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自动控制理论实验讲义 天津大学自动化学院 2004 实验一 自动控制系统的模拟实验 实验目的： 学习应用运算放大器线性组件模拟自动控制系统的方法。了解应用模拟的方法分析自动控制系统的原理。 通过实验，验证线性自动控制系统中： 系统开环增益和系统动态性能的关系。 各组成环节的时间常数的分布对系统的动态性能的影响。 增加开环极点或开环零点对系统的动态性能的影响。 实验内容： 应用运算放大器模拟惯性环节（图1-1） ，其中(秒) 观察输入讯号ur为阶跃函数时的输出电压uc的过渡过程曲线。 按照图1-2系统，当K分别等于0、5、2、4时，输入电压ur为阶跃函数，由示波器上描绘系统的过渡过程曲线，并响应读出超调量6%，上升时间tp及调节时间ts。 图1-2 改变线路为图1-3所示系统，记录当错开时间常数之后的过渡过程，与2中同样放大倍数(K)时的系统的过渡过程进行比较。 图1-3 改接线路如图1-4所示系统，系统增加一个开环极点，记录其相应的过渡过程。 图1-4 改接线路为图1-5所示之系统，记录增加零点的系统过渡过程。τ值分别为0.05，0.1，0.2，其中比例-积分环节的模拟线路，可采用图1-6的线路，其传递函数为： (秒) 图1-5 观察比例-微分环节输出的过渡过程曲线。 三．预习报告内容： 画出所有进行试验的系统的模拟图，如图1-7中k=0.5时，应画出如下的模拟图，图中应标明相应的参数。 用时域方法求出图1-2中所对应系统的动态品质，求出相应的E，ωn，tp，ts和σ%。 用根轨迹法去近似估计图1-4和图1-5所对应系统得动态品质。 四．本实验是用XM-I型系统模拟实验仪进行实验 因此，在实验前应对该实验仪的排版有较清楚的了解，以便拟定正确的接线图。 五．系统模拟装置简介 信号输出：由12V可调电源作为给定电压，从信号输出点加到放大器的输入端。调节信号时旋转“信号调节”旋钮。测量信号大小时按“信号测量”按钮，改变信号极性按下“信号极性”开关“+”或“-”。 在装置投入运行前，一定要先对各运算放大器进行调零，按下“调零”按钮，通过“输出选择”拨码开关，测量各运放的输出值。并进行“0”位调整。 各运放接线板图如图1-8所示。 通过插接导线连接成所需的电路和参数。 实验二 直流发电机电压调整系统及校正实验 一、实验目的： 学习和建立反馈控制概念，以及负反馈联结方法，检查自控原理中所学的反馈的概念。 学习系统的静态特性的测量方法，分析系统开环静特性和闭环静特性的关系。 学习系统动特性的测量方法，分析系统闭环动特性和开环放大倍数的关系，放大倍数的变化对过渡过程的影响如何。 研究应用频率法对系统进行校正的方法及系统串入校正环节后对过渡过程的改善情况。 二、实验原理 系统工作原理图如图一所示，AD：交流原动机、F：直流发动机、L：直流激磁机。其控制板的原理如图二所示： 图一 控制系统原理图 在图二中小开关Q2～Q5可以放大倍数的大小，或者改为I调节器、PI 调节器。 小开关P1合时系统未串入任何校正环节。 小开关P2合时系统串入滞后校正环节。 小开关P3合时系统串入超前校正环节。 运放5组成有惯性的功率放大器，放大倍数K=1,T=0.06系统传递函数及结构图如下所示： 功率放大器的传函 激磁机的传函 直流发电机的传函 计算校正环节时，K=20为开环放大倍数的要求： 图二 控制板原理图 三、实验内容 测量系统各环节的传递函数，与已给参数进行比较。[u,uk,uL,uF] 测量系统的开环静特性 IF/UF的关系曲线 测量系统的闭环静特性 IF/UF(K1=1,2,5) 测量系统的闭环动特性 UF/ t(K=1,2,5) 测量系统的临界稳定情况下的开环放大倍数Knp 为保证系统静态特性，去开环放大倍数： k1kLKFα=k=20,为保证系统的动态特性，取相角稳定裕量r=45°,设计系统的超前和滞后校正环节，求出校正环节的参数，将校正环节带入系统中，观察系统实加给定时间时过渡过程的改善情况。 四、预习报告内容 分析系统的工作原理和放框结构图。 图三 系统结构方框图 按照静态和动态的要求设计串联超前校正环节和串联滞后校正环节的参数。(注意保持原开环放大倍数为20倍) 画出系统的开环的对数幅频及相频特性 五、总结报告内容 开环及闭环的静特性曲线，与理论分析进行对照。 临界开环放大倍数的计算。 串入校正环节后的动特性过渡过程曲线，对于校正环节不同时的特性进行比较和分析。 实验三 根轨迹法 实验目的： 学习和掌握根轨迹的原理及绘制方法