1、 自動控制原理實驗講義2019-04第一章 LabACT自控/計控原理實驗機構(gòu)成及說明1.1 構(gòu)成主實驗板外形尺寸為35厘米×47厘米，主實驗板的布置簡圖見圖1-1-1所示。圖1-1-1 主實驗板的布置簡圖根據(jù)功能本實驗機劃分了各種實驗區(qū)均在主實驗板上。實驗區(qū)組成見表1-1-1。表1-1-1 實驗區(qū)組成A實驗區(qū)模擬運算單元有六個模擬運算單元，每單元由多組電阻、或電容構(gòu)成的輸入回路、反饋回路和12個運算放大器組成。A1A6模擬運算擴充庫包括校正網(wǎng)絡庫（A7）、整形模塊（A8），可調(diào)零放大器（A9），放大器（A10）和2個0999.9K的直讀式可變電阻、2個電位器及多個電容（A11）。A

2、7A11B實驗區(qū)手控階躍信號發(fā)生器由手控階躍發(fā)生（0/+5v、-5v/+5v），幅度控制（電位器），非線性輸出組成。B1函數(shù)發(fā)生器含有十種（可選擇）波形輸出：矩形波、正弦波、斜坡、方波輸出，方波/正弦波、矩形波/正弦波同時輸出，繼電特性、飽和特性、死區(qū)特性及間隙特性等非線性輸出。B5數(shù)模轉(zhuǎn)換器八位數(shù)/模轉(zhuǎn)換，輸出有0+5v、-5v+5v二個測孔供選擇。B2模數(shù)轉(zhuǎn)換器八位模/數(shù)轉(zhuǎn)換，其中有2個通道為0+5v輸入，有2個通道為-5v+5v輸入。B7定時器/中斷單元有8253定時器中的計數(shù)器1、計數(shù)器2， 有中斷控制器8259中的IRQ5，IRQ6中斷輸入，固定時鐘（1.229MHz）輸出。B8采樣

3、/保持器采樣/保持器LF398，單穩(wěn)態(tài)電路4538B4虛擬示波器2個通道模擬信號輸入，輸入信號可不衰減輸入，也可衰減5倍后輸入。B3基準電壓單元+Vref（+5.00v），-Vref（-5.00v）B6C實驗區(qū)步進電機模塊步進電機35BY48C1直流電機模塊直流電機BY25，直流電壓驅(qū)動，脈沖測速及電壓測速輸出。C2溫控模塊模擬電壓加熱及脈寬控制加熱，熱敏電阻測溫。C3外設(shè)接口模塊6路開關(guān)量輸入和8路開關(guān)量輸出，TTL電平兼容。1路測溫傳感器（鉑電阻PT100）輸入及控制固態(tài)繼電器輸出。C4D實驗區(qū)顯示與功能選擇5位8段數(shù)碼管、四個功能選擇按鍵和16個指示燈。具有獨立于實驗機的CPU控制模塊，

4、提供控制對象輸出顯示，提供函數(shù)發(fā)生器（B5）的輸出切換控制和輸出數(shù)據(jù)顯示。 D1第二章 虛擬示波器2.1 虛擬示波器的顯示方式為了滿足自動控制不同實驗的要求我們提供了示波器的四種顯示方式。（1）示波器的時域顯示方式（2）示波器的相平面顯示（X-Y）方式（3）示波器的頻率特性顯示方式有對數(shù)幅頻特性顯示、對數(shù)相頻特性顯示（伯德圖），幅相特性顯示方式（奈奎斯特圖），時域分析（弧度）顯示方式。 (4) 示波器的計算機控制顯示方式 2.2 虛擬示波器的使用一設(shè)置用戶可以根據(jù)不同的要求選擇不同的示波器，具體設(shè)置方法如下：1 示波器的一般用法： 運行LABACT程序，選擇工具欄中的單跡示波器項或雙跡示波器項

5、，將可直接彈出該界面。單跡示波器項的頻率響應要比雙跡示波器項高。2 實驗使用：運行LABACT程序，選擇自動控制、微機控制 、控制系統(tǒng)菜單下的相應實驗項目，就會彈出相應的虛擬示波器的界面，點擊開始，即可使用CH1、CH2測孔觀察、測量波形，點擊停止后，將停止示波器運行，即可進行波形分析和相關(guān)的測量（只保存當前實驗的波形）。二示波器的使用1示波器的時域顯示電壓量程：控制波形Y軸顯示的放大/縮小。零點控制：控制波形顯示的Y軸位移。Y2Y11幅值差率波形關(guān)閉時間差波形位移波形放大/縮小相平面顯示圖2-2-1 虛擬示波器時域顯示運行界面（數(shù)字PID控制實驗曲線）示波器的時域顯示是指顯示器界面中X軸為時

