自控实验34采用PI的串联校正具有微分负反馈的反馈校正.docx
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自控实验34采用PI的串联校正具有微分负反馈的反馈校正
HarbinInstituteofTechnology
自动控制原理实验报告
课程名称：
自动控制原理
院系：
电气工程及其自动化
班级：
姓名：
学号：
实验三采用PI的串联校正
一、实验目的
1.了解和观测校正装置对系统稳定性及瞬态特性的影响。
2.
验证频率法校正是否满足性能要求。
1.观测未校正系统的稳定性及瞬态响应;
2.观测校正后系统的稳定性及瞬态响应。
三、实验仪器设备
1.TDN-AC/ACS教学实验系统一套
2.
一块
万用表
3.
II型并使系统满足下
四、实验原理、内容及步骤
1.原系统的原理方块图
未校正系统的方块图如下所示:
R（s）jC/・
50
C（S）-
S（0.06S1）
w
要求设计PI串联校正装置，校正时使用期望特性开环传递函数为典型列指标：
校正网络的传递函数为:
Gcs
RCS1
R）CS
校正后的方块图为:
2.系统校正前后的模拟电路图
20K
3u
1u
T卜
R（t）20K
-—-czn-
20K
10K
20K
C（t）
10K
CZh-
图1校正前系统模拟电路图
五、实验结果
1.未校正系统的性能指标
理论分析：
系统固有部分的分析：
原系统的开环传函：
50
2500/3
s0.06s1ss50/3
对于二阶系统:
可得：
n2500328.87s
50/3
0.29
固有系统单位阶跃响应的超调量为:
Mpexp（）100%38.6%
Ji2
调整时间：
ts40.48s
n
实验中测得的未校正系统的阶跃响应曲线如下所示：
|T1-T2|=425.0ms||V1-V2||=333.3mv
・TM|=235H忑［屮I・¥2|戸孑333们甲
:
——-nJ
八
I-
T200ms/t§Ci1:
SOOmv^gCM2:
500rnv/^
由响应曲线可知：
实测的系统的超调量为33.3%调整时间为0.425s。
实测值
理论值
超调量
33.3%
38.6%
调整时间
0.425s
0.48s
由上表可知，对比理论值与实际值，相差不大，在误差允许的范围内，测量结果正确。
2.校正系统的性能指标
理论分析：
校正参数设计如下：
⑴对于具有中频宽系统，时域响应与频域响应的指标间的经验公式如下:
1
ts丄（K）
c
p0.160.4Mr1
2
K21.5Mr12.5Mr1
⑵典型n型系统的bode图分析：
结合经验公式p0.160.4Mr1,可以得到得：
2
Mr1.225,K21.5Mr12.5Mr12.464
11
由ts（K）0.84s，可得剪切频率c9.2s
c
A
由h10,可得：
1c1.67s,21h16.7s
h1/2
因此Ka1c15.36，从而确定期望的开环传递函数为:
15.36
Ges
由此可得校正环节的传递函数如下：
Ges0.31（0.6s1）Gcs
Gss
6.47F，贝UR,92.7k
C
Kw0.31/1.5450.2，在本次试验
综上所述，选取校正装置参数如下:
实验中测得的校正后系统的阶跃响应曲线如下所示:
V1-V2=1.C77v
■
/一\d.
V
■
JK.
