裝訂線.z.-.-.可修編-信息科學(xué)與工程學(xué)院本科生實(shí)驗(yàn)報(bào)實(shí)驗(yàn)名稱自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)預(yù)定時(shí)間實(shí)驗(yàn)時(shí)間****授課教師實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)專業(yè)班級(jí)實(shí)驗(yàn)一1.1典型環(huán)節(jié)的時(shí)域分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?．熟悉并掌握TD-ACC+(或TD-ACS)設(shè)備的使用方法及各典型環(huán)節(jié)模擬電路的構(gòu)成方法。2．熟悉各種典型環(huán)節(jié)的理想階躍響應(yīng)曲線和實(shí)際階躍響應(yīng)曲線。對(duì)比差異、分析原因。3．了解參數(shù)變化對(duì)典型環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：PC機(jī)一臺(tái)，TD-ACC+(或TD-ACS)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套。模擬電路圖如下：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)R0=200K；R1=100K。輸出電壓約為輸入電壓的1/2，誤差*圍內(nèi)滿足理論波形，當(dāng)R0=200K；R1=200K。積分環(huán)節(jié)模擬電路圖：當(dāng)R0=200K；C=1uF。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)R0=200K；C=2uF。比例積分環(huán)節(jié)(PI)模擬電路圖：取R0=R1=200K；C=1uF。實(shí)驗(yàn)結(jié)果取R0=R1=200K；C=2uF。慣性環(huán)節(jié)(T)模擬電路圖：取R0=R1=200K；C=1uF。取R0=R1=200K；C=2uF。比例微分環(huán)節(jié)(PD)模擬電路圖：取R0=R2=100K，R3=10K，C=1uF；R1=100K。取R0=R2=100K，R3=10K，C=1uF；R1=200K。比例積分微分環(huán)節(jié)(PID)模擬電路圖：取R2=R3=10K，R0=100K，C1=C2=1uF；R1=100K。取R2=R3=10K，R0=100K，C1=C2=1uF；R1=200K。 實(shí)驗(yàn)步驟按1.1.3節(jié)中所列舉的比例環(huán)節(jié)的模擬電路圖將線接好。檢查無誤后開啟設(shè)備電源。2.將信號(hào)源單元的"ST”端插針與"S”端插針用"短路塊”短接。由于每個(gè)運(yùn)放單元均設(shè)臵了鎖零場(chǎng)效應(yīng)管，所以運(yùn)放具有鎖零功能。將開關(guān)設(shè)在"方波”檔，分別調(diào)節(jié)調(diào)幅和調(diào)頻電位器，使得"OUT”端輸出的方波幅值為1V，周期為10s左右。3.將2中的方波信號(hào)加至環(huán)節(jié)的輸入端Ui，用示波器的"CH1”和"CH2”表筆分別監(jiān)測(cè)模擬電路的輸入U(xiǎn)i端和輸出U0端，觀測(cè)輸出端的實(shí)際響應(yīng)曲線U0(t)，記錄實(shí)驗(yàn)波形及結(jié)果。4.改變幾組參數(shù)，重新觀測(cè)結(jié)果。5.用同樣的方法分別搭接積分環(huán)節(jié)、比例積分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)和比例積分微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖。觀測(cè)這些環(huán)節(jié)對(duì)階躍信號(hào)的實(shí)際響應(yīng)曲線，分別記錄實(shí)驗(yàn)波形及結(jié)果。實(shí)驗(yàn)二1.2典型系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)和穩(wěn)定性分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康模貉芯慷A系統(tǒng)的特征參量(ξ、ωn)對(duì)過渡過程的影響。研究二階對(duì)象的三種阻尼比下的響應(yīng)曲線及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。熟悉Routh判據(jù)，用Routh判據(jù)對(duì)三階系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。實(shí)驗(yàn)設(shè)備:PC機(jī)一臺(tái)，TD-ACC+(或TD-ACS)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套。模擬電路圖：實(shí)驗(yàn)步驟:將信號(hào)源單元的"ST”端插針與"S”端插針用"短路塊”短接。由于每個(gè)運(yùn)放單元均設(shè)臵了鎖零場(chǎng)效應(yīng)管，所以運(yùn)放具有鎖零功能。將開關(guān)設(shè)在"方波”檔，分別調(diào)節(jié)調(diào)幅和調(diào)頻電位器，使得"OUT”端輸出的方波幅值為1V，周期為10s左右。