6、間t，Y軸為電壓U。見圖2-2-1為示波器的時域顯示運行界面，只要點擊開始，示波器就運行了，此時就可以用實驗機上的（CH1）和（CH2）來采集、觀察波形。CH1和 CH2各有輸入范圍選擇開關(guān)，當輸入電壓小于5V大于+5V時應選用×1檔，如果大于此電壓輸入范圍應選用×5擋（表示輸入信號衰減5倍后進入示波器）。該顯示界面的下方有一個“顯示方式”選擇框，提供了示波和X-Y兩種方式。當需要是時域顯示方式時，應選擇框內(nèi)的示波方式選項（通常在彈出示波器界面時，默認為示波方式）。（1）信號幅值測量信號幅值測量：在顯示界面的左右各有一條滑竿標尺，用戶點住滑竿標尺上、下移動到顯示界面中需標定

7、的點，此時滑竿的最右側(cè)的黃色方塊上顯示的數(shù)據(jù)為當前測量點的幅值，見圖2-2-1的4.34V和2.5V數(shù)據(jù)顯示。在Y軸上兩條滑竿之間（在顯示界面的左側(cè)）的黃色方塊中顯示的數(shù)據(jù)，為兩個測量點的幅值差，見圖2-2-1上的v=1.84V。電壓量程：控制波形Y軸顯示的放大/縮小。零點控制：控制波形顯示的Y軸位移。（2）信號時間測量 移動波形在運行開始到停止。示波器可能已采樣了多幅波形，因此用戶首先必須點擊顯示界面下方的前一屏或后一屏來獲取顯示所需的畫面，然后再點擊中間的微調(diào)按鈕來調(diào)節(jié)波形至最佳測量狀態(tài)。 壓縮/擴展波形在顯示界面的下方有一個時間量程選擇框，在框中×2表示波形壓縮了2倍，

8、5;4表示波形壓縮了4倍，該功能適用于觀察頻率低、周期長的信號，例如觀察時間常數(shù)大的積分信號輸出；在框中2表示波形放大了2倍，4表示波形放大了4倍，該功能適用于觀察頻率較高的信號，例如觀察微分信號輸出、階躍輸出的上升時間等。 信號時間的測量當信號在顯示界面處于最佳測量狀態(tài)后，用戶可以點住顯示界面上下各一條的滑竿，左、右移動到波形需標定的點的位置，在X軸上兩條滑竿之間的黃色方塊中顯示的數(shù)據(jù)，為兩個X軸上標定點的時間差，見圖2-2-1上的t=1.200S。2。示波器的相平面顯示（X-Y）使用在示波器的時域顯示界面下方的顯示方式選擇框中，如用戶選中X-Y選項，則虛擬示波器將提供相當于真實示波器中的X

9、-Y選項，即可實現(xiàn)自動控制原理實驗中的相平面分析實驗。詳見第3.4節(jié)非線性系統(tǒng)的相平面分析。在運行中，如果用戶在顯示方式選擇框中，選中示波選項，示波器將轉(zhuǎn)為時域顯示方式。這樣用戶可以在同一界面上方便地看到系統(tǒng)的時域顯示和相平面顯示?？砂此⑿掳粹o進行波形更新。3示波器的幅頻/相頻/幅相特性顯示使用該方式專為第三章自動控制原理實驗第3.2節(jié)線性控制系統(tǒng)的頻率響應分析設(shè)計的。 被測系統(tǒng)某個頻率點的L、Im、Re等相關(guān)數(shù)據(jù)測量： 閉環(huán)系統(tǒng)諧振頻率，諧振峰值等相關(guān)數(shù)據(jù)的測量： 開環(huán)系統(tǒng)的幅值穿越頻率、相角裕度等相關(guān)數(shù)據(jù)的測量：詳見第3.2節(jié)線性控制系統(tǒng)的頻率響應分析。4示波器的計算機控制顯示使用示波器的

10、計算機控制顯示方式可以在示波器顯示界面上進行參數(shù)的設(shè)置和修改，該界面顯示方式用于PID算法、最少拍控制、大林算法、溫度控制等實驗。詳見第四六章。5. 虛擬示波器的截圖在虛擬示波器界面上第二排圖標工具欄左起第22個（黃色問號的右邊）加上了示波器的截圖按扭，截圖后需要命名保存，默認則保存到C盤AEDK目錄下，格式為BMP圖象文件，可以雙擊直接查看，方便老師學生直接將保存的圖，粘貼到文檔之中。第三章 自動控制原理實驗3.1 線性系統(tǒng)的時域分析3.1.1典型環(huán)節(jié)的模擬研究一. 實驗目的1 了解和掌握各典型環(huán)節(jié)模擬電路的構(gòu)成方法、傳遞函數(shù)表達式及輸出時域函數(shù)表達式2 觀察和分析各典型環(huán)節(jié)的階躍響應曲線，

