自控实验报告.docx
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自控实验报告
自动控制理论
实验报告
实验名称:
线性控制系统的频域分析、线性系统的校正
学院:
专业:
班级:
学号:
姓名:
成绩:
20年月日
实验三线性控制系统的频域分析
3.1频率特性测试
一.实验目的
1.了解线性系统频率特性的基本概念。
2.了解和掌握对数幅频曲线和相频曲线(波德图)的构造及绘制方法。
二.实验内容及步骤
本实验将正弦波发生器(B5)单元的正弦波加于被测系统的输入端,用虚拟示波器观测被测系统的幅频特性和相频特性,了解各种正弦波输入频率的被测系统的幅频特性和相频特性。
图3-1被测系统的模拟电路图
实验步骤:
(1)将函数发生器(B5)单元的正弦波输出作为系统输入。
①在显示与功能选择(D1)单元中,通过波形选择按键选中‘正弦波’(正弦波指示灯亮)。
②量程选择开关S2置下档,调节“设定电位器2”,使之正弦波频率为8Hz(D1单元右显示)。
③调节B5单元的“正弦波调幅”电位器,使之正弦波振幅值输出为2V左右(D1单元左显示)。
(2)构造模拟电路:
按图3-1安置短路套及测孔联线。
(3)运行、观察、记录:
示波器的截图详见虚拟示波器的使用。
三.实验报告要求:
按下表改变实验被测系统正弦波输入频率:
(输入振幅为2V)。
观测幅频特性和相频特性,填入实验报告。
並画出幅频特性、相频特性曲线。
输入频率
Hz
幅频特性
相频特性
计算值
测量值
计算值
测量值
1.6
5.85
5.86
11.4度
-14度
3.2
5.37
5.39
-21.9度
-19度
4.5
4.82
4.81
-29.5度
-26度
6.4
3.86
3.71
-38.8度
-38度
8
2.99
2.89
-45.1度
-44度
9.6
2.12
2.11
-50.3度
-48度
12.5
0.62
0.57
-57.5度
-57度
当输入频率为8HZ时的幅频特性与相频特性的曲线如下
3.2一阶惯性环节的频率特性曲线
一.实验目的
1.了解和掌握一阶惯性环节的对数幅频特性
和相频特性
,实频特性
和虚频特性
的计算。
2.了解和掌握一阶惯性环节的转折频率ω的计算,及惯性时间常数对转折频率的影响
3.了解和掌握对数幅频曲线和相频曲线(波德图)、幅相曲线(奈奎斯特图)的构造及绘制方法。
二.实验内容及步骤
1.了解和掌握对数幅频曲线和相频曲线(波德图)、幅相曲线(奈奎斯特图)的构造及绘制方法。
2.惯性环节的频率特性测试电路见图3-2,改变被测系统的各项电路参数,画出其系统模拟电路图,及频率特性曲线,並计算和测量其转折频率,填入实验报告。
图3-2惯性环节的频率特性测试电路
实验步骤:
(1)将数/模转换器(B2)输出OUT2作为被测系统的输入。
(2)构造模拟电路:
按图3-2安置短路套及测孔联线。
(3)运行、观察、记录:
三.实验报告要求:
按下表改变图3-2所示的实验被测系统:
改变惯性时间常数T(改变模拟单元A3的反馈电容C)。
在报告空白处填上转折频率(φ=45°)测量值和计算值。
惯性时间
常数T
转折频率
实测值
计算值
0.02
48.9
50
幅频特性与相频特性曲线如下图所示
3.3二阶闭环系统的频率特性曲线
一.实验目的
1.了解和掌握二阶闭环系统中的对数幅频特性
和相频特性
,实频特性
和虚频特性
的计算。
2.了解和掌握欠阻尼二阶闭环系统中的自然频率ωn、阻尼比ξ对谐振频率ωr和谐振峰值L(ωr)的影响及ωr和L(ωr)的计算。
3.观察和分析欠阻尼二阶开环系统的谐振频率ωr、谐振峰值L(ωr),并与理论计算值作比对。
