实验六 线性定常系统的串联校正(综合性实验)_0

2016~2017学年第一学期《自动控制原理》实验报告年级：201X 班号1X0X姓名：XXX 学号201X******XXX 成绩：教师：实验设备及编号：实验同组人名单：XXX 实验地点：电气工程学院自动控制原理实验室实验时间：2016年10月目录实验一典型环节的电路模拟 (1)一、实验目的 (1)二、实验设备 (1)三、实验内容 (1)四、实验思考题 (12)实验二二阶系统的瞬态响应 (13)一、实验目的 (13)二、实验设备 (13)三、实验内容 (13)四、实验分析 (17)五、实验思考题 (17)实验五典型环节和系统频率特性的测量 (19)一、实验目的 (19)二、实验设备 (19)三、实验内容 (19)四、实验分析 (23)五、实验思考题 (24)实验六线性定常系统的串联校正 (25)一、实验目的 (25)二、实验设备 (25)三、实验内容 (25)四、实验分析 (29)五、实验思考题 (29)实验七单闭环直流调速系统 (31)一、实验目的 (31)二、实验设备 (31)三、实验内容 (31)四、实验分析 (37)实验一 典型环节的电路模拟一、 实验目的1．熟悉 T HKKL-B 型模块化自控原理实验系统及“自控原理软件”的使用。

2．熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟。

3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。

二、 实验设备1．THKKL-B 型模块化自控原理实验系统实验平台，实验模块 C T01。

2．PC 机一台(含上位机软件)。

3．USB 接口线。

三、 实验内容1. 比例（P ）环节根据比例环节的方框图，如图1-1所示，用 C T01 实验模块组建相应的模拟电路，如图1-2所示。

图1-1 比例环节方框图图1-2 比例环节的模拟电路图1-2中后一个单元为反相器，其中0R =200k 。

传递函数为o i U (s)G(s)==K U (s)。

比例系数 K=1 时，电路中的参数取：1R =100k ，2R =100k 。

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。

实验六 线性系统串联校正的MATLAB 仿真一、实验目的1．熟练掌握用MATLAB 语句绘制频域曲线。

2．掌握控制系统频域范围内的分析校正方法。

3．掌握用频率特性法进行串联校正设计的思路和步骤。

二、基础知识控制系统设计的思路之一就是在原系统特性的基础上，对原特性加以校正，使之达到要求的性能指标。

最常用的经典校正方法有根轨迹法和频域法。

而常用的串联校正装置有超前校正、滞后校正和滞后超前校正装置。

本实验主要讨论在MATLAB 环境下进行串联校正设计。

1．基于频率法的串联超前校正超前校正装置的主要作用是通过其相位超前特性来改变频率响应曲线的形状，产生足够大的相位超前角，以补偿原来系统中元件造成的过大的相位滞后。

因此校正时应使校正装置的最大超前相位角出现在校正后系统的开环截止频率c ω处。

例6-1:单位反馈系统的开环传递函数为()(1)KG s s s =+，试确定串联校正装置的特性，使系统满足在斜坡函数作用下系统的稳态误差小于0.1，相角裕度045≥r 。

解:根据系统静态精度的要求，选择开环增益21()0.1101(1)ss s s s e Lim sE s Lim s K k s s →→==⨯<⇒>++取12K =，求原系统的相角裕度。

>>num0=12; den0=[2,1,0]; w=0.1:1000; [gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0); [mag1,phase1]=bode(num0,den0,w); [gm1,pm1,wcg1,wcp1]margin(num0,den0) %计算系统的相角裕度和幅值裕度，并绘制出Bode 图 grid; ans =Inf 11.6548 Inf 2.4240 由结果可知，原系统相角裕度06.11=r ，2.4/c rad s ω=，不满足指标要求，系统的Bode 图如图6-1所示。

