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1、自 动 控 制 原 理实 验 指 导 书张 翼 成 编茂 名 学 院 自 动 化 系2007年8月目 录概述 1实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真研究.14实验二 典型系统动态性能和稳定性分析.21实验三 典型环节（或系统）的频率特性测量.25实验四 线性系统串联校正.29实验五 典型非线性环节的静态特性35实验六 非线性系统相平面法42实验七 非线性系统描述函数法.48实验八 极点配置全状态反馈控制.53实验九 采样控制系统动态性能和稳定分析的混合仿真研究.59实验十 采样控制系统串联校正的混合仿真研究64概 述一、实验系统功能特点 1系统可以按教学需要组合，满足“自动控制原理”课程初级与
2、高级实验的需要。只配备ACT-I实验箱，则实验时另需配备示波器，且只能完成部分基本实验。要完成与软件仿真、混合仿真有关的实验，则必须配备上位机（包含相应软件）及并口通讯线。2ACT-I实验箱内含有实验必要的电源、信号发生器以及非线性与高阶电模拟单元，可根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节或系统。此外，ACT-I实验箱内还可含有数据处理单元，用于数据采集、输出以及和上位机的通讯。3配备PC微机作操作台时，将高效率支持“自动控制原理”的教学实验。系统提供界面友好、功能丰富的上位机软件。PC微机在实验中，除了满足软件仿真需要外，又可成为测试所需的虚拟示波器、测试信号发生器以及具有很强柔性的
3、数字控制器。4 系统的硬件、软件设计，充分考虑了开放型、研究型实验的需要。除了指导书所提供的10个实验外，还可自行设计实验。5增加选件（如MCL13或 MCL14）后，可构成综合性很强的以感应电机或直流方波无刷电机为具体控制对象的研究型高级实验系统。二、系统构成实验系统由上位PC微机（含实验系统上位机软件）、ACT-I实验箱、并行通讯线等组成。ACT-I实验箱内装有以ADmC812芯片（含数据处理系统软件）为核心构成的数据处理卡，通过并口与PC微机连接。1实验箱ACT-I简介ACT-I控制理论实验箱主要由电源部分U1单元、信号源部分U2单元、与PC机进行通讯的数据处理U3单元、 元器件单元U4
4、、非线性单元U5U7以及模拟电路单元U8U16等共16个单元组成，详见附图。(1) 电源单元U1包括电源开关、保险丝、5V、5V、15V、15V、0V以及1.3V15V可调电压的输出，它们提供了实验箱所需的所有工作电源。(2) 信号源单元U2 可以产生频率与幅值可调的周期方波信号、周期斜坡信号、周期抛物线信号以及正弦信号，并提供与周期阶跃、斜坡、抛物线信号相配合的周期锁零信号。该单元面板上配置的拨键S1和S2用于周期阶跃、斜坡、抛物线信号的频率段选择，可有以下4种状态：S1和S2均下拨输出信号周期的调节范围为260ms；S1上拨、S2下拨输出信号周期的调节范围为0.26s；S1下拨、S2上拨输
5、出信号周期的调节范围为20600ms；S1和S2均上拨输出信号周期的调节范围为0.167s；另有电位器RP1用于以上频率微调。电位器RP2、RP3和RP4依次分别用于周期阶跃、斜坡与抛物线信号的幅值调节。在上述S1和S2的4种状态下，阶跃信号的幅值调节范围均为014V；除第三种状态外，其余3种状态的斜坡信号和抛物线信号的幅值调节范围均为015V；在第三种状态时，斜坡信号的幅值调节范围为010V，抛物线信号的幅值调节范围为02.5V。信号单元面板上的拨键S3用于正弦信号的频率段的选择：当S3上拨时输出频率范围为140Hz14KHz；当S3下拨时输出频率范围为2160Hz。电位器RP5和RP6分别
6、用于正弦信号的频率微调和幅值调节，其幅值调节范围为0-14V。(3) 数据处理单元U3内含以ADmC812为核心组成的数据处理卡（含软件），通过并行口与上位PC进行通讯。内部包含6路A/D采集输入通道（I1I6）和两路D/A输出通道（O1和O2），以及与该两路D/A输出通道同步的运算放大器锁零用信号（G1和G2）。与上位机一起使用时，可同时使用其中两个输入和两个输出通道。结合上位机及其软件，用以实现虚拟示波器、测试信号发生器以及数字控制器功能。(4) 元器件单元U4单元提供了实验所需的电容、电阻与电位器，另提供插接电路供放置自己选定大小的元器件。(5) 非线性环节单元U5、U6和U7U5，U6
