华中科技大学-自动控制理论基本实验.doc

实验十一 二阶系统的模拟与动态性能研究 3 【实验原理】 3 【实验目的】 4 【仿真结果】 4 【实验设备】 5 【实验步骤】 5 【实验结果分析】 6 【实验思考题】 8 实验十二 二阶系统的稳态性能研究 11 【实验原理】 11 1、三角波的产生电路 11 2、实验使用的系统的分析 14 【实验目的】 15 【实验设备】 15 【实验步骤】 15 1、阶跃响应的稳态误差： 15 2、斜坡响应的稳态误差 16 【仿真结果】 17 【面包板预实验】 19 1、 三角波波形测试 19 2、稳态响应测试 19 阶跃响应 20 斜坡响应 24 【实验结果】 25 2、 三角波波形测试 25 2、稳态响应测试 25 阶跃响应 26 斜坡响应 30 【实验思考题】 31 实验十四 线性控制系统的设计与校正 33 【实验目的】 33 【实验原理】 33 【仿真结果】 35 【实验设备】 36 【实验步骤】 37 【注意事项】 37 【实验结果】 37 【实验思考题】 38 实验十六 控制系统极点的任意配置 40 【实验目的】 40 【实验原理】 40 【仿真结果】 42 【实验设备】 43 【实验步骤】 43 【注意事项】 43 【面包板预实验】 44 【实验结果】 45 【实验思考题】 46 实验十一 二阶系统的模拟与动态性能研究 【实验原理】 二阶系统可用图1所示的模拟电路图来模拟： 图 1 二阶系统模拟电路图 系统框图为 图 2 系统框图 简化得 由此得传递函数表达式 若ζ=0， 若ζ=1， 若要使ζ1，需要将R短路，将调整至6.3kΩ 由 K、T越大超调量越大；K越大，T越小，无阻尼自然震荡频率越大。但是，响应速度只与T有关 【实验目的】 1、掌握典型二阶系统动态性能指标的测试方法。 2、通过实验和理论分析计算的比较，研究二阶系统的参数对其动态性能的影响。 【仿真结果】 采用EWB仿真 当ζ＝0时 当0＜ζ＜1时  当ζ＝1时 当ζ＞1时 【实验设备】 1、电子模拟装置1套。 2、数字示波器1台。 3、函数发生器1台。 【实验步骤】 1、根据二阶系统模拟电路图在实验装置上搭建二阶系统的模拟电路 2、分别设置ζ＝0；0＜ζ＜1；ζ＞1，观察并记录r(t)为正负方波信号时的输出波形C(t) 3、改变运放A1的电容C，再重复以上实验内容 【实验结果分析】 C=0.68μF，ζ＝0（） C=0.68μF，0＜ζ＜1（） C=0.68μF，ζ＞1（）  C=0.68μF，ζ＞1（） 2.1 C=0.082μF，ζ＝0（） 2.2 C=0.082μF，0＜ζ＜1（）  2.3 C=0.082μF，ζ＞1（） 由上列各图可以看出： 阻尼比ζ与超调量和稳定性的关系明显，当ζ＝0时，系统等幅震荡；当0＜ζ＜1时，系统欠阻尼，存在超调量；ζ＞1时，系统过阻尼，无超调。 无阻尼自然震荡频率与响应速度关系明显，阻尼比相同的情况下，无阻尼自然震荡频率越大，系统响应越快。 【实验思考题】 根据实验模拟电路图绘出对应的方框图。消除内环将系统变为一个单位负反馈的典型结构图。此时能知道系统中的阻尼比ζ体现在哪一部分吗？如何改变ζ的数值？ 方框图如上图所示，阻尼比ζ体现在内环反馈通道的增益，调节内环反馈运放的反馈电阻即可调节阻尼比ζ 当线路中的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＝？ 当C1=C2时 R+R2 8.2 20 28 40 50 102 120 180 220 ζ 0.58 1.414 1.98 2.828 3.535 7.211 8.484 12.73 15.55 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为1的放大器串联而成，主反馈仍为1，此时的ζ＝？ 将实验中的内环打开时，系统框图为 闭环传递函数的特征方程s的一次项将不存在，所以此时ζ＝0 如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？ 由于运放的供电电压为，若阶跃输入信号幅值过大，可能导致运放工作工程中出现失真，尤其是当内环增益非常大的时候。实验结果如下  C=0.082μF，，2V C=0.082μF，，1V 由实验结果，当输入电压幅值较大时，系统已经不稳定 在电路模拟系统中，如何实现单位负反馈？ 若此时信号与输入信号反向，将输出通过一个与输入相同的电阻引入到输入端即可。若此时信号与输入信号同相，则需要一个增益为1的反向放大器实现单位负反馈。 惯性环节中的时间常数T改变意味着典型二阶系统的什么值发生了改变？、、、各值将如何改变？ T改变意味着闭环极点的实部发生了改变，如果T增大，将变小，变大，变大，变大。 典