1、電 子 科 技 大 學實 驗 報 告學生姓名： 學 號： 指導教師：實驗地點：工程訓練中心三樓 實驗時間：一、實驗室名稱：機械系測控實驗室 二、實驗項目名稱：二階系統時頻域分析實驗三、實驗學時：2學時四、實驗原理： 圖1是典型型二階單位反饋閉環系統。圖1 典型型二階單位反饋閉環系統型二階系統的開環傳遞函數：型二階系統的閉環傳遞函數標準式： 自然頻率（無阻尼振蕩頻率）： 阻尼比： 有二階閉環系統模擬電路如圖2所示。它由積分環節（A2單元）和慣性環節（A3單元）的構成，其積分時間常數Ti=R1*C1=1秒，慣性時間常數 T=R2*C2=0.1秒。圖2 型二階閉環系統模擬電路模擬電路的各環節參數代入

2、，得到該電路的開環傳遞函數為：模擬電路的開環傳遞函數代入式，得到該電路的閉環傳遞函數為：阻尼比和開環增益K的關系式為：臨界阻尼響應：=1，K=2.5，R=40k 欠阻尼響應：01，設R=70k，K=1.43=1.321 計算欠阻尼二階閉環系統在階躍信號輸入時的動態指標Mp、tp、ts：（K=25、=0.316、=15.8）超調量 ： 峰值時間： 調節時間：。由于型系統含有一個積分環節，它在開環時響應曲線是發散的，因此欲獲得其開環頻率特性時，還是需構建成閉環系統，測試其閉環頻率特性，然后通過公式換算，獲得其開環頻率特性。 計算欠阻尼二階閉環系統中的幅值穿越頻率c、相位裕度：幅值穿越頻率： 相位裕

3、度： 值越小，Mp%越大，振蕩越厲害；值越大，Mp%小，調節時間ts越長，因此為使二階閉環系統不致于振蕩太厲害及調節時間太長，一般希望：3070本實驗以第3.2.2節二階閉環系統頻率特性曲線為例，得：c =14.186 =34.93五、實驗目的：1通過二階系統的時頻域分析驗證課程講授內容，加深學生對理論知識的理解程度，擴大學生視野，掌握基本的頻域圖解方法和時域系統校正方法。2了解和掌握典型二階系統模擬電路的構成方法及型二階閉環系統的傳遞函數標準式。3研究型二階閉環系統的結構參數-無阻尼振蕩頻率n、阻尼比對過渡過程的影響。4掌握欠阻尼型二階閉環系統在階躍信號輸入時的動態性能指標Mp、tp、ts的

4、計算。5觀察和分析型二階閉環系統在欠阻尼，臨界阻尼，過阻尼的瞬態響應曲線，及在階躍信號輸入時的動態性能指標Mp、tp值，并與理論計算值作比對。6了解和掌握型二階開環系統中的對數幅頻特性和相頻特性，實頻特性 和虛頻特性的計算。7了解和掌握欠阻尼型二階閉環系統中的自然頻率、阻尼比對開環參數幅值穿越頻率和相位裕度的影響，及幅值穿越頻率和相位裕度的計算。8研究表征系統穩定程度的相位裕度和幅值穿越頻率對系統的影響。9了解和掌握型二階開環系統對數幅頻曲線、相頻曲線、和幅相曲線的構造及繪制方法六、實驗內容：搭建二階系統，觀察系統時域響應曲線，通過調整電路中可調電阻的方式改變系統開環增益和系統阻尼比，觀察開環

5、增益和阻尼比變化時對系統穩定性和動態響應過程的影響。二階系統的頻域分析，搭建二階系統，通過設置不同的輸入信號頻率，獲取輸出信號，通過輸入輸出幅值相位變化繪制對數幅相特性圖和幅相頻率特性圖，并確定，等關鍵參數。型二階閉環系統模擬電路見圖2，觀察阻尼比對該系統的過渡過程的影響。改變A3單中輸入電阻R來調整系統的開環增益K，從而改變系統的結構參數。觀測二階閉環系統的頻率特性曲線，測試其諧振頻率、諧振峰值。改變被測系統的各項電路參數，畫出其系統模擬電路圖，及閉環頻率特性曲線，並計算和測量系統的諧振頻率及諧振峰值，填入實驗報告。七、實驗器材（設備、元器件）：LabACTn自控/計控實驗機八、實驗步驟：（