7、，U7分别用于构成不同的典型非线性环节。单元U5可通过拨键S4选择具有死区特性或间隙特性的非线性环节模拟电路。单元U6为具有继电特性的非线性环节模拟电路。单元U7为具有饱和特性的非线性环节模拟电路。(6) 模拟电路单元U8U16U8U16为由运算放大器与电阻，电容等器件组成的模拟电路单元。其中U8为倒相电路，实验时通常用作反号器。U9U16的每个单元内，都有用场效应管组成的锁零电路和运放调零电位器。2系统上位机软件要完成软件仿真与采样系统的实验，必须配备上位机，并安装ACT-I自动控制理论实验上位机软件。该软件借助于控制箱内“数据处理单元U3”的配合，具有虚拟示波器、测试信号发生器以及数字控制
8、器的功能。三、实验注意事项1实验前U9U16单元内的运放需要调零。2运算放大器边上的锁零点G接线要正确。不需要锁零时（运放构成环节中不含电容或输入信号为正弦波时），必须把G与-15V相连；在需要锁零时，必须与其输入信号同步的锁零信号相连。如在采用PC产生的经D/A通道输出的信号O1作为该环节或系统的输入时，运放的锁零信号G应连U3单元的G1（对应O1）；类似地，如采用PC产生的信号O2作输入，则锁零信号G应连U3单元的G2（对应O2）。锁零主要用于对电容充电后需要放电的场合，所有运放模块的锁零端都已内部相连，一般接一个即可。3在设计和连接被控对象或系统的模拟电路时，要特别注意，实验箱上的运放都
9、是反相输入的，因此对于整个系统以及反馈的正负引出点是否正确都需要仔细考虑，必要时接入反号器。4作频率特性实验和采样控制实验时，必须注意上位机界面操作时“通道设置”只允许选用采样通道X作为A/D输入。至于该“X通道”具体采用“I1I6”中哪一个通道，决定于控制箱上的实际连线，必须注意硬件连线与软件界面上操作的一致性。类似地，软件界面上操作时，也必须注意“通道设置”与“显示”选择的一致性。此一致性要求对所有使用通道的实验都是一样的，只是其它实验还允许以同样方式使用Y通道。5上位机软件提供线性系统软件仿真功能。在作软件仿真时，无论是一个环节、或是几个环节组成的被控对象、或是闭环系统，在利用上位机界面
10、作实验时，都必须将开环或闭环的传递函数都转化成下面形式，以便填入参数ai, bj其中 ， 。如出现 的情况，软件仿真就会出错，必须设法避免。如实验一，在作理想比例微分（PD）环节的软件仿真实验时就会遇到此问题，因为此时 可见该W(s)分子中s的阶高于分母的，直接填入参数仿真，即出现“非法操作”的提示。具体避免方法请参阅该实验附录。 6受数据处理单元U3的数据处理速率限制，作频率特性实验和采样控制实验时，在上位机界面上操作“实验参数设置”必须注意频率点和采样控制频率的选择。对于频率特性实验，应满足30Rad/sec，以免引起过大误差。类似地，对于采样控制实验，采样控制周期应不小于2 ms。注意，
11、软件仿真与数据处理单元U3无关，故无上述限制。四、上位机软件使用说明4.1 概述ACT-I型控制理论实验上位机程序，是为“ACT-I型自动控制控制理论实验”配套的上位机控制程序。本软件必须与ACT-I型自动控制控制理论实验箱配套使用，实验箱上配备有并行口接口，使用本软件前，计算机必须与实验箱通过并口进行连接，并合上实验箱电源。脱离实验箱，本软件将无法正常使用。 实验主界面如图（4.1.1）所示。在实验主界面可以完成通道选择、联机、数据采集、信号发生、波形显示和处理等多种功能。界面的主体是中间的图像显示框。图 4.1.1 实验主界面42 系统连接显示并控制系统连接状态的控制命令“系统连接”模块，
