自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書2014

1、自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書東南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)室2013.8目 錄第一章 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概述 - 3第二章 硬件的組成及使用 - 4 第三章 THBDC-1軟件的使用說(shuō)明 - 7第一節(jié) THBDC-1界面介紹 - 7 第二節(jié) THBDC-1軟件的使用說(shuō)明 - 10第四章 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn) - 13實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬 - 13實(shí)驗(yàn)二 二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng) - 18實(shí)驗(yàn)三 閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)研究 - 21實(shí)驗(yàn)四 系統(tǒng)頻率特性的測(cè)試 - 23實(shí)驗(yàn)五 Matlab/Simulink仿真實(shí)驗(yàn) - 25實(shí)驗(yàn)六 串聯(lián)校正研究 - 26實(shí)驗(yàn)七 非線性系統(tǒng)的相平面分析法 - 28實(shí)驗(yàn)八 采樣控制系統(tǒng)的

2、分析 - 33實(shí)驗(yàn)九 控制系統(tǒng)極點(diǎn)的任意配置 - 36實(shí)驗(yàn)十 狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì) - 39實(shí)驗(yàn)十一 控制系統(tǒng)大型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) - 43實(shí)驗(yàn)報(bào)告封面- 44第一章 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概述“THBDC-1改進(jìn)型控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”是天煌公司結(jié)合教學(xué)和實(shí)踐的需要，根據(jù)東南大學(xué)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)室提出的要求，而進(jìn)行精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。適用于高校的自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有實(shí)驗(yàn)功能全、資源豐富、使用靈活、接線可靠、操作快捷、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的硬件部分主要由直流穩(wěn)壓電源、低頻信號(hào)發(fā)生器、階躍信號(hào)發(fā)生器、低頻頻率計(jì)、交/直流數(shù)字電壓表、模擬運(yùn)算放大器、數(shù)據(jù)采集接口

3、單元、步進(jìn)電機(jī)單元、軸流電機(jī)單元、溫度控制單元、力矩電機(jī)系統(tǒng)、通用單元電路、電位器組等單元組成。上位機(jī)軟件則集中了虛擬示波器、信號(hào)發(fā)生器、VBScript腳本編程器、實(shí)驗(yàn)仿真等多種功能于一體。其中虛擬示波器可顯示各種波形，有X-T、X-Y、Bode圖三種顯示方式，并具有圖形和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、打印的功能，而VBScript腳本編程器提供了一個(gè)開放的編程環(huán)境，用戶可在上面編寫各種算法及控制程序，由于使用了研華公司開發(fā)的PCI-1711轉(zhuǎn)接卡，可以十分方便的利用Matlab/Simulink軟件對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過(guò)電路單元模擬控制工程中的各種典型環(huán)節(jié)和控制系統(tǒng)，并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真研究，

4、使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)控制理論及計(jì)算機(jī)控制算法有更深一步的理解，并提高分析與綜合系統(tǒng)的能力。同時(shí)通過(guò)對(duì)本實(shí)驗(yàn)裝置中軸流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、爐溫系統(tǒng)、力矩電機(jī)系統(tǒng)四個(gè)實(shí)際被控對(duì)象的控制，使學(xué)生熟悉各種算法在實(shí)際控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，控制理論既有連續(xù)部分的實(shí)驗(yàn)，又有離散部分實(shí)驗(yàn)；既有經(jīng)典理論實(shí)驗(yàn)，又有現(xiàn)代控制理論實(shí)驗(yàn)；而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)除了常規(guī)的實(shí)驗(yàn)外，還增加了當(dāng)前工業(yè)上應(yīng)用廣泛、效果卓著的模糊控制、神經(jīng)元控制、二次型最優(yōu)控制等實(shí)驗(yàn)。第二章 硬件的組成及使用一、直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源主要用于給實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供電源。有±5V/0.5A、±15V/0.5A及+24V/1.0A五路，每路

5、均有短路保護(hù)自恢復(fù)功能。它們的開關(guān)分別由相關(guān)的鈕子開關(guān)控制，并由相應(yīng)發(fā)光二極管指示。其中+24V主用于溫度控制單元和直流電機(jī)單元。實(shí)驗(yàn)前，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)左側(cè)的空氣開關(guān)和實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的電源總開關(guān)。并根據(jù)需要將±5V、±15V、+24V鈕子開關(guān)拔到“開”的位置。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)2號(hào)連接導(dǎo)線將直流電壓接到需要的位置。二、低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器及鎖零按鈕低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器由單片集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器專用芯片及外圍電路組合而成，主要輸出有正弦信號(hào)、三角波信號(hào)、方波信號(hào)、斜坡信號(hào)和拋物線信號(hào)。輸出頻率分為T1、T2、T3、T4四檔。其中正弦信號(hào)的頻率范圍分別為0.1Hz3.3Hz、2.5Hz86.4Hz

6、、49.8Hz1.7KHz、700Hz10KHz三檔，Vp-p值為16V。使用時(shí)先將信號(hào)發(fā)生器單元的鈕子開關(guān)拔到“開”的位置，并根據(jù)需要選擇合適的波形及頻率的檔位，然后調(diào)節(jié)“頻率調(diào)節(jié)”和“幅度調(diào)節(jié)”微調(diào)電位器，以得到所需要的頻率和幅值，并通過(guò)2號(hào)連接導(dǎo)線將其接到需要的位置。另外本單元還有一個(gè)鎖零按鈕，用于實(shí)驗(yàn)前運(yùn)放單元中電容器的放電。當(dāng)按下按鈕時(shí)，通用單元中的場(chǎng)效應(yīng)管處于短路狀態(tài)，電容器放電，讓電容器兩端的初始電壓為0V；當(dāng)按鈕復(fù)位時(shí)，單元中的場(chǎng)效應(yīng)管處于開路狀態(tài)，此時(shí)可以開始實(shí)驗(yàn)。三、階躍信號(hào)發(fā)生器階躍信號(hào)發(fā)生器主要提供實(shí)驗(yàn)時(shí)的階躍給定信號(hào)，其輸出電壓范圍為-5+5V，正負(fù)檔連續(xù)可調(diào)。使用時(shí)

