1、南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名歐宇涵周竹青學(xué)院教育實(shí)驗(yàn)學(xué)院指導(dǎo)老師蔡晨曉南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2017年1月11/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告22/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)1：典型環(huán)節(jié)的模擬研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：1、學(xué)習(xí)成立典型環(huán)節(jié)的模擬電路；2、研究阻、容參數(shù)對(duì)典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)的影響；3、學(xué)習(xí)典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)的丈量方法，并計(jì)算其典型環(huán)節(jié)的傳達(dá)函數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：完成比率環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、比率積分環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)的電路模擬實(shí)驗(yàn)，并研究參數(shù)變化對(duì)其階躍響應(yīng)特色的影響。三、實(shí)驗(yàn)步驟與方法（1）比率環(huán)節(jié)圖1-1比率環(huán)節(jié)模擬電路圖比率環(huán)節(jié)的傳達(dá)函數(shù)為：U

2、O(s)K，此中KR2，參數(shù)取R2=200K，R1=100K。Ui(s)R1步驟：1、連接好實(shí)驗(yàn)臺(tái)，按上圖接好線。2、調(diào)理階躍信號(hào)幅值(用萬用表測(cè))，此處以1V為例。調(diào)理完成后恢復(fù)初始。3、Ui接階躍信號(hào)、Uo接IN收集信號(hào)。4、打開上端軟件，設(shè)置收集速率為“1800uS，”撤消“自動(dòng)收集”選項(xiàng)。5、點(diǎn)擊上端軟件“開始”按鍵，隨后向上撥動(dòng)階躍信號(hào)開關(guān)，收集數(shù)據(jù)以以以下圖。圖1-2比率環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)33/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告（2）積分環(huán)節(jié)CVIRVo200K圖1-3積分環(huán)節(jié)模擬電路圖積分環(huán)節(jié)的傳達(dá)函數(shù)為：VO1，f。，此中TI=RC，參數(shù)取R=100KVITIS步驟：同比率環(huán)節(jié)，收

3、集數(shù)據(jù)以以以下圖。圖1-4積分環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)（3）微分環(huán)節(jié)2CVIR1Vo200K圖1-5微分環(huán)節(jié)模擬電路圖44/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告微分環(huán)節(jié)的傳達(dá)函數(shù)為：VOTDSK，此中TD=R1C、K=R2。參數(shù)?。篤I1TDSR1R1=100K，R2=200K，C=1f。步驟：同比率環(huán)節(jié)，收集數(shù)據(jù)以以以下圖。圖1-6微分環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)（）慣性環(huán)節(jié)2RVI1CVo200K圖1-7慣性環(huán)節(jié)模擬電路圖慣性環(huán)節(jié)的傳達(dá)函數(shù)為：VOK，此中TR2C,KR2。參數(shù)?。篤ITS1R1R1=100K，R2=200Kf。步驟：同比率環(huán)節(jié)，收集數(shù)據(jù)以以以下圖。55/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告圖1-8慣

4、性環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：1、畫出比率環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)的模擬電路圖，并求出傳達(dá)函數(shù)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出比率環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線；2、由階躍響應(yīng)曲線預(yù)計(jì)出比率環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)的傳達(dá)函數(shù)，并與由電路計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較分析。（1）比率環(huán)節(jié)圖4-1-1比率環(huán)節(jié)原始電路階躍響應(yīng)曲線66/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告圖4-1-2比率環(huán)節(jié)R2=400k電路階躍響應(yīng)曲線77/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告（2）積分環(huán)節(jié)圖4-2-1積分環(huán)節(jié)原始電路階躍響應(yīng)曲線圖4-2-2積分環(huán)節(jié)C=0.2uF電路階躍響應(yīng)曲線88/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告（3

5、）微分環(huán)節(jié)圖4-3-1微分環(huán)節(jié)原始電路階躍響應(yīng)曲線圖4-3-2微分環(huán)節(jié)R2=500k階躍響應(yīng)曲線99/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告（4）慣性環(huán)節(jié)圖4-4-1慣性環(huán)節(jié)原始電路階躍響應(yīng)曲線圖4-4-2慣性環(huán)節(jié)R1=400k階躍響應(yīng)曲線1010/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告1111/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)2：典型系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)動(dòng)、靜態(tài)性能分析和堅(jiān)固性研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：1、熟習(xí)二階模擬系統(tǒng)的構(gòu)成，研究二階系統(tǒng)分別工作在1，01等狀態(tài)下的階躍響應(yīng)；2、學(xué)習(xí)掌握動(dòng)向性能指標(biāo)的測(cè)試方法，研究典型系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)向性能和堅(jiān)固性的影響；3、檢驗(yàn)系統(tǒng)的堅(jiān)固性與系統(tǒng)自己結(jié)構(gòu)參數(shù)

