第六章 综合控制实验
校正后 穿越频率ω
图3-3-14 串联迟后校正后系统开环幅频特性曲线
校正后 穿越频率ωc＇ 校正后 相位裕度γ
图3-3-15 串联迟后校正后系统开环相频特性曲线
在图3-3-15串联迟后校正后的相频特性曲线上可测得串联迟后校正后系统的频域特性： 穿越频率ωc= 6.28 rad/s 相位裕度γ= 52° 测试结果表明符合设计要求。 5）．串联迟后校正系统的时域特性的测试
图3-3-16 串联迟后校正系统时域特性测试的模拟电路图
实验步骤：注：‘S ST’ 用“短路套”短接！
（1）将函数发生器（B5）单元的矩形波输出作为系统输入R。（连续的正输出宽度足够大的阶跃信号) 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≥3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= 2.5V（D1单元右显示）。 （2）构造模拟电路：按图3-3-16安置短路套与测孔联线按下表。
（a）安置短路套 （b）测孔联线
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爱迪克自控/计控原理实验系统 B5（OUT）→A1（H1） A5A（OUTA）→A3（H1） A3（OUT）→A1（H2） A3（OUT）→A6（H1） 元件库A11中可变电阻跨接到 A1（OUT）和A10（IN+）之间 元件库A11中可变电阻和10u跨接元件 电容串联后跨接到 A10（IN+）（160K+10u） 和GND之间 10 运放级联 A10（OUT）→A5（H1） 11 示波器联接 A6（OUT）→B3（CH1） 12 ×1档 B5（OUT）→B3（CH2） （3）运行、观察、记录：运行程序同《1．未校正系统的时域特性的测试》。
在串联迟后校正后的时域特性曲线上可测得：超调量 Mp=22 % 峰值时间tp=0.44S。 示波器的截图详见虚拟示波器的使用。
注：做完该实验请将A10单元的短路套拔掉放置在短路套闲置区，否则可能会影响矩形波输出！
模块号 1 A1 2 A3 3 A5 4 A6 5 B5 6 A10 跨接座号 S4，S8 S1，S8，S9 S4，S10 S2，S6 ‘S-ST’ S1 1 2 3 4 5 /6 7 /8 /9 信号输入r(t) 运放级联 负反馈 运放级联 跨接元件 （875K） 三．实验报告要求：
按下表“校正后系统的相位裕度γ′”设计校正参数，並构建校正后系统，画出串联迟后校正后系统模拟电路图，及校正前、后的时域特性曲线，观测校正后相位裕度γ′、超调量Mp、峰值时间tP填入实验报告。
相位裕度γ′ 测 量 值 （设计目标） 相位裕度γ′ 超调量Mp(%) 峰值时间tP 50° 40° 60°
70°
3.3.3 时域法串联比例微分校正
一．实验目的
1．了解和掌握串联比例微分校正的原理。
2．了解和掌握利用Ⅰ型二阶系统的闭环传递函数标准式完成串联比例微分校正网络参数的计算。 3．掌握在被控系统中如何串入比例微分校正网络，构建一个性能满足指标要求的新系统的方法。
二．实验内容及步骤
1．观测被控系统的时域曲线，按“校正后系统的超调量Mp”要求,设计校正参数，构建校正后系统。 2．观测校正后的时域特性曲线，並测量校正后系统的超调量Mp、峰值时间tP。
3．按“校正后系统的超调量Mp”不同要求,自行设计校正参数，构建校正后系统，观察校正前、后的时域特性曲线，並测量校正后系统的超调量Mp，峰值时间tP。 1）．未校正系统的时域特性的测试
未校正系统模拟电路图见图3-3-17。本实验将函数发生器（B5）单元作为信号发生器，OUT输出 施加于被测系统的输入端Ui，观察OUT从0V阶跃+2.5V时被测系统的时域特性。
6图3-3-17未校正系统的开环传递函数为：G(S)? 0.2S(1?0.3S) 30
第六章 综合控制实验
图3-3-17 未校正系统模拟电路图
实验步骤： 注：‘S ST’ 用“短路套”短接！
（1）将函数发生器（B5）单元的矩形波输出作为系统输入R。（连续的正输出宽度足够大的阶跃信号) 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≥3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= 2.5V（D1单元右显示）。 （2）构造模拟电路：按图3-3-17安置短路套及测孔联线，表如下：