J
|
I1
*
L
1aLJ■1J
J■.1A1.1■
JL1LIi1■
ALJ■1
:
/
iih
ilI1L1*1
R
*
上—丄IfcLA1IL
LJJ.|iihJ
LjJLLiLj
»
■
*
■
■
I
-
*
H
CH1F.赭CM22v-'W
由响应曲线可知：
实测的系统的超调量为21.54%调整时间为0.375s。
满足题目要求。
结果分析：
用bode图绘制出了系统固有部分、期望和校正环节的对数幅频特性，固有系统原来以-40dB/dec过横轴，通过串入部分的校正作用，使幅频特性以-20dB/dec过横轴，改善了系统
的暂态性能。
六、思考题
答：
此实验需要是系统的c变小，从而使剪切频率对应的相位裕度变大，通过相位超前校
正方法，也可以实现这种校正。
实验四具有微分负反馈的反馈校正
一、实验目的：
1.按给定性能指标，对固有模拟对象运用并联校正对数频率特性的近似作图法,进行反馈校正。
2.用实验验证理论计算结果。
3.熟悉期望开环传递函数为典型I型的参数计算及微分反馈校正调节器的实现.0
二、实验要求：
1.观测未校正系统的稳定性及瞬态响应。
2.观测校正后系统的稳定性极瞬态响应。
三、实验仪器设备
1.TDN-AC/ACS教学实验系统一套
2.万用表一块
四、实验内容、步骤及原理
1.原系统的原理方块图
已知未校正系统的方框图如图4—1所示
sto3s+n
R®厢__-旦f⑶A
+Tscoss+n
图4—1未校正系统的方框图
要求设计具有微分校正装置，校正时使期望特性开环传递函数为典型I型，并使系统满足下
列指标：
放大倍数：
Kv19
闭环后阻尼系数：
0.707
超调量：
Mp4.3%
调节时间：
Ts0.3s
校正网络的传递函数为：
R,C
校正后的方块图如图4—2所示
2.系统校正前后的模拟电路图
图4—4系统校正后的模拟电路图
3.实验内容及步骤
a：
测量未校正系统的性能指标。
准备：
将模拟电路输入端R（t）与信号源单元（U1SG）的输出端OUT端相连接；模拟电路的输出端C（t）接至示波器。
步骤：
按图4—3接线；加入阶跃电压，观察阶跃响应曲线，并测出超调量Mp和调节时间
Ts,记录曲线及参数。
1
・■・■■■■■
1
1
c\
Al
V
1
'--
k—'■■""
1dh1Ii1
1
■
■
1
1
|T1-T2|=1.247s|V1-V2||=461.5mv
・T2|=1130血gV2|=4E15IW
TCH1:
CM2:
MPexp（）83.39%,ts1.8s
J12
与测量值基本一致，系统不满足指标，需加以校正。
b：
测量校正系统的性能指标
准备：
设计校正装置参数
根据给定性能指标，设期望开环传递函数为
G（s）
S（TS1）
19
因为：
闭环特征方程为:
TS2S190或
&1c19
S2-S-
TT
0，
0.707
故
1
T
0.026
219T
由于微分反馈通道的Bode图是期望特性Bode图的倒数，所以微分反馈通道的放大倍数为
期望特性的放大倍数的倒数，即1/19。
而微分反馈通道传递函数的时间常数取期望特性时间
常数T的二倍，为80。
因此，反馈通道的传递函数为
R°CS1/19S0.0526S
R2CS11/80S10.0125S1
根据上式中各时间常数值，图4—4中按以下参数设定，微分反馈对系统的性能有很大的改善。
步骤：
按图4—4接线，加入阶跃电压，观察阶跃响应曲线，并测出超调量Mp和调节时间
Ts,看是否达到期望值，若未达到，请仔细检查接线、参数值并适当调节参数及W1值。
记
|T1-T2|=234.4ms|V1-V2|=769mv
IV1.V2I=76.9mv
录达标的校正装置的实测曲线及参数。
MP3.8%,ts203.1ms满足系统要求。
192119
性能分析：
开环传函D（S）
，特征方程为S2丄S0
S（0.26S1）0.0260.026
27,0.707MP4.3%,ts0.21s
结果分析
由已知可得如下bode图：
对于欠阻尼二阶振荡系统有
Mp==exp（-1）100%，所以Mp完全由决定，越
大Mp越小，所以适当增加
到一定时刻（但必须在欠阻尼要求范围内），就可能满足对超
3
调亮的要求的。
超调时间Ts=Wn（当0<<0$时），与自然震荡角频率Wn和阻尼系数都
有关，因此只要调整好时间常数和阻尼系数就可能满足要求。
六、思考题
1、当电位器W1中间点移动到反馈信号最大端，系统的输出波形C（t）、Mp增
加了不是减少了？
为什么？
答：
电位器W1调整的是反馈强度，当移动至反馈信号最大端时，微分负反馈强度最大，反馈环节中的微分环节能够“预见”较大的超调而有效的加以抑制，从而使系统输出的超调量
减小，但是系统的动态响应速度变慢。
2、是否能用4个运算放大器环节组成与图4—4功能相同的模拟电路?
答：
能。
图中前向通道有一个反相器，反馈通道也有一个反相器，可以把前向通道的反相器放在最后，同样能保证输出信号为正。
然后反馈信号由前向通道反相器的反相端引出，可把反馈通道中的反相器略去。
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