自动控制原理实验报告 线性系统串联校正

自动控制原理实验报告（控制系统串联校正）自动控制原理实验报告学院机械工程及自动化学院专业方向机械工程及自动化班级16学号1学生姓名自动控制与测试教学实验中心实验三控制系统串联校正实验目的了解和掌握串联校正的分析和设计方法。

研究串联校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响。

实验内容设计串联超前校正，并验证。

设计串联滞后校正，并验证。

实验原理系统结构如下图所示：图SEQ 图\* ARABIC 1 控制系统结构图图中GC图SEQ 图\* ARABIC 2 控制系统模拟电路图未加校正时Gc(s)=1加串联超前校正时G给定a=2.44，T=0.26,则GCs=0.63s+10.26s+1 QUOTE加串联滞后校正时G给定b=0.12，T=83.33，则G在实验中，选取，通过Simulink模拟器产生模拟信号与实验采集的实测数据进行对比，分析实验结果，验证自动控制理论。

实验设备HHMN-1型电子模拟机一台。

PC机一台。

数字式万用表一块。

实验步骤熟悉HHMN-1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。

将D/A1与系统输入端Ui连接，将A/D1与系统输出端Uo 连接（此处谨慎连接，不可接错）。

在Windows XP桌面用鼠标双击“自控原理实验”图标后进入实验软件系统，在项目中选择“实验三”。

分别完成不加校正，加入超前校正，加入滞后校正的实验。

观察实验结果，绘制实验结果图形。

用MATLAB绘制以上三种情况时系统的波特图，完成实验报告。

实验结果原系统原系统阶跃响应曲线如下图SEQ 图\* ARABIC 3原系统时域阶跃响应曲线其阶跃响应性能参数如下σTT44.0389%0.16955.5645表格1 原系统阶跃响应性能参数原系统Bode图如下图SEQ 图\* ARABIC 4原系统Bode图超前校正系统超前校正系统阶跃响应曲线如下图SEQ 图\* ARABIC 5超前校正系统时域阶跃响应曲线超前校正后，系统阶跃响应性能参数如下σTT22.1411%0.04761.9845表格2 超前校正系统阶跃响应曲线超前校正系统Bode图如下图SEQ 图\* ARABIC 6超前校正系统Bode图滞后校正系统滞后校正系统阶跃响应曲线如下图SEQ 图\* ARABIC 7滞后校正系统时域阶跃响应曲线滞后校正后，系统阶跃响应性能参数如下σTT20.6731%2.358014.5420表格3 滞后校正系统阶跃响应性能参数滞后校正后系统Bode图如下图SEQ 图\* ARABIC 8滞后校正系统Bode图截止频率和稳定裕度计算在命令窗口输入相关命令，在得到的图形中读出系统的相角裕度γ、截止频率ωc项目系统项目系统γ/°ω原系统281.88超前校正47.42.38滞后校正54.80.449结果分析超前校正实验结果分析首先从系统频率特性曲线Bode图可以看出，经过超前校正后的系统在校正点处的性能有所改善。

实验三、线性系统的串联校正分析姓名：同组成员：实验地点：SEIEE 4-402/404学号：任课教师：实验日期:2021-12-当我们在分析反馈控制系统的稳定性之后，有时往往会发现系统的品质指标不能令人满意。

在这种情况下，就需要在原来的反馈控制系统内附加某种形式的校正。

在很多实际情况中，采用的校正方法可以是多种多样。

引入校正装置的目的在于用附加零极点的办法来改变系统的零极点分布、根轨迹或频率特性的形状。

使系统既保证开环增益，满足一定的准确度要求以及稳定性的提高，同时也必须保证瞬态响应指标符合实际应用的需要。

[实验目的]在采用频率响应法分析和设计控制系统时，常以频率响应的曲线图作为研究问题的出发点。

频率响应图的主要形式有奈奎斯特图、伯德图和尼科尔斯图。

通过实验学习频率特性测量的基本原理，以及使用虚拟仪器测量若干典型环节频率特性的具体方法；学习使用频率特性法分析自动调节系统的动态特性，研究常用校正装置对系统的校正作用，学习调试校正参数的方法。

