控制系统的时域与频域特性分析.ppt

自动控制原理实验座位安排 大屏幕 门37、3835、363、41、239、4033、347、85、631、3211、129、1029、3015、1613、1427、2819、2017、1825、2623、2421、22控制系统的时域与频域特性分析实验考核1、实验报告（预习报告、实验报告）；、实验报告（预习报告、实验报告）；2、综合测评（思考题、实验操作）、综合测评（思考题、实验操作）。实验报告具体要求一、实验名称：严格按照封皮上的实验名称填写二、实验目的：见讲义三、实验环境：计算机、自动控制原理实验箱四、实验内容与实验步骤实验内容、原理、原理图分析及具体实验步骤。实验内容与实验步骤按讲义中所要求的写五、实验过程分析详细记录在实验过程中发生的故障和问题，并进行故障分析，说明故障排除的过程及方法。根据具体实验，记录、整理相应数据表格、绘制曲线、波形图等，并进行误差分析。曲线要有坐标轴名称、刻度、单位、图题（曲线名称）数据要求有单位六、实验结果总结对实验结果进行分析，完成思考题目，总结实验的心得体会，并提出实验的改进意见。按照实验目的中的条目进行实验结果总结。另外用A4纸写实验报告，上侧装订；曲线用坐标纸，相应曲线要用对数坐标纸；图表必须规范（包括打印曲线不规范处，也要按规范修改）自动控制原理实验箱说明HEUAC-F2型控制理论模拟实验装置由计算机（实验软件）、A/D D/A接口板、模拟实验台和打印机组成。HEUAC-F2型自动控制原理实验系统的实验箱面板RS232串行口D/A接口(1、2)A/D接口(1、2、3、4)电源指示灯电源开关电源插座各种典型环节典型非线性环节A/D、D/A接口板接口板电源电源实验软件的使用方法注意事项1、注意电缆的连接是否牢靠；通讯电缆必须连在COM2上。2、在再次点选“开始采样”按钮前以及对线路进行更改前，必须将实验箱电源关闭。3、按照要求填写相应内容，注意填写值的真正的数值范围。4、在数据没有采集完成时不要再点选其他的实验项目，以免引起采集装置的工作混乱。5、出现问题可以按先将实验箱电源关闭，重现再做；如果仍不可以将软件退出，则重新运行。6、实验中，测量点可能由于倒相器的作用（每加一个运算放大器构成的环节就对前级做了一次倒相），输出值可能是，若想测得真正的输出点，可以在之后串联一个增益为1的比例环节，比例环节的输出即为的正输出。1.典型环节的阶跃响应 预习思考题一1、控制系统常用的输入信号有哪些？2、什么是控制系统的动态过程？什么是 控制系统的稳态过程？3、系统的动态性能指标有哪些？4、试写出惯性环节、积分环节的传递函 数，并作出相应的阶跃响应曲线图。预习思考题一 答案1、控制系统的典型输入信号有哪些？答：单位阶跃、斜坡、加速度、脉冲、正弦函数。2、什么是控制系统的动态过程？什么是控制系统的稳态过程？答：系统在典型输入信号作用下，系统输出量从初始状态到最终状态的响应过程。系统在典型输入信号作用下，当时间t趋于无穷时，系统输出量的表现方式。3、系统的动态性能指标有哪些？答：延迟时间、上升时间、峰值时间、调节时间、超条量。4、试写出惯性环节、积分环节的传递函数，并作出相应的阶跃响应曲线图。答：一、实验目的1.掌握自动控制原理实验箱的使用方法；2.学习典型环节的电路构成，了解电路参数对环节特性的影响；3.学习系统阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数；4.通过对典型电路分析和实验，学习用电路搭建系统模型(传递函数)。二、实验内容见实验指导书。2.二阶系统阶跃响应预习思考题二1、试写出典型二阶系统的闭环传递函数。2、试画出当取不同典型值的二阶系统的阶跃相应曲线图。