1、20162017 學年第一學期自動控制原理實驗報告年級：大三 班號：1407姓名：陳繼業(yè) 學號：2014302540205成績: 教師：楊玲君實驗設備及編號：A10實驗同組人名單：陳繼業(yè)，劉金來 實驗地點：電氣工程學院自動控制原理實驗室 實驗時間： 2016 年 10 月 實驗一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬1. 比例（p）環(huán)節(jié)根據(jù)比例環(huán)節(jié)的方框圖，電路圖，用CT01實驗模塊組建相應的模擬電路。電路圖為：圖中后一個單元為反相器，其中R0=200k。參數(shù)設置：若比例系數(shù) K=1 時，電路中的參數(shù)取：R1=100k，R2=100k；若比例系數(shù) K=2 時，電路中的參數(shù)取：R1=100k，R2=200k。比例

2、系數(shù)K=1時：比例系數(shù)K=2時：當ui為一單位階躍信號時，用上位機軟件觀測并記錄相應K值時的實驗曲線，并與理論值進行比較。另外R2還可使用可變電位器，以實現(xiàn)比例系數(shù)為任意的設定值。比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：Gs=K隨著K的增大，輸出信號與輸入信號的比例越來越大，在圖像上表現(xiàn)為輸入信號幅值越來越大。2. 積分（I）環(huán)節(jié)根據(jù)積分環(huán)節(jié)的電路圖，用CT01實驗模塊組建相應的模擬電路。圖中后一個單元為反相器，其中 R0=200k。 若積分時間常數(shù) T=1s 時，電路中的參數(shù)取：R=100k，C=10uF(T=RC=100k×10uF=1s)；若積分時間常數(shù) T=0.1s 時，電路中的參數(shù)取：R=1

3、00k，C=1uF(T=RC=100k×1uF=0.1s)。積分時間常數(shù)T=1s時：積分時間常數(shù)T=0.1s時：積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： 隨著T的增加，系統(tǒng)輸出到達穩(wěn)態(tài)所需時間越長。當積分環(huán)節(jié)的時間常數(shù)T變小時，積分作用更加強烈，達到穩(wěn)定值所需要的時間更短，在波形圖中表現(xiàn)為斜率更大。3. 比例積分（PI）環(huán)節(jié)根據(jù)比例積分環(huán)節(jié)的電路圖，用CT01實驗模塊組建相應的模擬電路。圖中后一個單元為反相器，其中 R0=200k。 若取比例系數(shù) K=1、積分時間常數(shù) T=1s 時，電路中的參數(shù)取：R1=100k，R2=100k， C=10uF(K=R2/R1=1，T=R2C=100k×10

4、uF=1s)；若取比例系數(shù)K=1、積分時間常數(shù)T=0.1s時，電路中的參數(shù)取：R1=100k，R2=100k，C=1uF(K=R2/R1=1，T=R2C=100k×1uF=0.1s)。注：通過改變 R2、R1、C 的值可改變比例積分環(huán)節(jié)的放大系數(shù) K 和積分時間常數(shù) T。比例系數(shù)K=1、積分時間常數(shù)T=1s時：比例系數(shù)K=1、積分時間常數(shù)T=0.1s時：比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： 比例系數(shù)K的變化，不會影響系統(tǒng)的動態(tài)特性；隨著積分常數(shù)T的增加，系統(tǒng)輸出到達穩(wěn)態(tài)所需時間越長。而積分常數(shù)越小，說明積分的作用越強烈，在圖上表現(xiàn)為斜率更大。4. 比例微分（PD）環(huán)節(jié)根據(jù)比例微分環(huán)節(jié)的電路圖，

5、用CT01實驗模塊組建相應的模擬電路。圖中后一個單元為反相器，其中 R0=200k。 若比例系數(shù) K=1、微分時間常數(shù) T=0.1s 時，電路中的參數(shù)取：R1=100k，R2=100k，C=1uF(K=R2/R1=1，T=R1C=100k×1uF=0.1s)； 若比例系數(shù) K=1、微分時間常數(shù) T=1s 時，電路中的參數(shù)取：R1=100k，R2=100k，C=10uF(K=R2/R1=1，T=R1C=100k×10uF=1s)。比例系數(shù)K=1、微分時間常數(shù)T=0.1s時：比例系數(shù)K=1、微分時間常數(shù)T=1s時：比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：G(S)=隨著T的增加，系統(tǒng)輸出到達穩(wěn)