[实验原理]系统的过渡过程与频率响应有着确定的关系，可用数学方法来求出。

对于简单的一阶和二阶系统，使用解析法比较方便；但是对于高阶系统，解析法繁琐耗时，而且在很多情况下实际意义并不大。

工程上常用的一种方法是根据频率响应的特征量来直接估计系统过渡过程的性能。

频率响应的主要特征量有：增益裕量和相角裕量、谐振峰值和谐振频率、带宽和截止频率。

电气校正装置一般分为有源网络和无源网络两种。

一、有源校正a) 相位超前-滞后校正由运算放大器及阻容网络可组成相位超前-滞后有源网络。

其线路及传递函数如下：u ou i(a)线路图(b)幅频特性图3-1 相位超前-滞后校正网络线路图及幅频特性W(s)=−K(τ1s+1)(τ2s+1)(T1s+1)(T2s+1)其中：τ1=(R1+R10)C1τ2=R2C2T1=R1C1T2=(R2+R20)C2K=R20/R10b) 相位超前校正本实验装置上的有源校正网络采用了下图所示的电路。

实验、线性系统的校正方法一，实验目的1. 掌握系统校正的方法，重点了解串联校正。

2 .根据期望的时域性能指标推导出系统的串联校正环节的传递函数。

3, 比较校正前后系统的性能改变，分析校正后的效果。

4, 了解和掌握串联超前校正、滞后校正的原理，及超前校正、滞后校正网络的参数的计算。

二，实验原理1. 所谓校正就是指在系统中加入一些机构或装谿（其参数可以根据需要而调整），使系统特性发生变化，从而满足系统的各项性能指标。

按校正装谿在系统中的连接方式，可分为：串联校正、反馈校正和复合控制校正三种。

串联校正是在主反馈回路之内米用的校正方式2. 超前校正的目的是改善系统的动态性能，实现在系统静态性能不受损的前提下，提高系统的动态性能。

通过加入超前校正环节，利用其相位超前特性来增大系统的相位裕度，改变系统的开环频率特性。

一般使校正环节的最大相位超前角出现在系统新的穿越频率点。

3. 滞后校正通过加入滞后校正环节，使系统的开环增益有较大幅度增加，同时又使校正后的系统动态指标保持原系统的良好状态。

它利用滞后校正环节的低通滤波特性，在不影响校正后系统低频特性的情况下，使校正后系统中高频段增益降低，从而使其穿越频率前移，达到增加系统相位裕度的目的。

三，实验内容A、已知单位负反馈系统被控对象的传递函数如下G(S)=K/S/(S+1)设计一个超前校正网络Gc (S),是系统满足如下要求：单位斜坡输入作用下，系统稳态误差小于0.1;校正后系统的相位裕量大于45度。

分析：(1)根据控制理论可知，对于I型系统在单位斜坡信号作用下系统的稳态误差为：Ess=1/K <0.1可得KA10 ,取K=10(2) 用下列命令绘制Bode图并求取其频域指标。

s=tf('s');G=10/(s*(s+1));margin(G);grid on得到如图的波特图：-1&io'210-110°1Q1Freoueriev irad/sj从波特图上我们可以看出，幅值裕度Gm=inf dB ,相角裕度Pm=18 度，剪切频率为3.08rad/s.此时的相角裕度是不满足要求的。

实验五线性系统串联校正设计实验原理：（1）串联校正环节原理串联校正环节通过改变系统频率响应特性，进而改善系统的动态或静态性能。

大致可以分为（相位）超前校正、滞后校正和滞后-超前校正三类。

超前校正环节的传递函数如下Tαs+1α(Ts+1),α>1超前校正环节有位于实轴负半轴的一个极点和一个零点，零点较极点距虚轴较近，因此具有高通特性，对正频率响应的相角为正，因此称为“超前”。