4.改变被测系统的电路参数,画出闭环频率特性曲线,观测谐振频率和谐振峰值,填入实验报告。
二.实验内容及步骤
1.被测系统模拟电路图的构成如图3-3所示,观测二阶闭环系统的频率特性曲线,测试其谐振频率
、谐振峰值
。
2.改变被测系统的各项电路参数,画出其系统模拟电路图,及闭环频率特性曲线,並计算和测量系统的谐振频率
及谐振峰值
,填入实验报告。
图3-3二阶闭环系统频率特性测试电路
实验步骤:
(1)将数/模转换器(B2)输出OUT2作为被测系统的输入。
(2)构造模拟电路:
按图3-3安置短路套及测孔联线,表如下。
(3)运行、观察、记录:
开环增益K(A3)
惯性常数T
(A3)
积分常数Ti
(A2)
谐振频率(rad)
谐振峰值(dB)
计算值
测量值
计算值
测量值
25
0.02
1
14.1
14.45
1.67
4.39
图3-4被测二阶闭环系统的对数幅频曲线
三.实验报告要求:
按下表改变图3-3所示的实验被测系统:
改变开环增益K(A3)、惯性时间常数T(A3)、积分常数Ti(A2),画出其系统模拟电路图,及开环频率特性曲线,並计算和测量系统的谐振频率及谐振峰值,填入实验报告。
幅频特性与相频特性曲线如下图所示
3.4二阶开环系统的频率特性曲线
一.实验目的
1.了解和掌握Ⅰ型二阶开环系统中的对数幅频特性
和相频特性
,实频特性
和虚频特性
的计算。
2.了解和掌握欠阻尼Ⅰ型二阶闭环系统中的自然频率
、阻尼比ξ对开环参数幅值穿越频率
和相位裕度
的影响,及幅值穿越频率
和相位裕度
的计算。
3.研究表征系统稳定程度的相位裕度
和幅值穿越频率
对系统的影响。
4.了解和掌握Ⅰ型二阶开环系统对数幅频曲线、相频曲线、和幅相曲线的构造及绘制方法
二.实验内容及步骤
1.被测系统模拟电路图的构成如图3-3所示(同Ⅰ型二阶闭环系统频率特性测试构成),测试其幅值穿越频率
、相位裕度
。
2.改变被测系统的各项电路参数,画出其系统模拟电路图,及开环频率特性曲线,並计算和测量其幅值穿越频率
、相位裕度
,填入实验报告。
实验步骤:
(1)将数/模转换器(B2)输出OUT2作为被测系统的输入。
(2)构造模拟电路:
安置短路套及测孔联线表同笫3.2节《二阶闭环系统的频率特性曲线测试》。
(3)运行、观察、记录:
图3-5被测二阶开环系统的对数幅频曲线
三.实验报告要求:
按下表改变图3-4所示的实验被测系统。
改变开环增益K(A3)、惯性时间常数T(A3)、积分常数Ti((A2),画出其系统模拟电路图,及开环频率特性曲线(对数幅频曲线、相频曲线和幅相曲线),並计算和测量系统的穿越频率及相位裕度,填入实验报告。
开环增益K(A3)
惯性常数T
(A3)
积分常数Ti
(A2)
穿越频率
相位裕度
计算值
测量值
计算值
测量值
25
0.02
1
14.5
35.9
幅频特性曲线如下图所示
实验四线性系统的校正
一.实验目的
1.了解和掌握超前校正的原理。
2.了解和掌握利用开环的对数幅频特性和相频特性完成超前校正网络的参数的计算。
3.掌握在被控系统中如何串入超前校正网络,构建一个性能满足指标要求的新系统的方法。
二.实验内容及步骤
1.观测校正前时域特性曲线,並测量校正前系统的超调量Mp、峰值时间tP。
2.观测被控系统的开环对数幅频特性
和相频特性
,幅值穿越频率ωc,相位裕度γ,按“校正后系统的相位裕度γ′”要求,设计校正参数,构建校正后系统。
3.观测校正后的时域特性曲线,並测量校正后系统的超调量Mp、峰值时间tP。
4.观测校正后系统的频率特性,观测校正后幅值穿越频率ωc′、相位裕度γ′。
1)。
未校正系统的时域特性的测试
图4-1未校正系统模拟电路图
实验步骤:
注:
‘SST’用“短路套”短接!