6、態(tài)所需時間越長。微分時間常數(shù)越小，微分作用越強烈，圖中表現(xiàn)為，當輸入有了一個響應后，更快地達到穩(wěn)定值。由于兩次測試的比例系數(shù)K相等，最后達到的穩(wěn)定值相同，但由于微分常數(shù)不相等，動態(tài)特性不同，微分時間常數(shù)小的先達到穩(wěn)定值。5. 比例積分微分（PID）環(huán)節(jié)根據(jù)比例積分微分環(huán)節(jié)的電路圖，用CT01實驗模塊組建相應的模擬電路。圖中后一個單元為反相器，其中 R0=200k。 若比例系數(shù) K=2、積分時間常數(shù)TI=0.1s、微分時間常數(shù) TD=0.1s 時，電路中的參數(shù)取：R1=100k，R2=100k，C1=1uF、C2=1uF (K=(R1C1+ R2C2)/ R1C2=2，TI=R1C2=100k&

7、#215;1uF=0.1s，TD=R2C1=100k×1uF=0.1s)； 若比例系數(shù) K=1.1、積分時間常數(shù) TI=1s、微分時間常數(shù) TD =0.1s 時，電路中的參數(shù)取：R1=100k，R2=100k，C1=1uF、C2=10uF (K=(R1C1+ R2C2)/ R1C2=1.1，TI=R1C2=100k×10uF=1s，TD=R2C1=100k×1uF=0.1s)。比例系數(shù)K=2、積分時間常數(shù)TI=0.1s、微分時間常數(shù)TD=0.1s時：比例系數(shù)K=1.1、積分時間常數(shù)TI=1s、微分時間常數(shù)TD=0.1s時：比例積分微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：比例系數(shù)K的

8、變化，不會影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，隨著K的增加，輸出開始幅值是輸入信號的K倍；隨著的增加，系統(tǒng)輸出到達穩(wěn)態(tài)所需時間越長。積分常數(shù)越小，說明積分的作用越強烈，在圖上表現(xiàn)為斜率更大；微分時間常數(shù)越小，微分作用越強烈，圖中表現(xiàn)為，當輸入有了一個響應后，更快地達到穩(wěn)定值。6. 慣性環(huán)節(jié)根據(jù)慣性環(huán)節(jié)的電路圖，用CT01實驗模塊組建相應的模擬電路。圖中后一個單元為反相器，其中 R0=200k。 若比例系數(shù) K=1、時間常數(shù) T=1s 時，電路中的參數(shù)取：R1=100k，R2=100k，C=10uF(K= R2/R1=1，T=R2C=100k×10uF=1s)； 若比例系數(shù) K=1、時間常數(shù) T=0.

9、1s 時，電路中的參數(shù)取：R1=100k，R2=100k，C=1uF(K= R2/R1=1，T=R2C=100k×1uF=0.1s)； 通過改變 R2、R1、C 的值可改變慣性環(huán)節(jié)的放大系數(shù) K 和時間常數(shù) T。比例系數(shù)K=1、時間常數(shù)T=1s時：比例系數(shù)K=1、時間常數(shù)T=0.1s時：慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：隨著T的增加，系統(tǒng)輸出到達穩(wěn)態(tài)所需時間越長。慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)越大代表慣性越大。實驗思考題：1.  用運放模擬典型環(huán)節(jié)時，其傳遞函數(shù)是在什么假設條件下近似導出的？ 答：1）假定運放具有理想特性，即滿足“虛短”“虛斷”特性。2）運放的靜態(tài)量為零，輸入量、輸出量和

10、反饋量都可以用瞬時值表示其動態(tài)變化。2.  積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差別是什么？在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為積分環(huán)節(jié)？而又在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為比例環(huán)節(jié)？ 答：慣性環(huán)節(jié)的特點是，當輸入x(t)作階躍變化時，輸出y(t)不能立刻達到穩(wěn)態(tài)值，瞬態(tài)輸出以指數(shù)規(guī)律變化。而積分環(huán)節(jié)，當輸入為單位階躍信號時，輸出為輸入對時間的積分，輸出y(t)隨時間呈直線增長。 當t趨于無窮大時，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為積分環(huán)節(jié)，當t趨于0時，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為比例環(huán)節(jié)。3. 在積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)實驗中，如何根據(jù)單位階躍響應曲線的波形，確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)？

