自动控制原理实验报告

自动控制原理实验报告自动化0801班隋伟08212013李响08212009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采用符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系统环节连接起来，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。

如改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。

四、实验步骤1、启动计算机，在桌面双击图标ZK（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、连接各个被测典型环节的模拟电路。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

4、在实验课题下拉菜单中选择实验一【典型环节及其阶跃响应】。

5、点解实验课题弹出实验课题参数窗口。

在参数设置窗口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pingmu 显示除的响应曲线及数据。

7、记录波形及数据。

五、实验内容1、比例环节G（S）=-R2/R1得到其输入及响应曲线如图所示：输入为1V输出为-2.17V2、惯性环节G(S)=-K/TS+1K=R2/R1,T=R2*C得到其输入输出曲线如图：3、积分环节G（S）=1/TS ;T=R*C得到输入及响应曲线如图：4、微分环节G(S)=-RCS得到输入及响应图形如下输入为1V 输出稳态约等于0V 5、比例微分环节G（S）=-K(TS+1) ;K=R2/R1,T=R2*C得到输入及响应曲线如图：输入为1V 输出稳态为-0.97V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ξ和无阻尼自然频率ωn 对系统动态性能的影响。

定量分析ξ和ωn 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 型自动控制系统实验箱一台2、计算机一台 三、实验内容典型二阶系统的闭环传递函数为2222)(nn ns S ωξωωϕ++= （1）其中ξ和ωn 对系统的动态品质有决定的影响。

二阶系统的模拟电路如图：电路结构图如图：系统闭环传递函数为22212/1)/(/1)(/)()(TS T K S T s U s U s ++==ϕ （2）式中T=RC K=R2/R1 四、实验步骤1.取ωn=10rad/s,即令R=100K Ω，C=1μf ；分别取ξ=0、0.25、0.5、0.75、1、2，即取R1=100K Ω，R2分别等于0、50K Ω、100K Ω、150K Ω、200K Ω、400K Ω。

输入单位阶跃信号，测量不同的ξ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ξ=0.5，即电阻R2取R1=R2=100K Ω；ωn=100rad/s,即取R=100K Ω,改变电路中的电容C=0.1μf （注意：两个电容值同时改变）。

输入单位阶跃信号，测量系统阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量p σ和调节时间n T 。

五、实验分析1.ωn=10rad/s ξ=0 （R2=0） 实验结果如下图：系统为零阻尼状态，输出呈等幅震荡2.ωn=10rad/s ξ=0.25（R2=50K Ω） 实验结果如下图：系统为欠阻尼状态实验可得：超调量Mp=0.51 调节时间Ts=1.064s 理论值：超调量Mp=21ξπξ--e =0.467调节时间Ts=nξω3=1.2s传递函数：模拟电路参数求得 1005100)(2++=s s s ϕ由实验数据求得 18165.5181)(2++=s s s ϕ3.ωn=10rad/s ξ=0.5（R2=100K Ω） 实验结果如下图：系统为欠阻尼状态实验可得：超调量Mp=0.20 调节时间Ts=0.64s 理论值：超调量Mp=21ξπξ--e =0.26调节时间Ts=nξω3=0.6s传递函数：由模拟电路参数求得 10010100)(2++=s s s ϕ 由实验数据求得 69.10538.969.105)(2++=s s s ϕ4.ωn=10rad/s ξ=0.75（R2=150K Ω） 实验结果如下图：系统为欠阻尼状态实验可得：超调量Mp=0.16 调节时间Ts=0.48s 理论值：超调量Mp=21ξπξ--e=0.21调节时间Ts=nξω3=0.4s传递函数：由模拟电路参数求得 10015100)(2++=s s s ϕ 由实验数据求得 86.15350.1286.153)(2++=s s s ϕ5.ωn=10rad/s ξ=1（R2=200K Ω） 实验结果如下图：系统为临界阻尼状态，其单位阶跃响应是一个无超调的单调过程，调节时间Ts=4.75/n ω=0.475s ，实验测得调节时间Ts=0.428s 6.ωn=10rad/s ξ=2（R2=400K Ω） 实验结果如下图：系统为过阻尼状态，，不存在稳态误差，其调节时间Ts=)1(32--ξξωn =0.58s系统可以等效为一阶系统，实验测得Ts=1.00s7．ωn=100rad/s ξ=0.5（R2=100K Ω） C=0.1μf 实验结果如下图：系统为欠阻尼状态实验可得：超调量p σ=0.185 调节时间n T =0.072s 理论值：超调量p σ=21ξπξ--e =0.26调节时间n T =nξω3=0.06s传递函数：由模拟电路参数可得 1000010010000)(2++=s s s ϕ由实验数据求得 96.775330.8396.7753)(2++=s s s ϕξ=1时，系统处于临界阻尼状态，系统响应为一无超调的单调函数；ξ>1时，系统处于过阻尼状态，系统不存在稳态误差；0<ξ<1时，系统处于欠阻尼状态，此时，当ωn 一定时，ξ越大，Mp 越小，响应振荡倾向越弱，平稳性越好，无稳态误差，当ξ一定时，ωn 越大，平稳性越差，快速性越好，无稳态误差。

