中南大学自动控制原理实验报告

下载后可任意编辑 信息科学与工程学院本科生实验报告 实验名称 自动控制原理实验 预定时间 实验时间 姓名学号 授课老师 实验台号 专业班级 实验一 1.1 典型环节的时域分析 实验目的： 1． 熟悉并掌握 TD-ACC+(或 TD-ACS)设备的使用方法及各典型环节模拟电路的构成方法。 2．熟悉各种典型环节的理想阶跃响应曲线和实际阶跃响应曲线。对比差异、分析原因。 3．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。 实验设备： PC 机一台， TD-ACC+(或 TD-ACS)实验系统一套。 模拟电路图如下： 实验结果： 当R0=200K；R1=100K。 输出电压约为输入电压的1/2，误差范围内满足理论波形， 当R0 = 200K； R1 = 200K。 积分环节 模拟电路图： 当R0=200K；C=1uF。 实验结果： 当R0 = 200K； C = 2uF。 比例积分环节 (PI) 模拟电路图： 取 R0 = R1 = 200K； C = 1uF。 实验结果 取 R0=R1=200K； C=2uF。 惯性环节 (T) 模拟电路图： 取 R0=R1=200K； C=1uF。 取 R0=R1=200K； C=2uF。 比例微分环节 (PD) 模拟电路图： 取 R0 = R2 = 100K， R3 = 10K， C = 1uF； R1 = 100K。 取 R0=R2=100K， R3=10K， C=1uF； R1=200K。 比例积分微分环节 (PID) 模拟电路图： 取 R2 = R3 = 10K， R0 = 100K， C1 = C2 = 1uF； R1 = 100K。 取 R2 = R3 = 10K， R0 = 100K， C1 = C2 = 1uF； R1 = 200K。 实验步骤 1. 按 1.1.3 节中所列举的比例环节的模拟电路图将线接好。 检查无误后开启设备电源。 2. 将信号源单元的“ST” 端插针与“S” 端插针用“短路块” 短接。由于每个运放单元均 设臵了锁零场效应管， 所以运放具有锁零功能。 将开关设在“方波”档，分别调节调幅和调频 电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为 1V，周期为 10s 左右。 3. 将 2 中的方波信号加至环节的输入端 Ui，用示波器的“CH1” 和“CH2” 表笔分别监测 模拟电路的输入 Ui 端和输出 U0 端，观测输出端的实际响应曲线 U0(t)， 记录实验波形及结果。 4. 改变几组参数，重新观测结果。 5. 用同样的方法分别搭接积分环节、比例积分环节、比例微分环节、 惯性环节和比例积分 微分环节的模拟电路图。 观测这些环节对阶跃信号的实际响应曲线， 分别记录实验波形及结果。 实验二 1.2 典型系统的时域响应和稳定性分析 实验目的： 1． 讨论二阶系统的特征参量 (ξ、 ωn) 对过渡过程的影响。 2． 讨论二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。 3． 熟悉 Routh 判据，用 Routh 判据对三阶系统进行稳定性分析。 实验设备: PC 机一台， TD-ACC+(或 TD-ACS)教学实验系统一套。 模拟电路图： 实验步骤: 1． 将信号源单元的“ST” 端插针与“S” 端插针用“短路块” 短接。由于每个运放单元均设臵了锁零场效应管， 所以运放具有锁零功能。 将开关设在“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为 1V，周期为 10s 左右。 2． 典型二阶系统瞬态性能指标的测试。 (1) 按模拟电路图接线，将 1 中的方波信号接至输入端，取 R = 10K。 (2) 用示波器观察系统响应曲线 C(t)，测量并记录超调 MP、峰值时间 tp 和调节时间 tS。 (3) 分别按 R = 50K； 160K； 200K；改变系统开环增益，观察响应曲线 C(t)，测量并记录性能指标 MP、 tp 和 tS，及系统的稳定性。并将测量值和计算值进行比较 (实验前必须按公式计算出 )。将实验结果填入表 1.2-1 中。表 1.2-2 中已填入了一组参考测量值，供参照。 3. 典型三阶系统的性能 (1) 按图 1.2-4 接线，将 1 中的方波信号接至输入端，取 R = 30K。 (2) 观察系统的响应曲线，并记录波形。 (3) 减小开环增益 (R = 41.7K； 100K)，观察响应曲线，并将实验结果填入表 1.2-3 中。表1.2-4 中已填入了一组参考测量值，供参照。 实验现象分析 注意：在做实验前一定要进行对象整定 ，否则将会导致理论值和实际测量值 相差较大。 首先调节电阻使系统处于临界稳定的状态 当R>160时系统处于过阻尼状态 当R>160时，由 可知道该系统的自然频率和阻尼比均与R值大小有关，当R处于160左右处于临界阻尼状态，则R>160时阻尼比增大，系统则应处于过阻尼状态，输出波形如上图所示。 同理当R的阻值减小时，系统应该趋于欠阻尼状态；如R=50时，系统处于欠阻尼状态，其输出波形如下图所示： 欠阻尼 欠阻尼状态，是我们所期望的一种状态，相比于过阻尼，系统响应时间比较短，相比于临界阻尼，系统的超调量比较小。工程上，也是希望系统能够快速平稳准确的追踪输入信号，因此欠阻尼相对比较理想。 三阶系统 三阶系统处于临界稳定时 三阶R>30K R<30K 实验三 2.1 线性系统的根轨迹分析 实验目的 1． 根据对象的开环传函，做出根轨迹图。 2． 掌握用根轨迹法分析系统的稳定性。 3． 通过实际实验，来验证根轨迹方法。 实验设备 PC 机一台， TD-ACC+(或 TD-ACS)教学实验系统一套。 实验原理及内容 实验对象的结构框图： 模拟电路构成： 如图 2.1-2 所示。 系统的开环增益为 K＝ 500KΩ/R，开环传递函数为： 绘制根轨迹 (1) 由开环传递函数分母多项式 S(S+1)(0.5S+1)中最高阶次 n＝ 3，故根轨迹分支数为 3。开环有三个极点： p1＝ 0， p2＝－ 1， p3＝－ 2。 (2) 实轴上的根轨迹： ① 起始于 0、 － 1、 － 2，其中－ 2 终止于无穷远处。 ②起始于 0 和－ 1 的两条根轨迹在实轴上相遇后分离，分离点为 显然 S2 不在根轨迹上，所以 S1 为系统的分离点，将 S1＝－ 0.422 代入特征方程S(S+1)(0.5S+1)＋ K 中，得 K＝ 0.193 (3) 根轨迹与虚轴的交点 将 S = j W 代入特征方程可得： 根据以上计算，将这些数值标注在 S 平面上，并连成光滑的粗实线，如下图所示。图上的粗实线就称为该系统的根轨迹。其箭头表示随着 K 值的增加