6、1）構造模擬電路：按圖2安置短路套及插孔連線，表如下。（a）安置短路套 （b）插孔連線模塊號跨接座號1A1S4，S82A2S5，S11，S123A3S8，S111信號輸入B1（OUT1）A1（H1）2運放級聯A1（OUT）A2（H1）3負反饋A3（OUT）A1（H2）4運放級聯A3（OUT）A10（H1）56跨接4K、40K、70K元件庫A11中直讀式可變電阻跨接到A2（OUT）和A3（IN）之間7示波器聯接A10（OUT）B2（CH2）（2）運行、觀察、記錄： 分別將（A11）中的直讀式可變電阻分別調整為4K、40K、70K，選擇線性系統時域分析二階系統瞬態響應和穩定性實驗，確認信號參數默認

7、值后，點擊-下載-開始鍵后，實驗運行，階躍響應曲線見圖3。用示波器觀察在三種增益K下，A10輸出端C(t)的系統階躍響應。（a）01過阻尼階躍響應曲線圖3 型二階系統在三種情況下的階躍響應曲線（3）構造模擬電路。（a）安置短路套 （b）插孔連線模塊號跨接座號1A1S4，S82A2S5，S11，S123A3S8，S111信號輸入B1（OUT1） A1（H1）2運放級聯A1（OUT）A2（H1）3運放級聯A3（OUT）A10（H1）45跨接元件（4K）元件庫A11中可變電阻跨接到A2（OUT）和A3（IN）之間6負反饋A3（OUT）A1（H2）7測量A10（OUT） B3（ADIN）8示波器聯接A

8、1（H1）B2（CH1）9A10（OUT）B2（CH2）（4）運行、觀察、記錄： 選擇系統的頻域分析二階閉環系統頻率特性曲線，將彈出頻率特性掃描點設置表，用戶可在設置表中根據需要填入各個掃描點角頻率，設置完后，點擊確認后，將彈出頻率特性曲線實驗界面，點擊開始，即可按表中規定的角頻率值，按序自動產生多種頻率信號，畫出頻率特性曲線。 測試結束后（約五分鐘），將顯示被測系統的對數幅頻、相頻特性曲線（伯德圖）和幅相曲線（奈奎斯特圖。諧振頻率r和諧振峰值L(r)的測試： 在閉環對數幅頻曲線中，移動L標尺和標尺到曲線峰值處可讀出諧振頻率、諧振峰值。在閉環對數相頻曲線中，移動移動標尺到標尺線與曲線相交處，可

9、讀出該角頻率的值。 諧振頻率r和諧振峰值L(r)自動搜索點擊搜索諧振頻率鍵，將自動搜索并補充搜索過的點，直到搜索到諧振頻率，自動停止搜索，該點測試成功后，在特性曲線上將出現黃色的點，即諧振頻率r，同時在閉環幅頻特性曲線圖的右下方顯示出該系統的諧振頻率，在特性曲線圖的右側顯示該角頻率點的L、Im、Re。圖4界面“顯示選擇”選擇了“閉環-伯德圖”。注：搜索諧振頻率時，請確保諧振峰值的兩側各有已測的測試點！諧振頻率值標尺值L標尺值標尺值諧振頻率諧振峰值圖4 被測二階閉環系統的對數幅頻曲線、相頻曲線和幅相曲線九、實驗數據及結果分析：時域分析部分： 計算和觀察被測對象的臨界阻尼的增益K，填入實驗報告。積

10、分常數Ti慣性常數T增益K計算值10.10.20.30.50.10.2 畫出階躍響應曲線，測量超調量Mp，峰值時間tp填入實驗報告。（計算值實驗前必須計算出）增益K（A3）慣性常數T（A3）積分常數Ti（A2）自然頻率n計算值阻尼比計算值超調量Mp(%)峰值時間tP計算值測量值計算值測量值250.110.20.3200.10.50.240頻域分析部分：改變開環增益K（A3）、慣性時間常數T（A3）、積分常數Ti（A2），畫出其系統模擬電路圖，及閉環頻率特性曲線，並計算和測量系統的諧振頻率及諧振峰值，填入實驗報告。開環增益K（A3）慣性常數T（A3）積分常數Ti（A2）諧振頻率（rad/s）諧振