这一特性对系统的穿越频率影响较小的同时，将增加穿越频率处的相移，因此提高了系统的相位裕量，可以使系统动态性能改善。

滞后校正环节的传递函数如下Tαs+1Ts+1,α<1滞后校正环节的极点较零点距虚轴较近，因此有低通特性，附加相角为负。

通过附加低通特性，滞后环节可降低系统的幅值穿越频率，进而提升系统的相位裕量。

在使系统动态响应变慢的同时提高系统的稳定性。

（2）基于Baud图的超前校正环节设计设计超前校正环节时，意图让系统获得最大的超前量，即超前网络的最大相位超前频率等于校正后网络的穿越频率，因此设计方法如下：①根据稳态误差要求确定开环增益。

②计算校正前系统的相位裕度γ。

③确定需要的相位超前量：φm=γ∗−γ+(5°~12°) ，γ∗为期望的校正后相位裕度。

④计算衰减因子：α−1α+1= sin φm。

此时可计算校正后幅值穿越频率为ωm=−10lgα。

⑤时间常数T =ω√α。

（3）校正环节的电路实现构建待校正系统，开环传递函数为：G(s)=20s(s+0.5)电路原理图如下：校正环节的电路原理图如下：可计算其中参数：分子时间常数=R1C1，分母时间常数=R2C2。

实验记录：1.电路搭建和调试在实验面包板上搭建前述电路，首先利用四个运算放大器构建原系统，将r(t)接入实验板AO+和AI0+，C(t)接入AI1+，运算放大器正输入全部接地，电源接入±15V，将OP1和OP2间独立引出方便修改。

基于另外两运算放大器搭建校正网络，将所有电容值选为1uF，所有电阻引出方便修改。

实验五线性定常系统的串联校正班级：姓名：学号：实验指导老师：成绩：实验目的：1、对系统性能进行分析，选择合适的校正方式，设计校正器模型。

2、通过仿真实验，理解和验证所加校正装置的结构、特性和对系统性能的影响；3、通过模拟实验部分进一步理解和验证设计和仿真结果，进而掌握对系统的实时调试技术。

实验内容1、系统开环传递函数为G0(s)=1/s(s+1)校正前系统的波特图：Gm =Inf Pm =12.7580 Weg =Inf Wep =4.4165由此可得，系统相角欲度r=12.758，穿越频率Wc=4.4165rad/s均低于指标要求校正前闭环系统的单位阶跃响应曲线：由图可得，校正前系统的单位阶跃响应参数如下：最大超调量为70%，调整时间为Ts=5.78s.源程序代码如下：num = [20];den = [1 1 0];g = tf(num,den)Nyquist(g)bode(g)margin(g)[Gm,Pm,Weg,Wep] = Margin(g)gf = feedback(g,1)step(gf)2、经过理论计算得到校正器模型：Gc(s)=（0.38s+1）/（0.046s+1）校正后系统的波特图为Gm =Inf Pm =59.1872 Weg =Inf Wep =7.5393 校正后的系统相角欲度为r=59.1872，穿越角频率Wc=7.5393rad/s，符合性能指标要求。

校正前后系统的波特图比较：校正后闭环系统的单位阶跃响应由图可得，校正后闭环系统的单位阶跃响应参数如下：最大超调量为15%，调整时间Ts=0.744s。

系统的稳定性和快速性得到了提高。

源程序代码如下：num = [20]den = [1 1 0]g0 = tf(num,den)gc = tf([0.38 1],[0.046 1]);g = g0 * gc;Bode(g，g0)margin(g)[Gm,Pm,Weg,Wep] = margin(g)gf = feedback(g,1);figure;step(gf)3、模拟部分3.1 根据给定的实验模型搭接校正前的模拟电路图根据传递函数绘制系统模拟电路图，搭接后系统传递函数为G0(s)=19.6/s*(s+1)在试验台上搭接模拟电路完毕后，使用模拟示波器观测校正前系统的阶跃响应，其响应曲线如下图所示：从图中可以看出，模拟校正前网络的阶跃响应参数为：最大超调量为68.6%，调整时间为Ts=6.185s3.2 搭建校正后系统的模拟电路图，校正环节传递函数为：Gc(s)=(0.47s+1)/(1+0.039s)在试验台上搭接校正器的模拟电路后，并引入原系统，用模拟示波器观测校正后系统的阶跃响应，其响应曲线如图所示：由图可知，校正后系统阶跃响应参数如下：最大超调量为：9%，调整时间Ts=0.344s。

