自控原理实验模电气126李伟锋13号讲义.docx

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自控原理实验模电气126李伟锋13号讲义

广东技术师范学院天河学院

自动控制原理

实验报告实验报告

系别：

电气工程系

专业：

电气工程及其自动化

姓名：

李伟锋

学号：

2012010143613

指导教师：

钟立华

成绩：

2014年12月

实验一一阶系统及其阶跃响应………………2

实验二二阶系统阶跃响应…………………7

实验三用频率法分析系统的稳态性能………10

实验一一阶系统阶跃响应（验证性）

系：

专业：

电气工程以及自动化年级：

姓名：

学号：

组：

实验时间：

指导教师签字：

成绩：

一、实验目的

1.学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性的影响。

2.学习由惯性环节构成的一阶系统及其阶跃响应测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节传递函数的方法。

二、实验内容

建立一阶系统的模拟电路，观察并且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，即调节时间ts。

三、实验原理

1、一阶系统传递函数如图1-1。

图1-1

2、一阶系统模拟电路图如图1-2。

图1-2

3、由模拟电路推导传递函数

令输入信号为Ur（s）输出信号为Uc（s）

根据模电中虚短和虚断的概念列出公式：

整理得

进一步简化可以得到

如果令R2/R1=K，R2C=T，则系统的传递函数可写成下面的形式：

当输入r（t）为单位阶跃函数时，r（t）=1（t）

则有输入Ur（s）=1/s

输出Uc（s）=G（s）Ur（s）=

由拉氏反变换可得到单位阶跃响应如下：

理论值ts=3T

四、实验步骤

1.打开《自动控制原理实验仿真软件》，设置实验参数。

2.点击软件界面中“课题设置”中“惯性环节阶跃响应仿真实验”一项。

3.设置输入信号ur（t）=2.0V，取不同的电容值C,电阻R2。

参数设置完成后，点击“确定”后开始实验。

4.系统软件自动弹出一个窗口，上面记录了系统的各项参数图和阶跃响应曲线图，将其图形保存。

5.测量各组过渡过程时间即调节时间ts。

五、实验数据

实验中，R1=100kΩ，输入信号ur（t）=2.0V,取不同的T，T=0.25秒,T=0.707秒,T=1秒。

将参数及指标和阶跃响应曲线图记录在表1内。

表1

ur（t）=2.0V

T

0.25

0.707

1

R1

100

100

100

R2

100

150

200

C

1

2

3

ts实测值

0.3

0.9

1.8

ts理论值

0.75

2.121

3

阶跃响应曲线

波形图1

波形图2

波形图3

波形图1

波形图2

波形图3

六、实验结果比较分析

1、一阶系统的阶跃响应没有振荡的单调上升曲线，没有超调量。

2、ts实测值与理论比较，没有误差。

七、实验心得

通过这次实验，我对一阶系统的理论知识有了深刻的了解，知道不同参数,ts也会不同,同时主动思考的能力得到了提高。

实验二二阶系统阶跃响应（验证性）

系：

专业：

年级：

姓名：

学号：

组：

实验时间：

指导教师签字：

成绩：

一、实验目的

研究二阶系统的两个重要参数阻尼比ζ和无阻尼自然频率

对系统动态性能的影响。

二、实验内容

1.用模拟电路搭接一个二阶系统，系统结构参数如下：

图2-1二阶系统模拟电路图

2.改变系统结构参数（即模拟系统中的R），观察不同R值对系统动态性能有何影响。

记录三种典型动态响应特性曲线（过阻尼、欠阻尼、临界阻尼）及相应的R值。

3.改变比例环节的Rf观察对系统有何影响。

4.改变惯性环节的C2观察对系统有何影响。

5.对实验结果进行分析，并作出结论。

三、实验原理

1、二阶系统传递函数如图2-2。

图2-2二阶系统结构图

2、由模拟电路推导传递函数。

开环传递函数：

=

其中：

K1=R2/（R+R2）=100kΩ/（R+100kΩ）,

T0=R1C1=100kΩ×1uF=0.1秒

T1=R2C2=100kΩ×1uF=0.1秒

闭环传递函数：

3、二阶系统阶跃响应

在0<ζ<1时，系统为欠阻尼情况，有超调量，有计算公式。

在ζ=1时，系统为临界情况，无超调量。

在ζ>1时，系统为过阻尼情况，无超调量。

四、实验步骤

1.打开《自动控制原理实验仿真软件》，设置实验参数。

2.点击软件界面中“课题设置”中“二阶系统阶跃响应软件仿真”一项。