（a）安置短路套 （b）测孔联线 模块号 跨接座号 1 信号输入r(t) B5（OUT）→A1（H1） 1 A1 S4，S8 2 运放级联 A1（OUT）→A5（H1） 2 A3 S1，S6 3 运放级联 A5A（OUTA）→A6（H1） 3 A5 S4，S10 4 负反馈 A6（OUT）→A1（H2） 4 A6 S4，S8，S9 5 运放级联 A6（OUT）→A3（H1） 5 B5 ‘S-ST’ 6 示波器联接 A3（OUT）→B3（CH1）
7 ×1档 B5（OUT）→B3（CH2）
（3）运行、观察、记录：
① 运行LABACT程序，在界面自动控制菜单下的“线性系统的校正和状态反馈”-实验项目，选中“线性系统的校正”项，弹出线性系统的校正的界面，点击开始，用虚拟示波器CH1观察系统输出信号。 ② 观察OUT从0V阶跃+2.5V时被测系统的时域特性，等待一个完整的波形出来后，点击停止，然后移动游标测量其超调量、峰值时间。
在未校正系统的时域特性特性曲线上可测得时域特性：
超调量Mp= 56.4 % 峰值时间tp= 0.32S 调节时间ts= 1.8S(△=5时)
计算得 ωn=10 ξ=0.1667
2）．串接入比例微分校正后系统的时域特性的测试 设计要求校正后系统的超调量：Mp≤25%， 校正后系统的开环传递函数为：G(S)?6?(1?0.05S)
0.2S(1?0.3S)
图3-3-18 串接入比例-微分校正--2后系统
实验步骤： 注：‘S ST’ 用“短路套”短接！
（1）将函数发生器（B5）单元的矩形波输出作为系统输入R。（连续的正输出宽度足够大的阶跃信号) 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≥3秒（D1单元右显示）。 ③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 2.5V（D1单元左显示）。 （2）构造模拟电路：按图3-3-18安置短路套及测孔联线，表如下：
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爱迪克自控/计控原理实验系统
（a）安置端路套 （b）测孔联线
模块号 跨接座号 1 信号输入r(t) B5（OUT）→A1（H1） 1 A1 S4，S8 2 运放级联 A1（OUT）→A5（H1） 2 A3 S1，S6 3 负反馈 A6（OUT）→A1（H2） 3 A5 S4，S10 4 运放级联 A6（OUT）→A3（H1） 4 A6 S4，S8，S9 5 运放级联 A5A（OUTA）→ A7A（H1） 5 A7 S4，S11，P，PD2 6 运放级联 A7B（OUTB）→ A6（H1） 6 B5 ‘S-ST’ 7 示波器联接 A3（OUT）→B3（CH1）
8 ×1档 B5（OUT）→B3（CH2）
（3）运行、观察、记录： 运行程序同《1、未校正系统时域特性的测试》。
三．实验报告要求：
按下表“校正后系统的超调量Mp”设计校正参数，並构建校正后系统，画出串联比例微分校正后系统模拟电路图，及校正前、后的时域特性曲线，观测校正后超调量Mp，峰值时间tP填入实验报告。
超调量Mp(%) 测 量 值
（设计目标） 超调量Mp(%) 峰值时间tP 25 20 15
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3.3.4时域法局部比例反馈校正
一．实验目的
1．了解和掌握局部比例反馈校正的原理。
2．了解和掌握利用Ⅰ型二阶系统的闭环传递函数标准式完成局部比例反馈校正参数的计算。
3．掌握在被控系统中如何利用局部比例反馈校正，构建一个性能满足指标要求的新系统的方法。
二．实验内容及步骤
1．观测被控系统的时域曲线，按“校正后系统的超调量Mp”要求,设计校正参数，构建校正后系统。 2．观测校正后的时域特性曲线，並测量校正后系统的超调量Mp、峰值时间tP。
3．按“校正后系统的超调量Mp”不同要求,自行设计校正参数，构建校正后系统，观察校正前、后的时域特性曲线，並测量校正后系统的超调量Mp，峰值时间tP。 1）．未校正系统的时域特性的测试
