实验1 典型环节的模拟实验
一、实验目的
1、 熟悉matlab软件,掌握系统的单位脉冲响应和单位阶跃响应曲线的绘
制方法,并求取时间域内的性能指标;
2、 研究系统参数对系统性能指标的影响。
二、实验仪器与设备
电脑,matlab 6.5软件
实验内容和步骤
一)时域响应分析
1、系统的开环传递函数为,试求其闭环传递函数,并绘制单位阶跃响应曲线和单位脉冲响应曲线。
程序:
clc;
close all;
clear all;
num=200;
den=[1,20,140,400,384];
[numc,denc]=cloop(num,den)
t=0:0.01:40;
figure(1);
step(numc,denc,t)
grid;
figure(2);
impulse(numc,denc,t)
grid;
运行结果:
numc =
0 0 0 0 200
denc =
1 20 140 400 584
2、设单位反馈系统的开环传递函数为,应用matlab绘制系统在单位阶跃响应曲线,并求出峰值时间,超调量,调整时间。
程序:
clc;
close all;
clear all;
num=[0.4,1];
den=[1,0.6,0];
[numc,denc]=cloop(num,den)
t=0:0.02:40;
figure(1);
step(numc,denc,t)
grid;
figure(2);
impulse(numc,denc,t)
grid;
运行结果:
numc =
0 0.4000 1.0000
denc =
1 1 1
(二)增益K对系统的影响
1、已知单位负反馈系统的开环传递函数为,取K分别等于0.2、0.7、1.0和1.7,绘制响应的阶跃响应曲线,比较不同的K对曲线的影响。
当K=0.2时;
程序:
clc;
close all;
clear all;
num=[0.1,0.2];
den=[0.5,1.5,2,1,0];
[numc,denc]=cloop(num,den)
t=0:0.02:40;
figure(1);
step(numc,denc,t)
grid;
figure(2);
impulse(numc,denc,t)
grid;
运行结果:
numc =
0 0 0 0.1000 0.2000
denc =
0.5000 1.5000 2.0000 1.1000 0.2000
当K=0.7时;
程序:
clc;
close all;
clear all;
num=[0.35,0.7];
den=[0.5,1.5,2,1,0];
[numc,denc]=cloop(num,den)
t=0:0.02:40;
figure(1);
step(numc,denc,t)
grid;
figure(2);
impulse(numc,denc,t)
grid;
运行结果:
numc =
0 0 0 0.3500 0.7000
denc =
0.5000 1.5000 2.0000 1.3500 0.7000
当K=1.0时;
程序:
clc;
close all;
clear all;
num=[0.5,1];
den=[0.5,1.5,2,1,0];
[numc,denc]=cloop(num,den)
t=0:0.02:40;
figure(1);
step(numc,denc,t)
grid;
figure(2);
impulse(numc,denc,t)
grid;
运行结果:
numc =
0 0 0 0.5000 1.0000
denc =
0.5000 1.5000 2.0000 1.5000 1.0000
当K=1.7时;
程序:
clc;
close all;
clear all;
num=[0.85,1.7];
den=[0.5,1.5,2,1,0];
[numc,denc]=cloop(num,den)
t=0:0.02:40;
figure(1);
step(numc,denc,t)
grid;
figure(2);
impulse(numc,denc,t)
grid;
运行结果:
numc =
0 0 0 0.8500 1.7000
denc =
0.5000 1.5000 2.0000 1.8500 1.7000
2、思考题
上一题中的开环增益K应适当的取大还是取小?为什么?