7、根據(jù)需要可選擇正輸出或負(fù)輸出，具體通過(guò)“階躍信號(hào)發(fā)生器”單元的拔動(dòng)開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)按下自鎖按鈕時(shí)，單元的輸出端輸出一個(gè)可調(diào)(選擇正輸出時(shí)，調(diào)RP1電位器；選擇負(fù)輸出時(shí)，調(diào)RP2電位器)的階躍信號(hào)(當(dāng)輸出電壓為1V時(shí)，即為單位階躍信號(hào))，實(shí)驗(yàn)開始；當(dāng)按鈕復(fù)位時(shí)，單元的輸出端輸出電壓為0V。注：?jiǎn)卧妮敵鲭妷嚎赏ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的直流數(shù)字電壓表來(lái)進(jìn)行測(cè)量。 四、低頻頻率計(jì)低頻頻率計(jì)是由單片機(jī)89C2051和六位共陰極LED數(shù)碼管設(shè)計(jì)而成的，具有輸入阻抗大和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。其測(cè)頻范圍為：0.1Hz10.0KHz。低頻頻率計(jì)主要用來(lái)測(cè)量函數(shù)信號(hào)發(fā)生器或外來(lái)周期信號(hào)的頻率。使用時(shí)先將低頻頻率計(jì)的電源鈕子開關(guān)拔到

8、“開”的位置，然后根據(jù)需要將測(cè)量鈕子開關(guān)拔到“外測(cè)”(此時(shí)通過(guò)“輸入”或“地”輸入端輸入外來(lái)周期信號(hào))或“內(nèi)測(cè)”(此時(shí)測(cè)量低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的頻率)。另外本單元還有一個(gè)復(fù)位按鈕，以對(duì)低頻頻率計(jì)進(jìn)行復(fù)位操作。注：將“內(nèi)測(cè)/外測(cè)”開關(guān)置于“外測(cè)”時(shí)，而輸入接口沒(méi)接被測(cè)信號(hào)時(shí)，頻率計(jì)有時(shí)會(huì)顯示一定數(shù)據(jù)的頻率，這是由于頻率計(jì)的輸入阻抗大，靈敏度高，從而感應(yīng)到一定數(shù)值的頻率。此現(xiàn)象并不影響內(nèi)外測(cè)頻。五、交/直流數(shù)字電壓表交/直流數(shù)字電壓表有三個(gè)量程，分別為200mV、2V、20V。當(dāng)自鎖開關(guān)不按下時(shí)，它作直流電壓表使用，這時(shí)可用于測(cè)量直流電壓；當(dāng)自鎖開關(guān)按下時(shí)，作交流毫伏表使用，它具有頻帶寬（1

9、0Hz400kHz）、精度高（±5）和真有效值測(cè)量的特點(diǎn)，即使測(cè)量窄脈沖信號(hào)，也能測(cè)得其精確的有效值，其適用的波峰因數(shù)范圍可達(dá)到10。六、通用單元電路通用單元電路具體見實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所示“通用單元電路*”單元、“帶調(diào)零端的運(yùn)放單元”“反相器單元”和“無(wú)源元件單元”。這些單元主要由運(yùn)放、電容、電阻、電位器和一些自由布線區(qū)等組成。通過(guò)接線和短路帽的選擇，可以模擬各種受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，主要用于比例、積分、微分、慣性等電路環(huán)節(jié)的構(gòu)造。一般為反向端輸入，其中電阻多為常用阻值51k、100k、200k、510k；電容多在反饋端，容值為0.1uF、1uF、10uF，其中通用單元電路二、三、九反向輸入端

10、有0.1uF電容，通用單元電路八反向輸入端有4.7uF電容，可作帶微分的環(huán)節(jié)。以通用單元為例，現(xiàn)在搭建一個(gè)積分環(huán)節(jié)，比例常數(shù)為1s。我們可以選擇常用元件100k、10uF，T=1k×10uF=1s，其中通用單元電路二是滿足要求的，把對(duì)應(yīng)100k和10uF的插針使用短路帽連接起來(lái)，鎖零按鈕按下去先對(duì)電容放電，然后用二號(hào)導(dǎo)線把正單位階躍信號(hào)輸入到積分單元的輸入端，積分電路的輸出端接入反向器單元，保證輸入、輸出方向的一致性。觀察輸出曲線，其具體電路如下圖所示。七、非線性單元由兩個(gè)含有非線性元件的電路組成，一個(gè)含有雙向穩(wěn)壓管，另一個(gè)含有兩個(gè)單向二極管并且需要外加正負(fù)15伏直流電源，可研究非線

11、性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性和非線性系統(tǒng)。其中10k、47k電位器由電位器組單元提供。例如47k電位器，既可由一號(hào)導(dǎo)線連接也可由二號(hào)導(dǎo)線連接電位器單元組中的可調(diào)電位器兩個(gè)端點(diǎn)。以連接死區(qū)非線性環(huán)節(jié)為例，輸入端與正電源端、輸入端與負(fù)電源端分別為兩個(gè)10k可調(diào)電位器的固定端，分別用導(dǎo)線連接；正電源所連電位器的可調(diào)端與D1相連，另一個(gè)可調(diào)端與D2相連。然后使用低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出10Hz16v的正弦波，用導(dǎo)線連接到非線性環(huán)節(jié)的輸入端。實(shí)驗(yàn)前斷開電位器與電路的連線，用萬(wàn)用表測(cè)量R的阻值，然后再接入電路中。八、零階保持器零階保持器為實(shí)驗(yàn)主面板上U3單元。它采用“采樣-保持器”組件LF398，具有將連續(xù)信號(hào)離散后的

12、零階保持器輸出信號(hào)的功能，其采樣頻率由外接的方波信號(hào)頻率決定。使用時(shí)只要接入外部的方波信號(hào)及輸入信號(hào)即可。九、數(shù)據(jù)采集接口單元數(shù)據(jù)采集卡采用研華產(chǎn)的PCI-1711，它可直接插在IBM-PC/AT 或與之兼容的計(jì)算機(jī)內(nèi)，其采樣頻率為100K；有16路單端A/D模擬量輸入，轉(zhuǎn)換精度均為12位；2路D/A模擬量輸出，轉(zhuǎn)換精度均為12位；16路數(shù)字量輸入，16路數(shù)字量輸出。接口板安裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)PCI插槽上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)轉(zhuǎn)接口與PC上位機(jī)的連接與通訊。數(shù)據(jù)采集卡接口部分包含模擬量輸入輸出(AI/AO)與開關(guān)量輸入輸出(DI/DO)兩部分。其中列出AI有4路，AO有2路，DI/DO各8路。利用計(jì)算機(jī)做虛

