根据液晶显示屏的显示值,记录相应参数,填入下表。
其中:
“有效值1”表示输入电压值,“有效值2”表示输出电压值。
五、实验线路
实验线路图
G(S)=1/(1+TS)其中:
T=RC
A(ω)=Uo/Ui
L(ω)=20*lgA(ω)其中:
ω=2πf
f(Hz)_
48
85
152
202
270
361
417
448
Ui(V)
Uo(V)
φ(OC)
计算lgω
计算L(ω)
f(Hz)
482
517
556
642
857
1142
1524
2710
Ui(V)
Uo(V)
φ(OC)
计算lgω
计算L(ω)
L
幅
L(ω)
lgω
幅频特性
φ
lgω
相频特性
实验四自动控制系统性能的校正
一、实验目的
1了解和观测校正装置对系统稳定性的影响;
2学习有源校正和无源校正装置的性能。
二、实验仪器
1ZK—III型自动控制原理模拟实验系统一台;
2接插线若干。
三、实验步骤
1实验系统的“测试准备”处于压下状态,Ui为负阶跃信号,其值为负的3V左右;
2先接一反相器电路(如图一所示),其输入接负阶跃信号,输出接“测试启动”和直流信号的“输入1”端。
3将负阶跃信号接在实验线路的输入端,
再将实验线路的输出端接直流信号的“输入
2”端;
4选择“采样时间”为4S。
系统不稳定时,
选择“量程”为12V;系统稳定时,选择“量
程”为6V,按一下“复位”键,仪器即做好了图一反相器
测试准备;
5重复测量时先关断“负阶跃信号”,再按一下“复位”键即可;
6电位器顺时针调节阻值增大;
7整个实验系统共地,实验系统内部地线可以不接。
四、实验内容
1.无源校正的分析
①按图二所示三阶系统接线,“直流信号”输入方式,量程选12V,采样时间选4S。
调节电位器的值使系统在负阶跃信号作用下,输出为不稳定波形,测量并记录输出波形。
②在三阶不稳定系统的前向通道中(图二中A点)串入“滞后—超前”无源校正装置如图三所示,调整校正装置的参数RW1(RW1的阻值调到最大),改变参数RW2的阻值(分别调到最大和最小),分别记录系统的输出波形;然后再改变RW1的值(RW1的阻值调到最小),再改变参数RW2的阻值(分别调最大和最小),分别记录系统的输出波形。
图二
图三
从以上实验中可以看出,“超前”校正主要改善系统的瞬态响应,“滞后”校正主要改善系统的稳态性能,而“滞后—超前”校正能够同时改善系统的动态性能和稳态性能。
2.有源校正的分析
①图四为带有比例微分校正的三阶系统的电路图,按图接好线路,先将电容C4去掉,调整R4电位器,使系统在负阶跃信号作用下为欠阻尼状态,最好有3—4个振荡波或者为不稳定,记录波形。
②然后将电容C4加上,观察系统在单位阶跃信号作用下的输出响应,这时系统的超调量减小,响应加快,调节时间减小。
记录系统的响应波形,分析校正装置对系统性能的影响。
图四
附录ZK—III型自动控制原理模拟实验系统使用说明
ZK—III型自动控制原理模拟实验系统包含两个部分。
其一为测量部分,包括信号发生器、直流信号测量和交流信号测量等。
其二为构造实验线路部分,包括可构成基本典型环节的10个基本单元、无源校正电路、RC电路和正、负阶跃输入信号等。
以下分别介绍ZK—III型自动控制原理模拟实验系统的各个部分的功能及其使用方法。
第一部分:
测量部分:
一技术性能
1测量部分主要由波形显示,信号发生器,直流信号输入和交流信号输入四个部分构成。
2信号发生器输出信号波形为正弦波,频率范围为30Hz—7000Hz,输出电压最大值为12V。
3直流输入电压最大值不超过12V,交流输入电压最大值不超过12V。
4有+5V直流电源输出。
二应用范围
1测试模拟各基本环节的瞬态响应波形。
2测试系统的瞬态响应波形。
3提供系统频率特性测试所需的输入信号和同时显示该实验所需的各组参数值。
三基本结构
1波形显示
由一块点数为320×240的液晶显示屏组成,可以显示所需测量的直流瞬态响应波形和交流信号的输入、输出电压值,交流信号的频率,两个交流信号的相位差及波形等。