11、 答：在積分環(huán)節(jié)中，縱坐標K對應的橫坐標就是時間常數(shù)T；在慣性環(huán)節(jié)中，在起始點作該店的切線，與y=K相交的點的橫坐標就是時間常數(shù)T。4. 為什么實驗中實際曲線與理論曲線有一定誤差？答：因為選擇的電子元器件，輸入輸出曲線,不可能像理論那樣的線性， 在實驗中，運放并不是理想的，假設的2個條件是到處傳遞函數(shù)的前提。再加上元器件都有溫度特性曲線.器件參數(shù)都有誤差。5. 為什么PD實驗在穩(wěn)定狀態(tài)時曲線有小范圍的振蕩？ 答：PD環(huán)節(jié)中存在微分環(huán)節(jié)，而微分環(huán)節(jié)對偏差敏感。因為輸入的信號有噪聲，并不是平直光滑的，所以，經(jīng)過微分后，使得偏差放大，出現(xiàn)小范圍振蕩。實驗二 二階系統(tǒng)的瞬

12、態(tài)響應二階系統(tǒng)電路圖：閉環(huán)傳遞函數(shù)為：1. 值一定，即取圖中C=1uF，R=100k（此時n=10，值改變：（1）=0.2時（=250K）：（2）=0.707時（=70.7K）：（3）=1時（=50K）：（4） =2時（=25K）：2. 值一定，即取圖中R=100k，=250K（此時=0.2），值改變：（1）=1時（C=10uF）：（2）=10時（C=1uF）：分析：值一定（=10），隨著增大，上升時間增大，超調量變大，調節(jié)時間變短，峰值 時間變大；值一定（=0.2），隨著n增大， 自然頻率變大，阻尼比變大。K的變化使得閉環(huán)極點位置發(fā)生變化，K增大極點垂直遠離實軸，超調量p

13、增大，調節(jié)時間ts與極點實部相關，因此不變，峰值時間tp與虛部成反比，因此減小。而實驗結果可知K值的增大使得穩(wěn)態(tài)誤差減小。由此可以知道，系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)對系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都產(chǎn)生影響。思考題：1. 如果階躍輸入信號的幅值過大，會在實驗中產(chǎn)生什么后果？答：階躍信號幅值的大小選擇應適當考慮。過大會使系統(tǒng)動態(tài)特性的非線性因素增大，使線性系統(tǒng)變成非線性系統(tǒng)；過小也會使系統(tǒng)信噪比降低并且輸出響應曲線不可能清楚顯示或記錄下來。2. 在電路模擬系統(tǒng)中，如何實現(xiàn)負反饋和單位負反饋？答：將運算放大器輸出端引回反相輸入端就是負反 饋,單位負反饋就是要比例系數(shù)為一的負反饋。3. 為什么本實驗中二階系

14、統(tǒng)對階躍輸入信號的穩(wěn)態(tài)誤差為零？ 答：因為二階欠阻尼系統(tǒng)，單位階躍響應表達中，當t趨向于無窮時，它值趨向于1，即穩(wěn)態(tài)誤差為0實驗五 典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)頻率特性的測量1. 慣性環(huán)節(jié)電路圖為：參數(shù)為：C=0.1uF，=200K,=200K,=200K傳遞函數(shù)為：G（S）=幅頻特性：相頻特性：奈奎斯特曲線：2. 二階系統(tǒng)電路圖為：參數(shù)設置：可調，這里取43K（>1）,10K（0<<0.707）兩個典型值。傳遞函數(shù)為：當=43K時：幅頻特性：相頻特性：奈奎斯特曲線：當=43k時：幅頻特性：相頻特性：奈奎斯特曲線：思考題：1. 用示波器測試相頻特性時,若把信號發(fā)生器的正弦信號送入