12、位于主界面左下角。“ 系统连接 / 断开连接 ”按钮，用于与下位机建立通讯。程序启动时，并未与下位机建立连接，按“系统连接”按钮可以建立与下位机的连接。当程序与下位机建立了连接以后，显示变为“断开连接”,同时按钮下的红灯变为绿灯，表示与下位机连接正常。当与下位机通讯完成以后，需要按“断开连接”按钮来结束与下位机的连接，此时绿灯变为红灯。43 通道设置通道设置模块如图4.3.1，通道设置只有在系统连接（详见4.2）之前才能设置。ACT-I型实验箱上配置的采集卡上共有2路波形发生通道（D/A）和6路波形采集通道(A/D)。上位机程序支持两路D/A同时输出和两路A/D同时输入，两路D/A分别为信号发
13、生通道O1和信号发生通道O2，两路A/D分别为采样通道X和采样通道Y。图(4.3.2)为信号发生通道设置，图(4.3.3)为采样通道X和采样通道Y的通道设置，采样通道X或Y的选择必须和ACT-I型实验箱的实际连线一致。实验时，可根据需要选择面板上的信号通道I1I6。当系统连接（详见4.2）时,上位机即发送通道选择信号到下位机，此后不能更改通道参数。如果需要更改通道参数，应先断开连接（详见4.2），然后选择适当的参数，再连接系统，继续实验。图4.3.1通道设置图4.3.2信号发生通道设置图4.3.3采样通道设置44 显示模式显示模式模块支持四种显示模式，分别为：1.X-t 模式：横坐标为时间轴，
14、纵坐标为通道数据值。选择X-t显示模式，显示模块显示如图（4.4.1）所示显示界面，横坐标时间轴的量程设置（详见4.5），纵坐标幅值范围为-5V5V。X-t 模式可以用于显示系统的测试信号、暂态或稳态的时域响应等。2.X-Y模式：横坐标为采样通道X值，纵坐标为采样通道Y值。选择X-Y显示模式，显示模块显示如图（4.4.3）所示显示界面。横、纵坐标幅值范围为-5V5V，X-Y模式主要用于显示相轨迹与李沙育图形等。用于相平面轨迹显示时，横轴为系统偏差，纵轴为该偏差的微分。3.Bode模式：横坐标为频率，用对数表示。选择Bode显示模式，显示模块如图（4.4.2）所示显示界面。界面的上半部分为对数幅
15、频特性，其纵坐标为幅值的分贝数；下半部分为对数相频特性，此时纵坐标为相角的度数。Bode模式用于系统的频域特性测量中的对数幅频与相频特性（即波特图）显示。图4.4.2 Bode图4.4.4 Polar图4.4.3 X-Y图4.4.1 X-t4.Polar模式：选择Polar显示模式，显示模块显示如图（4.4.4）所示显示界面。Polar模式可用于系统幅相特性显示等。在用于系统幅相特性显示时，横轴为实部，纵轴为虚部。45量程设置量程设置模块位于主界面左侧显示模式的下方，本设置模块只有在显示模式为X-t和X-Y时有效，有四个量程值：1.100 ms/div,一屏为10格，画满一屏的时间为1 S。2
16、.200 ms/div,画满一屏的时间为2 S。3.400 ms/div,画满一屏的时间为4 S。4.1000 ms/div,画满一屏的时间为10 S。46实验类别实验类别选择模块位于主界面右上角，模块支持四种实验类别：1.时域实验：需测取系统的暂态或稳态时域响应的实验。2.频域实验：需测取系统的频率特性的实验。3.采样控制实验：需要有数字控制器功能的实验，如有关采样控制系统的实验。4.软件仿真实验：通过全数字仿真（即软件仿真）得到实验结果。 通过选择不同的实验类别，并设置不同的参数（详见4.9），可以完成不同类型的实验。47 实验参数设置实验参数设置模块在实验类别选择模块下方,按 实验参数设
17、置 按钮，将得到四种不同的对话框。1.系统测试信号设置：时域实验时，按 实验参数设置 按钮，可得到如图（4.7.1）所示对话框，用于按实验需要选择测试信号的类型和参数。这里测试信号由信号发生器输出，加于被测控制系统或环节的输入端。 图4.7.1 测试信号参数设置(1)测试信号类别：a.0/外接：不使用通过计算机产生的信号，采用实验箱上信号发生器产生的信号。b.正弦波：使用通过计算机产生正弦波信号。c.周期阶跃信号：使用通过计算机产生周期阶跃信号。d.周期斜坡信号：使用通过计算机产生的周期斜坡信号。e.周期抛物线信号：使用通过计算机产生的周期抛物线信号。(2)输入波形幅值：0 V 5 V。默认设