6、的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、觀察典型二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，測(cè)出系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)理時(shí)間，并研究其參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)向性能和堅(jiān)固性的影響；2、針對(duì)某一給定控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)輸入是脈沖函數(shù)，觀察系統(tǒng)的不堅(jiān)固現(xiàn)象。研究系統(tǒng)開環(huán)增益和時(shí)間常數(shù)對(duì)堅(jiān)固性的影響。三、實(shí)驗(yàn)步驟與方法：(一)二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)典型二階系統(tǒng)的方塊結(jié)構(gòu)圖以以以下圖所示：R(S)E(S)C(S)1K1T1.s+1圖2-1典型二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其開環(huán)傳達(dá)函數(shù)為G(S)K，KK1為開環(huán)增益。S(T1S1)T02其閉環(huán)傳達(dá)函數(shù)為W(S)n，此中nK1，1T0。2S22ST1T02K1T1nn取二階系統(tǒng)模擬電路圖以下：圖2-2典型二階系統(tǒng)模擬電

7、路圖1212/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告此中T0R0C1T1RxC2K1RX。下邊即測(cè)出二階系統(tǒng)在過阻尼（1），R1臨界阻尼（1），欠阻尼（01）等狀態(tài)下的階躍響應(yīng)曲線。步驟：1、連接好實(shí)驗(yàn)臺(tái)，按上圖接好線。2、調(diào)理階躍信號(hào)為1V(使用萬用表丈量)。調(diào)理完成后恢復(fù)信號(hào)到0V狀態(tài)。3、Ui接階躍信號(hào)，Uo接IN收集信號(hào)。4、打開上端軟件，選中“低頻掃描”，設(shè)置收集速率為“50mS”，撤消“自動(dòng)收集”選項(xiàng)。5、調(diào)理可變電阻觀察過阻尼、臨界阻尼、欠阻尼狀態(tài)。改變電阻重新觀察時(shí)需在進(jìn)行放電操作（能夠重新開關(guān)一次實(shí)驗(yàn)臺(tái)）。6、點(diǎn)擊上端軟件“開始”按鍵，隨后向上撥動(dòng)階躍信號(hào)開關(guān)，收集數(shù)據(jù)以以以下

8、圖。圖2-3過阻尼、臨界阻尼階躍響應(yīng)圖2-4欠阻尼階躍響應(yīng)1313/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告(二)控制系統(tǒng)的堅(jiān)固性分析給定系統(tǒng)模擬電路圖以下：圖2-5系統(tǒng)模擬電路圖步驟：(注：系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩響應(yīng)時(shí)的電阻值范圍在250-300K)1、依照上圖接好線路，令C=1uf。點(diǎn)擊上端軟件“開始”按鍵，隨后向上撥動(dòng)階躍信號(hào)開關(guān)再關(guān)掉（即模擬產(chǎn)生了一個(gè)脈沖信號(hào)）。2、改變電位器，使R3從01M方向變化，此時(shí)相應(yīng)K1=010。觀察輸出波形，找到系統(tǒng)產(chǎn)生增幅振蕩時(shí)相應(yīng)的R3值及K1值；3、再把電位器電阻由大到小變化，即R3從10M方向變化，找到系統(tǒng)輸出從產(chǎn)生等幅振蕩向減幅振蕩變化的R3及K1值。圖2

9、-6增幅振蕩1414/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告圖2-7等幅振蕩圖2-8減幅振蕩4、在步驟1的條件下，使系統(tǒng)工作在不堅(jiān)固狀態(tài)，即工作在等幅振蕩狀況，電容從1uf變?yōu)?，觀察系統(tǒng)堅(jiān)固性的變化。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：依照實(shí)驗(yàn)(一)：1、畫出二階系統(tǒng)的模擬電路圖，并求出參數(shù)、n的表達(dá)式；2、觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，求出不一樣樣和n條件下的超調(diào)量Mp和調(diào)理時(shí)間ts；3、依照二階系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，由Mp和ts值預(yù)計(jì)系統(tǒng)的傳達(dá)函數(shù)，并與模擬電路計(jì)算的傳達(dá)函數(shù)比較較。1515/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告圖4-1-1臨界阻尼Rx=71.7k階躍響應(yīng)曲線1616/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告圖4-1-