未校正系统模拟电路图见图3-3-19。本实验将函数发生器（B5）单元作为信号发生器，OUT输出施加于被测系统的输入端Ui，观察OUT从0V阶跃+2.5V时被测系统的时域特性。
图3-3-19 未校正系统模拟电路图
6图3-3-19未校正系统的开环传递函数为：G(S)? 0.2S(1?0.3S)实验步骤： 注：‘S ST’ 用“短路套”短接！
（1）将函数发生器（B5）单元的矩形波输出作为系统输入R。（连续的正输出宽度足够大的阶跃信号) 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≥3秒（D1单元左显示）。
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第六章 综合控制实验
③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 2.5V（D1单元右显示）。 （2）构造模拟电路：按图3-3-19安置短路套及测孔联线，表如下。
（a）安置短路套 （b）测孔联线 模块号 跨接座号 1 信号输入r(t) B5（OUT）→A1（H1） 1 A1 S4，S8 2 运放级联 A1（OUT）→A5（H1） 2 A3 S1，S6 3 运放级联 A5A（OUTA）→A6（H1） 3 A5 S4，S10 4 负反馈 A6（OUT）→A1（H2） 4 A6 S4，S8，S9 5 运放级联 A6（OUT）→A3（H1） 5 B5 ‘S-ST’ 6 示波器联接 A3（OUT）→B3（CH1）
7 ×1档 B5（OUT）→B3（CH2）
（3）运行、观察、记录： ① 运行LABACT程序，在界面自动控制菜单下的“线性系统的校正和状态反馈” -实验项目，选中“线性系统的校正”项，弹出线性系统的校正的界面，点击开始，用虚拟示波器CH1观察系统输出信号。 ② 观察OUT从0V阶跃+2.5V时被测系统的时域特性，等待一个完整的波形出来后，点击停止，然后移动游标测量其超调量、峰值时间。在未校正系统的时域特性特性曲线上可测得时域特性： 超调量Mp= 56.4 % 峰值时间tp= 0.32S 调节时间ts=1.8S (△=5时) 计算得ωn=10 ξ=0.16767
2．比例反馈包围惯性环节校正网络的设计
比例反馈包围惯性环节校正后的系统模拟电路见图3-3-20。
图中运放A2组成比例反馈网络，由它包围惯性环节，R7/R4为比例系数。
图中运放A7作为提高未包围部分的增益，用来补偿由于比例反馈校正后，系统的开环增益降低部分。 提高的增益为：Kx?K?Ka?R6?R5
① 要求设计校正装置，使控制系统满足下述性能指标：超调量Mp≤25% 。 ② 按超调量 Mp≤25% 计算，可得到校正后系统的阻尼比ξ ≥0.4。
③ 按图3-3-19的被校正对象积分时间常数Ti = 0.2S，开环增益K =6，新惯性环节Ga(S)时间常数为Ta，按标准二阶系统阻尼比的计算式：
??1Ti 可得到新惯性环节Ga(S)时间常数 Ta?0.052。 KTa2④ 按图3-3-19的被控对象校正前的原惯性时间常数 T=0.3S，开环增益K =6，新惯性环节Ga(S)时间常数为Ta=0.052，代入Ta?T，可得到：比例反馈系数a=0.795
1?aKK，可得到：新惯性环节Ga(S)的
1?aK如取R7=10K ，则R4=10K÷0.795=12.6K，R4用A11单元的直读式可变电阻。 ⑤ 按原开环增益K=6，比例反馈系数a=0.795，代入式Ka?开环增益Ka=1.04 。
⑥ 为补偿由于局部比例反馈校正后，被校正系统降低了开环增益，必须增加的比例环节
KX?K?Ka。增加的比例环节的增益应为：Kx?K?Ka?6?1.04?5.77。
如取运放A7的反馈电阻R6=200K，则输入电阻应为R5=200K÷5.77=34.7K。 为使实验较方便进行，近似取R5=100K∥50K=33.3K。 3）。比例反馈包围惯性环节校正后系统的时域特性的测试 比例反馈包围惯性环节校正后系统模拟电路见图3-3-20。
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