考虑采用串联超前校正装置，以增加系统的相角裕度。

实验六 连续系统串联校正本实验为设计性实验一、实验目的1．了解和观测校正装置对系统稳定性及动态特性的影响。

2．学习校正装置的设计和实现方法。

二、实验原理工程上常用的校正方法通常是把一个高阶系统近似地简化成低阶系统，并从中找出少数典型系统作为工程设计的基础，通常选用二阶、三阶典型系统作为预期典型系统。

只要掌握典型系统与性能之间的关系，根据设计要求，就可以设计系统参数，进而把工程实践确认的参数推荐为“工程最佳参数”，相应的性能确定为典型系统的性能指标。

根据典型系统选择控制器形式和工程最佳参数，据此进行系统电路参数计算。

在工程设计中，经常采用二阶典型系统来代替高阶系统（如采用主导极点、偶极子等概念分析问题）其动态结构图如图7-1所示。

同时还经常采用“最优”的综合校正方法。

图7-1二阶典型系统动态结构图 二阶典型系统的开环传递函数为)2()1()(2n n s s Ts s K s G ξωω+=+= 闭环传递函数2222)(nn n s s s ωξωω++=Φ 式中KTT K n 21,==ξω，或者n n T K ξωξω21,2== 二阶系统的最优模型（1）最优模型的条件根据控制理论，当22707.0==ξ时，其闭环频带最宽，动态品质最好。

把22=ξ代入KT 21=ξ得到，KT T K 21,21==或，这就是进行校正的条件。

（2）最优模型的动态指标为%3.4%100%21/=⨯=--ξξπσe ，T t n s 3.43≈=ω三、实验仪器及耗材1．PC电脑一台2．虚拟电子元件、示波器、万用表等。

四、实验内容及要求未校正系统的方框图如图7-2所示，图7-3是它的模拟电路。

图7-2未校正系统的方框图图7-3未校正系统的模拟电路设计串联校正装置使系统满足下述性能指标σ≤5%（1）超调量%（2）调节时间t s≤1秒K≥20 1/秒（3）静态速度误差系数v1．测量未校正系统的性能指标（1）按图7-3接线；σ和调节时间t s。

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 。

《自动控制理论》实验教学大纲课程名称：自动控制理论课程性质：非独立设课使用教材：自编课程编号：面向专业：自动化课程学分：考核方法：成绩是考核学习效果的重要手段，实验成绩按学生的实验态度，独立动手能力和实验报告综合评定，以20%的比例计入本门课程的总成绩。

实验课总成绩由平时成绩（20%）、实验理论考试成绩（40%）、实验操作考试成绩（40%）三部分组成，满分为100分。

实验理论考试内容包含实验原理、实验操作方法、实验现象解析、实验结果评价、实验方案设计等。

考试题型以填空、判断、选择、问答为主，同时可结合课程特点设计其他题型。

实验操作考试根据课程特点设计若干个考试内容，由学生抽签定题。

平时成绩考核满分为20分，平时成绩= 平时各次实验得分总和÷实验次数（≤20分）。

每次实验得分计算办法为：实验报告满分10分（其中未交实验报告或不合格者0分，合格6分，良好8分，优秀10分）；实验操作满分10分（其中旷课或不合格者0分，合格6分，良好8分，优秀10分）。

撰写人：任鸟飞审核人：胡皓课程简介：自动控制理论是电气工程及其自动化专业最主要的专业基础必修课。

通过本课程的各个教学环节的实践，要求学生能熟练利用模拟电路搭建需要的控制系统、熟练使用虚拟示波器测试系统的各项性能指标，并能根据性能指标的变化分析参数对系统的影响。

实验过程中要求学生熟悉自动控制理论中相关的知识点，可以在教师预设的实验前提下自己设计实验方案，完成实验任务。

教学大纲要求总学时80，其中理论教学68学时、实验12学时，实验个数6个。

9采样控制系统的分析√4选做10采样控制系统的动态校正√4选做合计实验一典型环节的电路模拟一、实验类型：综合性实验二、实验目的：1.熟悉THBCC-1型实验平台及“THBCC-1”软件的使用；2.熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3.测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。

三、实验内容与要求：1.设计并组建各典型环节的模拟电路；2.测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响；3.画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。