10、2過阻尼Rx=50k階躍響應(yīng)曲線1717/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告圖4-1-3欠阻尼Rx=840k階躍響應(yīng)曲線1818/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告依照實(shí)驗(yàn)(二)：1、畫出系統(tǒng)的模擬電路圖；2、畫出系統(tǒng)的等幅、增幅及減幅的響應(yīng)波形圖；圖4-2-1增幅振蕩圖4-2-2等幅振蕩1919/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告圖4-2-1減幅振蕩3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩響應(yīng)時(shí)的可調(diào)電阻值和臨界放大系數(shù)。2020/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)3：控制系統(tǒng)的頻率特色研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：1、學(xué)習(xí)丈量典型環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）頻率響應(yīng)曲線的方法和技術(shù)；2、掌握依照實(shí)驗(yàn)獲得系

11、統(tǒng)的頻率特色的方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：完成慣性環(huán)節(jié)的頻率特色測(cè)試實(shí)驗(yàn)。三、實(shí)驗(yàn)步驟與方法：（一）頻率響應(yīng)圖3-1慣性環(huán)節(jié)模擬電路圖步驟：1）測(cè)試500Hz正弦波1、連接好實(shí)驗(yàn)臺(tái)，按上圖接好線。調(diào)理R1電阻阻值約為2K，Ui接OUT0。2、打開上端軟件收集顯示：選中“頻率特色”，設(shè)置收集速率100Us，撤消“自動(dòng)收集”選項(xiàng)。波形輸出：選中“正弦波”，設(shè)置峰值輸出為“10V”，頻率輸出為“500Hz”。3、IN第一接Ui，點(diǎn)擊“開始”，提示收集第一次波形,點(diǎn)擊“確認(rèn)”(輸入波形)。4、收集完成后，出現(xiàn)提示收集第二次波形，將IN改接Uo，點(diǎn)擊“確認(rèn)”（輸出波形），收集完成后以以以下圖。圖3-2慣性環(huán)節(jié)正

12、弦信號(hào)頻率響應(yīng)(500Hz)（2）測(cè)試50Hz正弦波1、連接好實(shí)驗(yàn)臺(tái)，按上圖接好線。調(diào)理R1電阻阻值約為2K，Ui接OUT0。2121/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告2、打開上端軟件收集顯示：選中“頻率特色”，設(shè)置收集速率500Us，撤消“自動(dòng)收集”選項(xiàng)。波形輸出：選中“正弦波”，設(shè)置峰值輸出為“10V”，頻率輸出為“50Hz”。3、IN第一接Ui，點(diǎn)擊“開始”，提示收集第一次波形,點(diǎn)擊“確認(rèn)”(輸入波形)。4、收集完成后，出現(xiàn)提示收集第二次波形，將IN改接Uo，點(diǎn)擊“確認(rèn)”（輸出波形），收集完成后以以下圖。圖3-3慣性環(huán)節(jié)正弦信號(hào)頻率響應(yīng)(50Hz)（二）由MATLAB進(jìn)行頻率特色仿逼

13、真驗(yàn)：已知某單位負(fù)反響系統(tǒng)的開環(huán)傳達(dá)函數(shù)為：6s326s26s20G(s)s43s34s22s2頻率范圍0.1,1001）繪制頻率響應(yīng)曲線，包含Bode圖和幅相曲線（Nyquist圖）。2）依照Nyquist判據(jù)判斷系統(tǒng)的堅(jiān)固性。（3）依照Bode圖求出系統(tǒng)的截止頻率c以及幅值裕度與相位裕度。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：1、畫出系統(tǒng)的模擬電路圖，計(jì)算其傳達(dá)函數(shù)；2、依照實(shí)驗(yàn)(一)，給出系統(tǒng)在正弦輸入下的頻率響應(yīng)并記錄響應(yīng)曲線；圖4-1-1慣性環(huán)節(jié)正弦信號(hào)頻率響應(yīng)(500Hz)2222/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告圖4-1-2慣性環(huán)節(jié)正弦信號(hào)頻率響應(yīng)(50Hz)依照實(shí)驗(yàn)(二)，繪制Bode圖和幅相