11、了解各項電路參數(shù)對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響二典型環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖及傳遞函數(shù)方 框 圖傳遞函數(shù)比例（P）積分（I）比例積分（PI）比例微分（PD）慣性環(huán)節(jié)（T）比例積分微分（PID） 三實驗內(nèi)容及步驟觀察和分析各典型環(huán)節(jié)的階躍響應曲線，了解各項電路參數(shù)對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響.。改變被測環(huán)節(jié)的各項電路參數(shù)，畫出模擬電路圖，階躍響應曲線，觀測結(jié)果，填入實驗報告運行LABACT程序，選擇自動控制菜單下的線性系統(tǒng)的時域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究中的相應實驗項目，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始即可使用本實驗機配套的虛擬示波器（B3）單元的CH1測孔測量波形。具體用法參見用戶手冊中的示波器部分。1)觀察比例

12、環(huán)節(jié)的階躍響應曲線典型比例環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-1所示。圖3-1-1 典型比例環(huán)節(jié)模擬電路傳遞函數(shù)： ； 單位階躍響應： 實驗步驟：注：S ST用短路套短接?。?）將函數(shù)發(fā)生器（B5）所產(chǎn)生的周期性矩形波信號（OUT），作為系統(tǒng)的信號輸入（Ui）；該信號為零輸出時，將自動對模擬電路鎖零。 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 量程選擇開關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波寬度1秒（D1單元左顯示）。 調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅”電位器使矩形波輸出電壓= 4V（D1單元右顯示）。（2）構(gòu)造模擬電路：按圖3-1-1安置短路套及測孔聯(lián)線，表如下。

13、（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線模塊號跨接座號1A5S4，S122B5S-ST1信號輸入（Ui）B5（OUT）A5（H1）2示波器聯(lián)接×1檔A6（OUT）B3（CH1）3B5（OUT）B3（CH2）（3）運行、觀察、記錄： 打開虛擬示波器的界面，點擊開始，按下信號發(fā)生器（B1）階躍信號按鈕（0+4V階躍），觀測并記錄A5B輸出端（Uo）的實際響應曲線Uo（t）。實驗報告要求：按下表改變圖3-1-1所示的被測系統(tǒng)比例系數(shù)，觀測結(jié)果，填入實驗報告。R0R1輸入Ui比例系數(shù)K計算值測量值200K100K4V0.5200K4V150K100K2V2200K1V42)觀察慣性環(huán)節(jié)的階躍響應曲線

14、典型慣性環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-4所示。圖3-1-4 典型慣性環(huán)節(jié)模擬電路傳遞函數(shù)： 單位階躍響應：實驗步驟：注：S ST用短路套短接！（1）將函數(shù)發(fā)生器（B5）所產(chǎn)生的周期性矩形波信號（OUT），作為系統(tǒng)的信號輸入（Ui）；該信號為零輸出時，將自動對模擬電路鎖零。 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 量程選擇開關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波寬度1秒（D1單元左顯示）。 調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅”電位器使矩形波輸出電壓= 4V（D1單元右顯示）。（2）構(gòu)造模擬電路：按圖3-1-4安置短路套及測孔聯(lián)線，表如下。1信號輸入（Ui）B5（

15、OUT）A5（H1）2示波器聯(lián)接×1檔A5B（OUTB）B3（CH1）3B5（OUT）B3（CH2）（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線模塊號跨接座號1A5S4，S6，S102B5S-ST（3）運行、觀察、記錄： 打開虛擬示波器的界面，點擊開始，按下信號發(fā)生器（B1）階躍信號按鈕時（0+4V階躍），等待完整波形出來后，移動虛擬示波器橫游標到輸出穩(wěn)態(tài)值×0.632處，得到與輸出曲線的交點，再移動虛擬示波器兩根縱游標，從階躍開始到輸出曲線的交點，量得慣性環(huán)節(jié)模擬電路時間常數(shù)T。觀測并記錄A5B輸出端響應曲線Uo(t）。實驗報告要求：按下表改變圖3-1-4所示的被測系統(tǒng)時間常數(shù)及比例