13、擬示波器觀察一個(gè)模擬信號(hào)，可以用導(dǎo)線直接連接到接口中 AD端；若使用采集卡中的信號(hào)源，用DA輸出（即實(shí)驗(yàn)中我們通常將信號(hào)輸入到AD1端，軟件內(nèi)部信號(hào)DA1輸出）。十、實(shí)物實(shí)驗(yàn)單元包括溫度控制單元、直流電機(jī)單元、步進(jìn)電機(jī)單元和力矩電機(jī)系統(tǒng)，主要用于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)中，使用方法詳見實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的連接，將一些不太復(fù)雜的被控對(duì)象接人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，方便地進(jìn)行不同對(duì)象的控制實(shí)驗(yàn)。第三章 THBDC-1軟件的使用說(shuō)明第一節(jié) THBDC-1界面介紹 從開始菜單處打開軟件界面"THBDC-1"，打開之后軟件界面如圖1所示示波器窗口參數(shù)與操作區(qū)狀態(tài)區(qū)菜單（圖1）1、數(shù)據(jù)采集

14、從菜單的"系統(tǒng)"下面找到"開始采集"界面如圖3：（圖3）Urb數(shù)據(jù)長(zhǎng)度采集卡每次請(qǐng)求包的長(zhǎng)度（最小64，最大2048，要求必須是64的整數(shù)倍）。（默認(rèn)值是1024）一般不需要設(shè)置，在采用頻率很低時(shí)，該值可以調(diào)低到512，256等合適的值，注意：只有系統(tǒng)停止采集狀態(tài)時(shí)才允許緩存設(shè)置。緩存數(shù)據(jù)長(zhǎng)度每次送入示波器的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（必須大于等于Urb數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，最大819200，要求是偶數(shù)）。緩存數(shù)據(jù)長(zhǎng)度將影響示波器的數(shù)據(jù)刷新快慢，即緩存越長(zhǎng)示波器刷新的越慢，反之亦然。默認(rèn)值是4096，可以適當(dāng)設(shè)置。通道選擇 選擇AD采集的通道（通道1為 采集卡的1通道，通道12為采集

15、卡的1和2通道，此時(shí)雙通道采集，每個(gè)通道的實(shí)際采樣頻率為設(shè)置采樣頻率的一半）。采樣頻率設(shè)置采集卡的采樣頻率（注要：?jiǎn)挝皇荎，即最小為1000Hz，最大可以達(dá)到250KHz）。采集卡的默認(rèn)增益系數(shù)為1。分頻系數(shù)波形在Chart模式時(shí)，可以任意調(diào)節(jié)采樣頻率。該原理是等間隔均勻丟棄數(shù)據(jù)點(diǎn)。也即相當(dāng)于降低了采樣頻率，該功能特點(diǎn)是不需要停止采集，隨著滑動(dòng)按鈕的調(diào)節(jié)，可以馬上看到調(diào)節(jié)結(jié)果。主要用在實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)象信號(hào)頻率很低，而實(shí)驗(yàn)又需要顯示整個(gè)實(shí)驗(yàn)波形過(guò)程，這時(shí)通過(guò)滑動(dòng)按鈕可以調(diào)到合理的波形。（值1對(duì)應(yīng)無(wú)分頻，值20對(duì)應(yīng)每緩存長(zhǎng)度數(shù)據(jù)只顯示1點(diǎn)）。窗口長(zhǎng)度調(diào)節(jié)Chart模式時(shí)的波形歷史數(shù)據(jù)長(zhǎng)度?；鶞?zhǔn)平移可以邏

16、輯設(shè)置幅值的平移增量。雙通道采集時(shí)可以用來(lái)分段顯示波形?；鶞?zhǔn)增益可以邏輯設(shè)置幅值的比例系數(shù)。狀態(tài)欄第一格為系統(tǒng)運(yùn)行狀況信息欄，第二欄為當(dāng)前波形實(shí)時(shí)分析的頻率值（注要：雙通道時(shí)，是指第一通道波形的頻率），第三欄第四欄為十字跟蹤時(shí)，跟蹤線X1與波形相交點(diǎn)的時(shí)基坐標(biāo)值和幅值坐標(biāo)值。第五欄和第六欄為十字跟蹤時(shí)，跟蹤線X2與波形相交點(diǎn)的時(shí)基坐標(biāo)值和幅值坐標(biāo)值。第七欄第八欄為跟蹤線X2與跟蹤線X1的坐標(biāo)值差，第九欄為|X2-X1|坐標(biāo)值差的倒數(shù)。當(dāng)X1X2剛好對(duì)應(yīng)一個(gè)波形時(shí)，該倒數(shù)即為該波形的頻率。開始采集之后，界面如下圖，我們就可以對(duì)示波器進(jìn)行操作：2、幅值自動(dòng)選擇：調(diào)整示波器窗口始終隨著波形的幅值滿屏

17、顯示。取消：取消自動(dòng)調(diào)整，同時(shí)彈出對(duì)話框，設(shè)置最大，最小顯示幅值。3、時(shí)基自動(dòng)選擇：調(diào)整示波器窗口始終隨著波形的時(shí)間滿屏顯示。取消：取消自動(dòng)調(diào)整。暫停顯示選擇：暫停顯示。取消：取消自動(dòng)調(diào)整。4、波形同步選擇：同步顯示波形（注要：只有波形模式在 Plot X，Plot(X1,X2),Plot(X1+X2)三種模式下有效，其它模式不起作用）。取消：取消同步顯示。5、波形模式Chart X 單通道采集時(shí)，連續(xù)左移方式顯示波形；Plot X 單通道采集時(shí)，連續(xù)一屏一屏從左到有刷新顯示波形，此時(shí)波形顯示長(zhǎng)度就是緩存數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；單通道同步顯示必須在此模式下；Chart(X1,X2)雙通道時(shí)，分別顯示。顯示原

18、理同 Chart X ；Plot(X1,X2)雙通道時(shí)，分別顯示。顯示原理同 PlotX ；Chart(X1X2)雙通道時(shí)，兩波形疊加顯示。顯示原理同 Chart X ；Plot(X1X2)雙通道時(shí)，兩波形疊加顯示。顯示原理同 PlotX ；Plot(X1，X2)雙通道時(shí)，X1數(shù)值為時(shí)間軸，X2為幅值軸。顯示原理同 PlotX ；6、波形操作XY軸放大 在此操作模式下，可以任意放大鼠標(biāo)選定的矩形波形窗口到滿屏。X軸放大 在此操作模式下，可以任意放大鼠標(biāo)選定的時(shí)間軸區(qū)域波形到滿屏。Y軸放大 在此操作模式下，可以任意放大鼠標(biāo)選定的幅值軸區(qū)域波形到滿屏。十字跟蹤 在此操作模式下，示波器會(huì)彈出兩跟蹤線