实验六 线性系统的串联校正【实验目的】1. 对给定系统设计满足频域性能指标的串联校正装置。

2. 掌握频率法串联无源超前校正、无源滞后校正的设计方法。

3. 掌握串联校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响。

【实验原理】1. 频率法超前校正设()()G s H s 是控制系统的开环传递函数，其对应的开环频率特性为()()G j H j ωω，根据自动控制原理的理论，利用频率法进行超前校正设计的步骤如下：（1）根据稳定误差要求，确定开环增益K 。

（2）根据求得的K 值，画出校正前系统的Bode 图，并计算出校正前系统的相角裕量0γ、剪切频率0c ω以检验性能指标是否满足要求。

若不满足要求，则执行下一步。

（3）确定为使相角裕量达到要求值，所需增加的超前相角c ϕ，即0c ϕγγε=-+式中γ为要求的相角裕量，是因为考虑到校正装置影响剪切频率的位置而附加的相角裕量，当未校正系统中频段的斜率为-40dB/dec 时，取ε＝5°～15°，当未校正系统中频段斜率为-60dB/dec 时，取ε＝5°～20° 。

（4）令超前校正网络的最大超前相角m c ϕϕ=，则由下式求出校正装置的参数α1sin 1sin mm ϕαϕ-=+（5）确定未校正系统幅值为20m ω，即()m L ω=正后系统的开环剪切频率c ω，即c m ωω=。

（6）由m ω确定校正装置的转折频率αωωm T==1121Tωα==超前校正装置的传递函数为 ()11c Ts G s Ts α+=+（7）将系统放大倍数增大1/α倍，以补偿超前校正装置引起的幅值衰减，即Kc=1/α；（8）画出校正后系统的Bode 图，校正后系统的开环传递函数为0()()()c cG s G s G s K = （9）检验系统的性能指标，若不满足要求，可增大ε值，从第3步起重新计算。

2. 频率法滞后校正 设()()G s H s 是控制系统的开环传递函数，其对应的开环频率特性为()()G j H j ωω，根据自动控制原理的理论，利用频率法进行滞后校正设计的步骤如下：（1）根据稳定误差要求，确定开环增益K 。

武汉工程大学实验报告专业电气自动化班号指导教师姓名同组者无
SIMULINK仿真模型：
单位阶跃响应波形：
分析：由以上阶跃响应波形可知，校正后，系统的超调量减小，调节时间变短，稳定性
单位阶跃响应：
单位阶跃响应：
分析：由以上仿真结果知，校正后，系统由不稳定变为稳定，系统的阶跃响应波形由发散
单位阶跃响应：
单位阶跃响应：
由以上仿真结果知，校正后，系统由不稳定变为稳定，系统的阶跃响应波形由发要求：正文用小四宋体，1.5倍行距，图表题用五号宋体，图题位于图下方，表题位于表上方。

自动控制原理实验报告（III）一、实验名称：控制系统串联校正二、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。

三、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。

四、实验原理1. 系统结构如图3-1图3-1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来实现。

2. 系统模拟电路如图3-2图3-2各电阻电容取值R3=2MΩ R4=510KΩ R5=2MΩC1=0.47μF C2=0.47μF3. 未加校正时Gcs=14. 加串联超前校正时Gcs=aTs+1Ts+1 (a >1)给定 a = 2.44 , T = 0.26 , 则 Gcs=0.63s+10.26s+15. 加串联滞后校正时Gcs=bTs+1Ts+1（0<b<1）给定b = 0.12 , T = 83.33, 则Gcs=10s+183.33s+1五、数据记录未加校正超前校正滞后校正ts实测值/s 5.90 2.3515.24 ts理论值/s 5.41 1.9215.14γ/°25.546.855.7ωc/rad∙s-1 2.11 2.430.48（1）未加校正（2）超前校正（3）滞后校正3. 系统波特图（1）未加校正环节系统开环传递函数Gs=4s2+s（2）串联超前校正系统开环传递函数Gs=2.52s+40.26s3+1.26s2+s（3）串联滞后校正系统开环传递函数Gs=40s+483.33s3 + 84.33s2+s六、数据分析1、无论是串入何种校正环节，或者是否串入校正环节，系统最终都会进入稳态，即三个系统都是稳定系统。