典型二階系統(tǒng)瞬態(tài)性能指標(biāo)的測(cè)試。按模擬電路圖接線，將1中的方波信號(hào)接至輸入端，取R=10K。用示波器觀察系統(tǒng)響應(yīng)曲線C(t)，測(cè)量并記錄超調(diào)MP、峰值時(shí)間tp和調(diào)節(jié)時(shí)間tS。分別按R=50K；160K；200K；改變系統(tǒng)開環(huán)增益，觀察響應(yīng)曲線C(t)，測(cè)量并記錄性能指標(biāo)MP、tp和tS，及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并將測(cè)量值和計(jì)算值進(jìn)行比較(實(shí)驗(yàn)前必須按公式計(jì)算出)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1.2-1中。表1.2-2中已填入了一組參考測(cè)量值，供參照。典型三階系統(tǒng)的性能按圖1.2-4接線，將1中的方波信號(hào)接至輸入端，取R=30K。觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，并記錄波形。減小開環(huán)增益(R=41.7K；100K)，觀察響應(yīng)曲線，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1.2-3中。表1.2-4中已填入了一組參考測(cè)量值，供參照。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析注意：在做實(shí)驗(yàn)前一定要進(jìn)行對(duì)象整定，否則將會(huì)導(dǎo)致理論值和實(shí)際測(cè)量值相差較大。首先調(diào)節(jié)電阻使系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定的狀態(tài)當(dāng)R>160時(shí)系統(tǒng)處于過阻尼狀態(tài)當(dāng)R>160時(shí)，由可知道該系統(tǒng)的自然頻率和阻尼比均與R值大小有關(guān)，當(dāng)R處于160左右處于臨界阻尼狀態(tài)，則R>160時(shí)阻尼比增大，系統(tǒng)則應(yīng)處于過阻尼狀態(tài)，輸出波形如上圖所示。同理當(dāng)R的阻值減小時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該趨于欠阻尼狀態(tài)；如R=50時(shí)，系統(tǒng)處于欠阻尼狀態(tài)，其輸出波形如下圖所示：欠阻尼欠阻尼狀態(tài)，是我們所期望的一種狀態(tài)，相比于過阻尼，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間比較短，相比于臨界阻尼，系統(tǒng)的超調(diào)量比較小。工程上，也是希望系統(tǒng)能夠快速平穩(wěn)準(zhǔn)確的追蹤輸入信號(hào)，因此欠阻尼相對(duì)比較理想。三階系統(tǒng)三階系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定時(shí)三階R>30KR<30K實(shí)驗(yàn)三2.1線性系統(tǒng)的根軌跡分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康母鶕?jù)對(duì)象的開環(huán)傳函，做出根軌跡圖。掌握用根軌跡法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證根軌跡方法。實(shí)驗(yàn)設(shè)備PC機(jī)一臺(tái)，TD-ACC+(或TD-ACS)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套。實(shí)驗(yàn)原理及內(nèi)容實(shí)驗(yàn)對(duì)象的結(jié)構(gòu)框圖：模擬電路構(gòu)成：如圖2.1-2所示。系統(tǒng)的開環(huán)增益為K＝500KΩ/R，開環(huán)傳遞函數(shù)為：繪制根軌跡由開環(huán)傳遞函數(shù)分母多項(xiàng)式S(S+1)(0.5S+1)中最高階次n＝3，故根軌跡分支數(shù)為3。開環(huán)有三個(gè)極點(diǎn)：p1＝0，p2＝－1，p3＝－2。實(shí)軸上的根軌跡：①起始于0、－1、－2，其中－2終止于無窮遠(yuǎn)處。②起始于0和－1的兩條根軌跡在實(shí)軸上相遇后分離，分離點(diǎn)為顯然S2不在根軌跡上，所以S1為系統(tǒng)的分離點(diǎn)，將S1＝－0.422代入特征方程S(S+1)(0.5S+1)＋K中，得K＝0.193根軌跡與虛軸的交點(diǎn)將S=jW代入特征方程可得：根據(jù)以上計(jì)算，將這些數(shù)值標(biāo)注在S平面上，并連成光滑的粗實(shí)線，如下圖所示。圖上的粗實(shí)線就稱為該系統(tǒng)的根軌跡。其箭頭表示隨著K值的增加，根軌跡的變化趨勢(shì)，而標(biāo)注的數(shù)值則代表與特征根位臵相應(yīng)的開環(huán)增益K的數(shù)值。根據(jù)根軌跡圖分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性根據(jù)圖2.1-3所示根軌跡圖，當(dāng)開環(huán)增益K由零變化到無窮大時(shí)，可以獲得系統(tǒng)的下述性能：R＝500/K當(dāng)K＝3；即R＝166KΩ時(shí)，閉環(huán)極點(diǎn)有一對(duì)在虛軸上的根，系統(tǒng)等幅振蕩，臨界穩(wěn)定。