19、。用戶可以用鼠標(biāo)拖動(dòng)跟蹤線到指定的位置，狀態(tài)欄會(huì)實(shí)時(shí)顯示跟蹤線和波形交叉點(diǎn)的坐標(biāo)位置。線型/點(diǎn)型 改變波形的形狀。即線型時(shí)連線顯示，點(diǎn)型時(shí)，點(diǎn)式顯示。7、縮放復(fù)位復(fù)位放大縮小后的波形到原始狀態(tài)。8、基準(zhǔn)復(fù)位復(fù)位控制區(qū)里的水平，基準(zhǔn)按鈕到初始狀態(tài)。9、波形清除 清除波形。10、波形復(fù)制波形拷貝到粘貼板。11、建議正弦波的頻率與采樣頻率如下設(shè)置：正弦波的頻率在0.2Hz到2Hz的時(shí)，采樣頻率為1000Hz；正弦波的頻率在2Hz到50Hz的時(shí)，采樣頻率為5000Hz。第二節(jié) THBDC-1軟件的使用說(shuō)明1、X-t的使用1.1 采用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的通用實(shí)驗(yàn)單元，組建一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，如下圖8所示：（圖8）電路中

20、的參數(shù)?。篟1=100K，R2=100K，Ro=200K，C=1uF；將Ui端連接到階躍信號(hào)輸出端，Uo端連接到數(shù)據(jù)采集口單元的AD1，且階躍信號(hào)的輸出幅值為2V；1.2 從開始菜單處打開軟件界面“THBDC-1”，打開后軟件界面如圖9：（圖9）1.3 將窗口長(zhǎng)度的指針移向大，點(diǎn)擊開始采集按鈕，并按下階躍按鈕，輸出2V的階躍信號(hào)，即可記錄如下圖10所示：（圖10）注意：在X-t視圖下，也可以采用雙通道觀察，具體操作步驟和單通道觀察實(shí)驗(yàn)波形一致。2、X-Y的使用2.1 按照下圖所示，連接實(shí)驗(yàn)電路：將r(t)連接到數(shù)據(jù)采集接口的AD1和低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的正弦波輸出端，c(t)端連接到數(shù)據(jù)采集接口

21、的AD2。2.2 打開THBDC-1軟件，將AD參數(shù)設(shè)置為：通道選擇：通道(1-2)，采樣頻率：50；點(diǎn)擊開始采集按鈕，并選擇菜單中的示波器選項(xiàng)波形模式Chart XY；即可得到如下圖所示：2.3 打開函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的開關(guān)，輸出正弦波，即可得到X-Y圖：第四章 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉THBDC-1型 信號(hào)與系統(tǒng)·控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及上位機(jī)軟件的使用；2. 熟悉各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)特性及其電路模擬；3. 測(cè)量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，并了解參數(shù)變化對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. THBDC-1型 控制理論·計(jì)算機(jī)控

22、制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；2. PC機(jī)一臺(tái)(含上位機(jī)軟件)、數(shù)據(jù)采集卡、37針通信線1根、16芯數(shù)據(jù)排線、采接卡接口線；三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 設(shè)計(jì)并組建各典型環(huán)節(jié)的模擬電路；2. 測(cè)量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)，并研究參數(shù)變化對(duì)其輸出響應(yīng)的影響；四、實(shí)驗(yàn)原理自控系統(tǒng)是由比例、積分、微分、慣性等環(huán)節(jié)按一定的關(guān)系組建而成。熟悉這些典型環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)及其對(duì)階躍輸入的響應(yīng)，將對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析是十分有益的。本實(shí)驗(yàn)中的典型環(huán)節(jié)都是以運(yùn)放為核心元件構(gòu)成，其原理框圖如圖1-1所示。圖中Z1和Z2表示由R、C構(gòu)成的復(fù)數(shù)阻抗。1. 比例（P）環(huán)節(jié) 圖1-1比例環(huán)節(jié)的特點(diǎn)是輸出不失真、不延遲、成比例地復(fù)現(xiàn)輸出信號(hào)的變化。它的傳遞函數(shù)與方

23、框圖分別為：當(dāng)Ui(S)輸入端輸入一個(gè)單位階躍信號(hào)，且比例系數(shù)為K時(shí)的響應(yīng)曲線如圖1-2所示。2. 積分（I）環(huán)節(jié) 圖1-2 積分環(huán)節(jié)的輸出量與其輸入量對(duì)時(shí)間的積分成正比。它的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：設(shè)Ui(S)為一單位階躍信號(hào)，當(dāng)積分系數(shù)為T時(shí)的響應(yīng)曲線如圖1-3所示。圖1-33. 比例積分(PI)環(huán)節(jié)比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為： 其中T=R2C，K=R2/R1設(shè)Ui(S)為一單位階躍信號(hào)，圖1-4示出了比例系數(shù)(K)為1、積分系數(shù)為T時(shí)的PI輸出響應(yīng)曲線。圖1-44. 比例微分(PD)環(huán)節(jié)比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為： 其中設(shè)Ui(S)為一單位階躍信號(hào)，圖1-5示出了比例

24、系數(shù)(K)為2、微分系數(shù)為TD時(shí)PD的輸出響應(yīng)曲線。 圖1-5 .5. 慣性環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：當(dāng)Ui(S)輸入端輸入一個(gè)單位階躍信號(hào)，且放大系數(shù)(K)為1、時(shí)間常數(shù)為T時(shí)響應(yīng)曲線如圖1-7所示。圖1-7五、實(shí)驗(yàn)步驟1. 比例（P）環(huán)節(jié)根據(jù)比例環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建相應(yīng)的模擬電路，如下圖所示。圖中后一個(gè)單元為反相器，其中R0=200K。若比例系數(shù)K=1時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100K，R2=100K。若比例系數(shù)K=2時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100K，R2=200K。當(dāng)ui為一單位階躍信號(hào)時(shí)，用上位軟件觀測(cè)(選擇“通道1-2”，其中通道AD1接電

25、路的輸出uO；通道AD2接電路的輸入ui)并記錄相應(yīng)K值時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線，并與理論值進(jìn)行比較。另外R2還可使用可變電位器，以實(shí)現(xiàn)比例系數(shù)為任意設(shè)定值。2. 積分（I）環(huán)節(jié)根據(jù)積分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建相應(yīng)的模擬電路，如下圖所示。圖中后一個(gè)單元為反相器，其中R0=200K。若積分時(shí)間常數(shù)T=1S時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟=100K，C=10uF(T=RC=100K×10uF=1)；若積分時(shí)間常數(shù)T=0.1S時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟=100K，C=1uF(T=RC=100K×1uF=0.1)；當(dāng)ui為一單位階躍信號(hào)時(shí)，用上位機(jī)軟件觀測(cè)并記錄相應(yīng)T值時(shí)的輸出響應(yīng)

