PDF《3.2 自动控制原理实验内容》

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73 - 3.

2 自动控制原理实验内容 3.2.1 典型线性环节的研究 1.实验目的 ① 学习典型线性环节的模拟方法;

② 研究阻、容参数对典型线性环节阶跃响应的影响. 2.实验预习要点 ① 自行设计典型环节电路. ② 选择好必要的参数值,计算出相应数值,预测出所要观察波形的特点,与实验结果 比较. 3.实验设备 计算机、XMN-2 自动控制原理模拟实验箱、CAE-PCI 软件、万用表. 4.实验内容 熟悉自动控制原理辅助开发系统和实验箱,完成如下内容. ① 比例环节 图3-18 比例环节阶跃响应 图中, i f R R kp ? , 分别求取 )

5 .

0 (

510 ,

1 ? ? ? p f i k k R M R ;

)

1 ( ,

1 ,

1 ? ? ? p f i k M R M R ;

)

2 (

1 ,

1510 ? ? ? p f i k M R k R 时的阶跃响应. 1, )

5 .

0 (

510 ,

1 ? ? ? p f i k k R M R 电气信息类实验指导书 C74C 2, )

1 ( ,

1 ,

1 ? ? ? p f i k M R M R 3, )

2 (

1 ,

1510 ? ? ? p f i k M R k R 第2章微机原理与接口技术 C75C ② 积分环节 图3-19 积分环节阶跃响应 图中 f i i C R T ? ,分别求 )

1 (

1 ,

1 s T C M R i i i ? ? ? ? ;

)

7 .

4 (

7 .

4 ,

1 s T C M R i i i ? ? ? ? ;

)

0 .

10 (

10 ,

1 s T C M R i i i ? ? ? ? 时的阶跃响应曲线. ③ 比例积分环节 图3-20 比例积分环节阶跃响应 图中, f f i i f p C R T R R K ? ? , ,分别求取 )

7 .

4 ,

1 (

7 .

4 ,

1 s T k C M R R i p f f i ? ? ? ? ? ? ;

)

10 ,

1 (

10 ,

1 s T k C M R R i p i f i ? ? ? ? ? ? ;

电气信息类实验指导书 C76C )

7 .

4 ,

5 .

0 (

7 .

4 ,

1 ,

2 s T k C M R M R i p i f i ? ? ? ? ? ? 时的阶跃响应曲线. ④ 比例微分环节 图3-21 比例微分环节阶跃响应 图中,ifpRRRk1??,其中CRTRRRRRRRRTffffd212121,?????.分别求取)015 .

0 ,

2 (

01 .

0 ,

1 2

1 s T k C M R R R R d p f i ? ? ? ? ? ? ? ? ;

)

015 .

0 ,

1 (

01 .

0 ,

1 ,

2 2

1 s T k C M R R R M R d p f i ? ? ? ? ? ? ? ? ;

)

0705 .

0 ,

1 (

047 .

0 ,

1 ,

2 2

1 s T k C M R R R M R d p f i ? ? ? ? ? ? ? ? 时的阶跃响应曲线. ⑤ 比例微分积分环节 图3-22 比例微分积分环节阶跃响应 图中, f i i f p C C R R R R R R k ? ? ? ? ?

2 1

1 , ? ? ? ?C R R C R R T f f i

2 1

1 ? ? ? ? , C R Tf

2 ? , ? ? ? ? ? ?C R R C R R R R R R R R T f f f f d

2 1

1 2

1 2

1 ? ? ? ? ? ? , 求取MRi

4 ? , M R R Rf

1 2

1 ? ? ? , )

1 (

047 .

0 ? ? ? p f k C C ? 时的阶跃响应曲线. ⑥ 一阶惯性环节 第2章微机原理与接口技术 C77C 图3-23 一阶惯性环节阶跃响应 图中, i f R R k ? , f f C R T ? ,分别求取 )

01 .

0 ,

1 (

01 .

0 ,

1 s T k C M R R f f i ? ? ? ? ? ? , )

047 .

0 ,

1 (

047 .

0 ,

1 s T k C M R R f f i ? ? ? ? ? ? , )

047 .

0 ,

2 (

047 .