答:由上面一题可知,系统的性能指标随K值的变化关系是相互矛盾的:(1)大的K值将使系统上升时间缩短,瞬态响应加快。但系统超调量增加,相角裕量减小,致使系统瞬态响应严重超调,系统的稳定性变差;(2)小的K值将使系统上升时间增加,瞬态响应变得缓慢。但超调量减少,相角裕量增加,系统的稳定性增强。
(1)如要求系统的响应快,而超调量无特殊要求时,K值可选得大些;
(2)如要求无超调量,系统响应无要求时,K值可选得小些;
(3)如要求响应快而超调量小时,K 值可选得中间值。
实验心得体会
学习MATLAB,或者其他软件,重要的不是掌握软件本身,而是增强自己学习新能力的能力,只有这个得到强化,才能适应。我觉得要想学好MATLAB是不容易的,这是一件需要持之以恒的事,必须要坚持不懈的学习,还需要敢于开口向别人请教,更需要我们勤于思考,勤于记忆,勤于动手。
这次实验课,我仅仅是学了一点点皮毛,想要进一步的学习,还需要我在以后的实际运用里不断的学习,改进自己的不足之处,让自己能够有所进步,有所成长。在这里我要特别感谢付肖燕老师,老师不仅带着生育给我辅导而且是那么的细心温暖,特别是一直面带笑容的她给我带来更多的学习兴趣和动力。
第二篇:自动控制原理实验报告1--典型环节的模拟研究
南昌大学实验报告
学生姓名:黄佐财 学 号: 6100308118 专业班级:电力系统082班
实验类型:■ 验证 □ 综合 □ 设计 □ 创新 实验日期: 实验成绩:
一、实验项目名称:典型环节的模拟研究
二、实验要求
1. 了解和掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式
2. 观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线,了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响
三、主要仪器设备及耗材
1.计算机一台(Windows XP操作系统)
2.AEDK-labACT自动控制理论教学实验系统一套
3.LabACT6_08软件一套
四、实验内容和步骤
1).观察比例环节的阶跃响应曲线
典型比例环节模拟电路如图3-1-1所示
(1)用信号发生器(B1)的‘阶跃信号输出’ 和‘幅度控制电位器’构造输入信号(Ui):
B1单元中电位器的左边K3 开关拨下(GND),右边K4 开关拨下(0/+5V阶跃)。阶跃信号输出(B1的Y 测孔)调整为4V(调节方法:按下信号发生器(B1)阶跃信号按钮,L9 灯亮,调节电位器,用万用表测量Y 测孔)。
(2)构造模拟电路:按图3-1-1安置短路套及测孔联线。
(3)运行、观察、记录:(注:CH1选‘×1’档。时间量程选‘×1’档)
① 打开虚拟示波器的界面,点击开始,按下信号发生器(B1)阶跃信号按钮(0→+4V 阶跃),用示波器观测A6 输出端(Uo)的实际响应曲线Uo(t)。② 改变比例系数(改变运算模拟单元A1 的反馈电阻R1),重新观测结果,填入实验报告。
2).观察惯性环节的阶跃响应曲线
典型惯性环节模拟电路如图3-1-4所示。
(1)用信号发生器(B1)的‘阶跃信号输出’ 和‘幅度控制电位器’构造输入信号(Ui):
B1单元中电位器的左边K3 开关拨下(GND),右边K4 开关拨下(0/+5V阶跃)。阶跃信号输出(B1的 Y 测孔)调整为4V(调节方法:按下信号发生器(B1)阶跃信号按钮,L9 灯亮,调节电位器,用万用表测量Y 测孔)。
(2)构造模拟电路:按图3-1-4安置短路套及测孔联线。
(3)运行、观察、记录:(注:CH1选‘×1’档。时间量程选‘×1’档)
① 打开虚拟示波器的界面,点击开始,用示波器观测A6 输出端(Uo),按下信号发生器(B1)阶跃信号按钮时(0→+4V阶跃),等待完整波形出来后,移动虚拟示波器横游标到4V(输入)×0.632处,,得到与惯性的曲线的交点,再移动虚拟示波器两根纵游标,从阶跃开始到曲线的交点,量得惯性环节模拟电路时间常数T。A6 输出端(Uo)的实际响应曲线Uo(t)。② 改变时间常数及比例系数(分别改变运算模拟单元A1 的反馈电阻R1 和反馈电容C),重新观测结果,填入实验报告。