3、如何从二阶系统阶跃相应曲线图上求出动态性能指标。4、如下图模拟电路，求出给定系统的传递函数。（要求写出详细步骤）并做出系统的理论响应曲线。电路中所有定值电阻均取100K，电容值取1uf。一、实验目的5、研究二阶系统的两个重要参数：阻尼比和无阻尼自然频率对动态性能的影响。6、学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数参数的方法。二、实验内容见实验指导书。实验思考题已知如图的系统，思考下列问题：1、求出给定系统的传递函数。（要求写出详细步骤）2、由实验曲线读出超调量和调整时间，求出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较，分析实验误差原因。3、取阻尼比为0，实验所的曲线是否和理论相同，说明理由。4、当系统处于过阻尼时，所得到的实际曲线和理论曲线会产生很大的误差，分析其原因。二阶系统模拟电路图3.控制系统稳定性分析预习思考1、研究控制系统的稳定性有什么意义？2、什么是系统的稳定性？3、判断系统的稳定性有哪些方法？4、线性系统稳定的充分必要条件是什么？5、如何通过系统阶跃响应曲线判断系统是否稳定？预习思考参考答案1、研究控制系统的稳定性有什么意义？稳定性是控制系统正常工作的首要条件。因此，分析系统的稳定性，并提出保证系统稳定的条件，是设计控制系统的基本要求。2、什么是系统的稳定性？线性系统在初始扰动的影响下，其动态过程随时间的推移逐渐衰减并趋于零（原平衡工作点），称系统渐进稳定；反之，若在初始扰动影响下，系统的动态过程随时间的推移而发散，则称系统不稳定。3、判断系统的稳定性有哪些方法？劳斯判据、赫尔维茨稳定判据、奈奎斯特稳定判据、对数频率稳定判据。4、线性系统稳定的充分必要条件是什么？闭环系统特征方程的所有根均具有负实部，或者，闭环传递函数的极点均严格位于左半S平面。7、巩固典型环节的电路构成，学习利用典型环节搭建控制系统；8、研究系统开环增益K和时间常数T对稳定性的影响；9、观察系统的不稳定现象。实验目的实验内容1、求出系统开环传递函数，确定开环增益和时间常数与电路中电阻电容之间的关系。2、用你所学的稳定性判别方法确定系统稳定时K的范围。3、画出稳定、临界稳定、不稳定三种情况的响应曲线。4、使系统工作在临界稳定状态下，改变时间常数，画出时间常数变大、变小两种情况的响应曲线。系统线路图4.系统频率特性测量预习思考1、基于时域法和基于频域法研究控制系统的性能各有什么特点？2、用频域法分析系统时，常用的频率响应图有哪些？3、什么是相角裕度？什么是幅值裕度?在工程实践中，这两个参数的取值范围一般是多少？4、画出惯性环节的渐进幅频特性。5、画出二节震荡环节的渐进幅频特性。预习思考参考答案1、基于时域法和基于频域法研究控制系统的性能各有什么特点？时域：具有直观、准确，并且可以提供系统时间响应全部信息。频域：1、2、3、42、用频域法分析系统时，常用的频率响应图有哪些？奈奎斯特曲线，对数频率特性3、什么是相角裕度？什么是幅值裕度?在工程实践中，这两个参数的取值范围一般是多少系统可正常工作？对于闭环稳定系统，如果系统开环相频特性再滞后r度，则系统将处于临界稳定状态。45-70度 对于闭环稳定系统，如果系统开环幅频特性再增大h倍，则系统将处于临界稳定状态。10、加深了解系统及元件频率特性的概念。11、掌握系统及元件频率特性的测量方法。实验目的实验内容被测系统电路图根据屏幕提示，测量多点输出与输入正弦波的振幅比及相位差，并记录相应数据。参考角频率可在仿真的基础上输入，最后画Bode图 注意实验思考题四1、为什么稳定系统的幅频特性一般要求以-20dB/dec的斜率穿越横轴？