自动控制原理实验2解析

总复习

第一章的概念

1、典型的反馈控制系统基本组成框图：

2、自动控制系统基本控制方式：(1)、反馈控制方式；(2)、开环控制方式；(3)、复合控制方式。

3、基本要求的提法：可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。

第二章要求:

1、掌握运用拉氏变换解微分方程的方法；

2、牢固掌握传递函数的概念、定义和性质；

3、明确传递函数与微分方程之间的关系；

4、能熟练地进行结构图等效变换；

5、明确结构图与信号流图之间的关系；

6、熟练运用梅逊公式求系统的传递函数；

例1 某一个控制系统动态结构图如下，试分别求系统的传递函数:)()(,)()(1211sRsCsRsC ，)()(,)()(2122SRSCsRsC。

串连补偿元件放大元件执行元件被控对象反馈补偿元件测量元件输出量主反馈局部反馈输入量－－43213211243211111)()(,1)()()(GGGGGGGsRsCGGGGsGsRsC

例2 某一个控制系统动态结构图如下，试分别求系统的传递函数：)()(,)()(,)()(,)()(sNSEsRsEsNsCsRsC。

例3：

将上图汇总得到：

1()it2()it1()ut()ct()rt1R2R1C2C+_+_+_Ka11Cs21Cs21R1R()Rs()Cs1()Us1()Us1()Us1()Is1()Is2()Is2()Is2()Is()Cs(b)(t)iR(t)ur(t)111(t)]dti(t)[iC1(t)u2111(t)iRc(t)(t)u221(t)dtiC1c(t)22+_+_+-11Cs21R21Cs11R()Rs()Cs(s)H(s)(s)GG1(s)(s)GGR(s)C(s)2121(s)H(s)(s)GG1(s)G-N(s)C(s)212

iiissQsH)()(1)(第一章：1 闭环系统（或反馈系统）的特征：采用负反馈，系统的被控变量对控制作用有直接影响，即被控变量对自己有控制作用 。2 典型闭环系统的功能框图。

自动控制 在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程按照预定的规律运行。

自动控制系统 由控制器和被控对象组成，能够实现自动控制任务的系统。

被控制量 在控制系统中．按规定的任务需要加以控制的物理量。

控制量 作为被控制量的控制指令而加给系统的输入星．也称控制输入。

扰动量 干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量，也称扰动输入或干扰掐入。

反馈 通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输入端，与输入信号相比较。反送到输入端的信号称为反馈信号。

负反馈 反馈信号与输人信号相减，其差为偏差信号。

负反馈控制原理 检测偏差用以消除偏差。将系统的输出信号引回插入端，与输入信号相减，形成偏差信号。然后根据偏差信号产生相应的控制作用，力图消除或减少偏差的过程。

开环控制系统 系统的输入和输出之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响，这样的系统称为开环控制系统。开环控制又分为无扰动补偿和有扰动补偿两种。

闭环控制系统 凡是系统输出端与输入端存在反馈回路，即输出量对控制作用有直接影响的系统，叫作闭环控制系统。

自动控制原理课程中所讨论的主要是闭环负反馈控制系统。

复合控制系统 复合控制系统是一种将开环控制和闭环控制结合在一起的控制系统。它在闭环控制的基础上，用开环方式提供一个控制输入信号或扰动输入信号的顺馈通道，用以提高系统的精度。

自动控制系统组成 闭环负反馈控制系统的典型结构如图1．2所示。组成一个自动控制系统通常包括以下基本元件

1．给定元件 给出与被控制量希望位相对应的控制输入信号(给定信号)，这个控制输入信号的量纲要与主反馈信号的量纲相同。给定元件通常不在闭环回路中。2．测量元件 测量元件也叫传感器，用于测量被控制量，产生与被控制量有一定函数关系的信号。被控制量成比例或与其导数成比例的信号。测量元件的精度直接影响控制系统的精度应使测量元件的精度高于系统的精度，还要有足够宽的频带。3．比较无件 用于比较控制量和反馈量并产生偏差信号。电桥、运算放大器可作为电信号的比较元件。有些比较元件与测量元件是结合在一起的，如测角位移的旋转变压器和自整角机等。4．放大元件 对信号进行幅值或功率的放大，以及信号形式的变换．如交流变直流的相敏整流或直流变交流的相敏调制。5．执行元件 用于操纵被控对象，如机械位移系统中的电动机、液压伺服马达、温度控制系统中的加热装置。执行元件的选择应具有足够大的功率和足够宽的频带。6．校正元件 用于改善系统的动态和稳态性能。根据被控对象特点和性能指标的要求而设计。校正元件串联在由偏差信号到被控制信号间的前向通道中的称为串联校正；校正元件在反馈回路中的称为反馈校正。7．被控对象 控制系统所要控制的对象，例如水箱水位控制系统中的水箱、房间温度控制系统中的房间、火炮随动系统中的火炮、电动机转速控制系统中电机所带的负载等。设计控制系统时，认为被控对象是不可改变的，它的输出即为控制系统的被控制量。8．能源元件 为控制系统提供能源的元件，在方框图中通常不画出。

