当前位置:首页 >> 能源/化工 >>

北航自动控制实验报告


北航自动控制实验报告

成绩

北 京 航 空 航 天 大 学

自动控制原理实验报告





专业方向 班 学 级 号

学生姓名 指导教师

自动控制与测试教学实验中心

北航自动控制实验报



实验一
一、实验目的

一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试

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 时的阶跃响应曲线, 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阶跃响应曲线,并测 定其超调量及过渡过程时间。

三、实验原理

1.一阶系统: 系统传递函数为:φ (s)= 模拟运算电路如图1- 1所示:

图 1- 1

由图 1-1得 在实验当中始终取R2= R1, 则K=1, R2C取不同的时间常数T分别为: 0.25、 T= 0.5、1 2.二阶系统:

其传递函数为: 令ω n=1弧度/秒,则系统结构如图1-2所示:

图1-2 根据结构图,建立的二阶系统模拟线路如图1-3所示:

1

北航自动控制实验报告

图1-3

取R2C1=1 ,R3C2 =1,则 ζ 取不同的值ζ =0.25 , ζ =0.5 , ζ =1



四、实验设备
1、HHMN-1 型电子模拟机一台。 2、PC 机一台。 3、数字万用表一块。

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 U 连接,将 A/D1 与系统输出端 U 连接。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 “实验模型” , 其它步骤察看概述 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。实现步骤可察看概述 3.3 节内容。

2

北航自动控制实验报告

六、实验结果
根据实验要求选取的参数如下: T R2 C Ts实测 /s Ts理论 /s 0.25 250K 1μ f 0.73 0.75 0.5 500K 1μ f 1.59 1.50 1 1M 1μ f 3.11 3

ζ R4 C2 σ %实测 σ %理论 Ts实测 Ts理论

0.25 2M 1μ f 47.12 44.4 10.09 12.11

0.5 1M 1μ f 15.51 16.3 5.35 6.72

1.0 500K 1μ f 0.541 0 4.54 4.74

(1) 一阶系统
T=0.25

3

北航自动控制实验报告

T=0.5

T=1

4

北航自动控制实验报告

(2)二阶系统
T=0.25

T=0.5

5

北航自动控制实验报告

T=1

七、结果分析
实验误差的最大来源在于电阻的影响, 尤其是当ζ =0.707 时, 电阻的阻值用数字万 用表测出,再接入电路,故对误差会有较大影响。而且,电源电压的微笑波动也可能对 实验结果产生影响。 ? 一阶系统的调节时间与时间常数成正比,时间常数越小,条件时间也会越小。 ? 二阶系统的调节时间与阻尼存在反比例关系,阻尼越大,调节时间越小;二阶系统 的超调量也与时间常数存在反比例关系,阻尼越大,超调量越小,特别的,当ζ =1 时, 没有超调量。

6

北航自动控制实验报告

实验二
一、实验目的

频率响应测试

1.掌握频率特性的测试原理及方法。 2.学习根据所测定出的系统的频率特性,确定系统传递函数的方法。

二、实验内容
1、测定给定环节的频率特性。 系统模拟电路图及系统结构图分别如图 2-1 及图 2-2。

C1=C2=1μ R1=10K R2=100K R3=100K 系统传递函数为:

R4=100K

取 R=200KΩ ,则

取 R=500KΩ ,则 若正弦输入信号为 Ui(t)=A1Sin(ω t),则当输出达到稳态时,其输出信 号为 Uo(t)=A2Sin(ω t+ψ )。改变输入信号频率 值,便可测得二组 A1/A2 和ψ 随 f(或ω )变化的数值,这个变化规律就是系统的幅频特性和相频特性。

三、实验原理
1、幅频特性即测量输入与输出信号幅值 A1 及 A2, 然后计算其比值 A2/A1。 2、 实验采用“李沙育图形”法进行相频特性的测试。以下简单介绍一下这 种测试方法的原理。

7

北航自动控制实验报告

设有两个正弦信号: X(ω t)=XmSin(ω t) Y(ω t)=YmSin(ω t+ψ ) 若以 X(t)为横轴,Y(t)为纵轴,而以ω 作为参变量,则随着 ω t 的变化,X(t)和 Y(t)所确定的点的轨迹,将在 X-Y 平面上描绘出一条封闭的曲线。这个图形就是 物理学上成称为的“李萨如图形” 。