16、系數(shù)，觀測結(jié)果，填入實驗報告。R0R1C輸入Ui比例系數(shù)K慣性常數(shù)T計算值測量值計算值測量值200K200K1u4V10.22u10.450K100K1u2V20.1200K1V40.23)觀察積分環(huán)節(jié)的階躍響應曲線 典型積分環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-5所示。圖3-1-5 典型積分環(huán)節(jié)模擬電路傳遞函數(shù)： 單位階躍響應： 實驗步驟：注：S ST用短路套短接?。?）為了避免積分飽和，將函數(shù)發(fā)生器（B5）所產(chǎn)生的周期性矩形波信號（OUT），代替信號發(fā)生器（B1）中的人工階躍輸出作為系統(tǒng)的信號輸入（Ui）；該信號為零輸出時，將自動對模擬電路鎖零。 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過波形選擇按鍵選中矩形

17、波（矩形波指示燈亮）。 量程選擇開關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波寬度1秒（D1單元左顯示）。 調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅”電位器使矩形波輸出電壓= 1V（D1單元右顯示）。（2）構(gòu)造模擬電路：按圖3-1-5安置短路套及測孔聯(lián)線，表如下。（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線1信號輸入（Ui）B5（OUT）A5（H1）2示波器聯(lián)接×1檔A5B（OUTB）B3（CH1）3B5（OUT）B3（CH2）模塊號跨接座號1A5S4，S102B5S-ST（3）運行、觀察、記錄： 打開虛擬示波器的界面，點擊開始，等待完整波形出來后，點擊停止，移動虛擬示波器橫游標到0V處，再移動另一根橫游標

18、到V=1V（與輸入相等）處，得到與輸出曲線的交點，再移動虛擬示波器兩根縱游標，從階躍開始到輸出曲線的交點，量得積分環(huán)節(jié)模擬電路時間常數(shù)Ti。觀測并記錄A5B 輸出響應曲線Uo(t)。實驗報告要求：按下表改變圖3-1-5所示的被測系統(tǒng)時間常數(shù)，觀測結(jié)果，填入實驗報告。R0C輸入Ui積分常數(shù)Ti計算值測量值200K1u1V2u100K1u2u4)觀察比例積分環(huán)節(jié)的階躍響應曲線 典型比例積分環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-8所示.。圖3-1-8 典型比例積分環(huán)節(jié)模擬電路傳遞函數(shù)： 單位階躍響應：實驗步驟：注：S ST用短路套短接?。?）將函數(shù)發(fā)生器（B5）所產(chǎn)生的周期性矩形波信號（OUT），作為系統(tǒng)的信號輸

19、入（Ui）；該信號為零輸出時將自動對模擬電路鎖零。 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。量程選擇開關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波寬度1秒（D1單元左顯示）。（注：為了使在積分電容上積分的電荷充分放掉，鎖零時間應足夠大，即矩形波的零輸出寬度時間足夠長！ “量程選擇”開關(guān)置于下檔時，其零輸出寬度恒保持為2秒?。?調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅”電位器使矩形波輸出電壓 = 1V（D1單元右顯示）。（2）構(gòu)造模擬電路：按圖3-1-8安置短路套及測孔聯(lián)線，表如下。（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線模塊號跨接座號1A5S4，S82B5S-ST1信號輸入（

20、Ui）B5（OUT）A5（H1）2示波器聯(lián)接×1檔A5B（OUTB）B3（CH1）3B5（OUT）B3（CH2）（3）運行、觀察、記錄： 打開虛擬示波器的界面，點擊開始，等待完整波形出來后，點擊停止。移動虛擬示波器橫游標到輸入電壓×比例系數(shù)K處，再移動另一根橫游標到（輸入電壓×比例系數(shù)K×2）處，得到與積分曲線的兩個交點。再分別移動示波器兩根縱游標到積分曲線的兩個交點，量得積分環(huán)節(jié)模擬電路時間常數(shù)Ti。觀測并記錄比例積分環(huán)節(jié)模擬電路A5B輸出響應曲線Uo(t)。實驗報告要求：按下表改變圖3-1-8所示的被測系統(tǒng)時間常數(shù)及比例系數(shù)，觀測結(jié)果，填入實驗報告。

21、R0R1C輸入Ui比例系數(shù)K積分常數(shù)Ti計算值測量值計算值測量值200K200K1u1V12u1100K1u22u25)觀察比例微分環(huán)節(jié)的階躍響應曲線為了便于觀察比例微分的階躍響應曲線，本實驗增加了一個小慣性環(huán)節(jié)，其模擬電路如圖3-1-9所示。圖3-1-9 典型比例微分環(huán)節(jié)模擬電路比例微分環(huán)節(jié)+慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)： 微分時間常數(shù)： 慣性時間常數(shù)： 單位階躍響應：實驗步驟：注：S ST用短路套短接!（1）將函數(shù)發(fā)生器（B5）單元的矩形波輸出作為系統(tǒng)輸入R。（連續(xù)的正輸出寬度足夠大的階躍信號) 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 量程選擇開關(guān)S2置下檔，