线性系统串联校正一·实验目的1. 熟悉串联校正装置对线性系统稳定性和动态特性的影响。

2. 掌握串联校正装置的设计方法和参数调试技术。

二·实验要求1. 观测未校正系统的稳定性和动态特性。

2. 按动态特性要求设计串联校正装置。

3. 观测加串联校正装置后系统的稳定性和动态特性, 并观测校正装置参数改变对系统性能的影响。

4．对线性系统串联校正进行计算机仿真研究, 并对电路模拟与数字仿真结果进行比较研究。

三·实验原理①设计并连接一加串联校正后的二阶闭环系统的模拟电路, 可参阅本实验附录的图4.4.4, 利用实验箱上的U9、U14、U11.U15和U8单元连成②通过对该系统阶跃响应的观察, 来完成对其稳定性和动态特性的研究, 如何利用实验设备观测阶跃特性的具体操作方法, 可参阅“实验一”的实验步骤2。

四·实验所用仪器PC微机（含实验系统上位机软件）、ACT-I实验箱、USB2.0通讯线五·实验步骤和方法1. 观测未校正系统的稳定性和动态特性。

2. 按动态特性要求设计串联校正装置。

3．观测加串联校正装置后系统的稳定性和动态特性, 并观测校正装置参数改变对系统性能的影响。

4．对线性系统串联校正进行计算机仿真研究, 并对电路模拟与数字仿真结果进行比较研究。

具体步骤:1. 利用实验设备, 设计并连接一未加校正的二阶闭环系统的模拟电路, 完成该系统的稳定性和动态特性观测。

提示:①设计并连接一未加校正的二阶闭环系统的模拟电路, 可参阅本实验附录的图 4.1.1和图4.1.2, 利用实验箱上的U9、U11.U15和U8单元连成。

②通过对该系统阶跃响应的观察, 来完成对其稳定性和动态特性的研究, 如何利用实验设备观测阶跃特性的具体操作方法, 可参阅实验一的实验步骤2。

2．参阅本实验的附录, 按校正目标要求设计串联校正装置传递函数和模拟电路。

3. 利用实验设备, 设计并连接一加串联校正后的二阶闭环系统的模拟电路, 完成该系统的稳定性和动态特性观测。

东南大学自动化自控原理实验六串联校正研究自控原理实验六：串联校正研究一、引言自控原理实验六主要研究串联校正的原理和实验方法。

串联校正是一种常用的校正方法，通过串联校正可以提高系统的稳定性和动态性能。

本实验将通过实验验证串联校正的效果，并探讨校正参数的选择对系统性能的影响。

二、实验目的1. 了解串联校正的原理和方法；2. 验证串联校正对系统的稳定性和动态性能的影响；3. 掌握校正参数的选择方法。

三、实验原理1. 串联校正的概念串联校正是指在控制系统中，将一个或多个校正环节串联在被控对象之前，以改善系统的性能。

串联校正可以通过调整校正环节的参数来实现。

2. 串联校正的方法串联校正的方法主要有两种：比例校正和积分校正。

比例校正是指在被控对象之前串联一个比例环节，通过调整比例环节的增益来改善系统的性能。

积分校正是指在被控对象之前串联一个积分环节，通过调整积分环节的增益来改善系统的性能。

3. 校正参数的选择校正参数的选择对系统的性能有重要影响。

一般来说，比例校正的增益越大，系统的响应速度越快，但也容易引起超调和震荡；积分校正的增益越大，系统的稳态误差越小，但也容易引起超调和震荡。

因此，在选择校正参数时需要综合考虑系统的稳态误差和动态性能。

四、实验步骤1. 搭建实验装置根据实验要求搭建自控原理实验六的实验装置，包括被控对象、比例环节、积分环节和控制器。

2. 进行比例校正实验（1）将比例环节的增益设为一个较小的值，如1；（2）记录系统的响应曲线，包括超调量、调节时间等参数；（3）根据实验结果，调整比例环节的增益，观察系统的响应变化。

3. 进行积分校正实验（1）将比例环节的增益设为一个较小的值，如1；（2）将积分环节的增益设为一个较小的值，如0.1；（3）记录系统的响应曲线，包括超调量、调节时间等参数；（4）根据实验结果，调整积分环节的增益，观察系统的响应变化。

4. 比较比例校正和积分校正的效果根据实验结果，比较比例校正和积分校正对系统性能的影响，包括稳态误差、超调量、调节时间等参数。