26、曲線，并與理論值進(jìn)行比較。注：當(dāng)實(shí)驗(yàn)電路中有積分環(huán)節(jié)時(shí)，實(shí)驗(yàn)前一定要用鎖零單元進(jìn)行鎖零，實(shí)驗(yàn)時(shí)要退去鎖零。3. 比例積分(PI)環(huán)節(jié)根據(jù)比例積分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建相應(yīng)的模擬電路，如下圖所示。圖中后一個(gè)單元為反相器，其中R0=200K。若取比例系數(shù)K=1、積分時(shí)間常數(shù)T=1S時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K×10uF=1)；若取比例系數(shù)K=1、積分時(shí)間常數(shù)T=0.1S時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K&#

27、215;1uF=0.1S)。通過(guò)改變R2、R1、C的值可改變比例積分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和積分時(shí)間常數(shù)T。當(dāng)ui為一單位階躍信號(hào)時(shí)，用上位軟件觀測(cè)并記錄不同K及T值時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線，并與理論值進(jìn)行比較。4. 比例微分(PD)環(huán)節(jié)根據(jù)比例微分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建其模擬電路，如下圖所示。圖中后一個(gè)單元為反相器，其中R0=200K。若比例系數(shù)K=1、微分時(shí)間常數(shù)T=1S時(shí)，電路中的參數(shù)取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K×10uF=1S)；若比例系數(shù)K=0.5、微分時(shí)間常數(shù)T=1S時(shí)，電路中的參數(shù)取：R1=20

28、0K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=0.5,T=R1C=100K×10uF=1S)；當(dāng)ui為一單位階躍信號(hào)時(shí)，用上位軟件觀測(cè)并記錄不同K及T值時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線，并與理論值進(jìn)行比較。注：本實(shí)驗(yàn)中的10uF電容需從實(shí)驗(yàn)臺(tái)左面板“通用單元電路五”中連接。5. 慣性環(huán)節(jié)根據(jù)慣性環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建其相應(yīng)的模擬電路，如下圖所示。圖中后一個(gè)單元為反相器，其中R0=200K。若比例系數(shù)K=1、時(shí)間常數(shù)T=1S時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K×10uF=1)。若比例系

29、數(shù)K=1、時(shí)間常數(shù)T=2S時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100K，R2=200K，C=10uF(K= R2/ R1=2,T=R2C=200K×10uF=2)。通過(guò)改變R2、R1、C的值可改變慣性環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和時(shí)間常數(shù)T。當(dāng)ui為一單位階躍信號(hào)時(shí)，用上位軟件觀測(cè)并記錄不同K及T值時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線，并與理論值進(jìn)行比較。7. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)存儲(chǔ)的波形及記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 畫出各典型環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)電路圖，并注明參數(shù)。2. 寫出各典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。3. 根據(jù)測(cè)得的典型環(huán)節(jié)單位階躍響應(yīng)曲線，分析參數(shù)變化對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響。七、實(shí)驗(yàn)思考題1. 用運(yùn)放模擬典型環(huán)節(jié)時(shí)，其傳遞函數(shù)是在

30、什么假設(shè)條件下近似導(dǎo)出的？2. 積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差別是什么？在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為積分環(huán)節(jié)？而又在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為比例環(huán)節(jié)？3. 在積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)中，如何根據(jù)單位階躍響應(yīng)曲線的波形，確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)？4. 為什么實(shí)驗(yàn)中實(shí)際曲線與理論曲線有一定誤差？5、為什么PD實(shí)驗(yàn)在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)曲線有小范圍的振蕩？實(shí)驗(yàn)二 二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解參數(shù)(阻尼比)、(阻尼自然頻率)的變化對(duì)二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響；2. 掌握二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試方法。 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、原理1. 二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)用二階常微分方程描述的系統(tǒng)，稱為二階系

31、統(tǒng)，其標(biāo)準(zhǔn)形式的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 (2-1)閉環(huán)特征方程：其解 ，針對(duì)不同的值，特征根會(huì)出現(xiàn)下列三種情況：1）0<<1（欠阻尼），此時(shí)，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)呈振蕩衰減形式，其曲線如圖2-1的(a)所示。它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中，。2）（臨界阻尼）此時(shí)，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)是一條單調(diào)上升的指數(shù)曲線，如圖2-1中的(b)所示。3）（過(guò)阻尼），此時(shí)系統(tǒng)有二個(gè)相異實(shí)根，它的單位階躍響應(yīng)曲線如圖2-1的(c)所示。(a) 欠阻尼(0<<1) (b)臨界阻尼() (c)過(guò)阻尼()圖2-1 二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線雖然當(dāng)=1或>1時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)無(wú)超調(diào)產(chǎn)生，但這種響應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程太緩慢，

32、故控制工程上常采用欠阻尼的二階系統(tǒng)，一般取=0.60.7，此時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程不僅快速，而且超調(diào)量也小。2. 二階系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)典型的二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖和模擬電路圖如2-2、如2-3所示。圖2-2 二階系統(tǒng)的方框圖圖2-3 二階系統(tǒng)的模擬電路圖（電路參考單元為：U7、U9、U11、U6）圖2-3中最后一個(gè)單元為反相器。由圖2-4可得其開環(huán)傳遞函數(shù)為： ，其中：， (，)其閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 與式2-1相比較，可得 ， 三、實(shí)驗(yàn)步驟根據(jù)圖2-3，選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建模擬電路。1. 值一定時(shí)，圖2-3中取C=1uF，R=100K(此時(shí))，Rx為可調(diào)電阻。系統(tǒng)輸入一單位階躍信號(hào)，在下

33、列幾種情況下，用“THBDC-1”軟件觀測(cè)并記錄不同值時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線。1.1取RX=200K時(shí)，=0.25，系統(tǒng)處于欠阻尼狀態(tài)，其超調(diào)量為45%左右；1.2取RX=100K時(shí)，=0.5，系統(tǒng)處于欠阻尼狀態(tài)，其超調(diào)量為16.3%左右；1.3取RX=51K時(shí)，=1，系統(tǒng)處于臨界阻尼狀態(tài)；2. 值一定時(shí)，圖2-3中取R=100K，RX=250K(此時(shí)=0.2)。系統(tǒng)輸入一單位階躍信號(hào)，在下列幾種情況下，用“THBDC-1”示波器觀測(cè)并記錄不同值時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線，注意時(shí)間變化。2.1若取C=10uF時(shí)，記錄階躍響應(yīng)，并測(cè)響應(yīng)時(shí)間和超調(diào)量。窗口長(zhǎng)度最大。 2.2若取C=0.1uF（將U7、U9電路單元改為U1