當(dāng)K>3；即R<166KΩ時(shí)，兩條根軌跡進(jìn)入S右半平面，系統(tǒng)不穩(wěn)定。當(dāng)0<K<3；即R>166KΩ時(shí)，兩條根軌跡進(jìn)入S左半平面，系統(tǒng)穩(wěn)定。上述分析表明，根軌跡與系統(tǒng)性能之間有密切的聯(lián)系。利用根軌跡不僅能夠分析閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能以及參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，而且還可以根據(jù)對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)特性的要求確定可變參數(shù)和調(diào)整開環(huán)零、極點(diǎn)位臵以及改變它們的個(gè)數(shù)。這就是說，根軌跡法可用來解決線性系統(tǒng)的分析和綜合問題。由于它是一種圖解求根的方法，比較直觀，避免了求解高階系統(tǒng)特征根的麻煩，所以，根軌跡在工程實(shí)踐中獲得了廣泛的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)步驟繪制根軌跡圖：實(shí)驗(yàn)前根據(jù)對(duì)象傳函畫出對(duì)象的根軌跡圖，對(duì)其穩(wěn)定性及暫態(tài)性能做出理論上的判斷。并確定各種狀態(tài)下系統(tǒng)開環(huán)增益K的取值及相應(yīng)的電阻值R。將信號(hào)源單元的"ST”端插針與"S”端插針用"短路塊”短接。由于每個(gè)運(yùn)放單元均設(shè)臵了鎖零場(chǎng)效應(yīng)管，所以運(yùn)放具有鎖零功能。將開關(guān)設(shè)在"方波”檔，分別調(diào)節(jié)調(diào)幅和調(diào)頻電位器，使得"OUT”端輸出的方波幅值為1V，周期為10s左右。按模擬電路圖2.1-2接線，并且要求對(duì)系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行整定，詳見附錄一；將2中的方波信號(hào)加至輸入端。改變對(duì)象的開環(huán)增益，即改變電阻R的值，用示波器的"CH1”和"CH2”表筆分別測(cè)量輸入端和輸出端，觀察對(duì)象的時(shí)域響應(yīng)曲線，應(yīng)該和理論分析吻合。注意：此次實(shí)驗(yàn)中對(duì)象須嚴(yán)格整定，否則可能會(huì)導(dǎo)致和理論值相差較大。當(dāng)R=166KR=135KR=50K當(dāng)電阻R<166K時(shí)，系統(tǒng)逐漸趨于不穩(wěn)定，當(dāng)R=50K，系統(tǒng)不穩(wěn)定，包絡(luò)線發(fā)散，于是波形不收斂，如上圖所示。R=220K時(shí)，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)四3.1線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆詹ㄌ貓D的繪制方法及由波特圖來確定系統(tǒng)開環(huán)傳函。掌握實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量系統(tǒng)的波特圖。實(shí)驗(yàn)設(shè)備:PC機(jī)一臺(tái)，TD-ACC+(或TD-ACS)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套。實(shí)驗(yàn)原理及內(nèi)容頻率特性當(dāng)輸入正弦信號(hào)時(shí)，線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)具有隨頻率(ω由0變至∞)而變化的特性。頻率響應(yīng)法的基本思想是：盡管控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)不是正弦函數(shù)，而是其它形式的周期函數(shù)或非周期函數(shù)，但是，實(shí)際上的周期信號(hào)，都能滿足狄利克萊條件，可以用富氏級(jí)數(shù)展開為各種諧波分量；而非周期信號(hào)也可以使用富氏積分表示為連續(xù)的頻譜函數(shù)。因此，根據(jù)控制系統(tǒng)對(duì)正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)，可推算出系統(tǒng)在任意周期信號(hào)或非周期信號(hào)作用下的運(yùn)動(dòng)情況。線性系統(tǒng)的頻率特性系統(tǒng)的正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)具有和正弦輸入信號(hào)的幅值比和相位差隨角頻率ω由0變到∞)變化的特性。而幅值比和相位差恰好是函數(shù)的模和幅角。所以只要把系統(tǒng)的傳遞函數(shù),令s=jω即可得到我們把。稱為系統(tǒng)的頻率特性或頻率傳遞函數(shù)。當(dāng)ω由0到∞變化時(shí)，幅值比隨頻率ω的變化特性成為幅頻特性，相位差隨頻率ω的變化特性稱為相頻特性。幅頻特性和相頻特性結(jié)合在一起時(shí)稱為頻率特性。