2信号发生器
ZK—Ⅲ配置一个正弦信号发生器,可用来做频率特性实验所需的信号源。
频率范围
为30Hz—7000Hz分成四个波段可调,另外有一个“频率微调”调节它可得到实验所需要的具体频率。
“电压调节”使输出电压在0—12V之间可调。
3直流输入方式
直流输入方式包括启动、采样时间、输入1、输入2和量程等。
可用于测量环节和和系统的瞬态响应波形。
4交流输入方式
交流输入方式包括输入1、输入2和标准/放大等。
可用于测量环节和系统的频率特性。
5其它
面板上所有接地端已经全部连通。
四“直流输入”形式下的用法
1连接一个反相器,输入接“负阶跃信号”(输出电压为负3V—5V之间),其输出接到“启动”处,作为测试时的启动信号同时接到“输入1”用来监控输入电压值。
2将被测电路的输出信号接到“输入2”端,接线时要注意不能将输出信号接到“地”端。
3按下“测试准备”键,选择合适的量程和采样时间,再按一下“复位”键,这时仪器已做好测量前的准备工作。
4当被测电路加上“负阶跃信号”时,显示屏即显示出所需测量的输出瞬态响应波形。
5重复测量时,先将负阶跃信号关断,按一下“复位”键,仪器即做好了下一次测量的准备。
五“交流输入”形式下的用法
1先接实验线路,将线路输入端接信号发生器输出,同时接“交流信号”的“输入1”。
线路输出端接“交流信号”的“输入2”。
2按下“测试准备”键,仪器即进入“交流输入”状态。
3将输入信号的电压在频率为48Hz时,调“电压调节”使其值在3—5V之间,在实验过程中将不再调节,在实验过程中该值会随频率的变化而变化,只需按实际值记录即可。
4实验中数据全部在显示屏中显示。
其中,有效值1:
为输入电压值,有效值2:
为输出电压值。
注意:
一阶系统的频率特性中其相位差为负值。
第二部分:
构造实验线路部分:
一技术性能
1该实验系统采用低功耗运算放大器,输入额定电压为交流220V。
2内有正负12V直流稳压电源,在面板上可直接引出。
3十块运放单元采用双列直插,其同相端接电阻共地,可供模拟系统使用。
4本装置提供0到正负12V可调阶跃信号作为各环节或系统的输入信号。
分为正阶跃信号和负阶跃信号两种。
二应用范围
1模拟各基本环节实验电路
2系统阶跃响应特性实验电路
3系统稳定性分析实验电路
4系统频率特性测量实验电路
5各种校正装置的设计及特性分析电路
三使用说明
1电源——打开船形开关,接通电源,指示灯亮,说明220V交流电源已经接入,同时正负12V直流电源已经工作。
2阶跃信号源——拨动开关置“开”,则接入内部电源,通过可调电位器的调节,可得到0到正负12V阶跃信号,用此作为各环节或系统的输入信号。
3十块运放电路的正负12V电源,“地”端均在底版用印刷线连接好,输入,输出端口分别引出,观察输出波形时可直接插入运放输出端。
4本装置提供的RC电路可做一阶频率特性实验。
无源校正电路,可分别实现滞后,超前和滞后—超前三种不同的校正电路。
51—10十个单元电路基本相同,都包含一块运算放大器和一些电阻、电容等电子元器件,用于构成实验所需的实验电路(单元示意图如下图所示)。
从图中可以看出每一个元器件的一端都和运放用线相连,这些连接线已经在内部连接好,另一端悬空以便于选取合适的元器件及参数。
注意:
其中,每一个单元都可以构成一个实验所需的基本的典型环节,同一个典型环节的元器件及参数的选取只能在同一个单元内选择。
四注意事项
1观察波形时是在打开阶跃信号开关的瞬间,切忌将关断信号后的波形记录下来。
2电源指示灯不亮时,要检查保险丝是否烧断。
3打开电源后,各运放就全部通电,为避免运放长期在15V电源下工作,请将实验中不需用的运放接成比例环节,处于闭环工作状态。
4所有的接地线已在内部全部连通,和外设备共地时,只要接一根接地线即可。
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