《自动控制原理》实验讲义

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1、《自动控制原理》实验讲义目录实验一典型环节的时域响应2实验二典熨系统的时域响应和稳定性分析8实验三线性系统的频率响应分析12实验四线性系统的校正17实验五线性系统的根轨迹分析20实验六离散系统的稳定性分析23安徽大学电子学院2014实验一典型环节的时域响应时域分析法是在时间域内研究控制系统在各种典世信号的作川下系统响应(或输出)随时间变化规律的方法。因为它是直接在时间域小对系统进行分析的方法，所以具有直观、准确的优点，并且可以提供系统响应的全部信息。下血就实验中将要遇到的-些概念做以简单介绍：1、稳态分量和暂态分量：对于任何一

2、个控制系统来说，它的微分方程的解，总是包括两部分：暂态分量和稳态分量。稳态分量反映了系统的稳态指标或误差，而暂态分呈则提供了系统在过渡过程中的各项动态性能信息。2、稳态性能和暂态性能：稳态性能是指稳态误差，通常是在阶跃函数、斜坡函数或加速度函数作用下进行测定或计算的。若时间趋于无穷吋，系统的输出呈不等于输入量或输入虽的确定函数，则系统存在稳态误差。稳态误差是对系统控制精度或抗扰动能力的一种度虽。暂态性能乂称动态性能，指稳定系统在单位阶跃函数作用下，动态过程随时间t的变化规律的指标。其动态性能指标通常为：・延迟时间td：指响应曲

3、线第一次达到其终值一半所需的时间。・上升时间tr：指响应从终值10%上升到终值90%所需的时间。对于有振荡的系统，亦可定义为响应从第一次上升到终值所需的时间。上升时间是系统响应速度的一种度量，上升时间越短，响应速度越快。・峰值时间tp：指响应超过其终值到达第一个峰值所需的时间。•调节时间ts：指响应到达并保持在终值±5%或±2%内所需的时间。•超调量6%：指响应的最大偏离量h(tp)与终值h(->)之差的百分比。上述五个动态性能指标基本上可以体现系统动态过程的特征。在实际应用中，常用的动态性能指标多为上升时间、调节时间和超调量

4、。通常，用tr或tp评价系统的响应速必用&%评价系统的阻尼程度；而ts是反映系统响应振荡衰减的速度和阻尼程度的综合性能指标。应当指岀，除简单的一、二阶系统外，要精确确定这些动态性能指标的解析表达式是很困难的。木章通过对典型环节、典型系统的时域特性的实验研究来加深对以上概念的认识和理解。1.1典型环节的时域响应1.1实验目的1.熟悉并学握TD-ACC+设备的使用方法及各典型环节模拟电路的构成方法。2.熟悉各种典型环节的理想阶跃响应曲线和实际阶跃响应曲线。对比差异、分析原因。3.了解参数变化对典型环节动态特性的影响。1.2实验设备

5、PC机一台，TD-ACC实验系统一套。1.3实验原理及内容下而列出各典型环节的方框图、传递函数、模拟电路图、阶跃响应，实验前应熟悉了解。1.比例环节(P)(1)方框图：如图1.1-1所示。模拟电路图：如图1.1-2所示。注意：图屮运算放大器的正和输入端已经对地接了100K的电阻，实验屮不需要再接。以后的实验屮用到的运放也如此。图1・1-1反相器RO=200K;Rl=100K或200K图1.1-21OKUoO>输出测量端(2)传递函数：—K⑶阶跃响应：U0(t)=K(r>0)其中K=RJ(4)理想与实际阶跃响应对照曲线：①取RO

6、二200K；R1二lOOKo理想阶跃响应曲线Ug1Ui(t)JL1/2Uo(t)0t实测阶跃响应曲线Uo>1Ui(t)JL1/2Uo(t)0t②取RO=200K；Rl=200Ko理想阶跃响应曲线实測阶跃响应曲线Uo丿Uo丿1Ui(t)1Ui(t)Uo⑴1Uo(t)0At0t2.积分环节(I)(1)方框图，如右图1.1-3所示；模拟电路图，如图1.1-4所示。积分环节：反相器R0=200K;C=IuF或2uFUo输岀測応端图1.1-3图1.1-4⑵传递函数：沁二丄；⑶阶跃响应：U.(t)=丄『(/>0)其中T=心CUi(s)Ts

7、T(4)理想与实际阶跃响应曲线对照:①取RO=200K；C=luFo理想阶跃响应曲线②収R0二200K；C二2uFo理想阶跃响应曲线3.比例积分环节(PI)/利用“辅助单元”(1)方框图：如图1.1-5所示。模拟电路图：如图1.1-6所示。’、、、搭接反馈部分匸5⑸丁UiRO1OKRO=R1=200K:C=luFO倍号输入端/比例积分环节R1反相器10K或2uFUoO输出測域端图1.1-6图1.1-5传递函数：如®二K+丄Ts阶跃响应：U°(7)=K+*(r>0)其中K=RJR°；T=R.C理想与实际阶跃响应曲线对照：C=lu

8、Fo①取R0二Rl=200K；理想阶茯响应曲线4.惯性环节(T)(1)方框图：如图1.1-7所示。KUo(S)TS+1图1.1-7Ui(S)惯性环节R1反相器输岀測ht端R0=Rl=2O0K;C=luF或2uFUiO信号输入端图1.1-8(2)传递函数:SC)二Kua両(3)