3).观察积分环节的阶跃响应曲线
典型积分环节模拟电路如图3-1-5 所示。
(1)为了避免积分饱和,将函数发生器(B5)所产生的周期性矩形波信号(OUT),代替信号发生器(B1)
中的人工阶跃输出作为系统的信号输入(Ui);该信号为零输出时,将自动对模拟电路锁零。
① 在显示与功能选择(D1)单元中,通过波形选择按键选中‘矩形波’(矩形波指示灯亮)。② 量程选择开关S2置下档,调节“设定电位器1”,使之矩形波宽度1 秒左右(D1 单元左显示)。③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 1V(D1单元右显示)。
(2)构造模拟电路:按图3-1-5安置短路套及测孔联线。
(3)运行、观察、记录:(注:CH1 选‘×1’档。时间量程选‘×1’档)
① 打开虚拟示波器的界面,点击开始,用示波器观测A6 输出端(Uo),调节调宽电位器使宽度从0.3秒开始调到积分输出在虚拟示波器顶端(即积分输出电压接近+5V)为止。②等待完整波形出来后,移动虚拟示波器横游标到0V 处,再移动另一根横游标到ΔV=1V(与输入相等)处,得到与积分的曲线的交点,再移动虚拟示波器两根纵游标,从阶跃开始到曲线的交点,量得积分环节模拟电路时间常数Ti。A6 输出端(Uo)的实际响应曲线Uo(t)。③ 改变时间常数(分别改变运算模拟单元A1 的输入电阻Ro和反馈电容C),重新观测结果,填入实验报告。
(3)运行、观察、记录:(注:CH1 选‘×1’档。时间量程选‘×1’档)
① 打开虚拟示波器的界面,点击开始,用示波器观测A6 输出端(Uo),调节调宽电位器使宽度从0.3
秒开始调到积分输出在虚拟示波器顶端(即积分输出电压接近+5V)为止。②等待完整波形出来后,移动虚拟示波器横游标到0V 处,再移动另一根横游标到ΔV=1V(与输入相等)处,得到与积分的曲线的交点,再移动虚拟示波器两根纵游标,从阶跃开始到曲线的交点,量得积分环节模拟电路时间常数Ti。A6 输出端(Uo)的实际响应曲线Uo(t)。③ 改变时间常数(分别改变运算模拟单元A1 的输入电阻Ro和反馈电容C),重新观测结果,填入实验报告。(可将运算模拟单元A1 的输入电阻的短路套(S4)去掉,将可变元件库(A11)中的可变电阻跨接到A1 单元的H1 和IN 测孔上,调整可变电阻继续实验。
4).观察比例积分环节的阶跃响应曲线
典型比例积分环节模拟电路如图3-1-8所示.。
(1)为了避免积分饱和,将函数发生器(B5)所产生的周期性矩形波信号(OUT),代替信号发生器(B1)中的人工阶跃输出作为系统的信号输入(Ui);该信号为零输出时将自动对模拟电路锁零。
① 在显示与功能选择(D1)单元中,通过波形选择按键选中‘矩形波’(矩形波指示灯亮)。② 量程选择开关S2置下档,调节“设定电位器1”,使之矩形波宽度1 秒秒左右(D1单元左显示)。③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 1V(D1 单元右显示)。
(2)构造模拟电路:按图3-1-8安置短路套及测孔联线。
(3)运行、观察、记录:(注:CH1选‘×1’档。时间量程调选‘×1’档)
① 打开虚拟示波器的单迹界面,点击开始,用示波器观测A6 输出端(Uo)。② 待完整波形出来后,移动虚拟示波器横游标到1V(与输入相等)处,再移动另一根横游标到ΔV=Kp×输入电压处,得到与积分曲线的两个交点。③ 再分别移动示波器两根纵游标到积分曲线的两个交点,量得积分环节模拟电路时间常数Ti。④ 改变时间常数及比例系数(分别改变运算模拟单元A5 的输入电阻Ro和反馈电容C),重新观测结果,填入实验报告。
5).观察比例微分环节的阶跃响应曲线
典型比例微分环节模拟电路如图3-1-9所示。
