东南大学自动化自控原理实验六串联校正研究

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、实验步骤1．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。

2．将 D/A1 与系统输入端 Ui 连接，将 A/D1 与系统输出端 Uo连接。

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“实验三”，在窗口左侧选择“实验模型”。

5．分别完成不加校正，加入超前校正，加入滞后校正的实验。

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。

观测实验结果，记录实验数据，绘制实验结果图形，完成实验报告。

四、实验设备1．HHMN1-1 型电子模拟机一台。

2．PC 机一台。

3．数字式万用表一块。

五、数据分析1.校正环节传递函数超前校正Gc (s)=aTS+1(a>1)TS+1给定a=2.44 , T=0.26 ，则Gc (s)=0.63S+10.26S+1滞后校正Gc (s)=bTS+1(b<1)TS+1给定b=0.12 , T=83.33，则Gc (s)=10S+183.33S+12.系统模拟运算电路图，各电阻、电容取值图1 控制系统传递函数图2 系统模拟电路图各原件参数取值如下表：表格 1 参数取值1若实验中不用第一个运算放大器，则各元件参数取值如下表：表格 2 参数取值23.校正前后阶跃响应曲线和波特图图表 3 校正前阶跃响应曲线图表 4 校正前波特图图表 5 超前校正阶跃响应曲线图表 6 超前校正波特图图表7 滞后校阶跃响应曲线图表8 滞后校正波特图4.计算截止频率和稳定裕度表格 3 截止频率和稳定裕度实验值5.分析实验结果（1）超前校正提供一个超前相角，闭环系统的相角裕度增大，系统的快速性和稳定性得以提高；（2）滞后校正使得幅值增益衰减，从而提高系统稳态精度和稳定性，但是降低了系统的快速性。

自动控制实验报告五-连续系统串联校正实验介绍本次实验是针对连续系统的串联校正实验，目的是使控制系统能够精确地跟踪给定输入信号。

具体地，要求通过串联校正的方式，将系统的稳态误差控制在一个很小的范围内。

为此，本次实验将对校正器进行串联配置，然后测试系统并进行基本的数据分析。

实验原理首先，需要明确串联校正的概念。

所谓串联校正，就是将校正器和系统连接起来，以提高控制系统的性能。

串联校正实现的基本思想是，先将校正器的控制信号与系统输入信号串联起来，通过对校正器进行调整，来改变系统的特性，以便使系统的输出信号与给定输入信号精确匹配。

具体来说，要完成串联校正，需要如下步骤：1.测量系统的开环特性，并进行基本的分析。

2.将校正器和系统进行串联，校正器的输出信号作为输入信号，系统的输出信号作为反馈信号。

3.根据反馈信号调整校正器的参数，使系统具有更好的稳态性能。

4.再次测量系统的闭环特性，检验串联校正后的效果。

具体的实现步骤和公式可参考连续系统校正实验报告。

实验过程实验步骤1.首先进行系统的稳态误差测量，记录输出信号与给定信号之间的稳态误差。

2.将校正器与系统进行串联，根据实验要求设定校正器的参数。

3.测试校正后的系统，记录输出信号与给定信号之间的稳态误差，与前一次进行对比。

实验结果实验结果如下表所示：测量项目原始系统校正后系统稳态误差0.2 0.02由上表可知，经过串联校正后，系统的稳态误差从0.2减少到了0.02，已经达到了实验的预期。

实验通过本次实验，我们掌握了连续系统的串联校正方法，了解了校正器与系统的串联关系，掌握了相应的实验操作和数据分析技术。

同时，我们还了解了校正器的参数调整对系统运行性能的影响，并进一步提高了自己的实际操作能力。

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。

自动控制原理实验指导书吴鹏松编班级学号姓名2012 年 3 月前言自动控制原理实验是自动化类学科的重要理论课程实验。

本科自动控制原理分为经典控制理论和现代控制理论基础两部分，自动控制原理实验主要是针对经典控制理论的实验，采用的运算电路来进行的。

现代控制理论实验由于模型比较复杂，采用MATLAB软件进行数字仿真实验。

离散控制系统实验与计算机控制系统实验是有很大区别的，不能简单的认为在自动控制原理实验箱上就能进行计算机控制系统实验。

自动控制原理实验预习时需要对电路图进行理论分析和综合，可以借助MATLAB软件进行辅助分析和综合。

自动控制原理实验指导书不包括实验箱和实验软件的使用说明，相关的内容参考实验软件LABACT软件中的帮助文件。

由于作者水平有限，书中错误之处在所难免，恳请广大师生及读者提出宝贵意见及建议。

编者目录实验一典型环节的模拟研究实验二二阶系统特征参数对系统性能的影响实验三典型系统的动态特性与稳定性测试实验四开环增益与零极点对系统性能的影响实验五典型系统的频率特性测试实验六线性系统的串联校正实验七A/D与D/A 转换及零界阶保持器实验八离散控制系统动态性能和稳定性的混合仿真研究实验九非线性系统的相平面法分析实验十非线性系统的描述函数法分析附录1 教学考核方法附录2 实验课安排时间要求实验一 典型环节的模拟研究一．实验目的1．通过搭建典型环节模拟电路，熟悉并掌握自动控制综合实验台的使用方法。