34、0、U13）時(shí)，記錄階躍響應(yīng)，并測(cè)響應(yīng)時(shí)間和超調(diào)量。30S和0.3S。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 畫出二階系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)電路，并寫出閉環(huán)傳遞函數(shù)，表明電路中的各參數(shù)；2. 根據(jù)測(cè)得系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，分析開環(huán)增益K和時(shí)間常數(shù)T對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能的影響。五、實(shí)驗(yàn)思考題1. 如果階躍輸入信號(hào)的幅值過(guò)大，會(huì)在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生什么后果？2. 在電路模擬系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋和單位負(fù)反饋？3. 為什么本實(shí)驗(yàn)中二階系統(tǒng)對(duì)階躍輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)誤差為零？實(shí)驗(yàn)三閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?）通過(guò)實(shí)例展示，認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成、功能和自動(dòng)控制原理課程主要解決的問(wèn)題。（2）會(huì)正確實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋。（3）通過(guò)開

35、、閉環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明閉環(huán)控制效果。二、實(shí)驗(yàn)原理：（1） 利用各種實(shí)際物理裝置（如電子裝置、機(jī)械裝置、化工裝置等）在數(shù)學(xué)上的“相似性”，將各種實(shí)際物理裝置從感興趣的角度經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化、并抽象成相同的數(shù)學(xué)形式。我們?cè)谠O(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，不必研究每一種實(shí)際裝置，而用幾種“等價(jià)”的數(shù)學(xué)形式來(lái)表達(dá)、研究和設(shè)計(jì)。又由于人本身的自然屬性，人對(duì)數(shù)學(xué)而言，不能直接感受它的自然物理屬性，這給我們分析和設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。所以，我們又用替代、模擬、仿真的形式把數(shù)學(xué)形式再變成“模擬實(shí)物”來(lái)研究。這樣，就可以“秀才不出門，遍知天下事”。實(shí)際上，在后面的課程里，不同專業(yè)的學(xué)生將面對(duì)不同的實(shí)際物理對(duì)象，而“模擬實(shí)物”的實(shí)驗(yàn)方式可以做到舉一

36、反三，我們就是用下列“模擬實(shí)物”電路系統(tǒng)，替代各種實(shí)際物理對(duì)象。（2） 自動(dòng)控制的根本是閉環(huán)，盡管有的系統(tǒng)不能直接感受到它的閉環(huán)形式，如步進(jìn)電機(jī)控制，專家系統(tǒng)等，從大局看，還是閉環(huán)。閉環(huán)控制可以帶來(lái)想象不到的好處，本實(shí)驗(yàn)就是用開環(huán)和閉環(huán)在負(fù)載擾動(dòng)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，說(shuō)明閉環(huán)控制效果。自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，其原因之一就是取決調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和算法的設(shè)計(jì)（本課程主要用串聯(lián)調(diào)節(jié)、狀態(tài)反饋），本實(shí)驗(yàn)為了簡(jiǎn)潔，采用單閉環(huán)、比例調(diào)節(jié)器K。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明：不同的K，對(duì)系性能產(chǎn)生不同的影響，以說(shuō)明正確設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器算法的重要性。（3） 為了使實(shí)驗(yàn)有代表性，本實(shí)驗(yàn)采用三階（高階）系統(tǒng)。這樣，當(dāng)調(diào)節(jié)器K值過(guò)大時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生

37、典型的現(xiàn)象振蕩。本實(shí)驗(yàn)也可以認(rèn)為是一個(gè)真實(shí)的電壓控制系統(tǒng)。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：THBDC-1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)線路圖：五、實(shí)驗(yàn)步驟：（1） 如圖接線，建議使用運(yùn)算放大器U8、U10、U9、U11、U13。先開環(huán)，即比較器接輸出一端的反饋電阻100K接地。將可變電阻47K（必須接可變電阻47K上面兩個(gè)插孔）左旋到底時(shí)，即系統(tǒng)增益Kp=0。再右旋1圈，阻值為4.7K，Kp=2.4。經(jīng)仔細(xì)檢查后接通220伏電源，再打開+15、-15伏電源開關(guān)，彈起紅色按鍵“不鎖零”。（2） 按下“階躍按鍵”鍵，調(diào)“負(fù)輸出”端電位器RP2，使“交/直流數(shù)字電壓表”的電壓為2.00V。如果調(diào)不到，則對(duì)開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行逐級(jí)檢查，找出

38、故障原因，并記錄。（3） 先按表格先調(diào)好可變電阻47K的規(guī)定圈數(shù)，再調(diào)給定電位器RP2，在確?？蛰d輸出為2.00V的前提下，再加上1K的擾動(dòng)負(fù)載。分別右旋調(diào)2圈、4圈、8圈后依次測(cè)試，測(cè)得各數(shù)據(jù)填表。 注意：為了數(shù)據(jù)可比性，加1 K負(fù)載前必須保證電壓是2.00V。穩(wěn)態(tài)誤差測(cè)量值e是比較器的輸出，用數(shù)字表測(cè)得。 （4） 正確判斷并實(shí)現(xiàn)反饋！（課堂提問(wèn)）理解后閉環(huán)，即反饋端電阻100K接系統(tǒng)輸出。（5） 按表格調(diào)可變電阻47K的圈數(shù)，再調(diào)給定電位器RP2，在確保空載輸出為2.00V的前提下，再加上1K的擾動(dòng)負(fù)載，分別右旋調(diào)2圈、4圈、8圈依次測(cè)試，填表要注意在可變電阻為8圈時(shí)數(shù)字表的現(xiàn)象。并用理論

39、證明。（6） 將比例環(huán)節(jié)換成積分調(diào)節(jié)器：將第二運(yùn)放的10K改為100K；47K可變電阻改為10F電容，調(diào)電位器RP2，確?？蛰d輸出為2.00V后再加載，測(cè)輸出電壓值并記錄。開環(huán)空載加1K負(fù)載開環(huán)增益調(diào)4.7K電阻1圈（Kp=2.4）2圈（Kp=4.8）4圈（Kp=9.6）8圈（Kp=19.2）輸出電壓2.00V閉環(huán)加1K負(fù)載開環(huán)增益調(diào)4.7K電阻1圈（Kp=2.4）2圈（Kp=4.8）4圈（Kp=9.6）8圈（Kp=19.2）輸出電壓2.00V穩(wěn)態(tài)誤差測(cè)量值e穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算值E六、報(bào)告要求：（1） 用文字?jǐn)⒄f(shuō)，工程上，正確實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋的方法。（2） 說(shuō)明實(shí)驗(yàn)步驟（1）至（6）的意義。（3） 畫