14、曲線，并判斷系統(tǒng)的堅(jiān)固性和堅(jiān)固裕度。圖4-1-3波特圖2323/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告圖4-1-4幅相曲線幅值裕度：Gm=infinite相位裕度：截止頻率：Wc=6.8694rad/s2424/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)4：線性系統(tǒng)校訂一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：掌握控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)串連校訂裝置，比較觀察系統(tǒng)校訂前后的響應(yīng)曲線。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、觀察未加校訂裝置時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能；2、按動(dòng)向性能的要求，設(shè)計(jì)串連超前校訂裝置；3、觀察引入校訂裝置后系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能，并進(jìn)行及時(shí)調(diào)試，使系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)性能均滿足設(shè)計(jì)要求。三、實(shí)驗(yàn)步驟與方法：1、未加校訂二階閉環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)

15、框圖和模擬電路圖，以下所示：r(t)200K200KR(S)E(S)15C(S)0.5s+1圖4-1未校訂二階閉環(huán)系統(tǒng)框圖200K500K-1uf1ufR100K-+200KR+-C(t)+圖4-2未校訂二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路圖系統(tǒng)開環(huán)傳達(dá)函數(shù)為：系統(tǒng)閉環(huán)傳達(dá)函數(shù)為：步驟：5G(S)H(S)0.2S(0.5S1)W(S)50S22S501、連接好實(shí)驗(yàn)臺(tái)，按原理圖接線。2、調(diào)理階躍信號(hào)(使用萬用表丈量)，此處以2V為例，調(diào)理完成后恢復(fù)初始。3、Ui接階躍信號(hào)、Uo接IN收集信號(hào)。4、打開上端軟件，撤消“自動(dòng)收集”，選中“低頻掃描”，設(shè)置收集速率為10ms。5、點(diǎn)擊上端軟件“開始”按鍵，以后向上撥

16、動(dòng)階躍開關(guān)，收集完成后以以下圖，用標(biāo)尺讀出相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，計(jì)算其超調(diào)量、穩(wěn)準(zhǔn)時(shí)間等指標(biāo)。2525/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告圖4-3未校訂階躍響應(yīng)2、設(shè)計(jì)校訂裝置2.1性能要求靜態(tài)速度偏差系數(shù)：KV251/s，超調(diào)量：P20%；上升時(shí)間：tS1s。2.2校訂前系統(tǒng)的性能分析校訂前系統(tǒng)的開環(huán)傳達(dá)函數(shù)為：5G0(S)G(S)H(S)1)偏差系數(shù)為：KVlimSG0(S)25，剛好滿足穩(wěn)態(tài)的要求。S0依照系統(tǒng)的閉環(huán)傳達(dá)函數(shù)：G(S)502W(S)02221G0(S)S2S50S2nSn求得n50，22，11n50n代入二階系統(tǒng)超調(diào)量P的計(jì)算公式，即可確立該系統(tǒng)的超調(diào)量P，即123Pe，ts3

17、s(0.05)n這表示當(dāng)系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)KV的要求后，其動(dòng)向性能不行以達(dá)到指標(biāo)要求。在系統(tǒng)中加入校訂裝置，使校訂后系統(tǒng)的性能同時(shí)滿足穩(wěn)態(tài)和動(dòng)向性能指標(biāo)的要求。2.3校訂裝置的設(shè)計(jì)依照對(duì)校訂后系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求，確立系統(tǒng)的和n。即由2Pe1，求得ts31s(0.05)，解得n36n2626/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告依照零極點(diǎn)抵消原理，令校訂裝置的傳達(dá)函數(shù)GC(S)則校訂后系統(tǒng)的開環(huán)傳達(dá)函數(shù)為：12525G(S)Gc(S)G0(S)1)S(TS1)TS1相應(yīng)的閉環(huán)傳達(dá)函數(shù)W(S)G(S)2525/TG(S)1TS2S25S2S/T25/TS2于是有：n225，2n1TT為使校訂后系

18、統(tǒng)的超調(diào)量P20%，這里取251。20.5，TTT這樣所求校訂裝置的傳達(dá)函數(shù)為：1GC(S)1設(shè)校訂裝置GC(S)的模擬電路用圖4-3所示的電路表示。圖4-4校訂裝置的電路圖設(shè)圖4-3中R2=R4=200k,R1=400k,R3=10k,C=4uF時(shí)TR3C=10103410-6R2R3R2R4R3R4C2000400002000410-6R2R44001R2R3R2R4R3R4CS0.5S1R2R4R2R4則有Go(S)R1R3CS11271TS12n2nS2n0.5(P16.3%)，則27/30南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告3、校訂后模擬電路圖以下：R2R4cR31u1u200k200kR1100k500k200kUi-Uo+2