(1)构造模拟电路:
按图4-1安置短路套及测孔联线。
(2)将函数发生器(B5)单元的矩形波输出作为系统输入R。
(连续的正输出宽度足够大的阶跃信号)
①在显示与功能选择(D1)单元中,通过波形选择按键选中‘矩形波’(矩形波指示灯亮)。
②函数发生器(B5)单元的量程选择开关S2置下档,调节“设定电位器1”,使之矩形波宽度≥3秒(D1单元左显示)。
③调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=2.5V(D1单元右显示)。
(3)运行、观察、记录:
表4-1未校正系统的时域特性
时域特性
超调量Mp(%)
峰值时间tp(s)
62
0.33
2).未校正系统的频域特性的测试
本实验将数/模转换器(B2)单元作为信号发生器,实验开始后,将按‘频率特性扫描点设置’表规定的频率值,按序自动产生多种频率信号,OUT2输出施加于被测系统的输入端r(t),然后分别测量被测系统的输出信号的闭环对数幅值和相位,数据经相关运算后在虚拟示波器中显示。
未校正系统频域特性测试的模拟电路图见图4-2。
图4-2未校正系统频域特性测试的模拟电路图
实验步骤:
(1)将数/模转换器(B2)输出OUT2作为被测系统的输入。
(2)构造模拟电路:
按图4-2安置短路套及测孔联线。
(3)运行、观察、记录:
在未校正系统模拟电路的相频特性曲线上可测得未校正系统频域特性:
表4-2未校正系统频域特性
频域特性
穿越频率ωc(rad/s)
相位裕度γ(°)
13.6
23.7
幅频特性与相频特性曲线如下图
4)串联超前校正后系统的时域特性的测试
串联超前校正后系统时域特性测试的模拟电路图见图4-3。
图4-3串联超前校正后系统时域特性测试的模拟电路图
实验步骤:
注:
‘SST’用“短路套”短接!
(1)构造模拟电路:
按图4-3安置短路套与测孔联线。
(2)将函数发生器(B5)单元的矩形波输出作为系统输入R。
(连续的正输出宽度足够大的阶跃信号)
①在显示与功能选择(D1)单元中,通过波形选择按键选中‘矩形波’(矩形波指示灯亮)。
②量程选择开关S2置下档,调节“设定电位器1”,使之矩形波宽度≥3秒(D1单元左显示)。
③调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=2.5V(D1单元右显示)。
(3)运行、观察、记录:
在串联超前校正后的时域特性特性曲线上可测得时域特性:
表4-3校正后系统的时域特性
时域特性
超调量Mp(%)
峰值时间tp(s)
16.9%
0.190
时域特性曲线如下图所示
5)串联超前校正后系统的频域特性的测试
图4-4串联超前校正后系统频域特性测试的模拟电路图
串联超前校正后系统的传递函数为:
实验步骤:
(1)将数/模转换器(B2)输出OUT2作为被测系统的输入。
(2)构造模拟电路:
按图4-4安置短路套与测孔联线。
图4-5校正网络(部分)连线示意图
(3)运行、观察、记录:
在串联超前校正后的相频特性曲线上可测得串联超前校正后系统的频域特性:
表4-4校正后系统频域特性
频域特性
穿越频率ωc′rad/s)
相位裕度γ′(°)
14.1
46.2
幅频特性与相频特性曲线如下图所示
测试结果表明符合设计要求。
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