18、置为2.0V。(3)输入波形占空比：0100，此项设置除正弦波外对其他周期信号均有效，默认设置为100。(4)输入信号周期：10ms 5000ms ,默认1000ms。(5)输入持续时间：信号发生持续时间，范围010S。图4.7.1 系统测试信号测试 (6)连续：选择连续按钮后，输入持续时间将失效，信号将连续输出。(7)零电位偏移：允许设置5到5的零位偏移。2.采样控制参数设置：采样控制实验参数设置分为两部分。如图（4.7.2）所示。图4.7.2 采样控制参数设置(1)测试信号设定：按 设置 按钮将得到如图（4.7.1）所示对话框，详细设置参见上面介绍。(2)采样控制系统研究：采样控制系统的参
19、数设置包括:(a)采样控制系统采样周期设置，最小值2ms.(b)采样控制系统混合仿真实验（详见控制理论指导书实验九）中比例控制器Kp的设置。(c)采样控制系统串联校正的混合仿真实验（详见控制理论指导书实验十）的校正环节Gc(s)的参数设置。3.频域特性测试参数设置：见图（4.7.3），用于设置频域特性测试的频率点，单位为：Rad/Sec。可以添加、删除频率点，频率点范围为0.1100rad/s。图4.7.3频域参数设置4.软件仿真实验参数设置：如图（4.7.4），分为三个模块。（1） 软件仿真输入信号设定，具体参数范围如下：(a) 输入波形类别：图 4.7.4 仿真参数设置正弦波信号；周期阶跃
20、信号；周期斜坡信号；周期抛物线信号(b)输入波形幅值：0 V5 V。默认设置为2.0V。(c)输入波形占空比：0100，此设置对正弦波信号外，其他周期信号均有效，其默认值为100。(d)输入信号周期：10ms 5000ms ,默认1000ms。(e)输入持续时间：信号发生持续时间，范围010S。(f)同步：按 同步 按钮将使软件仿真的输入信号设定与实际的输入信号设置（详见3.7时域参数设置一节）一致。(2)传递函数设置：设置系统的传递函数。将要作软件仿真对象（环节或闭环系统）的传递函数G(s)参数化为 其中如被测环节的传递函数为：，只需在G(S)的分子上填入“1”,在分母上填入“0.2,1”，
21、就已经表达了G(S)。(3)仿真类别设置：可以设置仿真类别为时域仿真或频域仿真。48 信号显示图4.8.1 信号显示信号显示模块如图（3.8.1）所示，位于主界面右侧中间位置,有四个小模块，系统输入信号显示模块、软件仿真显示模块、采样通道X显示模块和采样通道Y显示模块。图4.10.1 并口设置对话框以采样通道显示模块为例， 显示 触发按钮表示是否显示该曲线，图（3.8.1）中， 显示 按钮被按下，表示显示采样通道X曲线。当 显示 按钮弹起时，表示不显示该曲线。程序同时可以显示四条曲线。该框中间数字的颜色与图像显示框内显示的曲线颜色一致，而其数值则用于显示鼠标指向的曲线某点的纵坐标实际数值（见4
22、.13说明）。下方的缩放框用于曲线的纵坐标值的缩放比例调节，可以调整曲线在图像显示框中的大小，调节范围为03.0。49 并口设置并口设置模块如图(3.12.1)所示，此功能仅在调试版本可用。410实验操作实验启动模块位于主界面右下侧,在选择了实验类别和进行了相应实验参数设置后，可以启动实验，按 实验启动 启动实验，模块显示实验进度条。当实验信号预定的信号持续时间结束时，实验自动结束。如果设信号持续时间为连续，则需要按 实验停止 来中止实验。411 文件操作文件操作包括三部分：1.打开数据文件：打开以前保存的后缀名为dtc文件。程序弹出标准文件打开对话框，选择打开文件，按 确定 完成，按 取消
23、放弃操作。如果在文件打开过程中，选择错误格式文件或者文件损坏，将在状态框（详见4.14,图4.14.1）报错。2.保存数据文件：:数据将被保存在后缀名为dtc文件中。程序弹出标准文件保存对话框，选择保存文件，按 确定 完成，按 取消 放弃操作。如果在文件保存过程中，出现错误，将在状态框（详见4.14,图4.14.1）报错。3.保存位图文件：将显示区域内的图象保存成位图文件,后缀名为bmp。程序弹出标准文件保存对话框，选择保存文件，按 确定 完成，按 取消 放弃操作。如果在文件保存过程中，出现错误，将在状态框（详见4.14,图4.14.1）报错。412 显示设置显示设置用于设置显示曲线的各类属性