11、峰值L（dB）計算值測量值計算值測量值250.110.20.3200.10.50.2十、實驗結論：十一、總結及心得體會：十二、對本實驗過程及方法、手段的改進建議： 報告評分：指導教師簽字： 電 子 科 技 大 學實 驗 報 告學生姓名： 學 號： 指導教師：實驗地點：工程訓練中心三樓 實驗時間：一、實驗室名稱：機械系測控實驗室 二、實驗項目名稱：頻域法串聯超前校正三、實驗學時：2學時四、實驗原理： 超前校正的原理是利用超前校正網絡的相角超前特性，使中頻段斜率由-40dB/dec變為-20 dB /dec并占據較大的頻率范圍，從而使系統相角裕度增大，動態過程超調量下降；并使系統開環截止頻率增大，

12、從而使閉環系統帶寬也增大，響應速度也加快。超前校正網絡的電路圖及伯德圖見圖1。 圖1 超前校正網絡的電路圖及伯德圖超前校正網絡傳遞函數為： 網絡的參數為： ， 在設計超前校正網絡時，應使網絡的最大超前相位角盡可能出現在校正后的系統的幅值穿越頻率c處，即m=c。 網絡的最大超前相位角為： 或為： 處的對數幅頻值為： 網絡的最大超前角頻率為： 從式可知，接入超前校正網絡后被校正系統的開環增益要下降a倍，因此為了保持與系統未校正前的開環增益相一致，接入超前校正網絡后，必須另行提高系統的開環增益a倍來補償。五、實驗目的：1了解和掌握超前校正的原理。2了解和掌握利用閉環和開環的對數幅頻特性和相頻特性完成

13、超前校正網絡的參數的計算。3掌握在被控系統中如何串入超前校正網絡，構建一個性能滿足指標要求的新系統的方法。六、實驗內容：1觀測被控系統的開環對數幅頻特性和相頻特性，幅值穿越頻率c，相位裕度，按“校正后系統的相位裕度”要求,設計校正參數，構建校正后系統。2觀測校正前、后的時域特性曲線，並測量校正后系統的相位裕度、超調量Mp、峰值時間tP。3改變 “校正后系統的相位裕度”要求,設計校正參數，構建校正后系統，畫出其系統模擬電路圖和階躍響應曲線，觀測校正后相位裕度、超調量Mp、峰值時間tP填入實驗報告。注：在進行本實驗前應熟練掌握使用本實驗機的二階系統開環對數幅頻特性和相頻特性的測試方法。七、實驗器材

14、（設備、元器件）：LabACTn自控/計控實驗機八、實驗步驟：1未校正系統的時域特性的測試 未校正系統模擬電路圖見圖3-3-2。圖2 未校正系統模擬電路圖圖2未校正系統的開環傳遞函數為：實驗步驟： （1） 構造模擬電路：按圖2安置短路套及插孔連線，表如下。（a）安置短路套 （b）插孔連線模塊號跨接座號1A1S4，S82A2S4，S113A6S3，S8，S101信號輸入B1（OUT1）A1（H1）2運放級聯A1（OUT）A2（H1）3運放級聯A2（OUT）A6（H1）4負反饋A6（OUT）A1（H2）5運放級聯A6（OUT）A10（H1）6示波器聯接A10（OUT）B2（CH2）7頻域特性測試A

15、10（OUT）B3（ADIN）（2） 運行、觀察、記錄：選擇頻域法串聯超前校正超前校正前時域測試，確認信號參數默認值后，點擊下載、開始鍵后，實驗運行，階躍響應曲線見圖3。移動游標測量其超調量、峰值時間及調節時間。圖3 未校正系統的時域特性曲線在未校正系統的時域特性特性曲線上可測得時域特性：超調量Mp=59% 峰值時間tp= 0.336S 調節時間ts=1.8S(=5時)2未校正系統的頻域特性的測試未校正系統頻域特性測試的模擬電路圖見圖4，與圖2比較，該圖只是增加了A10（OUT）B3（ADIN）插孔連線，其余均相同。圖4 未校正系統頻域特性測試的模擬電路圖 實驗步驟： （1） 構造模擬電路：（

