自动控制理论实验报告 华科电气汇总

电气学科大类

2012 级

《信号与控制综合实验》课程

实验报告

(基本实验二:自动控制理论基本实验)

姓名学号专业班号

同组者1 学号专业班号

同组者2 学号专业班号

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实验成绩

评阅人

实验评分表

目录

一、实验项目 (2)

1．实验十一二阶系统的模拟与动态性能研究 (2)

1.1 任务和目标 (2)

1.2 总体方案设计 (2)

1.3 方案实现和具体设计 (3)

1.4 实验结果与分析 (3)

1.5 实验总结 (5)

2.实验十二二阶系统的稳态性能研究 (8)

2.1 任务和目标 (8)

2.2 总体方案设计 (8)

2.3 方案实现和具体设计 (9)

2.4 实验结果与分析 (10)

2.5 实验总结 (15)

3.实验十四线性控制系统的设计与校正 (15)

3.1 任务和目标 (15)

3.2 总体方案设计 (15)

3.3 方案实现和具体设计 (16)

3.4 实验结果与分析 (19)

3.5 实验总结 (20)

4.实验十六控制系统极点的任意配置 (21)

4.1 任务和目标 (21)

4.2 总体方案设计 (21)

4.3 方案实现和具体设计 (22)

4.4 实验结果与分析 (25)

4.5 实验总结 (26)

二、心得体会 (27)

三、参考资料 (27)

一、实验项目

1．实验十一二阶系统的模拟与动态性能研究

1.1 任务和目标

1、掌握典型二阶系统动态性能指标的测试方法。

2、通过实验和理论分析计算比较，研究二阶系统的参数对其动态性能的影响。

1.2 总体方案设计

实验原理：

典型二阶系统的方框图如图11-1所示：

图11-1.典型二阶振荡环节的方框图

其闭环传递函数为：Φ(s)=

G(s)

1+G(s)

=K

Ts2+s+k

=ωn2

s2+2ξωn+ωn2

式中ξ=

2√KT

，为系统的阻尼比；ωn=√K T,为系统的无阻尼自然频率。ζ为系统的阻尼比,n为系统的无阻尼自然频率。对于不同的系统，ζ和所包含的内容也是不同的。调节系统的开环增益K，或时间常数T可使系统的阻尼比分别为：0<ξ<1,ξ=1和ξ>1三种。实验中能观测对应于这三种情况下的系统阶跃响应曲线是完全不同的。

二阶系统可用图11-2所示的模拟电路图来模拟：

图11-2 二阶系统模拟电路图

1.3 方案实现和具体设计

1、在实验装置上搭建二阶系统模拟电路。

2、分别设置ζ=0、0＜ζ＜1和ζ＞1，观察并记录r(t)为正负方波信号时输出的波形c(t)；

3、分析此时相对应的个

p

、s t ，并加以定性的讨论。

4、改变运算放大器1A 的电容C ，再重复以上实验内容。

1.4 实验结果与分析

（1）当C 1=C 2，ζ=0（R=0）时，波形如图11-3所示

图11-3 无阻尼输入输出波形

（2）当C1=C2，增大R的值，0<ζ<1时，波形如图11-4所示

图11-4 欠阻尼输入输出波形

（3）当C1=C2，继续增大R的值，ζ>1时，波形如图11-5所示

图11-5 过阻尼输入输出波形

（4）当C1>C2，ζ=0（R=0）时，波形如图11-6所示

图11-6 无阻尼输入输出波形

（5）当C1>C2，增大R的值，0<ζ<1时，波形如图11-7所示

图11-7 欠阻尼输入输出波形

（6）当C1>C2，继续增大R的值，ζ>1时，波形如图11-8所示

图11-8 过阻尼输入输出波形

由以上波形可知，增大R的值，使波形由无阻尼到欠阻尼和过阻尼状态变化；从ξ=

中可知，欠阻尼状态下，增大C的值，可使时间常数T增大，ζ减2√KT

小，超调PO增大；同时，由ωn=√K T可以得到，T增大，ωn减小，调节时间增大，响应变慢。

1.5 实验总结

本次实验室自动控制理论部分的第一个实验。通过此次实验，我了解了二阶电路装置的组成和运用，在实验前对模拟电路各部分进行了理论分析，实验时的效率得以提高，为之后的实验打下了良好的基础。

1.6 思考题

（1）根据实验模拟电路图绘出对应的方框图。消除内环将系统变为一个单位负反馈的典型结构。此时能知道系统中的阻尼比ζ体现在哪一部分吗？如何改变ζ的数值？

答：从实验模拟电路图可以得出，阻尼比体现在积分环节和惯性环节中；将系统中的某个积分环节改为惯性环节可以改变ξ的数值。

（2）当线路中的运算放大器A4的反馈电阻分别为8.2，20，28，40，50，102，120，180，220kΩ时计算系统的阻尼比ζ。

答：取C

1=C

2

=0.68μF，则阻尼比

10

10

707

.02

+

=

R

ξ，对应取值分别为

1.29，

2.12，2.69，

3.54，

4.24，7.92，9.19，13.44，16.26。

当C

1=0.082μF，C

2

=0.68μF时，

2

1

2

10

10

707

.0

C

C

R+

=

ξ，对应取值分别为

0.45、0.74、0.93、1.23、1.47、2.75、3.19、4.67、5.65。

（3）用实验线路如何实现ζ=0？当把运算放大器A4所形成的内环

打开时，系统主通道由2个积分环节和一个比例系数为1的放大器

串联而成，主反馈仍为1，此时的ζ=？

答：要使ζ=0，需将运算放大器A

4

所形成的内环打开；改变电路环节后，ζ仍然为0。

（4）如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？

答：放大器可能会工作在非线性区，从而使使输出信号失真。

（5）在电路模拟系统中，如何实现单位负反馈？

答：若此时信号与输入信号反向，将输出通过一个与输入相同的电阻引入到输入端即可。若此时信号与输入信号同相，则需要增加一个增益为1的反向放大器来实现单位负反馈。