24、。通过点击该按钮进入对话框，如图(4.12.1)所示，程序同时可以显示四条曲线。可以在显示设置对话框内设置四个曲线的颜色、线形、是否在显示区域内显示和设置背景色，在“显示”前面打钩表示显示该曲线；按“颜色”后面的“”按钮可以进入颜色选择对话框，如图（4.12.2）所示，可以选择适当的颜色，按“线形”后面的下拉框可以选择该曲线的线形，有“实线”、“划线”和“点线”三种选择。在设置完成之后，如按“确定”则更改设置并退出对话框；如按“取消”则放弃修改并退出对话框。图4.12.1 显示设置图4.12.2 显示设置413 图像显示图像显示模块位于程序界面中间位置。下面介绍其中的功能。1.红线数值显示当曲
25、线显示以后，用鼠标在显示区域点击，可以出现如图（4.13.2）所示的一条红线，当红线在显示区域内移动时，在相应的数值显示区域（详见4.8,图4.8.1）将显示这个波形的在这个位置点上的数值。移动鼠标，红线跟着移动，数值也相应变化，在图像显示框内单击鼠标右键将取消移动红线。仅当显示模式（详见4.4）为X-t模式时有效。图4.13.2 红线数值显示2.网格显示网格按钮如图（4.13.3）所示，位于图像显示左上角，按钮被按下时，表示显示网格，如图（4.13.4）所示；当按钮弹起时，表示不显示网格，如图（4.13.5）所示。仅当显示模式（详见4.4）为X-t模式时有效。图4.13.3 网格按钮图4.1
26、3.4 网格显示图4.13.5 无网格显示3.曲线移动（显示坐标移动）曲线移动位于图像显示模块的左侧和上方，左侧的移动条的移动使曲线上下移动（横坐标上下移动），上方的移动条的移动使曲线左右移动（纵坐标左右移动）。如图（4.13.6）是系统默认的曲线位置，图（4.13.7）是曲线移动后的图形。注意图（4.13.7）中的移动条中指向条的位置已经被移动了。注意，该功能仅在显示模式（详见4.4）为X-t模式时有效。图4.13.7 曲线移动后显示图4.13.6 曲线移动默认显示414 动态状态框动态状态框如图(4.14.1)所示，位于主界面的下方，显示用户操作的信息，用户的动作，系统动态参数的汇报，错误
27、报告。图4.14.1 程序状态栏415 频域特性实验结果显示在做频域特性实验时，在软件将实验命令完成后，自动跳出频域特性实验结果显示模块，如图（4.15.1）所示，直接显示实验得到的各个数值，便于学生做后期处理。图4.15.1 频域特性实验结果显示实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真研究一、实验目的1通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。2通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。二、实验内容1设计各种典型环节的模拟电路。2完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。3利用上位机界面上的软件仿真功能，完成各典型环
28、节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟测试的结果作比较。三、实验步骤1熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录设计并连接各种典型环节（包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。注意实验前必须先将实验箱断电，再接线。接线时要注意不同环节、不同测试信号对运放锁零的要求。在输入阶跃信号时，除比例环节运放可不锁零（G可接-15V）也可锁零外，其余环节都需要考虑运放锁零。2利用实验设备完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。为了利用上位机提供的
29、虚拟示波器与信号发生器功能，接线方式将不同于上述无上位机情况。仍以比例环节为例，此时将Ui连到实验箱 U3单元的O1（D/A通道的输出端），将Uo连到实验箱 U3单元的I1（A/D通道的输入端），将运放的锁零G连到实验箱 U3单元的G1（与O1同步），并连好U3单元至上位机的并口通信线。接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。界面上的操作步骤如下：按通道接线情况完成“通道设置”:在界面左下方“通道设置”框内，“信号发生通道”选择“通道O1”，“采样通道X”选择“通道I1”，“采样通道Y”选择“不采集”。进行“系统连接”（见界面左下角），如连接正常即可按动态状态框内的
