2022年自动控制理论实验报告 .pdf

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1、1 电气工程学院自动控制理论实验报告名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 39 页 - - - - - - - - - 2 一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试实验成绩评定表姓名学号实验名称：一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试实验验收或提问记录：成绩评定依据：实验预习报告及方案设计情况（30） ：实验考勤情况（15） ：实验操作情况（30） ：实验总结报告与答辩情况（25） ：最终评定成绩：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -

2、- - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 39 页 - - - - - - - - - 3 一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试实验报告姓名：学号 ：指导教师：实验台号：一、实验目的1. 了解一、二阶系统阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系。2. 学习在电子模拟机上建立典型环节系统模型的方法。3. 学习阶跃响应的测试方法。二、实验预习1、理论计算记录不同时间常数下阶跃响应曲线，测量并纪录其过渡过程时间Ts ，将参数及指标填在表 1-1 内：计算后参数为：T 0.25 0.5 1 R1=R2 250K 50K 10

3、0K C 1uF 10uF 10uF Ts（仿真值）1.2473s 1.9962s 3.4927s 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 39 页 - - - - - - - - - 4 R1=R2=R3=1M C1=C2=1uF 取不同的值 =0.25 , =0.5 , =1 , 观察并记录阶跃响应曲线，测量超调量% ,计算过渡过程时间Ts，将参数及各项指标填入表1-2 内：0.25 0.5 1.0 R4 2M 1M 500K C2 1uF 1uF 1uF %

4、(仿真值 )33.0843 16.4757 0 Ts（仿真值）9.1433s 5.8066s 5.2243s 2、计算机仿真分析2.1 一阶系统仿真名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 39 页 - - - - - - - - - 5 T=0.25 os=0 ts=1.2473s tr= 0.5493s T=0.5 os =0 ts =1.9962s tr = 1.0986s 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - -

5、- - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 39 页 - - - - - - - - - 6 T=1s os =0 ts =3.4927s tr =2.1966s 2.2 二阶系统仿真=0.25 os =33.0843 ts =9.1433s tr =1.3567s 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 39 页 - - - - - - - - - 7 =0.5 os =16.4757 ts =5.8066s tr =1

6、.6345s =1 os =0 ts =5.2243s tr =3.3493s 三、实验仪器与设备1HHMN-1 型电子模拟机一台。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 39 页 - - - - - - - - - 8 2PC 机一台。3数字式万用表一块。四、实验内容1. 建立一阶系统的电子模型 , 观测并记录在不同时间常数 T 时的跃响应曲线 ,并测定其过渡过程时间TS 。2. 建立二阶系统的电子模型, 观测并记录在不同阻尼比时的跃响应曲线 , 并测定其超调量

7、 % 及过渡过程时间 TS 。五、实验步骤1熟悉 HHMN-1 型电子模拟机的使用方法，将各运算放大器接成比例器，通电调零。 2 断开电源，按照实验说明书上的条件和要求，计算电阻和电容的取值，按照模拟线路图搭接线路，不用的运算放大器接成比例器。 3 将 D/A1 与系统输入端 Ui 连接，将 A/D1 与系统输出端 Uo 连接( 此处连接必须谨慎，不可接错 ) 。线路接好后，经教师检查后再通电。 4 在 Windows XP 桌面用鼠标双击“ MATLAB ”图标后进入，在命令行处键入“autolab ”进入实验软件系统。 5 在系统菜单中选择实验项目， 选择“实验一”， 在窗口左侧选择 “实

8、验模型”，其它步骤察看 3.2 节内容。 6 观测实验结果，记录实验数据，绘制实验结果图形，填写实验数据表格，完成实验报告。7. 研究性实验方法。实验者可自行确定典型环节传递函数，并建立系统的SIMULINK 模型，验证自动控制理论相关的理论知识。实现步骤可察看 3.3 节内容。六、实验数据图像及与理论计算和仿真分析比较结果6.1 一阶系统实际测量名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 39 页 - - - - - - - - - 9 T=0.25 R1=R2=2

9、50K C=1u os= 0.4914 ts= 1.2530s tr=0.5550s T=0.5 R1=R2=50K C= 10u os =0.1233 ts =1.8545s tr =0.9914s 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 39 页 - - - - - - - - - 10 T=1 R1=100K C=10u os =0.1218 ts =3.2148s tr =1.9925s T 0.25 0.5 1 R1=R2 250K 50K 100K C

10、 1uF 10uF 10uF Ts（仿真值）1.2473s 1.9962s 3.4927s Ts（实测）1.2530s 1.8545s 3.2148s 6.2 二阶系统实际测量=0.25 R4=2M os =33.7117 ts =9.2298s tr =1.3656s 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 39 页 - - - - - - - - - 11 =0.5 R4=1M os =16.5848 ts =5.9015s tr =1.6525s =1 R

11、4=500K os =0.1227 ts =5.3312s tr =3.3933s 0.25 0.5 1.0 R4 2M 1M 500K C2 1uF 1uF 1uF %(仿真值 )33.0843 16.4757 0 %(实测值 )33.7117 16.5848 0.1227 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 39 页 - - - - - - - - - 12 Ts（仿真值）9.1433s 5.8066s 5.2243s Ts（实测值）9.2298s 5.