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. 实验二二阶系统的动态过程分析

一、 实验目的

1. 掌握二阶控制系统的电路模拟方法及其动态性能指标的测试技术。

2. 定量分析二阶系统的阻尼比和无阻尼自然频率n对系统动态性能的影响。

3. 加深理解“线性系统的稳定性只与其结构和参数有关，而与外作用无关”的性质。

4. 了解和学习二阶控制系统及其阶跃响应的Matlab仿真和Simulink实现方法。

二、 实验内容

1. 分析典型二阶系统()Gs的和n变化时，对系统的阶跃响应的影响。

2. 用实验的方法求解以下问题：

设控制系统结构图如图2.1所示，若要求系统具有性能：

%20%,1,ppts

试确定系统参数K和，并计算单位阶跃响应的特征量dt，rt和st。

图2.1 控制系统的结构图

3. 用实验的方法求解以下问题：

设控制系统结构图如图2.2所示。图中，输入信号()rtt，放大器增益AK分别取13.5，200和1500。试分别写出系统的误差响应表达式，并估算其性能指标。

图2.2 控制系统的结构图

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. 三、 实验原理

任何一个给定的线性控制系统，都可以分解为若干个典型环节的组合。将每个典型环节的模拟电路按系统的方块图连接起来，就得到控制系统的模拟电路图。

通常，二阶控制系统222()2nnnGss可以分解为一个比例环节、一个惯性环节和一个积分环节，其结构原理如图2.3所示，对应的模拟电路图如图2.4所示。

图2.3 二阶系统的结构原理图

图2.4 二阶系统的模拟电路原理图

图2.4中：()(),()()rcutrtutct。

比例常数（增益系数）21RKR，惯性时间常数131TRC，积分时间常数242TRC。其闭环传递函数为：

自控原理二阶系统阶跃响应及性能分析实验报告

广州大学学生实验报告

开课学院及实验室:工程北531 2014年 11 月 30日

学院 机械与电气工程学院 年级、专业、班 电气123 姓名 陈海兵 学号 1207300045

实验课程名称 自动控制原理实验 成绩

实验项目名称 实验二 二阶系统阶跃响应及性能分析 指导老师 姚菁

一、 实验目的

1、 掌握控制系统时域响应曲线的绘制方法;

2、 研究二阶系统特征参数对系统动态性能的影响,系统开环增益与时间常数对稳定性的影响。

3、 能够计算阶跃响应的瞬态性能指标,对系统性能进行分析。

二、 实验内容

实验１、典型二阶系统闭环传递函数

(1) 试编写程序,绘制出当ωn=6, ζ分别为0、1,0、4,0、7,1,1、3 时的单位阶跃响应;

(2)试编写程序,绘制出当ζ=0、7, ωn 分别为2,4,6,8,10 时的单位阶跃响应;

(3) 对上述各种单位阶跃响应情况加以讨论、

实验2、 设单位反馈系统的开环传递函数为

若要求系统的阶跃响应的瞬态性能指标为σp=10%, t s (5%) = 2s 、试确定参数K 与a

的值, 并画出阶跃响应曲线,在曲线上标出σp 、ts(5%) 的数值。

实验3、 设控制系统如图2-1 所示。其中(a)为无速度反馈系统,(b)为带速度反馈系统,试(1)确定系统阻尼比为0、5 时的K1 值;(2) 计算并比较系统(a)与(b)的阶跃响应的瞬态性能指标;(3)画出系统(a)与(b)阶跃响应曲线,在曲线上标出 σp 、t s(5%) 的数值,以验证计算结果。

图2-1

三、 使用仪器、材料

计算机、MATLAB 软件

四、 实验过程原始记录(程序、数据、图表、计算等) 1、运行Matlab 软件;

2、在其命令窗口中输入有关函数命令或程序。涉及的主要命令有:step()

实验1:为便于比较,可用hold on 指令将多条曲线放在一个图中。进一步,为清楚起见,用legend 指令在图中加注释。部分结果如图2-2所示。