《信号与控制综合实验》课程-自动控制理论基本实验

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1、电气学科大类2012级《信号与控制综合实验》课程实验报告(基本实验二:自动控制理论基本实验)姓名陈廷栋学号U201211771专业班号1203同组者1杨林珏学号U201211769专业班号1203同组者2学号专业班号指导教师日期2015年1月实验成绩评阅人27实验评分表基本实验实验编号名称/内容实验分值评分实验十一二阶系统的模拟与动态性能的研究实验十二二阶系统的稳定性能研究设计性实验实验名称/内容实验分值评分实验十四线性控制系统的设计与校正实验十六控制系统状态反馈控制器设计创新性实验实验名称/内容实验分

2、值评分教师评价意见总分27目录实验十一二阶系统的模拟与动态性能研究3一、任务和目标3二、总体方案设计3三、实验设计与实验结果4四、结果分析与讨论5五、思考题6实验十二二阶系统的稳态性能研究8一、任务和目标8二、总体方案设计8三、实验设计与实验结果9四、结果分析与讨论14五、思考题15实验十四线性控制系统的设计与校正17一、任务和目标17二、总体方案设计17三、方案实现和具体设计17四、实验设计与实验结果18五、结果分析与讨论18六、思考题19实验十六控制系统状态反馈控制器设计20一、任务和目标20二、总

3、体方案设计20三、方案实现和具体设计20四、实验设计与实验结果21五、结果分析与讨论22六、思考题23实验结论24心得与自我评价24参考文献2527实验十一二阶系统的模拟与动态性能研究一、任务和目标掌握典型二阶系统动态性能指标的测试方法,通过实验和理论分析计算的比较,研究系统的参数对其动态性能的影响。二、总体方案设计典型二阶系统的方框图如图11-1所示。图11-1典型二阶震荡环节方框图其闭环传递函数为Φs=G(s)G(s)+1=KTs2+s+k=ωn2s2+2ζωns+ωn2式中ζ=12KT为系统阻尼比

4、，ωn=KT为系统的无阻尼自然频率。调节K和T可使阻尼比分别为ζ>1、ζ=1、0<ζ<1三种，对应过阻尼、临界阻尼和欠阻尼三种情况。三种情况下的阶跃响应曲线完全不同。可用图11-2所示的模拟电路来模拟二阶系统。图11-2二阶系统模拟电路图27一、实验设计与实验结果1.设置输入方波信号。先设置电容C=0.1μF，调整R2的大小，观察波形，得到如图11-3、图11-4、图11-5所示的实验结果。图11-3C=0.1μF过阻尼阶跃响应图11-4C=0.1μF无阻尼阶跃响应图11-5C=0.1μF欠阻尼阶跃响应

5、2.改变电容大小为1μF，重复第一步，得到如图11-6、图11-7、图11-8所示的实验结果。图11-6C=1μF过阻尼阶跃响应图11-7C=1μF无阻尼阶跃响应27图11-8C=1μF欠阻尼阶跃响应1.设计一个一阶系统，电容大小为C=0.47μF，选取一个合适的R2的值，进行实验。电路设计如图11-9所示，实验得到的阶跃响应波形如图11-10所示。图11-9一阶系统模拟电路图图11-10一阶系统的阶跃响应一、结果分析与讨论等效时间常数T=R2C2R2，开环增益K=1R2C。当保持C不变，增大R2使阻尼

6、比ζ增大，超调量σp逐渐减小直至无超调。同时等效时间常数T减小，系统反应速度加快，故调整时间ts减小，系统的开环增益K减小。对比前后实验内容，保持R2不变，增大C，使无阻尼振荡频率ωn减小。等效时间常数T增大，系统反应速度减慢，故调整时间ts增大。系统的开环增益K减小。综上可知，无阻尼（ζ=0）的系统很不稳定，振荡很剧烈，理论上是等幅振荡。在实验中由于干扰因素的存在，振幅会略有缩减：当0<ζ<1时，系统处于欠阻尼状态，调节时间ts较小，但超调量σp较大；当ζ>1时，系统处于过阻尼，无超调，但相应速度比较

7、慢。27一、思考题1.根据实验模拟电路图绘出对应方框图。消除内环将系统变为一个单位负反馈的典型结构。此时能知道系统中的阻尼比体现在哪一部分吗？如何改变其数值？答：绘制方框图如下：图题1-1实验模拟电路对应的方框图图题1-2消除内环后的方框图图中R=10KΩ，C=0.68μF。由系统方框图和传函可知，系统阻尼比体现在内环反馈环节，通过改变R2的值可以改变阻尼比的数值。2.当线路中A4运放的反馈电阻分别为8.2k，20k，28k，40k，50k，102k，120k，180k，220k时，计算系统的阻尼比ζ？

8、答：ζ=R22R，其中R2修正为R2+10k，R=10k。计算系统阻尼比如下：R2=8.2k，ζ=1.29；R2=20k，ζ=2.12；R2=28k，ζ=2.69；R2=40k，ζ=3.53；R2=50k，ζ=4.24；R2=102k，ζ=7.92；R2=120k，ζ=9.19；R2=180k，ζ=13.44；R2=220k，ζ=16.26。3.用实验线路如何实现ζ＝0？当把A4运放所形成的内环打开时，系统主通道由二个积分环节和一个比例系数