12、9015s 5.3312s 结论：跟理论相比，一阶系统实测的调整时间更长，抗干扰性更差，与理论计算相差较远。这跟实际情况有关，电阻电容不准，以及有噪声干扰等等。而二阶系统更接近于我们的计算值， 值在小于 1 的情况下越小， 超调量越大， 调整时间长。振荡次数随着的增大而减小，它的大小直接反映了系统的阻尼特性。七、体会和建议通过这次实验，非常直观地了解了一阶系统和二阶系统的工作情况。实验过程十分清晰简洁， 步骤完善但又不拖沓。 同时对实验本身有了非常多的思考，比如超调量在工业上的选择， 因为只与阻尼系数有关， 如何平衡超调量和调整时间的关系非常重要。以后还要多加研究与思考。名师资料总结 - -

13、-精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 39 页 - - - - - - - - - 13 控制系统串联校正实验实验成绩评定表姓名学号实验名称：控制系统串联校正实验实验验收或提问记录：成绩评定依据：实验预习报告及方案设计情况（30） ：实验考勤情况（15） ：实验操作情况（30） ：实验总结报告与答辩情况（25） ：最终评定成绩：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - -

14、第 13 页，共 39 页 - - - - - - - - - 14 控制系统串联校正实验实验报告姓名：学号 ：指导教师：实验台号：一、实验目的1了解和掌握串联校正的分析和设计方法。2研究串联校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响。二、实验预习1、理论计算为 使Go(S)=4/S*(S+1) ， R1=100K R2=300K R3=1M R4=1M R5=1M R6=1M C1=1uF C2=1uF 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 39 页 - - -

15、- - - - - - 15 2、计算机仿真分析1、未加校正环节时系统阶跃响应波特图：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 39 页 - - - - - - - - - 16 2、串联超前校正环节时系统阶跃响应波特图：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 39 页 - - - - - - - - - 17 3、串联滞后校正环节

16、时系统阶跃响应波特图：三、实验仪器与设备1HHMN1-1 型电子模拟机一台。2PC 机一台。3数字式万用表一块。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 39 页 - - - - - - - - - 18 四、实验内容1. 设计串联超前校正，并验证。2. 设计串联滞后校正，并验证。五、实验步骤1熟悉 HHMN-1 电子模拟机的使用方法。将各运算放大器接成比例器，通电调零。断开电源， 按照系统结构图和传递函数计算电阻和电容的取值，并按照模拟线路图搭接线路，不用的运算

17、放大器接成比例器。2将 D/A1 与系统输入端 Ui 连接，将 A/D1 与系统输出端 Uo 连接(此处连接必须谨慎，不可接错 ) 。线路接好后，经教师检查后再通电。3在 Windows XP 桌面用鼠标双击“MATLAB ”图标后进入，在命令行处键入“autolab ”进入实验软件系统。4在系统菜单中选择实验项目，选择“实验三” ，在窗口左侧选择“实验模型” ，其它步骤察看 3.2 节内容。5分别完成不加校正，加入超前校正，加入滞后校正的实验。在系统模型上的“Manual Switch ”处可设置系统是否加入校正环节，在“GC (S)”处可设置校正环节的传递函数。6绘制以上三种情况时系统的波

18、特图。7采用示波器（ Scope）观察阶跃响应曲线。观测实验结果，记录实验数据，绘制实验结果图形，完成实验报告。8研究性实验方法实验者可自行确定系统传递函数，同时设计校正环节，并建立系统的 SIMULINK 模型，验证自动控制理论相关的理论知识。实现步骤可察看3.3 节内容。六、实验数据图像及与理论计算和仿真分析比较结果截止频率：4cn=1+4-2相角裕度：42=arctan1+4-2名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 39 页 - - - - - - -

19、- - 19 实际测量：1、未加校正环节时系统阶跃响应波特图：截止频率为 0.9397rad/s 相角裕度为 28.07调整时间 Ts=7.22s 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 39 页 - - - - - - - - - 20 2、串联超前校正环节时系统阶跃响应波特图：截止频率为 0.7862rad/s 相角裕度为 51.36调整时间 Ts=2.89s 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -

20、- - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 39 页 - - - - - - - - - 21 3、串联滞后校正环节时系统阶跃响应波特图：截止频率为 0.4859rad/s 相角裕度 56.68调整时间 Ts=3.85s结论：可以发现，超前校正明显减小了调整时间，超调量微微增大；滞后校正明显减小了超调量， 但是调整时间变得很长了。 不管是超前校正还是滞后校正，均能消除在转折点的峰值，使波特图的波形变得平滑，减小调整时间。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - -

21、- - - 第 21 页，共 39 页 - - - - - - - - - 22 七、体会和建议通过这次实验，非常直观地了解了加了校正滞后的系统的工作情况，对于超前校正和滞后校正对系统的影响有了更加深刻的认识。实验过程十分清晰简洁，步骤完善但又不拖沓。 同时对实验本身有了非常多的思考，比如超调量在工业上的选择，不仅与阻尼系数有关， 还与所加的校正有关。 以后还要多加研究与思考。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 39 页 - - - - - - - - -

22、23 采样系统的研究实验成绩评定表姓名学号实验名称：采样系统的研究实验验收或提问记录：成绩评定依据：实验预习报告及方案设计情况（30） ：实验考勤情况（15） ：实验操作情况（30） ：实验总结报告与答辩情况（25） ：最终评定成绩：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 39 页 - - - - - - - - - 24 采样系统的研究实验报告姓名：学号 ：指导教师：实验台号：一、 实验目的1了解信号的采样与恢复的原理及其过程，并验证香农定理。2掌握采样系统的

23、瞬态响应与极点分布的对应关系。3掌握最少拍采样系统的设计步骤。二、 实验预习1、实验原理2、计算机仿真分析1、通过改变采频率T= 0.01s,0.2s,0.5s ，观察在阶跃信号作用下的过渡过程。1.1 采样周期 T=0.01s名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 24 页，共 39 页 - - - - - - - - - 25 1.2 采样周期 T=0.2s名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名

24、师精心整理 - - - - - - - 第 25 页，共 39 页 - - - - - - - - - 26 1.3 采样周期 T=0.5s2、当采样周期1Ts时，1( )(1)G ss s，设计)(zD，使该系统在单位阶跃信号作用下为最小拍无差系统，观察并记录理论与实际系统输出波形。D（Z）= (Z-0.3679)/(0.3679Z+0.2642) 仿真得：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 26 页，共 39 页 - - - - - - - - - 27 3、当采样周

25、期1Ts时，10( )(1)G ss s，设计)(zD，使该系统在斜坡信号作用下为最小拍无差系统，观察并记录理论与实际系统输出波形。D（Z）= (Z-0.3679)/(3.679Z+2.642) 仿真得：三、实验仪器与设备1HHMN1-1 型电子模拟机一台。2PC 机一台。3数字式万用表一块。四、实验内容1、通过改变采频率T= 0.01s,0.2s,0.5s ，观察在阶跃信号作用下的过渡过程。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 27 页，共 39 页 - - - - -

26、- - - - 28 R1=100K R2=400K R3=1M R4=1M C1=1uF 2 当采样周期1Ts时，1( )(1)G ss s，设计)(zD，使该系统在单位阶跃信号作用下为最小拍无差系统，观察并记录理论与实际系统输出波形。3、当采样周期1Ts时，) 1(10)(sssG，设计)(zD，使该系统在斜坡信号作用下为最小拍无差系统，观察并记录理论与实际系统输出波形。五、实验数据图像及与理论计算和仿真分析比较结果实际测量曲线：1、采样周期 T=0.01s名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -

27、 - - - - - 第 28 页，共 39 页 - - - - - - - - - 29 2、采样周期 T=0.2s 3、采样周期 T=0.5s名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 29 页，共 39 页 - - - - - - - - - 30 结论：从以上的图像中可以很容易的发现，当采样频率降低到一定程度，信号便开始失真。这验证了香农定理：只有采样频率大于输入信号中最大角频率的二倍，那么经采样所获得的脉冲序列便可以通过理想的零阶保持器恢复成连续信号。当开环增益一定时，

28、 采样周期越长， 丢失的信息越多， 对离散系统的稳定性及动态性能均不利，甚至可使系统失去稳定性。数字控制器 D（z）的设计过程实测曲线： D（Z）= (Z-0.3679)/(0.3679Z+0.2642) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 30 页，共 39 页 - - - - - - - - - 31 D（Z）= (Z-0.3679)/(3.679Z+2.642)结论：对阶跃信号的跟踪能力有很大改善，且实现了最小拍， 即最短时间跟踪上阶跃信号。六、体会和建议对香农采样