实验四 连续系统串联较正一、 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、 实验内容及分析 1. 串联超前校正系统模拟电路如下图，图中开关S 断开对应未校情况，接通对应超前校正。

测量其在接超前校正和不接超前校正情况下的阶跃响应曲线，比较曲线并记录超调量Mp 和调节时间ts 的值。

超前校正系统的结构图为图中 Gc1(s)=2 Gc2(s)=2(0.055s+1)/(0.005s+1)校正前系统阶跃响应 校正后系统阶跃响应超调量p σ=0.63 调节时间s t =1.18s 超调量p σ=0.29 调节时间s t =0.544s 由实验结果我们可以看到：加入超前校正之后，系统平稳性变好了，超调量减小了。

超前校正的作用：给系统串入超前校正网络，可以有效的改善原系统的平稳性和稳定性，并对快速性也将产生有利的影响，但超前校正对提高系统稳态精度的作用是很小的。

2、串联滞后校正系统模拟电路如下图，图中开关S 断开对应未校情况，接通对应滞后校正。

测量其在接超前—滞后校正和不接超前—滞后校正情况下的阶跃响应曲线，比较曲线并记录超调量Mp 和调节时间ts 的值。

滞后校正系统的结构图为图中Gc1(s)=6 Gc2(s)=6(1.2s+1)(0.15s+1)/[(6s+1)(0.05s+1)]校正前系统阶跃响应 校正后系统阶跃响应超调量p σ=1.17 调节时间s t =∞ 超调量p σ=0.29 调节时间s t =0.876s由实验结果我们可以看到：加入滞后校正之后，阶跃响应曲线的平稳性得到了很大的提高作用：提高系统低频响应的增益，减小系统的稳态误差，同时基本保证系统的暂态性能不变；使系统高频响应的增益衰减，降低系统的截止频率，提高系统的相角稳定裕度，以改善系统的稳定性和某些暂态性能。

3、串联超前—滞后校正系统模拟电路如下图，图中双刀开关断开对应未校情况，接通对应超前—滞后校正测量其在接超前—滞后校正和不接超前—滞后校正情况下的阶跃响应曲线，比较曲线并记录超调量Mp和调节时间ts的值。

滞后校正系统的结构图为图中Gc1(s)=6, Gc2(s)=6(1.2s+1)(0.15s+1)/[(6s+1)(0.05s+1)]校正前系统阶跃响应校正后系统阶跃响应超调量p σ=0.71 调节时间s t =0.924s 超调量p σ=0.29 调节时间s t =0.44s 由实验结果得：加入超前—滞后校正后，系统的平稳性的到了很大改善，快速性也有很大的提升。

作用：其综合了滞后校正和超前校正的优点，能全面地提高系统的控制性能。

实验感想：通过本次试验,进一步了解了控制系统的结构，性能指标，以及怎样去改善系统的性能，实验通过理论计算，实验仿真相结合的方式，通过严谨的科学方法，给我们直观的效果展示，让控制的概念和原理深入人心，硬件虽然需要不断调试，但不是盲目的调试，而是需要有理论作为指导，可以说实验取得了很好的效果。