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自动控制原理实验报告

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学 号：
学 院：
班 级：

实验一 典型环节及其阶跃响应
一、实验目的
1. 掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。
2. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法。
二、实验仪器
1． EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台
2． 计算机一台
三、实验原理
1．模拟实验的基本原理：
控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。

四、实验内容
构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：
1. 比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1。

G（S）= -R2/R1

2. 惯性环节的模拟电路及其传递函数如图1-2。

G（S）= - K/TS+1
K=R2/R1，T=R2C

3. 积分环节的模拟电路及传递函数如图1-3。

G（S）=1/TS
T=RC

4. 微分环节的模拟电路及传递函数如图1-4。

G（S）= - RCS

5. 比例微分环节的模拟电路及传递函数如图1-5（未标明的C=0.01uf）。

G（S）= -K（TS+1）
K=R2/R1，T=R1C

五、实验步骤
1.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。
2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。
3.连接各个被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接DA1，电路的输出U2接AD1。检查无误后接通电源。
4.在实验项目的下拉列表中选择实验一[一、典型环节及其阶跃响应] 。
5.鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置
相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果
6.观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。
7.记录波形及数据（由实验报告确定）。
六、实验结果及分析
1.比例环节模拟电路对应的响应曲线如下：

G（S）= -R2/R1=-2
响应曲线与计算结果相符合。
2. 惯性环节模拟电路对应的响应曲线如下：

K=R2/R1，T=R2C， G（S）= - K/TS+1 =-10/(s+2) ，
响应曲线与计算结果相符合。
3. 积分环节模拟电路对应的响应曲线如下：

T=RC ，G（S）=1/TS=10/s
响应曲线与计算结果相符合。
4. 微分环节模拟电路对应的响应曲线如下
G（S）= - RCS=0.1s
响应曲线与计算结果相符合。

5. 比例微分环节模拟电路对应的响应曲线如下:

K=R2/R1，T=R1C , G（S）= -K（TS+1）=10/(s+10)
响应曲线与计算结果相符合。

实验二 二阶系统阶跃响应
一、实验目的
1．研究二阶系统的特征参数，阻尼比z和无阻尼自然频率wn对系统动态性能的影响。定量分析 z 和wn与最大超调量Mp和调节时间tS之间的关系。
2．学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。
二、实验仪器
1．EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台
2．计算机一台
三、实验原理
控制系统模拟实验利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。
四、实验内容
典型二阶系统的闭环传递函数为
w2n
j（S）= （1）
s2＋2zwns＋w2n
其中 z 和wn对系统的动态品质有决定的影响。构成图2-1典型二阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：
图2-1 二阶系统模拟电路图
根据二阶系统的模拟电路图，画出二阶系统结构图并写出系统闭环传递函数。把不同z和wn条件下测量的Mp和ts值列表，根据测量结果得出相应结论。.画出系统响应曲线，再由ts和Mp计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。

五、实验步骤
1.取wn=10rad/s, 即令R=100KW，C=1mf；分别取z=0、0.25、0.5、1、2，即取R1=100KW，R2分别等于0、50KW、100KW、200KW、400KW。输入阶跃信号，测量不同的z时系统的阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量Mp和调节时间Ts的数值和响应动态曲线，并与理论值比较。
2.取z=0.5。即电阻R2取R1=R2=100KW；wn=100rad/s, 即取R=100KW，改变电路中的电容C=0.1mf(注意：二个电容值同时改变)。输入阶跃信号测量系统阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量sp和调节时间Ts。
六、实验结果及分析
1.实验截图 (c=1uf)

R2=0

w2n
j（S）= 得， j（S）=100/( s2＋100 )
由 s2＋2zwns＋w2n

R2=50K

w2n
j（S）= 得， j（S）=100/( s2＋5s+100 )
由 s2＋2zwns＋w2n

R2=100K

w2n
j（S）= 得， j（S）=100/( s2＋10s+100 )
由 s2＋2zwns＋w2n

R2=200K

w2n
j（S）= 得， j（S）=100/( s2＋20s+100 )
由 s2＋2zwns＋w2n

R2=400K

w2n
j（S）=
由 s2＋2zwns＋w2n

得: j（S）=100/( s2＋40s+100 )