3.设置输入信号ur（t）=3.0V，设置可变电阻R的数值，可得不同的ζ，ζ=0.25,ζ=0.5,ζ=1，参数设置完成后，点击“确定”后开始实验。

4.系统软件自动弹出一个窗口，上面记录了系统的各项参数图和阶跃响应曲线图，将其图形保存。

5.观察并测量超调量σ%，计算过渡过程时间ts。

五、实验数据

1、将理论计算值填入表2。

2、将实验中记录的数据和阶跃响应曲线图，测量超调量σ%，计算过渡过程时间ts填入表2。

表2

ur（t）=3.0V

ζ

0.5

1

3.5

R（kΩ）

100

200

300

σ%实测值（图测）

6%

0

0

σ%理论值（公式计算）

4%

0

0

ts实测值（图测）

1

1

1

ts理论值（公式计算）

0.6

0.59

0.6

阶跃响应曲线

波形图1

波形图2

波形图3

波形图1

波形图2

波形图3

六、实验结果比较分析

1、ζ=0.5阶跃响应波形图正弦衰减振荡曲线，是欠阻尼系统。

ζ=0.5时，超调量σ%理论值和计算值比较，xxxx。

2、ζ=0.707阶跃响应波形图也是正弦衰减振荡曲线，是欠阻尼系统。

ζ=0.707时，超调量σ%理论值和计算值比较，xxxx。

3、ζ=1阶跃响应波形图xxxx曲线，是什么阻尼系统。

ζ=1时，超调量σ%理论值和计算值比较，xxxx。

4、ζ最大，超调量σ%xxx（如何变化？

）

七、实验心得

通过这次实验，我了解了二阶系统的特征参数，阻尼比和无阻尼自然频率n对系统动态性能的影响。

进一步学习了实验系统的使用方法，并能根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。

实际值和理论值存在着一定的差异，可能是系统内部的能量损耗导致的，在以后的自动控制实践中是需要我们考虑的。

实验的过程也是我们学习和锻炼动手能力的过程，我相信以后的实验我会越来越熟练。

实验三用频率法分析系统的稳态性能

系：

专业：

年级：

姓名：

学号：

组：

实验时间：

指导教师签字：

成绩：

一、实验目的

1、掌握系统频率特性指标的概念意义及测量方法。

2、研究系统开环增益对系统稳态性能的影响。

3、研究截止频率ωc值和相位裕度γ随着K的变化的情况，学会测量对应的截止频率ωc和相位裕度γ值。

二、实验内容

1、测量系统频率特性指标的概念意义及。

2、研究系统开环增益对系统稳态性能的影响。

3、研究截止频率ωc值和相位裕度γ随着K的变化的情况，学会测量对

三、实验原理

1.系统模拟电路图示于图3-1

图3-1模拟电路图

2.系统结构图为：

图3-2模拟电路系统结构图

其开环传递函数为：

3.频率特性定义为系统或环节输出与输入信号的幅值之比。

图3-3系统方框图

输入正弦波信号

输出是同频率的正弦波

频率特性的图形表示方法有奈氏图和伯德图。

用频率法复习系统的稳态性能时，通常是在伯德图的开环对数幅频特性图上，求得系统的类型和开环放大系数值。

该系统为Ⅰ型系统。

Ⅰ型系统对数幅频特性是斜率为-20dB/dec的低频渐近线或其延长线，系统在ω=1时的分贝值由开环放大系数K的值决定。

因为20lgK-20lgω=0，20lgK=20lgω,所以K=ω

图3-4典型Ⅰ型系统对数幅频特性图

四、实验步骤

6.打开《自动控制原理实验仿真软件》。

7.点击软件界面中“课题设置”中“频率特性实验软件仿真”一项。

将可变电阻R2数值到某一电阻值（如0K）。

8.参数设置完成后，点击“开始”键后开始实验。

9.系统软件自动弹出一个窗口，上面记录了系统的各项频率特性参数和伯德图，将其图形保存。

五、实验数据

1.改变可变电阻的阻值，取三个不同阻值参照上述实验步骤进行实验。

2.记录系统的实验数据、开环伯德图，记录ωc与γ（ωc）。

3.根据频率特性曲线，求系统的开环放大系数。

表3

K=10K1

10

30

60

R（kΩ）

0

160

240

ωc实测值（图测）

7.862

15.942

15.942

ωc理论值（公式计算）

7.965

15.864

15.932

γ（ωc）实测值（图测）

51.827

32.099

32.099

γ（ωc）理论值（公式计算）

51.629

32.082

32.093

波形图1

波形图2

波形图3

波形图1

波形图2

波形图3

六、实验结果比较分析

1、K=10，该Ⅰ型系统的对数幅频特性图是斜率为-20dB/dec的低频渐近线，测量其延长线与频率轴的交点ωc=10。

测量其转折频率ω=8，其在ω=1时的分贝值L（ω）=20dB,

2、理论值和计算值比较。

七、实验心得

通过这次实验，我对对数幅频特性图的理论知识有了一定的了些，发现了这实验中有一定的问题。