40、出本實(shí)驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，并指出對(duì)應(yīng)元件。（4） 你認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)最重要的器件是哪個(gè)？作用是什么？（5） 寫出系統(tǒng)傳遞函數(shù)，用勞斯判據(jù)說(shuō)明：閉環(huán)工作時(shí)，4.7K可變電阻為8圈（Kp=19.2）時(shí)，數(shù)字表的現(xiàn)象和原因。（6） 比較表格中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，說(shuō)明開環(huán)與閉環(huán)控制效果。（7） 用教材上穩(wěn)態(tài)誤差理論公式E=R/1+Kp（0型）計(jì)算驗(yàn)證穩(wěn)態(tài)誤差測(cè)量值e。注意：R是改變的輸入電壓，用數(shù)字表測(cè)得。開環(huán)增益Kp在帶了負(fù)載以后，實(shí)際下降了一半。七、預(yù)習(xí)與回答：（1） 在實(shí)際控制系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，如何正確實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋閉環(huán)？（2） 你認(rèn)為表格中加1K載后，開環(huán)的電壓值與閉環(huán)的電壓值，哪個(gè)更接近2V？（3） 預(yù)習(xí)

41、勞斯判據(jù)和穩(wěn)態(tài)誤差。實(shí)驗(yàn)四 系統(tǒng)頻率特性的測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?）明確測(cè)量幅頻和相頻特性曲線的意義（2）掌握幅頻曲線和相頻特性曲線的測(cè)量方法（3）利用幅頻曲線求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)二、實(shí)驗(yàn)原理：在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，首先要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提和難點(diǎn)。建模一般有機(jī)理建模和辨識(shí)建模兩種方法。機(jī)理建模就是根據(jù)系統(tǒng)的物理關(guān)系式，推導(dǎo)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。辨識(shí)建模主要是人工或計(jì)算機(jī)通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。兩種方法在實(shí)際的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常常是互補(bǔ)運(yùn)用的。辨識(shí)建模又有多種方法。本實(shí)驗(yàn)采用開環(huán)頻率特性測(cè)試方法，確定系統(tǒng)傳遞函數(shù)，俗稱頻域法。還有時(shí)域法等。準(zhǔn)確的系統(tǒng)建模是很困難

42、的，要用反復(fù)多次，模型還不一定建準(zhǔn)。模型只取主要部分，而不是全部參數(shù)。另外，利用系統(tǒng)的頻率特性可用來(lái)分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，用Bode圖設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)就是其中一種。幅頻特性就是輸出幅度隨頻率的變化與輸入幅度之比，即，測(cè)幅頻特性時(shí)，改變正弦信號(hào)源的頻率測(cè)出輸入信號(hào)的幅值或峰峰值和輸輸出信號(hào)的幅值或峰峰值測(cè)相頻有兩種方法：（1）雙蹤信號(hào)比較法：將正弦信號(hào)接系統(tǒng)輸入端，同時(shí)用雙蹤示波器的Y1和Y2測(cè)量系統(tǒng)的輸入端和輸出端兩個(gè)正弦波，示波器觸發(fā)正確的話，可看到兩個(gè)不同相位的正弦波，測(cè)出波形的周期T和相位差t，則相位差。這種方法直觀，容易理解。就模擬示波器而言，這種方法用于高頻信號(hào)測(cè)量比較合適。（2）李沙育圖

43、形法：將系統(tǒng)輸入端的正弦信號(hào)接示波器的X軸輸入，將系統(tǒng)輸出端的正弦信號(hào)接示波器的Y軸輸入，兩個(gè)正弦波將合成一個(gè)橢圓。通過(guò)橢圓的切、割比值；橢圓所在的象限；橢圓軌跡的旋轉(zhuǎn)方向三個(gè)要素來(lái)決定相位差。就模擬示波器而言，這種方法用于低頻信號(hào)測(cè)量比較合適。若用數(shù)字示波器或虛擬示波器，建議用雙蹤信號(hào)比較法。利用幅頻和相頻的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以作出系統(tǒng)的波Bode圖和Nyquist圖三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：THBDC-1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Y1 XorY2100K100K200K200K100K100K200K200K0.47F0.1F1F正 弦信號(hào)源虛擬示波器AD1AD2-+-+-+-+THBDC-1虛擬示波器四、實(shí)驗(yàn)線路圖（見上頁(yè)）

44、五、實(shí)驗(yàn)步驟（1）如圖接線，用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的U7、U9、U11、U13單元，信號(hào)源的輸入接“數(shù)據(jù)采集接口”AD1(蘭色波形)，系統(tǒng)輸出接“數(shù)據(jù)采集接口”AD2(紅色波形)。（2）信號(hào)源選“正弦波”，幅度、頻率根據(jù)實(shí)際線路圖自定，要預(yù)習(xí)。（3）點(diǎn)擊屏上THBDC-1示波器圖標(biāo)，直接點(diǎn)擊“確定”，進(jìn)入虛擬示波器界面，點(diǎn)“示波器（E）”菜單，選中“幅值自動(dòng)”和“時(shí)基自動(dòng)”。在“通道選擇”下拉菜單中選“通道（1-2）”，“采樣頻率”調(diào)至“1”。點(diǎn)“開始采集”后，虛擬示波器可看到正弦波，再點(diǎn)“停止采集”，波形將被鎖住，利用示波器“雙十跟蹤”可準(zhǔn)確讀出波形的幅度。改變信號(hào)源的頻率，分別讀出系統(tǒng)輸入和輸出的峰峰

45、值，填入幅頻數(shù)據(jù)表中。f=0.16時(shí)要耐心。（4）測(cè)出雙蹤不同頻率下的t和T填相頻數(shù)據(jù)表，利用公式算出相位差。頻率f(Hz)0.160.320.641.111.592.393.184.786.3711.115.91.02.04.07.010.015.020.030.040.070.0100.02220LgtT六、預(yù)習(xí)與回答：（1） 實(shí)驗(yàn)時(shí)，如何確定正弦信號(hào)的幅值？幅度太大會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題，幅度過(guò)小又會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題？（2） 當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)未知時(shí)，如何確定正弦信號(hào)源的頻率？（3） 先對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)理建模，求出開環(huán)傳遞函數(shù)。七、報(bào)告要求：（1）畫出系統(tǒng)的實(shí)際幅度頻率特性曲線、相位頻率特性曲線，并將實(shí)際幅度