16、略） （2） 運行、觀察、記錄： 選擇頻域法串聯超前校正超前校正前頻域測試，將彈出頻率特性掃描點設置表，用戶可在設置表中根據需要填入各個掃描點角頻率，設置完后，點擊確認后，將彈出頻率特性曲線實驗界面，點擊開始，即可按表中規定的角頻率值，按序自動產生多種頻率信號，畫出頻率特性曲線。 測試結束后（約五分鐘），將顯示被測系統的對數幅頻、相頻特性曲線（伯德圖）和幅相曲線（奈奎斯特圖），見圖5所示（該圖界面“顯示選擇”選擇了“開環-伯德圖”）。 在開環對數幅頻曲線中，移動L標尺線到曲線處，再移動標尺到曲線與相交處，從曲線圖左下角讀出，從開環對數相頻曲線中，移動標尺線到標尺線與曲線相交處，從曲線圖左下角可

17、讀出該角頻率的，計算出相位裕度，見圖5。測得未校正系統頻域特性：穿越頻率c= 9.49rad/s， 相位裕度=19相位裕度穿越頻率c圖5 未校正系統開環伯德圖3超前校正網絡的設計 在未校正系統模擬電路的開環伯德圖（圖5）上測得未校正系統的相位裕度=19。 如果設計要求校正后系統的相位裕度=52則網絡的最大超前相位角必須為：，。其中為考慮所減的角度，一般取510。 據式 3-3-3 可計算出網絡的參數： 據式 3-3-4 可計算出網絡的最大超前相位角處的對數幅頻值為： 在系統開環幅頻特性曲線（圖5）上，移動L標尺到處，再移動標尺到曲線與相交處，從曲線圖左下角可讀出角頻率=14.4 rad/s ，

18、見圖6，該角頻率應是網絡的最大超前角頻率，這亦是串聯超前校正后系統的零分貝頻率。期望校正后穿越頻率c-Lc（m）圖6 未校正系統開環幅頻特性曲線可計算出計算串聯超前校正網絡參數：， 令 C=1u， 計算出：R4=155K， R5=38.7K超前校正網絡傳遞函數為： 為了補償接入超前校正網絡后，被校正系統的開環增益要下降a倍，必須另行提高系統的開環增益增益a倍。因為a=5，所以校正后系統另行串入開環增益應等于5的運放A4。 4、串聯超前校正后系統的頻域特性的測試串聯超前校正后系統頻域特性測試的模擬電路圖見圖7。圖7 串聯超前校正后系統頻域特性測試的模擬電路圖圖7串聯超前校正后系統的傳遞函數為：圖

19、8校正網絡（部分）連線示意圖實驗步驟： （1） 構造模擬電路：按圖7、圖8安置短路套與插孔連線表如下。（a）安置短路套 （b）插孔連線1信號輸入B1（OUT1）A1（H1）23跨接元件（155K）元件庫A11中可變電阻跨接到A1（OUT）和A12（H+）之間校正網絡：參見圖3-3-845跨接元件（1u）元件庫A11中1u電容跨接到可變電阻兩端67跨接元件（38.7K）元件庫A11中可變電阻跨接到 A12（H+）和GND之間8運放級聯A12（OUT）A4（H1）9運放級聯A4（OUT）A8（H1）10運放級聯A8（OUT）A2（H1）11運放級聯A2（OUT）A6（H1）12運放級聯A6（OUT

20、）A10（H1）13負反饋A6（OUT）A1（H2）14頻域特性測試A10（OUT） B3（ADIN）15示波器聯接A10（OUT）B2（CH2）模塊號跨接座號1A1S4，S82A2S4，S113A6S3，S8，S104A4S3，S105A12S1（2） 運行、觀察、記錄：選擇頻域法串聯超前校正超前校正后頻域測試，運行同2未校正系統的頻域特性的測試。圖7的串聯超前校正后系統的開環對數幅頻、相頻曲線（伯德圖）見圖9所示。在串聯超前校正后的對數幅頻曲線中，移動L標尺線到曲線處，再移動標尺到曲線與相交處，從曲線圖左下角讀出，從開環對數相頻曲線中，移動標尺線到標尺線與曲線相交處，從曲線圖左下角讀出該角

