典型环节的模拟研究001

电气控制基础实验指导书1

孙崎岖

2018.1

中国计量大学机电工程学院电气自动化教研室

目录

实验一典型环节的模拟研究 (1)

实验二控制系统的瞬态响应及其稳定性分析 (5)

实验三二阶系统特征参数对系统性能的影响 (9)

实验四开环增益与零极点对系统性能的影响 (12)

实验五典型系统的频率特性测试 (20)

实验六线性系统的串联校正 (22)

实验一 典型环节的模拟研究

一、实验目的

1. 掌握比例、积分、比例积分、微分、实际微分、比例积分微分及惯性环节的模拟方法。

2. 通过实验熟悉各种典型环节的传递函数和动态特性。

二、实验设备及器材配置

1. 自动控制理论实验系统。

2. 数字存储示波器。

3. 数字万用表。

4. 各种长度联接导线。

三、实验内容

先观测并记录输入阶跃信号，再搭建各种典型环节的模拟电路，观测并记录各种典型环节的阶跃响应曲线。 1．观察比例环节的阶跃响应曲线

典型比例环节模拟电路如图1-1-1所示，比例环节的传递函数为：

0()

()

i U s K U s =

图1-1-1典型比例环节模拟电路

2．观察积分环节的阶跃响应曲线

典型积分环节模拟电路如图1-1-2所示，积分环节的传递函数为：

0()1

()i U s U s TS

=

图1-1-2典型积分环节模拟电路

10K

10K

10K

10K

3．观察比例积分环节的阶跃响应曲线

典型比例积分环节模拟电路如图1-1-3所示，比例积分环节的传递函数为：

0()1

()i U s K U s TS

=+

图1-1-3典型比例积分环节模拟电路

4．观察微分环节的阶跃响应曲线

典型微分环节模拟电路如图1-1-4所示，微分环节的传递函数为：

0()

()

i U s TS U s =

图1-1-4典型微分环节模拟电路

5．观察比例微分环节的阶跃响应曲线

典型比例微分环节模拟电路如图1-1-5所示，比例微分环节的传递函数为：

0()

(1)()

i U s K TS U s =+

图1-1-5 典型比例微分环节模拟电路

10K

1.0UF

10K

10K

100K 100K R4 10K

1.0UF

200K

10K

100K

1.0UF

6．观察比例微分积分环节的阶跃响应曲线

典型比例微分积分环节模拟电路如图1-1-6所示，比例微分积分环节的传递函数

为：

0()1

()p d i i U S K T S U S T S

=++

图1-1-6典型比例微分积分环节模拟电路

7．观察惯性环节的阶跃响应曲线

典型惯性环节模拟电路如图1-1-7所示，惯性环节的传递函数为：

0()()1

i U s K

U s TS =

+

图1-1-7典型惯性环节模拟电路

四、实验步骤

1．熟悉实验设备并在实验设备上分别联接各种典型环节。

2．利用实验设备完成各种典型环节的阶跃特性测试，并研究参数改变对典型环节阶跃特性的影响，绘出响应曲线。 3．分析实验结果，完成实验报告。

五、实验结果

绘出各种典型环节理想的和实测的阶跃响应曲线

10K

10K

100K

10K

10K

10K

实验二 控制系统的瞬态响应及其稳定性分析

一．实验目的

1．了解掌握典型二阶系统的过阻尼、临界阻尼、欠阻尼状态； 2．了解掌握典型三阶系统的稳定状态、临界稳定、不稳定状态； 3．研究系统参数变化对系统动态性能和稳定性的影响。

二．实验内容

1．搭建典型二阶系统，观测各个参数下的阶跃响应曲线，并记录阶跃响应曲线的超调量σ% 、峰值时间tp 以及调节时间ts ，研究其参数变化对典型二阶系统动态性能和稳定性的影响；

2．搭建典型三阶系统，观测各个参数下的阶跃响应曲线，并记录阶跃响应曲线的超调量σ% 、峰值时间tp 以及调节时间ts ，研究其参数变化对典型三阶系统动态性能和稳定性的影响。

三．实验步骤

1． 典型二阶系统的响应曲线

图1-2-1是典型二阶系统原理方块图，其中T 0=1S ，T 1=0.2S 。

图1-2-1 典型二阶系统原理方块图

开环传函：)

12.0()1()(1

1+=+=

S S K S T S K S G 其中K=K 1/T 0=K 1=开环增益

闭环传函：2

n

n 22n

S 2S )S (W ωζωω++=其中011n T T /K =ω 110T K /T 2

1

=

ζ 表1-2-1列出有关二阶系统在三种情况（欠阻尼，临界阻尼，过阻尼）下具体参数的表达上式，以便计算理论值。至于推导过程请参照有关原理书。

表1-2-1

典型二阶系统模拟电路如图1-2-2所示

100K

100K

R2

100K

图1-2-2典型二阶系统模拟电路

图中：R1=100K、R2=100K、R3=100K、R4=500K、R6=200K

R7=10K、R8=10K、C1=2.0uF、C2=1.0uF

R5为可选电阻：

R5＝16K时，二阶系统为欠阻尼状态

R5＝160K时，二阶系统为临界阻尼状态

R5＝200K时，二阶系统为过阻尼状态

输入阶跃信号，通过示波器观测不同参数下输出阶跃响应曲线,并记录曲线的超调量σ%、峰值时间tp以及调节时间ts。