自动控制原理实验指导书(1-4)

图4
图5
5）双击打开＂My Documents＂下的＂EDA user＂，如图 6 所示。
6）双击打开＂EDA user＂目录下的＂EWB＂文件夹，如图 7 所示。 7）在如图 7 所示的图界面左6边的实验列表中选择并双击所要做的实验电图路，再7点击运行按钮开 始各项实验内容。
六、预习要求：
1、熟悉各种典型环节电模拟的原理和方法，并计算好元件相关参数。
2、 要求设计串联校正装置使系统满足下列性能指标：
（1） 超调量 MP≤25% （2） 调节时间 ts≤1s （3） 静态速度误差系数 Kv≥20
3、 串联校正装置的设计：
常用校正装置电路如图 3—3 所示。
R1
R2
C
R3 R0
图 3—3 校正装置电路
校正网络的传递函数为
GC
(S)
=
K
T1S T2 S
根据运算放大器反向输入端、输出端之间的传递函数：
G(s) = Uc (s) = − Z f U r (s) Zr
Zf
Ur Zr
A
UC
图1 在运算放大器反向输入端、输出端之间配以适当的电阻和电容，即可模拟各种典型环节。 改变电阻的阻值和电容的容值，也就改变了典型环节的参数。再观察典型环节的的阶跃响应， 就可了解参数变化对典型环节动态特性的影响。 1、比例环节：实验电路见图 1。
1、掌握测取系统或环节频率特性的基本方法； 2、由开环对数频率特性求取传递函数。 二、仪器、设备 微型计算机（安装有 EWB 软件） 1 台
三、实验原理
线性系统（环节）在正弦信号输入下的稳态输出为一个与输入信号同频率的正弦信号， 但其振幅和相位与输入信号不同，并随输入信号的频率变化而变化，测取不同频率下的输入 输出信号的振幅比，相位差，即可求得该系统（环节）的幅频特性 A（ω）相频特性φ（ω）， 从而获得该系统（环节）的频率特性 G（jω）。
13
《自动控制原理》实验指导书
R(s)
GC(S)
20
C(s)
S (0.5S +1)
图 3—4 校正后系统方块图
注意校正后系统负反馈的实现。
四、实验内容及步骤
1、测量未校正系统的性能指标。
（1）按图 3-2 接线画图；
（2）加阶跃电压，观察阶跃相应曲线，并测出超调量 MP 和调节时间 ts。 2、测量校正后系统的性能指标。
5）并测量出该系统的穿越频率 ωc 、相角裕量 γ 和幅值裕量 K g 。
3、将上述两个系统的波德图绘制于同一对数频率坐标系中，并对两个系统进行比较。
五、预习要求：
1、熟悉各典型环节的频率特性，系统频率特性的绘制以及典型环节的频率特性与系统频率特 性之间的关系。 2、画出被测系统的模拟电路图，计算元件参数值，确定测试频率值（建议在系统（最低）转 折频率的“十分之一”到（最高）转折频率的“十倍”的频率范围内选择 12 个点），列好实 验数据表。
+1 +1
其中
K = (R1 + R2 ) / R0
T1
= ( R1R2 R1 + R2
+
R3 )C
T2 = R3C
提示：R3<<R1、R2
根据系统的性能指标要求，并利用常用串联校正装置，对系统进行校正设计。
4、 将设计好的串联校正装置加入到未校正系统模拟电路中。 校正后系统的方块图如图 3—4 所示。
4、分析ξ和ωn 对二阶系统动态响应的影响；
五、实验步骤
5
《自动控制原理》实验指导书
1）点击“开始”菜单中的 如图 2 所示窗口；
图标，进入 EWB 实验平台。这时 EWB 会自动打开
自定义器件 信号源库 基本电路器件库
二极管库 晶体三极管库
逻辑门电路库 数字集成芯片库 数字电路库
元器件特性 运行或停止实验
5）测量出该系统的穿越频率 ωc 、相角裕量 γ 和幅值裕量 K g 。
9
《自动控制原理》实验指导书
2、 G2 (S )
=
6(1 + 0.9s) S 2 (0.1S + 1)
1）按同样的方法构建一个开环传递函数为：G2 (S )
=
6(1 + 0.9s) S 2 (0.1S + 1)
的单位反馈系统的实验模
1、 未校正系统的原理方块图为图 3—1 所示，图 3—2 是它的模拟电路。
R(s)
20
C(s)
S (0.5S +1)
图 3—1 未校正系统方框图
1µ
200K
1µ
R(t) 200K
100K
500K 250K
C(t)
200K
图 3—2 未校正系统模拟电路
系统的闭环传递函数为
Φ(S) =
20
=
40