2、超前校正：系统比未加校正时调节时间短，即系统快速性变好了，而且超调量也减小了。

从频率角度来看，戒指频率减小，相位稳定域度增大，系统稳定性变好。

3、滞后校正：系统比未加校正时调节时间长，即系统快速性变差了，但是超调量减小了很多，甚至比加串联超前校正时的超调还小。

控制理论实验的汇报材料线性定常系统地串联校正实验目的：本实验旨在探究线性定常系统的串联校正方法，并通过实验验证串联校正的有效性和可行性。

实验原理：线性定常系统的串联校正指的是通过将系统分为若干个小的子系统来进行校正的过程。

校正的目标是对每一个子系统都进行稳态和动态的校正，使得整个系统的输出能够满足预定的要求。

在进行串联校正之前，首先需要对每一个子系统进行稳态和动态特性的测定。

稳态特性可以通过输入一个稳定信号，并记录输出信号的稳态值来进行测定。

动态特性可以通过输入一个变化信号，并记录输出信号的变化过程来进行测定。

对于每一个子系统，根据其稳态和动态特性的测定结果，我们可以选择合适的校正方法。

常用的校正方法包括增益校正、零极点校正和延迟校正等。

实验步骤：1.设计实验方案，并预先准备好所需的实验设备和材料。

2.搭建线性定常系统的串联校正实验平台，并连接好各个子系统。

3.对每一个子系统进行稳态和动态特性的测定。

稳态特性测定可以通过输入一个稳定信号（如直流信号），并记录输出信号的稳态值来获得。

动态特性测定可以通过输入一个变化信号（如阶跃信号或正弦信号），并记录输出信号的变化过程来获得。

4.根据每一个子系统的特性测定结果，设计并实施相应的校正方法。

根据需要可能需要调整系统的增益、零极点位置或引入延迟等措施。

5.分别对每一个子系统进行校正，并记录校正的结果。

6.整合各个子系统的校正结果，观察系统的整体校正效果。

实验结果与分析：根据实验测定的稳态和动态特性，我们可以看到每一个子系统的不足之处。

针对这些不足之处，我们通过增益校正、零极点校正和延迟校正等方法进行系统校正。

经过校正后，观察到整个系统的稳态和动态特性均有所改善。

系统的输出能够更好地满足预定的要求。

特别是在动态响应方面，系统的快速性能得到了明显提升。

该实验结果验证了线性定常系统的串联校正方法在实践中的有效性和可行性。

通过合理地设计校正方法，并对每一个子系统进行准确的校正，可以实现对整个系统输出的精确控制。

自动控制原理实验报告实验名称：线性系统的时域分析线性系统的频域分析线性系统的校正与状态反馈班级：学号：姓名：指导老师：2013 年12 月15日典型环节的模拟研究一. 实验目的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二．实验内容及步骤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.。

改变被测环节的各项电路参数，画出模拟电路图，阶跃响应曲线，观测结果，填入实验报告运行LABACT 程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。

具体用法参见用户手册中的示波器部分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。

图3-1-1 典型比例环节模拟电路传递函数：01(S)(S)(S)R R K KU U G i O === ； 单位阶跃响应： K )t (U = 实验步骤：注：‘S ST ’用短路套短接！（1）将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT ），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（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= 4V （D1单元‘右显示）。

（2）构造模拟电路：按图3-1-1安置短路套及测孔联线，表如下。

（a ）安置短路套 （b ）测孔联线（3）运行、观察、记录：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），观测A5B 输出端（Uo ）的实际响应曲线。