15、Y軸,被測系統(tǒng)的輸出信號送至X軸,則根據(jù)橢圓光點的轉動方向,如何確定相位的超前和滯后?答：如果輸入和輸出信號交換輸入的話，那么判斷超前和滯后的方法也要反過來，即順時針時為滯后，逆時針時為超前.2. 根據(jù)上位機測得的Bode圖的幅頻特性，就能確定系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的相頻特性，試問這在什么系統(tǒng)時才能實現(xiàn)？答：最小相位系統(tǒng)。實驗六 線性定常系統(tǒng)的串聯(lián)校正1.零極點對消法（時域法）進行串聯(lián)校正（1）校正前模擬電路圖：階躍響應曲線：（2） 校正后模擬電路圖：參數(shù)設置：其中R2=R4200K,R1 =400K（實際取390K）,R3 10K,C=4.7uF階躍響應曲線：分析可知：校正后超調量減小，滿足設計要求

16、。2.期望特性校正法（1）校正前模擬電路圖：階躍響應曲線：（3） 校正后模擬電路圖：注：80K電阻在實際電路中阻值可取82K。階躍響應曲線：分析可知：校正后超調量符合要求，減小，滿足設計要求。思考題：1 加入超前校正裝置后，為什么系統(tǒng)的瞬態(tài)響應會變快？答：加入超前校正環(huán)節(jié)，利用其相位超前特性來增大系統(tǒng)的相位裕度，改變系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性,使系統(tǒng)的瞬態(tài)響應變快。2什么是超前校正裝置和滯后校正裝置，它們各利用校正裝置的什么特性對系統(tǒng)進行校正？答：利用超前網(wǎng)絡或PD控制器進行串聯(lián)校正的裝置是超前校正裝置。利用滯后網(wǎng)絡或PI控制器進行串聯(lián)校正的裝置是滯后校正裝置。超前校正的目的是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，實現(xiàn)

17、在系統(tǒng)靜態(tài)性能不受損的前提下，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。通過加入超前校正環(huán)節(jié)，利用其相位超前特性來增大系統(tǒng)的相位裕度，改變系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性。一般使校正環(huán)節(jié)的最大相位超前角出現(xiàn)在系統(tǒng)新的穿越頻率點。滯后校正通過加入滯后校正環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的開環(huán)增益有較大幅度增加，同時又使校正后的系統(tǒng)動態(tài)指標保持原系統(tǒng)的良好狀態(tài)。它利用滯后校正環(huán)節(jié)的低通濾波特性，在不影響校正后系統(tǒng)低頻特性的情況下，使校正后系統(tǒng)中高頻段增益降低，從而使其穿越頻率前移，達到增加系統(tǒng)相位裕度的目的。3實驗時所獲得的性能指標為何與設計時確定的性能指標有偏差？答：由于實驗的各種元件參數(shù)的誤差以及一些不確定性引起的偶然誤差引起了實驗性能的偏差。 實

18、驗七 單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)直流電機控制系統(tǒng)的方框圖為：分別改變P、I、D參數(shù)時得到的直流電機轉速變化曲線如下:（1）只改變P時：P、I、D為2、3、0時：P、I、D為5、3、0時：P、I、D為25、3、0時：（2）只改變I時：P、I、D為5、5、0時：P、I、D為5、10、0時：P、I、D為5、15、0時：P、I、D為5、23、0時：（3）只改變D時：P、I、D為5、3、3時：P、I、D為5、3、13時：P、I、D為5、3、23時：PID參數(shù)記錄表1.K變化，Ti、Td不變KTiTdn()(r/s)ess()(r/s)nmax(r/s)超調量(%)Ts(s)Tr(s)23024.88060.11

19、9430.30321.7924.134.86524.83650.163528.659515.3920.784.62524.88910.110927.801811.712.084.61分析：當K增大時，超調量、調節(jié)時間都相應減少2. Ti變化， K、Td不變KTiTdn()(r/s)ess()(r/s)nmax(r/s)超調量(%)Ts(s)Tr(s)55024.84760.152428.745915.6918.744.91524.71450.285527.286710.421.825.152324.76770.232324.85190.3412.586.65分析：當Ti增大時，超調量減少3. Td變化，Ti、K不變KTiTdn()(r/s)ess()(r/s)nmax(r/s)超調量(%)Ts(s)Tr(s)53324.81370.186335.083341.3931.548.451324.83530.164728.704715.5842.118.712324.88910.110935.091540.9932.0313.12分析：當Td增大時，超調量減少后又增大PID控制器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響分析 1、比例系數(shù)Kp對系統(tǒng)性能的影響 （1）對系統(tǒng)的動態(tài)性能