0 ,

1 ,

510 s T k C M R k R f f i ? ? ? ? ? ? 时的阶跃响应曲线. 5.思考题 ① 设计一个能满足 e1+e2+e3=e 运算关系的实用加法器. ② 一阶惯性环节在什么条件下可视为积分环节?在什么条件下可视为比例环节? ③ 如何设置必要的约束条件,使比例微分环节、比例积分微分环节的参数计算工作得以 简化? 3.2.2 二阶系统的阶跃响应和线性系统的稳定性研究 1.实验目的 ① 学习二阶系统阶跃响应曲线的实验测试方法;

② 研究二阶系统的两个重要参数 n ? ? , 对阶跃瞬态响应指标的影响;

③ 研究线性系统的开环比例系数 K 对稳定性的影响;

④ 研究线性系统的时间常数 T 对稳定性的影响. 2.实验预习要点 ① 自行设计二阶系统电路. ② 选择好必要的参数值,计算出相应的阶跃响应数值,预测出所要观察波形的特点, 与实验结果比较. 3.实验设备 计算机、XMN-2 自动控制原理模拟实验箱、CAE-PCI 软件、万用表. 4.实验内容 典型二阶系统方块图和实现电路如图 3-24 所示. 电气信息类实验指导书 C78C 图3-24 二阶系统 闭环传递函数如下: ? ? ? ?

2 2

2 2 n n n s s s R s C ? ?? ? ? ? ? , T n

1 ? ? (T 是时间常数) . 各运算放大器运算功能: OP1,积分, ? ? ? ? ? ? ? ? RC T TS ,

1 ;

OP2,积分, ? ? ? ? ? ? ? ? RC T TS ,

1 ;

OP9,反相, (-1) ;

OP6,反相比例, ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

3 10

100 , f R k k . 可以得到:

3 10

100 2

1 2

1 1 ? ? ? ? ? f n R k RC T ? ? 5.实验步骤 ① 调整

3 10 40? ? f R , 使4.0?k,2.0??,取610

0 .

1 ? ? R , ?

47 .

0 ? C , 使T=0.47s,

47 .

0 1 ? n ? ,加入单位阶跃扰动 ) (

1 ) ( t V t r ? ,记录响应曲线 ) (t c ,记作[1]. ② 保持

2 .

0 ? ? 不变,单位阶跃扰动 ) (

1 ) ( t V t r ? 不变,取610

0 .

1 ? ? R , ?

47 .

1 ? C , 使T=1.47s,

47 .

1 1 ? n ? ,记录响应曲线 ) (t c ,记作[2]. ③ 保持

2 .

0 ? ? 不变,单位阶跃扰动 ) (

1 ) ( t V t r ? 不变,取610

0 .

1 ? ? R , ?

0 .

1 ? C , 使T=1.0s,

0 .

1 1 ? n ? ,记录响应曲线 ) (t c ,记作[3]. ④ 保持

0 .

1 1 ? n ? 不变,单位阶跃扰动 ) (

1 ) ( t V t r ? 不变,取310 80? ? f R ,使k=0.8, 第2章微机原理与接口技术 C79C

4 .

0 ? ? ,记录响应曲线 ) (t c ,记作[4]. ⑤ 保持

0 .

1 1 ? n ? 不变,单位阶跃扰动 ) (

1 ) ( t V t r ? 不变,取310 200? ? f R ,使k=2.0,

0 .

1 ? ? ,记录响应曲线 ) (t c ,记作[5]. 要求:将曲线[1]、[2]、[3]进行对比,[3]、[4]、[5] 进行对比,将[3]中的 s t %, ? 和理论 值进行比较.并讨论. 6.附加实验内容 附加内容为三阶系统,三阶系统的方框图和模拟电路如图 3-25 所示. 图3-25 三阶系统 图中,

2 1 ? K , R W K ? ? ? ?