29、定理有了直观的理解，初步了解最小拍无差系统。 对数字控制器的作用有了更加直观的认识。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 31 页，共 39 页 - - - - - - - - - 32 非线性环节对系统动态过程的响应实验成绩评定表姓名学号实验名称：非线性环节对系统动态过程的响应实验验收或提问记录：成绩评定依据：实验预习报告及方案设计情况（30） ：实验考勤情况（15） ：实验操作情况（30） ：实验总结报告与答辩情况（25） ：最终评定成绩：名师资料总结 - - -精品资

30、料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 32 页，共 39 页 - - - - - - - - - 33 非线性环节对系统动态过程的响应实验报告姓名：学号 ：指导教师：实验台号：一、 实验目的1. 了解非线性环节特性；2. 了解非线性环节对系统动态过程的响应；3. 学会应用描述函数法研究非线性系统的稳定性。二、 实验预习1. 非线性系统和线性系统存在本质差别：（1）线性系统可采用传递函数、频率特性、脉冲过渡函数等概念，同时由于线性系统的运动形式和输入幅值、 初始状态无关， 通常是在典型输入函数和零初始条件

31、下进行研究。（2）非线性系统由于叠加原理不成立，线性系统的上述方法不适用，所以常采用相平面方法和描述函数方法进行研究。2. 实验从两方面观察非线性：相轨迹和动态响应（1）相轨迹：相平面上的点随时间变化描绘出来的曲线叫相轨迹。相平面的相坐标为 C 和 dC ，实验软件当中给出的就是在此坐标下自动描绘的相轨迹。初始条件不同，系统的运动趋势不同，所描绘的相轨迹也会有所不同。（2）动态响应：对比有无非线性环节时系统动态响应过程。三、 实验仪器与设备1、HHMN-1 型电子模拟机一台。2、PC机一台。3、数字式万用表一块。四、 实验内容1、非线性环节由计算机模拟产生，它们分别是：(1) 磨擦特性，如图

32、7.3 。M=1 图 7.3 (2) 饱和特性，如图 7.4 。 K=1，S=0.5 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 33 页，共 39 页 - - - - - - - - - 34 图 7.4 (3) 继电特性，如图 7.5 。 M=1， h=0.5 图 7.5 五、实验步骤1、分别画出摩擦特性、饱和特性、继电特性（二）的相轨迹，其参考值按实验说明书中填写；2、分别画出上述三种情况下的动态响应过程，其中饱和特性多作一组s=2 时的动态响应过程，与s=0.5 进行比较

33、；3、将负倒描述函数曲线和G(jw) 曲线画在同一复平面上，根据稳定判据分析系名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 34 页，共 39 页 - - - - - - - - - 35 统的稳定性，并求出产生自振时的开环增益。六、实验数据图像及与理论计算和仿真分析比较结果1、绘制相轨迹和动态响应曲线（1）摩擦特性： M=1 相轨迹：动态响应：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - -

34、 - - - - 第 35 页，共 39 页 - - - - - - - - - 36 （2）饱和特性： K=1，S=0.5 相轨迹：动态响应：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 36 页，共 39 页 - - - - - - - - - 37 饱和特性： K=1，S=2相轨迹：动态响应：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 37 页，共 39 页 -

35、 - - - - - - - - 38 （4）继电特性： M=1 h=0.5 相轨迹：动态响应：结论：饱和特性：饱和特性的等效增益曲线表明， 饱和现象将使系统的开环增益在饱和区时下降。 控制系统设计时， 为使功放元件得到充分利用，应注使功放级首先进入饱和；为获得较好的动态性能， 应通过合适选择线性区增益和饱和电压，使系统既能获得较小的超调量， 又能保证较大的开环增益， 减小稳态误差。 饱和区对名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 38 页，共 39 页 - - - - -

36、- - - - 39 系统闭环极点的分析过程与继电特性类同。摩擦特性：摩擦对系统性能的影响最主要的是造成系统低速运动的不平滑性，即当系统的输入轴作低速平稳运转时，输出轴的旋转呈现跳跃式的变化。这种低速爬行现象是由静摩擦到动摩擦的跳变产生的。继电特性： 理想继电特性串入系统， 在小偏差时开环增益大， 系统的运动一般呈发散性质； 而在大偏差时开环增益很小，系统具有收敛性质。 故理想继电控制系统最终多半处于自持振荡工作状态。 继电特性能够使被控制的执行装置在最大输入信号下工作，可以充分发挥其调节能力， 故有可能利用继电特性实现快速跟踪。七、体会和建议直观的感受到了非线性系统的阶跃响应特性和相轨迹图，认识了摩擦、饱和、继电环节的特点，了解了各种非线性环节对系统性能的影响。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 39 页，共 39 页 - - - - - - - - -