22、調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波寬度1秒左右（D1單元左顯示）。 調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅”電位器使矩形波輸出電壓 = 0.5V（D1單元右顯示）。（2）構(gòu)造模擬電路：按圖3-1-9安置短路套及測孔聯(lián)線，表如下。（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線模塊號跨接座號1A4S4，S92A6S2，S63B5S-ST1信號輸入(Ui)B5（OUT）A4（H1）2運放級聯(lián)A4（OUT）A6（H1）3示波器聯(lián)接×1檔A6（OUT）B3（CH1）4B5（OUT）B3（CH2）（3）運行、觀察、記錄：虛擬示波器的時間量程選4檔。 打開虛擬示波器的界面，點擊開始，觀測并記錄系統(tǒng)的A6輸出端（Uo）。6)觀

23、察PID（比例積分微分）環(huán)節(jié)的響應曲線PID（比例積分微分）環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-11所示。圖3-1-11 PID（比例積分微分）環(huán)節(jié)模擬電路典型比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)： 慣性時間常數(shù)： 單位階躍響應： 實驗步驟：注：S ST用短路套短接?。?）為了避免積分飽和，將函數(shù)發(fā)生器（B5）所產(chǎn)生的周期性矩形波信號（OUT），代替信號發(fā)生器（B1）中的人工階躍輸出作為系統(tǒng)的信號輸入（Ui）；該信號為零輸出時將自動對模擬電路鎖零。 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 量程選擇開關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波寬度0.4秒左右（D1單元左顯示）。

24、 調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅”電位器使矩形波輸出電壓= 0.3V（D1單元右顯示）。（2）構(gòu)造模擬電路：按圖3-1-11安置短路套及測孔聯(lián)線，表如下。（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線模塊號跨接座號1A2S4，S82B5S-ST1信號輸入（Ui）B5（OUT）A2（H1）2示波器聯(lián)接×1檔A2B（OUTB）B3（CH1）3B5（OUT）B3（CH2）（3）運行、觀察、記錄： 打開虛擬示波器的界面，點擊開始，觀測并記錄A2B輸出端（Uo）。 等待完整波形出來后，點擊停止，移動虛擬示波器兩根橫游標使之V=Kp×輸入電壓，得到與積分的曲線的兩個交點。 再分別移動示波器兩根縱游標到積

25、分的曲線的兩個交點，量得積分環(huán)節(jié)模擬電路時間常數(shù)Ti，見圖3-1-12（a）。示波器的截圖詳見虛擬示波器的使用。 將A2單元的S9短路套套上，點擊開始，觀測并記錄系統(tǒng)的A2B輸出端（Uo）。3.1.2 二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性一實驗目的1. 了解和掌握典型二階系統(tǒng)模擬電路的構(gòu)成方法及型二階閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)標準式。2. 研究型二階閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)-無阻尼振蕩頻率n、阻尼比對過渡過程的影響。3. 掌握欠阻尼型二階閉環(huán)系統(tǒng)在階躍信號輸入時的動態(tài)性能指標Mp、tp、ts的計算。4. 觀察和分析型二階閉環(huán)系統(tǒng)在欠阻尼，臨界阻尼，過阻尼的瞬態(tài)響應曲線，及在階躍信號輸入時的動態(tài)性能指標Mp、tp值，并與

26、理論計算值作比對。二實驗原理及說明圖3-1-13是典型型二階單位反饋閉環(huán)系統(tǒng)。圖3-1-13 典型型二階單位反饋閉環(huán)系統(tǒng)型二階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)： （3-1-1）型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)標準式： （3-1-2）自然頻率（無阻尼振蕩頻率）： 阻尼比： （3-1-3）有二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路如圖3-1-14所示。它由積分環(huán)節(jié)（A2單元）和慣性環(huán)節(jié)（A3單元）的構(gòu)成，其積分時間常數(shù)Ti=R1*C1=1秒，慣性時間常數(shù) T=R2*C2=0.1秒。圖3-1-14 型二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路模擬電路的各環(huán)節(jié)參數(shù)代入式（3-1-1），該電路的開環(huán)傳遞函數(shù)為：模擬電路的開環(huán)傳遞函數(shù)代入式（3-1-2），該電路的閉環(huán)