(1)将函数发生器(B5)单元的矩形波输出作为系统输入R。(连续的正输出宽度足够大的阶跃信号)
① 在显示与功能选择(D1)单元中,通过波形选择按键选中‘矩形波’(矩形波指示灯亮)。② 量程选择开关S2置下档,调节“设定电位器1”,使之矩形波宽度1 秒左右(D1 单元左显示)。③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 0.5V(D1单元右显示)。
(2)构造模拟电路:按图3-1-9安置短路套及测孔联线。
(3)运行、观察、记录: CH1 选‘×1’档。时间量程选‘/4’
档。① 打开虚拟示波器的界面,点击开始,用示波器观测系统的A6 输出端(Uo),响应曲线见图3-1-10。等待完整波形出来后,把最高端电压(4.77V)减去稳态输出电压(0.5V),然后乘0.632,得到ΔV=2.7V。② 移动虚拟示波器两根横游标,从最高端开始到ΔV=2.7V 处为止,得到与微分的指数曲线的交点,再移动虚拟示波器两根纵游标,从阶跃开始到曲线的交点,量得Δt=0.048S。③ 已知 KD=10,则图3-1-9 的比例微分环节模拟电路微分时间常数:T K t 0.48S
6).观察PID(比例积分微分)环节的响应曲线
PID(比例积分微分)环节模拟电路如图3-1-11 所示。
(1)为了避免积分饱和,将函数发生器(B5)所产生的周期性矩形波信号(OUT),代替信号发生器(B1)中的人工阶跃输出作为系统的信号输入(Ui);该信号为零输出时将自动对模拟电路锁零。
① 在显示与功能选择(D1)单元中,通过波形选择按键选中‘矩形波’(矩形波指示灯亮)。② 量程选择开关S2置下档,调节“设定电位器1”,使之矩形波宽度0.1秒左右(D1单元左显示)。③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 0.2V(D1 单元右显示)。
(2)构造模拟电路:按图3-1-11 安置短路套及测孔联线。
(3)运行、观察、记录: (CH1选‘×1’档。时间量程选‘/4’档)
① 打开虚拟示波器的单迹界面,点击开始,用示波器观测A6 输出端(Uo)。② 等待完整波形出来后,移动虚拟示波器两根横游标使之ΔV=Kp×输入电压,,得到与积分的曲线的两个交点。③ 再分别移动示波器两根纵游标到积分的曲线的两个交点,量得积分环节模拟电路时间常数Ti。注意:该实验由于微分的时间太短,较难捕捉到,必须把波形扩展到最大(/4 档),但有时仍无法显示微分信号。定量观察就更难了,因此,建议用一般的示波器观察。④ 改变时间常数及比例系数(分别改变运算模拟单元A2 的输入电阻Ro和反馈电阻R1),重新观测结果,填入实验报告。
五、实验数据及处理结果
六、思考、讨论或体会或对改进实验的建议
在做测试技术的实验前,我以为不会难做,就像以前做物理实验一样,做完实验,然后两下子就将实验报告做完.直到做完测试实验时,我才知道其实并不容易做,但学到的知识与难度成正比,使我受益匪浅。
在做实验前,一定要将课本上的知识吃透,因为这是做实验的基础,否则,在老师讲解时就会听不懂,这将使你在做实验时的难度加大,浪费做实验的宝贵时间.比如做应变片的实验,你要清楚电桥的各种接法,如果你不清楚,在做实验时才去摸索,这将使你极大地浪费时间,使你事倍功半.做实验时,一定要亲力亲为,务必要将每个步骤,每个细节弄清楚,弄明白,实验后,还要复习,思考,这样,你的印象才深刻,记得才牢固,否则,过后不久你就会忘得一干二净,这还不如不做.做实验时,老师还会根据自己的亲身体会,将一些课本上没有的知识教给我们,拓宽我们的眼界,使我们认识到这门课程在生活中的应用是那么的广泛。
通过这次测试技术的实验,使我学到了不少实用的知识,更重要的是,做实验的过程,思考问题的方法,这与做其他的实验是通用的,真正使我们受益匪浅。
七、参考资料
1.《自动控制理论》,王时胜、曾明如、王俐等,江西科技出版社
2.《自动控制理论》,夏德钤主编,机械工业出版社
3.《自动控制理论》,胡寿松,航空工业出版社