46、頻率特性曲線轉(zhuǎn)換成折線式Bode圖，并利用拐點(diǎn)在Bode圖上求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。（2）用文字簡(jiǎn)潔敘述利用頻率特性曲線求取系統(tǒng)傳遞函數(shù)的步驟方法。（3）利用上表作出Nyquist圖。（4）實(shí)驗(yàn)求出的系統(tǒng)模型和電路理論值有誤差，為什么？如何減小誤差？(5)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)借助Matlab作圖，求系統(tǒng)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)五 Matlab/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 學(xué)習(xí)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的多種表達(dá)方法，并會(huì)用函數(shù)相互轉(zhuǎn)換。2 學(xué)習(xí)模型串并聯(lián)及反饋連接后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。3 掌握系統(tǒng)BODE圖，根軌跡圖及奈奎斯特曲線的繪制方法。并利用其對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。4 掌握系統(tǒng)時(shí)域仿真的方法，并利用其對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。二、預(yù)習(xí)

47、要求：參閱相關(guān)Matlab/Simulink參考書，熟悉能解決題目問(wèn)題的相關(guān)Matlab函數(shù)。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1已知H（s）=，求H（s）的零極點(diǎn)表達(dá)式和狀態(tài)空間表達(dá)式。2已知，。（1） 求兩模型串聯(lián)后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。（2） 求兩模型并聯(lián)后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。（3） 求兩模型在負(fù)反饋連接下的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。3 作出上題中（1）的BODE圖，并求出幅值裕度與相位裕度。4 給定系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為，繪制系統(tǒng)的根軌跡圖與奈奎斯特曲線，并求出系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的增益K的范圍。5 對(duì)內(nèi)容4中的系統(tǒng)，當(dāng)K=10和40時(shí)，分別作出閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，要求用Simulink實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)六 串聯(lián)校正研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?） 熟

48、悉串聯(lián)校正的作用和結(jié)構(gòu)（2） 掌握用Bode圖設(shè)計(jì)校正網(wǎng)絡(luò)（3） 在時(shí)域驗(yàn)證各種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的校正效果二、實(shí)驗(yàn)原理：（1）本校正采用串聯(lián)校正方式，即在原被控對(duì)象串接一個(gè)校正網(wǎng)絡(luò)，使控制系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)。由于控制系統(tǒng)是利用期望值與實(shí)際輸出值的誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)的，所以，常常用“串聯(lián)校正”調(diào)節(jié)方法，串聯(lián)校正在結(jié)構(gòu)上是將調(diào)節(jié)器Gc(S)串接在給定與反饋相比誤差之后的支路上，見下圖。被控對(duì)象H(S)校正網(wǎng)絡(luò)Gc(S)設(shè)定工程上，校正設(shè)計(jì)不局限這種結(jié)構(gòu)形式，有局部反饋、前饋等。若單從穩(wěn)定性考慮，將校正網(wǎng)絡(luò)放置在反饋回路上也很常見。（2）本實(shí)驗(yàn)取三階原系統(tǒng)作為被控對(duì)象，分別加上二個(gè)滯后、一個(gè)超前、一個(gè)超前-滯后四種

49、串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò)，這四個(gè)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)均是利用Bode圖定性設(shè)計(jì)的，用階躍響應(yīng)檢驗(yàn)四種校正效果。由此證明Bode圖和系統(tǒng)性能的關(guān)系，從而使同學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)校正網(wǎng)絡(luò)。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：THBDC-1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)THBDC-1虛擬示波器四、實(shí)驗(yàn)線路：（見后圖）五、實(shí)驗(yàn)步驟：（1）不接校正網(wǎng)絡(luò)，即Gc(S)=1，如總圖。觀察并記錄階躍響應(yīng)曲線，用Bode圖解釋；（2）接人參數(shù)不正確的滯后校正網(wǎng)絡(luò)，如圖4-2。觀察并記錄階躍響應(yīng)曲線，用Bode圖解釋；（3）接人滯后校正網(wǎng)絡(luò)，如圖4-3。觀察并記錄階躍響應(yīng)曲線，用Bode圖解釋；（4）接人超前校正網(wǎng)絡(luò)，如圖4-4。由于純微分會(huì)帶來(lái)較大噪聲，在此校正網(wǎng)絡(luò)前再串接1K電阻，觀察

50、并記錄階躍響應(yīng)曲線，用Bode圖解釋；（5）接人超前-滯后校正網(wǎng)絡(luò)，如圖4-5，此傳遞函數(shù)就是工程上常見的比例-積分-微分校正網(wǎng)絡(luò)，即PID調(diào)節(jié)器。網(wǎng)絡(luò)前也串接1K電阻，觀察并記錄階躍響應(yīng)曲線，用Bode圖解釋；六、預(yù)習(xí)與回答：（1） 寫出原系統(tǒng)和四種校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，并畫出它們的Bode圖，請(qǐng)預(yù)先得出各種校正后的階躍響應(yīng)結(jié)論，從精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間說(shuō)明五種校正網(wǎng)絡(luò)的大致關(guān)系。（2） 若只考慮減少系統(tǒng)的過(guò)渡時(shí)間，你認(rèn)為用超前校正還是用滯后校正好？（3） 請(qǐng)用簡(jiǎn)單的代數(shù)表達(dá)式說(shuō)明用Bode圖設(shè)計(jì)校正網(wǎng)絡(luò)的方法七、報(bào)告要求：（1）畫出各種網(wǎng)絡(luò)對(duì)原系統(tǒng)校正的BODE圖，從BODE圖上先得出校正后

51、的時(shí)域特性，看是否與階躍響應(yīng)曲線一致。（2）為了便于比較，作五條階躍曲線的坐標(biāo)大小要一致。實(shí)驗(yàn)七 非線性系統(tǒng)的相平面分析法一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 進(jìn)一步熟悉非線性系統(tǒng)的電路模擬研究方法；2. 熟悉用相平面法分析非線性系統(tǒng)的特性。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 同實(shí)驗(yàn)一。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 用相平面法分析繼電型非線性系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差；2. 用相平面法分析帶速度負(fù)反饋的繼電型非線性控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差；3. 用相平面法分析飽和型非線性控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。四、實(shí)驗(yàn)原理非線性系統(tǒng)的相平面分析法是狀態(tài)空間分析法在二維空間特殊情況下的應(yīng)用。它是一種不用求解方程，而用圖解法給出x1=e，x2=的相平面圖。由相平面圖就能清晰地知道系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。本實(shí)驗(yàn)主要研究具有繼電型和飽和型非線性特性系統(tǒng)的相軌跡及其所描述相應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。1. 未加速度反饋的繼電器型非線性閉環(huán)系統(tǒng)圖9-1為繼電器型非線性系統(tǒng)的方框圖。圖9-1 繼電型非線性系統(tǒng)方框圖由圖9-1得 () ()式中T為時(shí)間常數(shù)(T=0.5)，K