3、 相位差角Ψ 的求法: 对于 X(ω t)=XmSin(ω t)及 Y(ω t)= YmSin(ω t) 当ω t=0 时,有 X(0)=0 ;Y(0)=Ym Sin(ψ ) 即ψ =ArcSin(Y(0)/ Ym), 0≤ψ ≤π /2 时成立。

四、实验设备
1、HHMN-1 型电子模拟机一台。 2、PC 机一台。 3、数字万用表一块。

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,按照系统结构图和系统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,不用的运算放大器接成比例器。 3、将 D/A1 与系统输入端 U 连接,将 A/D1 与系统输出端 U 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 “实验二” ,在窗口左侧选择 “实验 模型” ,其它步骤察看概述 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。

8

北航自动控制实验报告

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。实现步骤可察看概述 3.3 节内容。

六、实验数据表
R=100K

R=200K

七、实验结果图

R=100K

9

北航自动控制实验报告

10

北航自动控制实验报告

R=200K

11

北航自动控制实验报告

八、结果分析
1. 由 又

R = 100KΩ 时的系统传递函数计算
时相角 ,所以有

1.008

故,系统传递函数为:

2.

时的系统传递函数计算 由ω =14.1rad/s 时相角 又 ,所以有

1.453

故,系统传递函数为:

3.分析: 从得到的结果看,虽然已经和理论值比较接近,但是仍存在一定误差,初步分析误差

12

北航自动控制实验报告 可能由一下因素造成: 1. 电容电阻的标称值和实际值一般都有误差,所以依次搭接的电路的传递函数和理论 不完全一致。 2. 运放带来的误差:一方面,实验中的运放的正极没有接补偿电阻,这有可能造成零 点漂移以致结果不准确。另一方面,理想运放的放大倍数是无穷大的,而理论运放不一定是 无穷大,这也会对传递函数的参数造成一定影响。 3. 在 matlab 中显示的李沙育图像中找 Yo 时发现,当 X=0 时,不一定有相应的 Y 与之 对应。这是由于系统实际输出电压为连续的,而 A/D 转换是离散的,所以实验得到的 Yo 并 不是实际的 Yo,而是有一定偏差。 4. 所选的 值太少,并不能真正找到=90 度时所对应的。

九、实验结论
本实验研究了不同传递函数的频率响应, 并通过李沙育图像求得了响应相对于输入的滞 后角,进而由实验数据确定了系统的传递函数。

13

北航自动控制实验报告

实验三

控制系统串联校正

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。

三、实验原理

其中 Gc(s)为校正环节,可放置在系统模型中来实现,也可使用模拟电路的方式 由模拟机实现。

3.未加校正时,

4.加串联超前校正时,

给定 a=2.44

T=0.26 则

5.加串联滞后校正时,

给定 b=0.12

T=83.33 则

14

北航自动控制实验报告

四、实验设备
1、HHMN-1 型电子模拟机一台。 2、PC 机一台。 3、数字万用表一块。

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。 断开电源,按照系统结构图和系统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,不用的运算放大器接成比例器。 2、将 D/A1 与系统输入端 U 连接,将 A/D1 与系统输出端 U 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 “实验二” ,在窗口左侧选择 “实验 模型” ,其它步骤察看概述 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“ ”处可设置校 (s) 正环节的传递函数。 6、绘制以上三种情况时系统的波特图。 7、采用示波器“Scope”观察阶跃响应曲线。观测试验结果,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 骤可查看概述 3.3 节内容。

六、实验数据
未加校正 实测值 理论值 实测值/s 理论值/s 48.31% 44.44% 5.61 5.41 ∞ 27.9 1.90 超前校正 24.31% 22.61% 1.99 1.92 ∞ 47.2 2.35 滞后校正 18.64% 20.08% 15.41 15.14 ∞ 55.2 0.432

15

北航自动控制实验报告

七、实验结果图
(1)未校正

(2)超前校正

(3)滞后校正

八、数据分析
从频域来看, 超前校正和滞后校正均提高了系统的稳定裕度。然而其作用方

16

北航自动控制实验报告

式与作用结果是不同的。从结果上看,超前校正增大了系统的截止频率,这使得 系统更易受到高频噪声的干扰。而滞后校正使截止频率降低。从作用机理来看, 超前校正利用校正器自身的相位超前来拔高系统的相稳定裕度角; 而滞后校正是 通过提高系统的截止频率来改善稳定裕度的, 校正器自身的相位对稳定裕度并没 有直接贡献。 从时域来看, 超前校正和滞后校正都能减小系统的超调量。滞后校正改善 超调量的效果特别显著, 但是其也增大了系统的调节时间;超前校正虽然在超调 量上改善的不如滞后校正多,但却能显著减少系统调节时间。