3 6

2 10

100 10

1 ,

3 6

3 10

1 i R K ? ? ,

3 2

1 K K K K ? ,

1 6

1 10

1 f C T ? ? ? ,

2 6

2 10

1 , f C T ? ? ? ,

3 6

3 10

1 f C T ? ? ? . 7.附加实验步骤 ① 求取系统的临界开环比例系数 KC,其中:Cf1=Cf2=Cf3=0.47u;

Ri3=1M.实验求取方 法: ? 先将电位器 WR 置于最大(470K) ;

? 加入 r=0.5V 的阶跃扰动;

? 调整 WR 使系统输出 c(t)呈等幅振荡. (t=5s/cm,y=0.5V/cm) ;

? 保持WR 不变, 断开反馈线, 维持r=0.5V的扰动, 测取系统输出电压Uc,则XUc KC ? . ② 系统的开环比例系数 K 对稳定性的影响 ? 适当调整 WR,观察 K 增大、减小时,系统的响应曲线;

? 记录当 K=0.5Kc 时的系统响应曲线(t=5s/cm,y=100mV/cm) ;

? 记录当 K=1.25Kc 时的系统响应曲线(t=5s/cm,y=0.5V/cm) . 8.思考题 ① 若模拟实验中 c(t)的稳态值不等于阶跃输入函数 r(t)的幅度,主要原因可能是什 么? ② 计算三阶系数的临界开环比例系数 Kc 及其呈现等幅振荡的自振频率, 并将它们与实 验结果比较. 电气信息类实验指导书 C80C 3.2.3 二阶系统的频率响应 1.实验目的 ① 学习频率特性的实验测试方法;

② 掌握根据频率响应实验结果绘制 Bode 图的方法;

③ 根据实验结果所绘制的 Bode 图,分析二阶系统的主要动态性能( s t %, ? ) . 2.实验预习要点 ① 自行设计二阶系统电路. ② 选择好必要的参数值,计算出相应的频率响应数值,预测出所要观察波形的特点, 与实验结果比较. 3.实验设备 计算机、XMN-2 自动控制原理模拟实验箱、CAE-PCI 软件、万用表. 4.实验内容 典型二阶系统的方框图和模拟电路图如图 3-26 所示. 图3-26 典型二阶系统 闭环频率特性为: ? ? ? ? n n j j R j C ? ? ? ? ? ? ?

2 1

1 2

2 ? ? ? 闭环传递函数为: ? ? ? ?

2 2

2 2 n n n s s s R s C ? ?? ? ? ? ? , T n

1 ? ? (T 是时间常数) 各运算放大器运算功能: 第2章微机原理与接口技术 C81C OP1,积分, ? ? ? ? ? ? ? ? RC T TS ,

1 ;

OP2,积分, ? ? ? ? ? ? ? ? RC T TS ,

1 ;

OP9,反相, (-1) ;

OP6,反相比例, ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

3 10

100 , f R k k . 可以得到:

3 10

100 2

1 2

1 1 ? ? ? ? ? f n R k RC T ? ? 5.实验步骤 ① 选定 R、C、 f R 的值,使1?n?,2.0??;

②用Cae98 产生 t X t r ? sin ) ( ? ,使系统的稳态响应为 ? ? ? ? ? ? t C t c sin ) ( ;

③ 改变输入信号的频率,使? 的值等于或接近于 0.2,0.4,0.6,0.8,0.9,1.0,1.2, 1.4,1.6,2.0,3.0rad/s,稳态时分别记录系统的响应曲线,振幅 ) (? C 和相位 ? ? ? ? 的数据记 录于表 3-2;

表3-2 振幅 ) (? C 和相位 ? ? ? ? 的数据记录 ) / ( s rad ? 0.2 0.4 0.6 0.8 0.9 1.0 1.2 1.4 1.6 2.0 3.0 ? ? ? C ? ?db L ? ? ?deg ? ? ④ 根据表格所整理的数据,在半对数坐标纸上绘制 bode 图,标出 r r M ? , ;

⑤ 根据绘制的 bode 图分析二阶系统的 s t %, ? ;

⑥ 可能的话,改变系统的 n ? 或者? ,重复上述 3-5. 6.思考题 ① 理论计算不同? 和????,并和实验结果进行比较. ② 能否根据所得的 bode 图确定二阶系统的传递函数. 3.2.4 控制系统的校正 1.实验目的 ① 研究校正装置对系统动态性能指标的影响;

② 学习校正装置的设计和实现方法. 2.实验预习要点 ① 自行设计校正系统电路. ② 选择好必........