27、傳遞函數(shù)為：模擬電路的各環(huán)節(jié)參數(shù)代入式（3-1-3），阻尼比和開環(huán)增益K的關(guān)系式為：臨界阻尼響應：=1，K=2.5，R=40k 欠阻尼響應：0<<1 ，設(shè)R=4k， K=25 =0.316 過阻尼響應：>1，設(shè)R=70k，K=1.43=1.32>1 計算欠阻尼二階閉環(huán)系統(tǒng)在階躍信號輸入時的動態(tài)指標Mp、tp、ts：（K=25、=0.316、=15.8）超調(diào)量 ： 峰值時間： 調(diào)節(jié)時間 ：三實驗內(nèi)容及步驟1型二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路見圖3-1-14，改變A3單元中輸入電阻R來調(diào)整系統(tǒng)的開環(huán)增益K，從而改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，觀察阻尼比對該系統(tǒng)的過渡過程的影響。2改變被測系統(tǒng)的各項

28、電路參數(shù)，計算和測量被測對象的臨界阻尼的增益K，填入實驗報告。3改變被測系統(tǒng)的各項電路參數(shù)，計算和測量被測對象的超調(diào)量Mp，峰值時間tp，填入實驗報告，並畫出階躍響應曲線。實驗步驟： 注：S ST用“短路套”短接?。?） 將函數(shù)發(fā)生器（B5）單元的矩形波輸出作為系統(tǒng)輸入R。（連續(xù)的正輸出寬度足夠大的階躍信號) 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 量程選擇開關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波寬度3秒（D1單元左顯示）。 調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅”電位器使矩形波輸出電壓= 3V（D1單元右顯示）。（2）構(gòu)造模擬電路：按圖3-1-14安置短路

29、套及測孔聯(lián)線，表如下。（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線模塊號跨接座號1A1S4，S82A2S2，S11，S123A3S8，S104A6S2，S65B5S-ST1信號輸入r(t)B5（OUT） A1（H1）2運放級聯(lián)A1（OUT）A2（H1）3運放級聯(lián)A2A（OUTA）A3（H1）4負反饋A3（OUT）A1（H2）5運放級聯(lián)A3（OUT）A6（H1）67跨接元件4K、40K、70K元件庫A11中直讀式可變電阻跨接到A3（H1）和（IN）之間8示波器聯(lián)接×1檔A6（OUT）B3（CH1）9B5（OUT）B3（CH2）（3）運行、觀察、記錄： 運行LABACT程序，選擇自動控制菜單下的線性

30、系統(tǒng)的時域分析下的二階典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性實驗項目，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始即可使用本實驗機配套的虛擬示波器（B3）單元的CH1測孔測量波形。也可選用普通示波器觀測實驗結(jié)果。 分別將（A11）中的直讀式可變電阻調(diào)整到4K、40K、70K，等待完整波形出來后，點擊停止，用示波器觀察并記錄在三種增益K下，A6輸出端C(t)的系統(tǒng)階躍響應曲線.。 四實驗報告要求：按下表改變圖3-1-13所示的實驗被測系統(tǒng)，畫出系統(tǒng)模擬電路圖。調(diào)整輸入矩形波寬度3秒，電壓幅度 = 3V。 計算和觀察被測對象的臨界阻尼的增益K，填入實驗報告。積分常數(shù)Ti慣性常數(shù)T增益K計算值10.10.20.30.50.

31、10.2 畫出階躍響應曲線，測量超調(diào)量Mp，峰值時間tp填入實驗報告。（計算值實驗前必須計算出）增益K（A3）慣性常數(shù)T（A3）積分常數(shù)Ti（A2）自然頻率n計算值阻尼比計算值超調(diào)量Mp(%)峰值時間tP計算值測量值計算值測量值250.110.20.3200.10.50.2403.1.3 三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應一實驗目的1. 了解和掌握典型三階系統(tǒng)模擬電路的構(gòu)成方法及型三階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)表達式。2. 了解和掌握求解高階閉環(huán)系統(tǒng)臨界穩(wěn)定增益K的多種方法（勞斯穩(wěn)定判據(jù)法、代數(shù)求解法、MATLAB根軌跡求解法）。3. 觀察和分析型三階系統(tǒng)在階躍信號輸入時，系統(tǒng)的穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定及不穩(wěn)定三種瞬態(tài)響應

32、。4. 了解和掌握利用MATLAB的開環(huán)根軌跡求解系統(tǒng)的性能指標的方法。5. 掌握利用主導極點的概念，使原三階系統(tǒng)近似為標準型二階系統(tǒng)，估算系統(tǒng)的時域特性指標。二實驗原理及說明典型型三階單位反饋閉環(huán)系統(tǒng)見圖3-1-16。圖3-1-16 典型型三階單位反饋閉環(huán)系統(tǒng)型三階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)： （3-1-4）閉環(huán)傳遞函數(shù)（單位反饋）： （3-1-5）型三階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路如圖3-1-17所示。它由積分環(huán)節(jié)（A2單元）、慣性環(huán)節(jié)（A3單元和A5單元）構(gòu)成。其積分時間常數(shù)Ti=R1*C1=1秒，（A3）的慣性時間常數(shù)T1=R3*C2=0.1秒， K1=R3/R2=1，（A5）的慣性時間常數(shù) T2=R4*

