华中科技大学自动控制实验报告.doc

2012 级 《信号与控制综合实验》课程 实 验 报 告 (基本实验一:信号与系统基本实验) 姓 名 曹 学 号 U2012 专业班号 水电1204班 同组者1 招 学 号 U2012 专业班号 水电1204班 指导教师 日 期 2015.1.3 实验成绩 评 阅 人 实验评分表 基本实验 实验编号名称/内容（此列由学生自己填写） 实验分值 评分 二阶系统的模拟与动态研究 二阶系统的稳态性能研究 设计性实验 实验名称/内容 实验分值 评分 线性控制系统的设计与校正 控制系统状态反馈控制器设计 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 目 录 实验十一 二阶系统的模拟与动态研究 …………… 4 实验十二 二阶系统的稳态性能研究 …………… 10 实验十四 线性控制系统的设计与校正 …………… 24 实验十六 控制系统状态反馈控制器设计 …………… 28 实验心得 …………… 33 实验十一 二阶系统的模拟与动态性能研究 一、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。 二、实验原理 典型二阶系统的方框图如图11-1： 其闭环传递函数为： 式中: ζ为系统的阻尼比，为系统的无阻尼自然频率。任何二阶系统都可以化为上述的标准形式。调节系统的开环增益K，或时间常数T可使系统的阻尼比分别为：0ζ1，ζ＝1和ζ1三种。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。 三、实验设备和模拟电路图 电子模拟装置、数字示波器 四、实验内容 1、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。（C=0.68uf) （1）ξ＝0时，波形等幅振荡，超调量最大 图11—3 ξ＝0时波形 （2）0＜ξ＜1时，超调量较小，调整时间较短。 图11—4 0＜ξ＜1时波形 （3）阻尼ξ 1超调量为0，调整时间比欠阻尼大。 图11—5 ξ 1 时波形 2改变运放A1的电容C，再重复以上实验内容。(C=0.082uf) 图11—6 ξ＝0时波形 图11—7 0＜ξ＜1时波形 图11—8 ξ 1 时波形 五、实验结论 改变电容的大小，可以使系统的阻尼比改变，从而得到不同的阶跃响应。 六．实验思考题 根据实验模拟电路图绘出对应的方框图。消除内环将系统变成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ξ体现在哪一部分吗？如何改变ξ的数值？ 答：因只有比例和积分环节，系统地ξ恒为0，若要改变ξ，则需在系统中加入惯性环节。 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ξ=？ 答： R（kΩ） 8.2 20 28 40 50 102 120 180 220 ξ 0.58 1.4 2.0 2.8 3.5 7.2 8.5 12.7 15.6 用实验线路如何实现ξ=0？当把A4运放所形成的内环打开时，系统主通道由两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ξ=？ 答： A4断开可视ξ=0；ξ=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？ 答：输出信号失真。 当阶跃输入信号超过运放放大范围是，输出的信号就会产生失真。 在电路模拟系统中，如何实现单位反馈。 答：反馈回路接电阻。 惯性环节中的实践常数T改变意味着典型二阶系统的什么值发生了改变？σp、ｔs、ｔr、ｔp各值将如何改变？ 答：当系统惯性环节的时间常数减小时，系统的阻尼比增大超调量减小。系统的减小，等效时间常数减小使得系统的调节时间减小。对于调节时间和峰值时间，我们要分情况讨论如果系统是欠阻尼的，则不存在tr、tp的概念，系统响应没有超调。如果系统的极点是复数，则系统的存在超调，随着T的增大阻尼自然振荡频率会减小，峰值时间和上升时间因此响应的变长。 7. 典型二阶系统在什么情况下不稳