信号与控制综合实验自动控制

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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)姓名学号专业班号同组者1学号专业班号指导教师日期实验成绩评阅人-40-实验评分表基本实验实验编号名称/内容实验分值评分11、二阶系统的模拟与动态性能研究1012、二阶系统的稳态性能研究10设计性实验实验名称/内容实验分值评分14、线性控制系统的设计与校正2016、控制系统极点的任意配置20创新性实验实验名称/内容实验分值评分教师评价意见总分-40-目录实验十一二阶系统的模拟与动态性能研究-4-一、实验目的-4-二、实验原理-4-三、实验内容

2、-5-四、实验步骤和结果-5-五、结论分析-10-六、心得体会与自我评价-10-七、思考题-11-实验十二二阶系统的稳态性能研究-13-一、实验目的-13-二、实验原理-13-三、实验步骤和结果-14-四、结论分析-21-五、心得体会与自我评价-21-六、思考题-21-实验十四线性控制系统的设计和校正-24-一、实验目的-24-二、实验原理-24-三、方案设计-25-问题提出-25-问题分析-25-设计步骤-25-四、实验结果-30-五、心得体会与自我评价-31-六、思考题-31-实验十六控制系统极点的任意配置-32-一、实验目的

3、-32-二、实验原理-32-三、方案设计-33-问题提出-33-问题分析-33-设计步骤-34-四、实验结果-36-五、心得体会与自我评价-37--40-六、思考题-38-参考文献-39--40-实验十一二阶系统的模拟与动态性能研究一、实验目的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比较，研究二阶系统的参数对其动态性能的影响。二、实验原理图11.1典型二阶震荡环节方框图其闭环传递函数为式中，。任何二阶系统都可以化为上述的标准形式。不同的系统ωn和ζ所包含的内容也是不同的。调节系统的开环增益K，或时间常数T可使

4、系统的阻尼比分别为：0<ζ<1、ζ=1、ζ>1三种。实验中能观测对应于这三种情况下的系统阶跃响应曲线是完全不同的。二阶系统可用图11-2所示的模拟电路图来模拟：图11.2二阶系统模拟电路图-40-三、实验内容1、在实验装置上搭建二阶系统的模拟电路（参考图11-2）。2.分别设置ξ＝0；0＜ξ＜1；ξ＞1，观察并记录r(t)为正负方波信号时的输出波形C(t)；分析此时相对应的各σp、ts，加以定性的讨论。3.改变运放A1的电容C，再重复以上实验内容。4.设计一个一阶线性定常闭环系统，并根据系统的阶跃输入响应确定该系统的时间常数。四、

5、实验步骤和结果1.搭建实验电路如图11.2所示，计算系统传递函数如下：系统框图：简化后：由此可得传递函数表达式：C(s)R(s)=-2R2C2s2+2CsR+R2+2=-2R2C2s2+2R+R2R2Cs+2R2C2ωn=2R2C2=2RCζ=2(R+R2)2R-40-2.观察不同电路参数下二阶系统的动态性能：（1）C1=C2=0.68μF.改变可变电阻R2的值从而调节ζ：①R2=36.05kΩ，ζ>1图11.3ζ>1②R2=2.916kΩ，0<ζ<1图11.40<ζ<1经测量，PO=112，ts(5%)=88ms.-40-③R2

6、=0且将A4运放的输出端与反相输入端短接，此时ζ=0。图11.5ζ=0（2）C1=1μF，C=0.68μF,改变可变电阻R2的值从而调节ζ：①R2=36.05kΩ，ζ>1图11.6ζ>1-40-②R2=4.544kΩ，0<ζ<1图11.70<ζ<1经测量，PO=112，ts(5%)=88ms.③R2=0且将A4运放的输出端与反相输入端短接，此时ζ=0。图11.8ζ=0-40-3.一阶闭环系统的设计图11.9一阶线性闭环系统其闭环传递函数为：图11.10一阶系统阶跃响应从图中可以看出时间常数τ=11ms，而理论值τ=10kΩ*1μF

7、=10ms，基本正确。-40--40-五、结论分析1、二阶系统动态性能分析由电路的闭环传递函数可知，该二阶系统无阻尼自然频率及阻尼比为：ωn=2R2C2=2RCζ=2(R+R2)2R调节可变电阻R2，对应不同的阻尼比，即可使系统为过阻尼系统或欠阻尼系统，当讲A4运放的输出端与反相输入端短接时，即R2+R=0时，系统阻尼比为0，为临界稳定状态，此时系统单位阶跃响应表现为等幅震荡。在欠阻尼状态时，系统的时域性能指标，如本实验中所测得的超调量和调节时间（5%），会随着ωn和ζ的改变而变化，也即随着电路中参数的变化而变化。ζ越大，系统超调

8、量越小。阻尼比相同的情况下，无阻尼自然震荡频率越大，调节时间越短，系统响应越快。2、一阶闭环系统阶跃响应分析本实验设计的一阶闭环系统为一简单的积分电路加入反馈后形成的，易得其闭环传递函数为：，其时间常数理论值τ=10kΩ*1μF=10ms。从其单位