30、提示（在界面正下方）“进入实验模式”；如连接失败，检查并口连线和实验箱电源后再连接，如再失败则请求指导教师帮助。进入实验模式后，先对显示进行设置：选择“显示模式”（在主界面左上角）为“X-t”；选择“量程”（在“显示模式”下方）为100ms/div；并在界面右方选择“显示”“系统输入信号”和“采样通道X”。完成实验设置，先选择“实验类别”（在主界面右上角）为“时域”，然后点击“实验参数设置”，在弹出的“系统测试信号设置”框内，选择“输入波形类别”为“周期阶跃信号”，选择“输入波形占空比”为50%，选择“输入波形周期”为“1000ms”，选择“输入持续时间”为“1000ms”，选择波形不“连续”
31、, 选择“输入波形幅值”为“1V”，将零位偏移设为“0”。以上除必须选择“周期阶跃信号”外，其余的选择都不是唯一的。要特别注意，除单个比例环节外，对其它环节和系统都必须考虑环节或系统的时间常数，如仍选择“输入波形占空比”为50%，那么“输入波形周期”至少是环节或系统中最大时间常数的68倍。这样，实验中才能观测到阶跃响应的整个过程。以上设置完成后，按“实验启动”启动实验，动态波形得到显示，直至“持续时间”结束，实验也自动结束，如上述参数设置合理就可以在主界面中间得到环节的“阶跃响应”。利用“红线数值显示”功能（详见软件使用说明书）观测实验结果；改变实验箱上环节参数，重复的操作；如发现实验参数设置
32、不当，看不到“阶跃响应”全过程，可重复、的操作。按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件，操作方法参阅软件使用说明书。3利用上位机完成环节阶跃特性软件仿真的操作，前步骤与2相同，其后操作步骤如下：进入实验模式后，先对显示进行设置：选择“显示模式”（在主界面左上角）为“X-t”；选择“量程”（在“显示模式”下方）为100ms/div；并在界面右方选择“显示”“系统仿真”。在上位机界面右上角“实验类别”中选择“软件仿真”。然后点击“实验参数设置”，在弹出的“仿真设置”框内，先作“系统仿真输入信号设定”，选择“输入波形类别”为“周期阶跃信号”，选择“输入波形幅值”为“1V”，选择“输入波形占空比”为
33、50%，选择“输入波形周期”为“1000ms”，选择“输入持续时间”为“1000ms”, 选择波形不“连续”。以上除必须选择“周期阶跃信号”外，其余的选择都不是唯一的。要特别注意，除单个比例环节外，对其它环节和系统都必须考虑环节和系统的时间常数，如仍选择“输入波形占空比”为50%，那么“输入波形周期”至少是环节或系统中最大时间常数的68倍。在“仿真设置”框内的“传递函数”栏目中填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数。完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。在“仿真设置”框内的“其它设置”栏目中选择“时域仿真”。以上设置完成后，按“实验启动”启动实验，动态波形得到显示
34、，直至“持续时间”结束，实验也自动结束，如设置合理就可以在主界面中间得到环节的“阶跃响应”。利用“红线数值显示”功能观测实验结果；在“仿真设置”框内的“传递函数”栏目中改变原填入的环节传递函数参数，重复的操作；如发现“系统仿真输入信号设定”中的实验参数设置不当，看不到“阶跃响应”全过程，可重复、的操作。按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件，操作方法参阅软件使用说明书。四、实验原理与接线电路1比例(P)环节的传递函数、方块图和模拟电路比例环节的传递函数为：其方块图和模拟电路，分别如图1.1.1、图1.1.2所示，其中，实验参数取R0100k，R1200k， R=10k。图1.1.1图1.1.