R1=R2=100K,c=0.1uf

w2n
由 j（S）= 得， j（S）=10000/( s2＋100s+10000 )
s2＋2zwns＋w2n

2． 不同ζ和ωn 条件下测量的Mp 和ts 值
R1
R2
C
ζ
ωn
MP（mv）
TS(ms)
100KΩ
0
1μf
0
10rad/s
-
无穷大
100KΩ
50KΩ
1μf
0.25
10rad/s
461（46.1%）
1203
100KΩ
100KΩ
1μf
0.5
10rad/s
181（18.1%）
646
100KΩ
200KΩ
1μf
1
10rad/s
0
473
100KΩ
400KΩ
1μf
2
10rad/s
0
1270
100KΩ
100KΩ
0.1μf
0.5
100rad/s
167（16.7%）
67
由表可知，当ζ为0时系统处于临界阻尼状态，等幅振荡。当ζ在（0，1）之间时系统处于欠阻尼状态，当ζ大于0时系统处于过阻尼状态，超调量为0.相同阻尼比的情况下，通过改变ωn，可以减小系统的响应时间并减少超调量。

3.实际值与理论值的比较（小写为理论值）
ζ
ωn
MP
TS(ms)
mp
ts(ms)
0
10rad/s
-
无穷大
-
无穷大
0.25
10rad/s
461（46.1%）
1203
51.5%
1200
0.5
10rad/s
181（18.1%）
646
16.3%
800
1
10rad/s
0
473
0
-
2
10rad/s
0
1270
0
-
0.5
100rad/s
167（16.7%）
67
16.3%
80
又上表可以看出实验值与理论值基本相同。

实验三 连续系统串联校正
一、实验目的
1. 加深理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用。
2. 对给定系统进行串联校正设计，并通过模拟实验检验设计的正确性。
二、实验仪器
1．EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台
2．计算机一台
三、实验内容
1．串联超前校正
（1）系统模拟电路图如图3-1，图中开关S断开对应未校情况，接通对应超前校正。

图3-1 超前校正电路图

（2）系统结构图如图3-2
图3-2 超前校正系统结构图

图中 Gc1（s）=2
2（0.055s+1）
Gc2（s）=
0.005s+1
2．串联滞后校正
（1） 模拟电路图如图3-3，开关s断开对应未校状态，接通对应滞后校正。
图3-3 滞后校正模拟电路图

（2）系统结构图示如图3-4
图3-4 滞后系统结构图

图中 Gc1(s）=5
5（s+1）
Gc2（s）=
6s+1
3．串联超前—滞后校正
（1） 模拟电路图如图5-5，双刀开关断开对应未校状态，接通对应超前—滞后校正。

图3-5 超前—滞后校正模拟电路图

（2） 系统结构图示如图3-6。

图3-6超前—滞后校正系统结构图

图中 Gc1（s）=6
6（1.2s+1）（0.15s+1）
Gc2（s）=
（6s+1）（0.05s+1）
一、 实验步骤
超前校正：
1． 连接被测量典型环节的模拟电路(图5-1)，开关s放在断开位置。
2． 系统加入阶跃信号，测量系统阶跃响应，并记录超调量sp和调节时间ts。
3． 开关s接通，重复步骤2，并将两次所测的波形进行比较。
滞后校正：
4． 连接被测量典型环节的模拟电路(图5-3)，开关s放在断开位置。系统加入阶跃信号。测量系统阶跃响应，并记录超调量sp和调节时间ts。
5．开关s接通，重复步骤2，并将两次所测的波形进行比较
超前--滞后校正
6. 接被测量典型环节的模拟电路(图5-5)。双刀开关放在断开位置。系统加入阶跃信号。测量系统阶跃响应，并记录超调量sp和调节时间ts
7．双刀开关接通，重复步骤2，并将两次所测的波形进行比较。
五、实验结果及分析

3.1串联超前校正
开关断开
时间353 167
2 1240 559

开关闭合

校正前系统传递函数为G=40/（0.2s*s+s）,校正后系统传递函数为G=（2.2s+40）/(0.01s*s*s+0.25s*s+s)

通过波特图和系统阶跃响应可以看出超前校正增大系统的相角裕度，改善了系统的稳定性和平稳性。

3.2串联滞后校正
未加校正5278 685
校正后 1112 307紫
开关断开

开关闭合

校正前系统传递函数为G=50/（0.005s*s*s+0.5s*s+s）
校正后系统传递函数为G=（50s+50）/(0.03s*s*s*s+3.005s*s*s+6.5s*s+s)
3.3 超前--滞后校正
未调节1533 671
调节 684 293
开关断开

开关闭合

校正前系统传递函数为G=60/（0.001s*s*s+0.11s*s+s）,
校正后系统传递函数为G=60（1.2s+1）(0.15s+1)/[( 0.001s*s*s+0.11s*s+s）(0.3s*s+6.05s+1)]
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