2．熟悉各种典型环节的的阶跃响应。

3．研究参数变化对典型环节阶跃响应的影响。

4．掌握ACES 软件的使用方法。

二．实验仪器1．自动控制综合实验箱 2．计算机 3．LABACT 软件三．实验内容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1-1所示，比例环节的传递函数为： K s U s U i =)()(0图1-1 典型比例环节模拟电路(1) 比例系数（放大倍数）选取： A ．当K=1、K=2、K=5时，分别观测阶跃响应曲线，并记录输入信号输出信号波形；B ．比例放大倍数 K=R2/R1；(2) 阶跃信号设置：阶跃信号的幅值选择1伏（或5伏）(3) 连接虚拟示波器：A ．将输入阶跃信号用排题线与示波器通道CH1相连接；B ．将比例环节输出信号（实验电路A2的“OUT2”）与示波器通道CH2相连接。

东南大学自动化学院实验报告课程名称：过程控制第六次实验实验名称：液位——流量串级控制实验院（系）：自动化专业：自动化姓名：学号：同组人员：实验时间：2017 年6 月 3 日评定成绩：审阅教师：目录一．实验目的 (3)二．实验内容 (3)三．实验步骤 (4)四．实验现象 (4)五．思考题 (7)一、实验目的1、了解串级控制系统参数整定方法；2、掌握串级控制系统的主要特点；3、了解液位、流量串级控制系统的应用实例。

二、实验内容1、基本概念及组成结构串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。

前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。

整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。

副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。

一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。

二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。

2、串级控制系统的工作过程当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。

根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析：1）扰动作用于副回路；2）扰动作用于主过程；3）扰动同时作用于副回路和主过程。

分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。

副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。

串级控制的原理方框图如图1所示：图1 串级控制的原理方框图三 、实验步骤1、 掌握串级控制系统的设计方法，了解系统主、副回路组成以及对象扰动；2、 完成主参数的选择和主回路的设计；3、 副参数的选择和副回路的设计；4、 控制系统控制参数的选择；5、 串级控制系统主、副调节器控制规律的选择；6、 串级控制系统主、副调节器正、反作用方式的确定；7、 掌握串级控制系统参数整定方法，即按照逐步逼近法，对主、副调节器的参数进行整定； 8、 熟悉掌握串级控制系统中主、副调节器的参数设置和主、副回路的手动、自动的切换方法；9、 记录历史曲线与液位——流量曲线，并与单回路控制系统进行动静态特性分析比较。

实验六线性定常系统的串联校正一、实验目的1. 通过实验，理解所加校正装置的结构、特性和对系统性能的影响；2. 掌握串联校正几种常用的设计方法和对系统的实时调试技术。

二、实验内容1. 观测未加校正装置时系统的动、静态性能；2. 按动态性能的要求，分别用时域法或频域法（期望特性）设计串联校正装置；3. 观测引入校正装置后系统的动、静态性能，并予以实时调试，使之动、静态性能均满足设计要求；4. 使用Matlab Simulink模块，分别对校正前和校正后的系统进行仿真，并与上述模拟系统实验的结果相比较。

三、实验原理下图为一加串联校正后系统的方框图。

图中校正装置Gc(S)是与被控对象Go(S)串联连接。

图6-1 加串联校正后系统的方框图串联校正有以下三种形式：1) 超前校正，这种校正是利用超前校正装置的相位超前特性来改善系统的动态性能。

2) 滞后校正，这种校正是利用滞后校正装置的高频幅值衰减特性，使系统在满足稳态性能的前提下又能满足其动态性能的要求。

3) 滞后超前校正，由于这种校正既有超前校正的特点，又有滞后校正的优点。

因而它适用系统需要同时改善稳态和动态性能的场合。

校正装置有无源和有源二种。

基于后者与被控对象相连接时，不存在着负载效应，故得到广泛地应用。

下面介绍两种常用的校正方法：零极点对消法（时域法；采用超前校正）和期望特性校正法（采用滞后校正）。

1. 零极点对消法(时域法)所谓零极点对消法就是使校正变量Gc (S)中的零点抵消被控对象Go(S)中不希望的极点，以使系统的动、静态性能均能满足设计要求。

设校正前系统的方框图如图6-2所示。

图6-2 二阶闭环系统的方框图1.1 性能要求静态速度误差系数：K V =25 1/S ，超调量：2.0≤P δ；上升时间：S t S 1≤。

1.2 校正前系统的性能分析 校正前系统的开环传递函数为：)15.0(25)15.0(2.05)(0+=+=S S S S S G系统的速度误差系数为：25)(lim 00==→S SG K S V ，刚好满足稳态的要求。