33、C3=0.5秒，K=R4/R=500K/R圖3-1-17 型三階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路圖模擬電路的各環(huán)節(jié)參數(shù)代入式（3.1.4），該電路的開環(huán)傳遞函數(shù)為： （3-1-6）模擬電路的開環(huán)傳遞函數(shù)代入式（3.1.5），該電路的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：三實驗內(nèi)容及步驟1觀察和分析型三階系統(tǒng)在階躍信號輸入時，系統(tǒng)的穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定及不穩(wěn)定三種瞬態(tài)響應。型三階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路圖見圖3-1-17，分別將（A11）中的直讀式可變電阻調(diào)整到30K（K=16.7）、41.7K（K=12）、225.2K(K=2.22），跨接到A5單元（H1）和（IN）之間，改變系統(tǒng)開環(huán)增益進行實驗。改變被測系統(tǒng)的各項電路參數(shù)，運用勞斯（Rout

34、h）穩(wěn)定判據(jù)法、MATLAB的開環(huán)根軌跡法、代數(shù)求解法，求解高階閉環(huán)系統(tǒng)臨界穩(wěn)定增益K，填入實驗報告。 運用MATLAB的開環(huán)根軌跡法，求解閉環(huán)系統(tǒng)超調(diào)量Mp為30%的穩(wěn)定增益，填入實驗報告，並畫出其系統(tǒng)模擬電路圖和階躍響應曲線。實驗步驟： 注：S ST用“短路套”短接?。?）將函數(shù)發(fā)生器（B5）單元的矩形波輸出作為系統(tǒng)輸入R。（連續(xù)的正輸出寬度足夠大的階躍信號) 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 量程選擇開關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波寬度6秒（D1單元左顯示）。 調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅”電位器使矩形波輸出電壓= 2.5V（D

35、1單元右顯示）。（2）構(gòu)造模擬電路：按圖3-1-17安置短路套及測孔聯(lián)線，表如下。（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線模塊號跨接座號1A1S4，S82A2S2，S11，S123A3S4，S8，S104A5S7，S105B5S-ST1信號輸入r(t)B5（OUT）A1（H1）2運放級聯(lián)A1（OUT）A2（H1）3運放級聯(lián)A2A（OUTA）A3（H1）4運放級聯(lián)A3（OUT）A5（H1）5負反饋A5B（OUTB）A1（H2）67跨接元件30K、41.7K、225K元件庫A11中直讀式可變電阻跨接到A5（H1）和（IN）之間8示波器聯(lián)接×1檔A5A（OUTA）B3（CH1）9B5（OUT）B3

36、（CH2）（3）運行、觀察、記錄： 運行LABACT程序，選擇自動控制菜單下的線性系統(tǒng)的時域分析下的三階典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性實驗項目，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始即可使用本實驗機配套的虛擬示波器（B3）單元的CH1測孔測量波形（時間量程放在×4檔）。也可選用普通示波器觀測實驗結(jié)果。 分別將（A11）中的直讀式可變電阻調(diào)整到30K、41.7K、225K，等待完整波形出來后，點擊停止，觀測并記錄A5A單元信號輸出端C（t）的系統(tǒng)階躍響應。虛擬示波器的截圖在虛擬示波器界面上第二排圖標工具欄左起第22個（黃色問號的右邊）加上了示波器的截圖按扭，截圖后需要命名保存，默認則保存到C盤A

37、EDK目錄下，格式為BMP圖象文件，可以雙擊直接查看，方便老師學生直接將保存的圖，粘貼到文檔之中。四實驗報告要求： 按下表改變圖3-1-17所示的實驗被測系統(tǒng)（三階單位反饋閉環(huán)系統(tǒng)）的慣性時間常數(shù) T1、T2（分別改變模擬單元A3和A5的反饋電容C2、C3）。（輸入矩形波寬度6秒，電壓幅度 = 2.5V）1計算和觀察被測對象臨界穩(wěn)定的增益K（R值），填入實驗報告。2運用MATLAB的開環(huán)根軌跡法，求解閉環(huán)系統(tǒng)超調(diào)量Mp為30%的穩(wěn)定增益，並畫出其系統(tǒng)模擬電路圖和階躍響應曲線（調(diào)整被測對象的增益K（R值）來改變增益），填入實驗報告。慣性時間常數(shù) T1（A3）慣性時間常數(shù) T2（A5）K臨界穩(wěn)定（