21、頻率的，計算出相位裕度，見圖9。測得串聯超前校正后系統的頻域特性：穿越頻率c= 14.42 rad/s，相位裕度。校正后穿越頻率c校正后相位裕度 圖9 串聯超前校正后系統的伯德圖 測試結果表明基本符合設計要求。5、串聯超前校正系統后的時域特性的測試串聯超前校正后系統時域特性測試的模擬電路圖見圖10，與圖7比較，該圖只是減少了A10（OUT）B3（ADIN）插孔連線，其余均相同。圖10 串聯超前校正后系統時域特性測試的模擬電路圖實驗步驟：（1） 構造模擬電路：（略） （2） 運行、觀察、記錄：選擇頻域法串聯超前校正超前校正后時域測試，運行同1、未校正系統時域特性的測試，校正后系統的時域特性見圖1

22、1，移動游標測量其超調量、峰值時間及調節時間，測得時域特性：超調量Mp= 18.1% 調節時間ts= 0.38S(=5時) 峰值時間tp=0.2S 測試結果表明基本符合設計要求。圖11 串聯超前校正后系統的時域特性曲線九、實驗數據及結果分析：按下表“校正后系統的相位裕度”設計校正參數，構建校正后系統，畫出串聯超前校正后系統模擬電路圖，及校正前、后的時域特性曲線，並觀測校正后系統的相位裕度、超調量Mp，峰值時間tP填入實驗報告。相位裕度（設計目標）測 量 值相位裕度超調量Mp(%)峰值時間tp50406070十、實驗結論：十一、總結及心得體會：十二、對本實驗過程及方法、手段的改進建議： 報告評分

23、：指導教師簽字： 電 子 科 技 大 學實 驗 報 告學生姓名： 學 號： 指導教師：實驗地點：工程訓練中心三樓 實驗時間：一、實驗室名稱：機械系測控實驗室 二、實驗項目名稱：直流電機PID控制三、實驗學時：2學時四、實驗原理： 直流電機系統的由電機驅動功率放大器、調節器、電機轉速檢測傳感器、F/V轉換器等組成，組成框圖如圖1所示。圖1 直流電機速度閉環控制系統的組成框圖直流電機是典型的型系統，其開環傳函為： 其頻率特性主要由電磁時間常數Tl和機電時間Tm來決定，在一定條件下可分解成兩個一階慣性環節。根據控制系統的穩定性設計準則，可以采用PD控制器（不是唯一的校正方法）來對系統進行校正，即利用

24、PD中的比例微分部分來對消直流伺服系統中時間常數大的一個極點，并使系統的伯德圖以-20dB/DEC的斜率穿越0分貝線，滿足穩定性的要求。 直流電機系統的電器原理圖如圖2所示。圖2 直流電機電器原理圖五、實驗目的：通過直流電機PID控制實驗，加深學生對控制理論中穩定性、頻率特性等知識的理解，掌握基本的頻域設計方法。六、實驗內容：（1）構造直流電機本體：按圖安置短路套及插孔連線；（2）運行、觀察、記錄直流電機本體頻率特性；（3）構造模擬PD控制器；（4）構造負反饋電路；（5）根據觀查得到的電機本體特性，配置PD控制器的時間常數；調整PD控制器的增益；用階躍信號激勵如圖2所示的直流電機實驗系統，觀察系統的時域響應；設置合適的PD控制器增益使超調不超過30%。七、實驗器材（設備、元器件）：LabACTn自控/計控實驗機八、實驗步驟：（1）構造直流電機本體：按圖安置短路套及插孔連線，表如下。（a）插孔連線 1控制器輸出（AOUT1） A8（H1）2運放級聯A8（OUT）C2（電機輸入）3數據采集C2（測速輸出） B2（CH2）4控制輸出顯示B4（AOUT1）B2（CH1）（2）運行、觀察、記錄直流電機本體頻率特性： 直流電機可看作是由二個慣性環節串聯組成的被控對象，因此可采用二點法確定被控對象參數。對象開環辨識時，須把B1（OUT1）C2（