• 北航实验三 控制系统串联矫正


     

    北 京 航 空 航 天 大 学

     

    自动控制原理实验报告

     

     

     

     

    自动控制与测试教学实验中心

     

    实验三控制系统串联矫正

     

    实验时间 2013/12/11 实验编号同组同学

     

    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过渡过程的影响。

    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。

    1. 实验原理

    1.系统结构图如图 3-1 所示

    图3-1 系统结构图

    其中为校正环节,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实现。

    2.系统模拟电路如图3-2所示.

    图3-2 系统模拟电路图

     

    本实验的电阻取值:

    3.未加矫正时,

    4.加串联超前矫正时, 。给定,则

    5.加串联滞后矫正时, 。给定,则

    6.设计超前校正环节。

    系统的闭环传递函数为

    闭环极点:

    阻尼比,自然频率

    因为很小,所以这个系统在阶跃响应中具有很大的超调量,不是所希望的。

    ,且无阻尼自然频率为。希望的主导闭环极点的位置

    幅角缺额=,必须由超前校正装置提供。

    零点位于

    极点位于

    因此,可以得到

    利用幅值条件可以确定的值,

     

    因此,设计出的超前校正装置为

     

    现需设计一个超前校正装置,以便主导闭环极点的阻尼比

    7.设计滞后校正环节。

    系统的闭环传递函数为

    闭环极点:

    阻尼比,自然频率,静态速度误差常数为:

    现在希望将静态速度误差增大到,为了使静态速度误差常速增大到约8倍,选择,并将滞后校正装置的零点和极点分别配置到。这时,滞后校正装置的传递函数为

    校正系统的开环传递函数这时为

    根据新的根轨迹图,求得极点

    开环增益K由幅值条件确定

    于是,已校正系统的开环传递函数:

    静态速度误差常数为:,这样就基本达到了调节静态速度误差常数的目的。

    四、实验设备

    1.    HHMN-1 型电子模拟机一台。

    2.    PC 机一台。

    3. 数字式万用表一块。

    五、实验步骤

    1.熟悉 HHMN-1 型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,按照系统结构图和系统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. D/A1 与系统输入端 Ui 连接,将 A/D1 与系统输出端 Uo 连接(此处连接必须谨慎,不可接错)。线路接好后,经教师检查后再通电。

    3. 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",其它步骤察看概述 3.2 节内容。

    5.分别完成不加校正、加入超前校正、加入滞后校正的实验。在系统模型上的"Manual Switch"处可设置系统是否加入校正环节,在" GC (s) "处可设置校正环节的传递函数。

    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。观测试验结果,记录实验数据,绘制实验结果图形,完成实验报告。

    8.研究性实验方法。实验者可自行确定系统传递函数,同时设计校正环节,并建立系统的 SIMULINK 模型,

    验证自动控制理论相关的理论知识。实现步骤可查看概述 3.3 节内容。

    六、实验结果

    1.不加校正的系统。

    传递函数为:

    (考虑5%的误差标准,阶跃响应信号在0.5s时开始产生)

    3- 系统不加校正的阶跃响应曲线

    截止频率为: 1.8791

    稳定裕度为:28.0202

    3- 系统不加校正的波特图

    2.添加超前矫正的系统。

    传递函数为:

    (考虑5%的误差标准,阶跃响应信号在0.5s时开始产生)

    3- 系统加超前校正的阶跃响应曲线

    截止频率为: 2.3763

    稳定裕度为:47.3714

    3- 系统加超前校正的波特图

    3.添加滞后校正的系统。

    传递函数为:

    (考虑5%的误差标准,阶跃响应信号在0.5s时开始产生)

    3- 系统加滞后校正的阶跃响应曲线

    截止频率为:0.4486

    稳定裕度为:54.8055

    3- 系统加滞后校正的波特图

    七、结果分析

    添加超前校正装置,有效提高了阻尼比,系统的震荡幅度减弱,收敛更迅速,过渡过程时间明显减少。

    添加滞后校正装置,系统的过渡过程时间明显变长。对于斜坡输入信号,具有更小的稳态误差。

    八、收获、体会及建议

    本实验的实验操作部分比较简单,但是自己设计超前校正装置和滞后校正装置比较繁琐。由于对matlab的指令不熟悉,同时,网络找不到相应的的资料,花费了很多精力来计算参数的值和画出过程中的示意图。

    另一方面,更进一步的了解控制系统的设计原理,初步掌握了调整系统性能的方法。掌握了一些基本的matlab指令(如:bode, rlocus)。

     

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