0.5S 2 + S + 20 S 2 + 2S + 40
函数 发生器
被测 系统
Y1(t) 频率测 Y2(t) 试 仪
四、实验内容与步骤：
1、 G1 (S )
=
12 S (0.1S
+
1)
1）按实验一所述的方法，通过
EWB
实验软件构建一个开环传递函数为：G1 (S )
=
1 S (0.1S
+ 1)
的单位反馈系统的实验模拟电路； 2）设置函数发生器的输出信号为正弦信号，并选择该信号的频率和幅值。 3）通过频率测试仪测量该系统的对数频率特性； 4）确定测试频率范围（建议在系统（最低）转折频率的“十分之一”到（最高）转折频率的 “十倍”的频率范围内），在此范围内选择 12 个点进行测量，并通过描点法画出系统波德图。
其闭环传递函数为：φ(s) = U c (s) =
1
=
ωn2
U r (s) S (TS + 1) + 1 S 2 + 2ξωn S + ωn 2
四、实验内容
1、启动微机，打开 EWB 实验软件，画好（或者是打开）实验电路，并设置好参数；
2、观察不同ξ和ωn 时的阶跃响应（取规定的四组参数）；
3、测试每组参数下所对应的阶跃响应的 tr ， t p ， ts ，σ p 和振荡次数 N，并与理论值比较；
一、实验目的 1、了解和观测校正装置对系统稳定性及瞬态特性的影响。 2、学习校正装置的设计和实现方法。
二、实验设备 微型计算机（安装有 EWB 软件） 1 台
三、实验原理和电路 在系统中引入适当的辅助装置，使原系统在稳定性、精度和暂态性能等方面得以改善，
从而满足预定的性能指标要求，这种改善系统性能的方法称为校正。所引入的辅助装置称为 校正装置。利用超前网络的相角超前特性，使已校正系统的截止频率和相角裕度满足性能指 标要求，从而改善闭环系统的动态特性。
六、实验记录表
1、系统一：
参数
组 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
f (Hz)
ω(rad / s)
L(ω )(dB)
ϕ(ω)( )
穿越频率 ω c
相角裕量 γ
幅值裕量 K g
2、系统二：
参数
组 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
10
《自动控制原理》实验指导书
振荡次数 N
理论值 测试值 理论值 测试值 理论值 测试值 理论值 测试值 理论值 测试值
八、思考题
1、ξ和ωn 分别决定和影响阶跃响应的哪些指标？
2、随着ξ的增大，系统的振荡特性有何变化？
3、随着ωn 的增大，系统的振荡特性有何变化？
8
《自动控制原理》实验指导书
实验二 自控系统频率特性
一、实验目的
S
3、惯性环节：实验电路见图 3。
Rf
其传递函数为 G(s) = U c (s) = − R0 ，记 T=RC，取 K ' = R f = 1 ，则 G(s) = − 1
U r (s) R f CS + 1
R0
TS + 1
4、总模拟实验电路： R1
U r R0
A
C1
C2
R2
R3
R4
A
A
UC
图5
其开环传递函数为： G(s) == 1 S(TS + 1)
2、熟悉由典型环节构建二阶系统的方法；并分析二阶系统的ξ和 ωn 与各典型环节的参数之
间的关系。3、分析二阶系统的阶跃响应，熟悉系统ξ和ωn 对系统阶跃响应的影响。
七、实验记第四组
ωn （1/S）
3
3
1
1
1
ξ
0.5
0.5
0
6
7
《自动控制原理》实验指导书
阶跃响应曲线
上升时间 tr 峰值时间 t p 调节时间 ts 超调量σ p
G(s) = K
（1） K = Z f ，本实验中取 K = 1 。 Zr
2、积分环节：实验电路见图 2。 C
Ur R
A
UC
U r R0
C
Rf
A
UC
图2
图3
4
《自动控制原理》实验指导书
其传递函数为 G(s) = U c (s) = − 1 ，取 RC=1，则 G(s) = − 1
U r (s) RCS
拟电路； 2）设置函数发生器的输出信号为正弦信号，并选择该信号的频率和幅值。 3）通过频率测试仪测量该系统的对数频率特性； 4）确定测试频率范围（建议在系统（最低）转折频率的“十分之一”到（最高）转折频率的 “十倍”的频率范围内），在此范围内选择 12 个点进行测量（选择本实验的 12 个点的频率与 系统一相同），并通过描点法画出系统波德图。