35、22积分(I)环节的传递函数、方块图、模拟电路积分环节的传递函数为：其方块图和模拟电路，分别如图1.2.1、图1.2.2所示，于是，实验参数取R0200k，C1uF， R=10k。图1.2.1图1.2.2 3比例积分(PI)环节的传递函数、方块图和模拟电路图1.3.1图1.3.2比例积分环节的传递函数为：其方块图和模拟电路，分别如图1.3.1和图1.3.2所示，于是，实验参数取R0200k，R1200k，C1uF， R=10k。4比例微分(PD)环节的传递函数、方块图和模拟电路图1.4.1图1.4.2比例微分环节的传递函数为： 其方块图和模拟电路分别如图1.4.1、图1.4.2所示。其模拟电路
36、是近似的（即实际PD环节），当时，将近似上述理想PD环节，有，。实验时参数取R010k，R110k，R210k，R3200W，C10uF， R=10k。 实际PD环节的传递函数为： （供软件仿真参考）5惯性环节的传递函数、方块图和模拟电路惯性环节的传递函数为：其方块图、模拟电路，分别如图1.5.1、图1.5.2所示，其中，实验参数取R0200k，R1200k，C1uF， R=10k。图1.5.2图1.5.16比例积分微分(PID)环节的传递函数、方块图和模拟电路比例积分微分环节的传递函数为：其方块图和模拟电路分别如图1.6.1、图1.6.2所示。其模拟电路是近似的（即实际PID环节），当时，将
37、近似上述理想PID环节有，。实验时参数可取R0200k，R1100k，R210k，R31k，C11uF，C210uF， R=10k。实际PID环节的传递函数为：（供软件仿真参考）图1.6.1图1.6.2五、实验结果分析及报告1记录实验得到的各环节的阶跃响应曲线图。2和书本上相应的阶跃响应图比较，分析实验结果是否正确及原因。3写出实验报告。实验二 典型系统动态性能和稳定性分析一、实验目的1学习和掌握动态性能指标的测试方法。2研究典型系统参数对系统动态性能和稳定性的影响。二、实验内容1观测二阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。2观测三阶系统的阶跃响应
38、，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。三、实验步骤1熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录中的图2.1.1和图2.1.2，设计并连接由一个积分环节和一个惯性环节组成的二阶闭环系统的模拟电路（如用U9、U15、U11和U8连成）。接线时要注意对运放锁零的要求。2利用实验设备观测该二阶系统模拟电路的阶跃特性，并测出其超调量和调节时间。3改变该二阶系统模拟电路的参数，观测参数对系统动态性能的影响。4利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录中的图2.2.1和图2.2.2，设计并连接由一个积分环节和两个惯性环节组成的三阶闭环系统的模拟电路（如用U9、U15
39、、U11、U10和U8连成）。5利用实验设备观测该三阶系统模拟电路的阶跃特性，并测出其超调量和调节时间。6改变该三阶系统模拟电路的参数，观测参数对系统稳定性与动态指标的影响。7利用上位机界面提供的软件仿真功能，完成上述两个典型系统的动态性能研究，并与模拟电路的研究结果相比较。四、实验原理与接线电路1 典型二阶系统典型二阶系统的方块结构图如图2.1.1所示：图2.1.1其开环传递函数为，其闭环传递函数为，其中， 。 设计该二阶系统的模拟电路如图2.1.2所示： 图2.1.22 典型三阶系统典型三阶系统的方块结构图如图2.2.1所示,其开环传递函数为，其中，取三阶系统的模拟电路如图2.2.2所示：
