实验六开环增益与零极点对系统性能的影响

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实验六开环增益与零极点对系统性能的影响
一.实验目的
1.研究闭环、开环零极点对系统性能的影响;2.研究开环增益对系统性能的影响。
二.实验内容
1.搭建原始系统模拟电路,观测系统响应波形,记录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts
2.分别给原始系统在闭环和开环两种情况下加入不同零极点,观测加入后的系统响应波形,记录超调量σ%和调节时间ts
3.改变开环增益K,取值12451020等,观测系统在不同开环增益下的响应波形,记录超调量σ%和调节时间ts
三.实验步骤
在实验中观测实验结果时,可选用普通示波器,也可选用本实验台上的虚拟示波器。如果选用虚拟示波器,只要运行ACES程序,选择菜单列表中的相应实验项目,再选择开始实验,就会打开虚拟示波器的界面,点击开始即可使用本实验台上的虚拟示波器CH1CH2两通道观察被测波形。具体用法参见用户手册中的示波器部分。
1.原始二阶系统
实验中所用到的功能区域:
阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3原始二阶系统模拟电路如图1-6-1所示,系统开环传递函数为:
K

0.1s(0.2s1

1-6-1原始二阶系统模拟电路

1设置阶跃信号源:
A.将阶跃信号区的选择开关拨至“05V
B.将阶跃信号区的“05V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接;C.按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“05V”端子产生阶跃信号。
2搭建原始二阶系统模拟电路:
A.将A3的“OUT3”与A1的“IN11IN13”同时连接,将A1的“OUT1”与A2的“IN21”相连接,将A2的“OUT2”与A3的“IN33”相连接;
0/1


B.按照图1-6-1选择拨动开关:
图中:R1=200KR2=200KR3=200KR4=100KR564KR6=200KR7=10KR8=10KC1=1.0uFC2=1.0uF
A3S5S6S10A1S3S6S9A2S3S8S13拨至开的位置;
3连接虚拟示波器:
将实验电路A2的“OUT2”与示波器通道CH1相连接。
4输入阶跃信号,通过虚拟示波器观测原始二阶系统输出响应曲线,记录超调量
σ%、峰值时间tp和调节时间ts

2.闭环极点对原始二阶系统的影响
实验中所用到的功能区域:
阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3、实验电路A4、实验电路A5、实验电路A6
给原始二阶系统加入闭环极点后的模拟电路如图1-6-2所示

1-6-2加入闭环极点的二阶系统模拟电路

1设置阶跃信号源:
A.将阶跃信号区的选择开关拨至“05V
B.将阶跃信号区的“05V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接;C.按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“05V”端子产生阶跃信号。
2搭建加入闭环极点的二阶系统模拟电路:
A.按照步骤1中的(12)搭建原始二阶系统;B.加入闭环极点环节
模拟电路中的
请分别将下表中的极点环节加入到原始二阶系统中。
表示不同的极点环节,



极点环节
极点传递函数
参数值
选择拨动开关
1(s1

R9=200KR10=200KC3=5.0uFA4S5S14拨至开的位置

2(s2
R9=500KR10=500KC3=1.0uFA5S4S11拨至开的位置

5(s5
R9=200KR10=200KC3=1.0uFA4S5S13拨至开的位置

10(s10
R9=100KR10=100KC3=1.0uFA5S5S13拨至开的位置




20(s20

R9=50KR10=50KC3=1.0uFA6S4S15拨至开的位置
50(s50
R9=200KR10=200KC3=0.1uFA4S5S15拨至开的位置


3连接虚拟示波器:
将实验电路Ax的“OUTX”与示波器通道CH1相连接。
4输入阶跃信号,通过虚拟示波器观测加入闭环极点的二阶系统输出响应曲线,
录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts

3.闭环零点对原始二阶系统的影响
实验中所用到的功能区域:
阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3、实验电路A4、实验电路A5、实验电路A6
原始二阶系统加入闭环零点后的模拟电路如图1-6-3所示

1-6-3加入闭环零点的二阶系统模拟电路

1设置阶跃信号源:
A.将阶跃信号区的选择开关拨至“05V
B.将阶跃信号区的“05V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接;C.按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“05V”端子产生阶跃信号。
2搭建加入闭环零点的二阶系统模拟电路:
A.按照步骤1中的(12)搭建原始二阶系统;



B.加入闭环零点环节
模拟电路中的
请分别将下表中的零点环节加入到原始二阶系统中。
零点环节
零点传递函数
表示不同的零点环节,
参数值
选择拨动开关
s2
2

R9=30KR10=470KR11=470KC3=1.0uFA4S3S10的位置
s5
5

R9=1.0KR10=200KR11=200KC3=1.0uFA4S4S11的位置
s10
10

R9=1.0KR10=100KR11=100KC3=1.0uFA5S2S9的位置
s20

20

R9=8.0KR10=41KR11=41KC3=1.0uFA6S1S8的位置
s50
50

3连接虚拟示波器:
R9=1.0KR10=100KR11=100KC3=0.2uFA5S3S9的位置



将实验电路Ax的“OUTX”与示波器通道CH1相连接。
4输入阶跃信号,通过虚拟示波器观测加入闭环零点的二阶系统输出响应曲线,
录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts

4.开环极点对原始二阶系统的影响
实验中所用到的功能区域:
阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3、实验电路A4、实验电路A5、实验电路A6
给原始二阶系统加入开环极点后的模拟电路如图1-6-4所示

1-6-4加入开环极点的二阶系统模拟电路

1设置阶跃信号源:
A.将阶跃信号区的选择开关拨至“05V
B.将阶跃信号区的“05V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接;C.按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“05V”端子产生阶跃信号。
2搭建加入开环极点的二阶系统模拟电路:
A.按照步骤1中的(12)搭建原始二阶系统;B.加入开环极点环节
模拟电路中的
请分别将下表中的极点环节加入到原始二阶系统中。
表示不同的极点环节,



极点环节
极点传递函数
参数值
选择拨动开关
50(s50
R9=200KR10=200KC3=0.1uFA4S5S15拨至开的位置


3连接虚拟示波器:
将实验电路Ax的“OUTX”与示波器通道CH1相连接。
4输入阶跃信号,通过虚拟示波器观测加入开环极点的二阶系统输出响应曲线,
录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts

5.开环零点对原始二阶系统的影响
实验中所用到的功能区域:
阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3、实验电路A4、实验电路A5、实验电路A6
原始二阶系统加入开环零点后的模拟电路如图1-6-5所示

1-6-5加入开环零点的二阶系统模拟电路

1设置阶跃信号源:
A.将阶跃信号区的选择开关拨至“05V
B.将阶跃信号区的“05V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接;C.按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“05V”端子产生阶跃信号。
2搭建加入开环零点的二阶系统模拟电路:
A.按照步骤1中的(12)搭建原始二阶系统;B.加入开环零点环节



模拟电路中的
请分别将下表中的零点环节加入到原始二阶系统中。
零点环节
零点传递函数
表示不同的零点环节,
参数值
选择拨动开关
s2
2

R9=30KR10=470KR11=470KC3=1.0uFA4S3S10的位置
s5
5

R9=1.0KR10=200KR11=200KC3=1.0uFA4S4S11的位置
s10
10

R9=1.0KR10=100KR11=100KC3=1.0uFA5S2S9的位置
s20

20

R9=8.0KR10=41KR11=41KC3=1.0uFA6S1S8的位置
s50
50

3连接虚拟示波器:
将实验电路Ax的“OUTX”与示波器通道CH1相连接。
R9=1.0KR10=100KR11=100KC3=0.2uFA5S3S9的位置



4输入阶跃信号,通过虚拟示波器观测加入开环零点的二阶系统输出响应曲线,
录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts

6.开环增益K对二阶系统的影响实验中所用到的功能区域:
阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3二阶系统模拟电路如图1-6-6所示,系统开环传递函数为:
K
KR6/R5
0.1s(0.1s1
2n102
R5=100K时闭环传递函数为:2K10.52
22
s2nsns10s10
n10在开环零点、极点保持不变的情况下,改变开环增益K系统的阻尼系数
固有频率n也将发生变化,系统的特性从而改变。

1-6-6二阶系统模拟电路

1设置阶跃信号源:
A.将阶跃信号区的选择开关拨至“05V
B.将阶跃信号区的“05V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接;C.按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“05V”端子产生阶跃信号。
2搭建原始二阶系统模拟电路:
A.将A3的“OUT3”与A1的“IN13”相连接,将A1的“OUT1”与A2的“IN24相连接,将A2的“OUT2”与A3的“IN33”相连接;B.按照图1-6-6选择拨动开关:
图中:R1=200KR2=200KR3=200KR4=50KR5可调、R6=100KR7=10KR8=10KC1=2.0uFC2=1.0uF
CKR6/R5,调节R5的阻值,使K分别取值:12451020A3S5S6S10A1S7S10A2S8S11拨至开的位置;
3连接虚拟示波器:
将实验电路A2的“OUT2”与示波器通道CH1相连接。
4输入阶跃信号,通过虚拟示波器观测不同开环增益K下的二阶系统输出响应曲
线,记录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts

四.实验结果



根据实验结果填写下表
表一闭环极点对原始二阶系统的影响
超调量σ%
极点传递函数
实测响应曲线


峰值时tp

调节时间ts

1(s1


2(s2

5(s5

10(s10

20(s20

50(s50




表二闭环零点对原始二阶系统的影响
超调量σ%
零点传递函数
实测响应曲线


峰值时tp

调节时间ts

s2
2

s5
5s10
10s20

20



s50
50


表三开环极点对原始二阶系统的影响
超调量σ%
极点传递函数
实测响应曲线


峰值时tp

调节时间ts

50(s50





表四开环零点对原始二阶系统的影响
超调量σ%
零点传递函数
实测响应曲线


峰值时tp

调节时间ts

s2
2

s5
5s10
10s20

20



s50
50





表五开环增益K对二阶系统的影响
超调量σ%
开环增益K
实测响应曲线


峰值时tp

调节时间ts

K=1
K=2
K=4
K=5
K=10
K=20


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实验六开环增益与零极点对系统性能的影响

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