直接頻率特性的測(cè)量用來直接測(cè)量對(duì)象的輸出頻率特性，適用于時(shí)域響應(yīng)曲線收斂的對(duì)象（如：慣性環(huán)節(jié)）。該方法在時(shí)域曲線窗口將信號(hào)源和被測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線顯示出來，直接測(cè)量對(duì)象輸出與信號(hào)源的相位差及幅值衰減情況，就可得到對(duì)象的頻率特性。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：本次實(shí)驗(yàn)利用教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供的頻率特性測(cè)試虛擬儀器進(jìn)行測(cè)試，畫出對(duì)象波特圖和極坐標(biāo)圖。模擬電路圖：開環(huán)傳函為：閉環(huán)傳函：得轉(zhuǎn)折頻率：ω=10（rad/s），阻尼比ξ=0.5實(shí)驗(yàn)步驟此次實(shí)驗(yàn)，采用直接測(cè)量方法測(cè)量對(duì)象的閉環(huán)頻率特性及間接測(cè)量方法測(cè)量對(duì)象的頻率特性。實(shí)驗(yàn)接線：按模擬電路圖3.1-5接線，TD-ACC+的接線：將信號(hào)源單元的"ST”插針分別與"S”插針和"+5V”插針斷開，運(yùn)放的鎖零控制端"ST”此時(shí)接至示波器單元的"SL”插針處，鎖零端受"SL”來控制。將示波器單元的"SIN”接至圖3.1-5中的信號(hào)輸入端，TD-ACS的接線：將信號(hào)源單元的"ST”插針分別與"S”插針和"+5V”插針斷開，運(yùn)放的鎖零控制端"ST”此時(shí)接至控制計(jì)算機(jī)單元的"DOUT0”插針處，鎖零端受"DOUT0”來控制。將數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的"/CS”接至控制計(jì)算機(jī)的"/IOY1”，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的"OUT1”，接至圖3.1-5中的信號(hào)輸入端.直接測(cè)量方法(測(cè)對(duì)象的閉環(huán)頻率特性)"CH1”路表筆插至圖3.1-5中的4＃運(yùn)放的輸出端。打開集成軟件中的頻率特性測(cè)量界面，彈出時(shí)域窗口，點(diǎn)擊按鈕，在彈出的窗口中根據(jù)需要設(shè)臵好幾組正弦波信號(hào)的角頻率和幅值，選擇測(cè)量方式為"直接”測(cè)量，每組參數(shù)應(yīng)選擇合適的波形比例系數(shù)，具體如下圖所示:確認(rèn)設(shè)臵的各項(xiàng)參數(shù)后，點(diǎn)擊按鈕，發(fā)送一組參數(shù)，待測(cè)試完畢，顯示時(shí)域波形，此時(shí)需要用戶自行移動(dòng)游標(biāo)，將兩路游標(biāo)同時(shí)放臵在兩路信號(hào)的相鄰的波峰(波谷)處，或零點(diǎn)處，來確定兩路信號(hào)的相位移。兩路信號(hào)的幅值系統(tǒng)將自動(dòng)讀出。重復(fù)操作(3)，直到所有參數(shù)測(cè)量完畢。待所有參數(shù)測(cè)量完畢后，點(diǎn)擊按鈕，彈出波特圖窗口，觀察所測(cè)得的波特圖，該圖由若干點(diǎn)構(gòu)成，幅頻和相頻上同一角頻率下兩個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一組參數(shù)下的測(cè)量結(jié)果。點(diǎn)擊極坐標(biāo)圖按鈕，可以得到對(duì)象的閉環(huán)極坐標(biāo)如下：實(shí)驗(yàn)五1.3線性系統(tǒng)的校正實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆障到y(tǒng)校正的方法，重點(diǎn)了解串聯(lián)校正。根據(jù)期望的時(shí)域性能指標(biāo)推導(dǎo)出二階系統(tǒng)的串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備PC機(jī)一臺(tái)，TD-ACC+(或TD-ACS)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套。實(shí)驗(yàn)原理及內(nèi)容所謂校正就是指在系統(tǒng)中加入一些機(jī)構(gòu)或裝臵(其參數(shù)可以根據(jù)需要而調(diào)整)，使系統(tǒng)特性發(fā)生變化，從而滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。按校正裝臵在系統(tǒng)中的連接方式，可分為：串聯(lián)校正、反饋校正和復(fù)合控制校正三種。串聯(lián)校正是在主反饋回路之內(nèi)采用的校正方式，串聯(lián)校正裝臵串聯(lián)在前向通路上，一般接在誤差檢測(cè)點(diǎn)之后和放大器之前。本次實(shí)驗(yàn)主要介紹串聯(lián)校正方法。1.原系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及性能指標(biāo)對(duì)應(yīng)的模擬電路圖由圖可知系統(tǒng)開環(huán)傳函：，系統(tǒng)閉環(huán)傳函：系統(tǒng)的特征參量：ωn＝6.32,ξ＝0.158系統(tǒng)的性能指標(biāo)：Mp＝60％，tS＝4s，靜態(tài)誤差系