实验总结和感想

这学期, 自动控制实验总共进行了三次,同时也只是做了一些非常基础的实 验,但我感觉还是学到了很多有用的东西。 首先, 这门自动控制实验课是和自动控制原理课差不多同步的。课堂上学习 这些东西很抽象,经常感觉不知道那是什么东西,通过实验和具体的操作,可以 说把理论和实践很好地联系在了一起, 一方面巩固了我在课堂上学到的关于自动 控制方面的知识,加深了我对知识的具象的认识,而不只是抽象的概念;另一方 面,对于实验内容,由于有了课堂所学到的只是作为理论支撑,实验做起来不会 感觉无从下手,对于实验的认识更进了一步。我觉得,这种理论与实践相结合的 教学方式非常好,能够让我学得更有兴趣,学得更扎实。 再者, 作为一门实验课, 这门课对于我的动手实践能力有了一个很好地提升, 培养了我细心, 专心做实验的习惯,为以后得在工作和学习中能顺利完成实验打 好了基础,我感觉学到了真正实用的东西。同时,在实验数据的处理上使用 MATLAB。感觉这是一个很好的软件,语言简便,实用性强。作为一个做新手, 想要学习好这门语言,可以说还是比较难的。在我接触这门语言的这些天,一直 在上面弄, 除了会画几个简单的三维图形, 其他的还是有待提高。 在这个软件中, 虽然有 help。但还是对课外基础和良好的英语基础提出了很高要求。 最后,感谢老师的指导和用心,谢谢!

17


相关文章:
北航自动控制原理实验报告1-4合集
北航自动控制原理实验报告1-4合集_能源/化工_工程科技_专业资料。自动控制原理实...定量分析 原系统 校正系统 滞后系统 控制系统串联校正 调节时间 (s) 超调量(...
北航自动控制实验报告
北航自动控制实验报告 成绩 北京航空航天大学 自动控制原理实验报告 学 院 专业方向 班学级号 学生姓名 指导教师 自动控制与测试教学实验中心 北航自动控制实验报告 ...
北航自动控制原理实验报告
北航自动控制原理实验报告_信息与通信_工程科技_专业资料。北航自动控制原理实验报告成绩 北京航空航天大学 自动控制原理实验报告 学 院 电子信息工程学院 专业方向 班...
北航自动控制原理实验报告_含数据
北航自动控制原理实验报告_含数据_信息与通信_工程科技_专业资料。北航自动控制原理实验报告_含数据 自动控制原理实验报告册 班级: 学号: 姓名: 2010 年 1 月 2...
自动控制实验报告_北航15系大三
自动控制原理实验报告 院系: 班级: 学号: 姓名: 宇航学院 目实验五 录 采样系统研究 ... 3 实验六 状态反馈与状态观测器 ... 9 实验七 非线性环节对系统...
北航自控实验报告2
北航自控实验报告2_信息与通信_工程科技_专业资料。北航的自动控制原理实验报告成绩 北京航空航天大学 自动控制原理实验报告 班学 级号 120228 12021191 黄钟胤 学生...
北航自动控制原理实验1,2,3实验报告
北航自动控制原理实验1,2,3实验报告_能源/化工_工程科技_专业资料。自动控制原理实验报告册 班级: 学号: 姓名: 1 2015 年 5 月 2 日 目实验一 录 一、二...
北航自动控制原理实验报告_含数据
北航自动控制原理实验报告_含数据_信息与通信_工程科技_专业资料。北航自动控制原理实验报告实验一 一、二阶系统的电子模拟 及时域响应的动态测试一、 实验目的 1、...
北航自动控制原理实验报告(完整版)
北航自动控制原理实验报告(完整版)_工学_高等教育_教育专区 暂无评价|0人阅读|0次下载|举报文档 北航自动控制原理实验报告(完整版)_工学_高等教育_教育专区。rt...
自动控制原理实验报告,北航实验报告,3系
自动控制原理实验报告,北航实验报告,3系_信息与通信_工程科技_专业资料。自动控制原理实验报告,北航实验报告,3系 自动控制原理实 验报告 实验一 实验二 实验三 ...
更多相关标签:
北航自动控制实验网站 | 北航自动控制原理实验 | 北航自动控制实验 | 自动控制原理实验报告 | 自动控制实验报告 | 自动控制理论实验报告 | 北航机械设计实验报告 | 北航fpga实验报告 |