40、 图2.2.1图2.2.2该系统开环传递函数为，,Rx的单位为KW。系统特征方程为，根据劳斯判据得到：系统稳定0K12根据K求取Rx。这里的Rx可利用模拟电路单元的220K电位器，改变Rx即可改变K2，从而改变K，得到三种不同情况下的实验结果。五、实验结果分析及报告1记录实验得到曲线,保存为位图文件。2和书本上相应的阶跃响应图比较，分析实验结果是否正确及原因。3写出实验报告。实验三 典型环节（或系统）的频率特性测量一、实验目的1学习和掌握测量典型环节（或系统）频率特性曲线的方法和技能。2学习根据实验所得频率特性曲线求取传递函数的方法。二、实验内容1用实验方法完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。
41、2用实验方法完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。3根据测得的频率特性曲线求取各自的传递函数。4用软件仿真方法求取一阶惯性环节频率特性和典型二阶系统开环频率特性，并与实验所得结果比较。三、实验步骤1熟悉实验箱上的信号源，掌握改变正弦波信号幅值和频率的方法。利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录设计并连接“一阶惯性环节”模拟电路（如用U9+U8连成）或“两个一阶惯性环节串联”的模拟电路（如用U9+U11连成）。2利用实验设备完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能，接线方
42、式将不同于上述无上位机情况。仍以一阶惯性环节为例，此时将Ui连到实验箱 U3单元的O1（D/A通道的输出端），将Uo连到实验箱 U3单元的I1（A/D通道的输入端），并连好U3单元至上位机的并口通信线。接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。界面上的操作步骤如下：按通道接线情况完成“通道设置”:在界面左下方“通道设置”框内，“信号发生通道”选择“通道O1”，“采样通道X”选择“通道I1”，“采样通道Y”选择“不采集”。进行“系统连接”（见界面左下角），如连接正常即可按动态状态框内的提示（在界面正下方）“进入实验模式”；如连接失败，检查并口连线和实验箱电源后再连接，如
43、再失败则请求指导教师帮助。进入实验模式后，先对显示进行设置：选择“显示模式”（在主界面左上角）为“Bode”。完成实验设置，先选择“实验类别”（在主界面右上角）为“频域”，然后点击“实验参数设置”，在弹出的“频率特性测试频率点设置”框内，确定实验要测试的频率点。注意设置必须满足30Rad/sec。以上设置完成后，按“实验启动”启动实验。界面中下方的动态提示框将显示实验测试的进展情况，从开始测试直至结束的过程大约需要2分钟。实验自动结束，提供数据表格和显示对数频率特性（Bode图）。改变显示模式，从“Bode”改为“Polar”,图框内即显示幅相频率特性（Nyquist图）。按实验报告需要，将图
44、形结果保存为位图文件，操作方法参阅软件使用说明书3利用实验设备完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。具体操作方法参阅步骤2。4参考实验原理部分，根据测得的频率特性曲线（或数据）求取各自的传递函数。5用位机软件界面上提供的软件仿真功能，求取一阶惯性环节频率特性和典型二阶系统开环频率特性，并与实验所得结果比较。现以求取一阶惯性环节频率特性为例，说明怎样利用上位机软件完成环节频率特性软件仿真的操作。这里，前步骤与2相同，其后操作步骤如下：在上位机界面右上角“实验类别”中选择“软件仿真”。然后点击“实验参数设置”，在弹出的“仿真设置”框内，在“传递函数”栏目中填入环节的传递函数参数。在“仿真设置”框内的“其它设置”栏目中选择“频域仿真”。