38、等幅振蕩）穩(wěn)定（衰減振蕩）計算值測量值Mp30%0.10.513.2 線性系統(tǒng)的校正與狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)的校正與狀態(tài)反饋就是在被控對象已確定，在給定性能指標的前提下，要求設(shè)計者選擇控制器（校正網(wǎng)絡）的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使控制器和被控對象組成一個性能滿足指標要求的系統(tǒng)。3.2.1 頻域法串聯(lián)超前校正頻域法校正主要是通過對被控對象的開環(huán)對數(shù)幅頻特性和相頻特性（波德圖）觀察和分析實現(xiàn)的。一實驗目的1了解和掌握超前校正的原理。2了解和掌握利用閉環(huán)和開環(huán)的對數(shù)幅頻特性和相頻特性完成超前校正網(wǎng)絡的參數(shù)的計算。3掌握在被控系統(tǒng)中如何串入超前校正網(wǎng)絡，構(gòu)建一個性能滿足指標要求的新系統(tǒng)的方法。 二實驗原理及說明超前校正

39、的原理是利用超前校正網(wǎng)絡的相角超前特性，使中頻段斜率由-40dB/dec變?yōu)?20 dB /dec并占據(jù)較大的頻率范圍，從而使系統(tǒng)相角裕度增大，動態(tài)過程超調(diào)量下降；并使系統(tǒng)開環(huán)截止頻率增大，從而使閉環(huán)系統(tǒng)帶寬也增大，響應速度也加快。超前校正網(wǎng)絡的電路圖及伯德圖見圖3-3-1。 圖3-3-1 超前校正網(wǎng)絡的電路圖及伯德圖超前校正網(wǎng)絡傳遞函數(shù)為： （3-3-1）網(wǎng)絡的參數(shù)為： ， （3-3-2）在設(shè)計超前校正網(wǎng)絡時，應使網(wǎng)絡的最大超前相位角盡可能出現(xiàn)在校正后的系統(tǒng)的幅值穿越頻率c處，即m=c。 網(wǎng)絡的最大超前相位角為： 或為： （3-3-3）處的對數(shù)幅頻值為： （3-3-4）網(wǎng)絡的最大超前角頻率為

40、： （3-3-5）從式（3-3-1）可知，接入超前校正網(wǎng)絡后被校正系統(tǒng)的開環(huán)增益要下降a倍，因此為了保持與系統(tǒng)未校正前的開環(huán)增益相一致，接入超前校正網(wǎng)絡后，必須另行提高系統(tǒng)的開環(huán)增益a倍來補償。三實驗內(nèi)容及步驟 1觀測被控系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性和相頻特性，幅值穿越頻率c，相位裕度，按“校正后系統(tǒng)的相位裕度”要求,設(shè)計校正參數(shù)，構(gòu)建校正后系統(tǒng)。2觀測校正前、后的時域特性曲線，並測量校正后系統(tǒng)的相位裕度、超調(diào)量Mp、峰值時間tP。3改變 “校正后系統(tǒng)的相位裕度”要求,設(shè)計校正參數(shù)，構(gòu)建校正后系統(tǒng)，畫出其系統(tǒng)模擬電路圖和階躍響應曲線，觀測校正后相位裕度、超調(diào)量Mp、峰值時間tP填入實驗報告。注：在進

41、行本實驗前應熟練掌握使用本實驗機的二階系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻特性和相頻特性的測試方法。1未校正系統(tǒng)的時域特性的測試未校正系統(tǒng)模擬電路圖見圖3-3-2。本實驗將函數(shù)發(fā)生器（B5）單元作為信號發(fā)生器， OUT輸出施加于被測系統(tǒng)的輸入端Ui，觀察OUT從0V階躍+2.5V時被測系統(tǒng)的時域特性。圖3-3-2 未校正系統(tǒng)模擬電路圖圖3-3-2未校正系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：實驗步驟： 注：S ST 用“短路套”短接?。?）將函數(shù)發(fā)生器（B5）單元的矩形波輸出作為系統(tǒng)輸入R。（連續(xù)的正輸出寬度足夠大的階躍信號) 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 量程選擇開關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波寬度3秒（D1單元左顯示）。 調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅”電位器使矩形波輸出電壓= 2.5V（D1單元右顯示）。（2）構(gòu)造模擬電路：按圖3-3-2安置短路套及測孔聯(lián)線，表如下。1信號輸入r(t)B5（OUT）A1（H1）2運放級聯(lián)A1（OUT）A2（H1）3運放級聯(lián)A2A（OUTA）A6（H1）4負反饋A6（OUT）