自動控制及計算機(jī)控制(LABVIEW)

1、自動控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書目 錄自動控制概述2自動控制理論部分5實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究5實(shí)驗(yàn)二 典型系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析13實(shí)驗(yàn)三 典型環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）的頻率特性測量17實(shí)驗(yàn)四 線性系統(tǒng)串聯(lián)校正23實(shí)驗(yàn)五 典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性27實(shí)驗(yàn)六 非線性系統(tǒng)相平面法32實(shí)驗(yàn)七 非線性系統(tǒng)描述函數(shù)法38實(shí)驗(yàn)八 極點(diǎn)配置全狀態(tài)反饋控制43實(shí)驗(yàn)九 采樣控制系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析的混合仿真研究49實(shí)驗(yàn)十 采樣控制系統(tǒng)串聯(lián)校正的混合仿真研究53自動控制理論軟件說明57第一章 概 述57第二章 安裝指南及系統(tǒng)要求61第三章 功能使用說明62第四章 使用實(shí)例70計算機(jī)控制技術(shù)部分71實(shí)驗(yàn)一 A/D與

2、D/A 轉(zhuǎn)換73實(shí)驗(yàn)二 數(shù)字濾波77實(shí)驗(yàn)三 D(s)離散化方法的研究79實(shí)驗(yàn)四 數(shù)字PID控制算法的研究82實(shí)驗(yàn)五 串級控制算法的研究85實(shí)驗(yàn)六 解耦控制算法的研究89實(shí)驗(yàn)七 最少拍控制算法的研究93實(shí)驗(yàn)八 具有純滯后系統(tǒng)的大林控制98實(shí)驗(yàn)九 線性離散系統(tǒng)的全狀態(tài)反饋控制99計算機(jī)控制軟件說明108第一章 概 述108第二章 安裝指南及系統(tǒng)要求114第三章 LabVIEW編程及功能介紹115第一部分自動控制概述一實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能特點(diǎn) 1系統(tǒng)可以按教學(xué)需要組合，滿足“自動控制原理”課程初級與高級實(shí)驗(yàn)的需要。只配備ACCT-I實(shí)驗(yàn)箱，則實(shí)驗(yàn)時另需配備示波器，且只能完成部分基本實(shí)驗(yàn)。要完成與軟件仿真、混

3、合仿真有關(guān)的實(shí)驗(yàn)必須配備上位機(jī)（包含相應(yīng)軟件）及USB2.0通訊線。2ACCT-I實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)含有實(shí)驗(yàn)必要的電源、信號發(fā)生器以及非線性與高階電模擬單元，可根據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行靈活組合，構(gòu)成各種典型環(huán)節(jié)與系統(tǒng)。此外，ACCT-I實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)還可含有數(shù)據(jù)處理單元，用于數(shù)據(jù)采集、輸出以及和上位機(jī)的通訊。3配備PC微機(jī)作操作臺時，將高效率支持“自動控制原理”的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)提供界面友好、功能豐富的上位機(jī)軟件。PC微機(jī)在實(shí)驗(yàn)中，除了滿足軟件仿真需要外，又可成為測試所需的虛擬儀器、測試信號發(fā)生器以及具有很強(qiáng)柔性的數(shù)字控制器。4系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計，充分考慮了開放型、研究型實(shí)驗(yàn)的需要。除了指導(dǎo)書所提供的10個實(shí)驗(yàn)外

4、，還可自行設(shè)計實(shí)驗(yàn)。二系統(tǒng)構(gòu)成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由上位PC微機(jī)（含實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上位機(jī)軟件）、ACCT-I實(shí)驗(yàn)箱、USB2.0通訊線等組成。ACCT-I實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)裝有以C8051F060芯片（含數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件）為核心構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理卡，通過USB口與PC微機(jī)連接。1實(shí)驗(yàn)箱ACCT-I簡介ACCT-I控制理論實(shí)驗(yàn)箱主要由電源部分U1單元、與PC機(jī)進(jìn)行通訊的數(shù)據(jù)處理U3單元、 元器件單元U2、非線性單元U5U7以及模擬電路單元U9U16等共14個單元組成，詳見附圖。(1) 電源單元U1包括電源開關(guān)、保險絲、5V、5V、15V、15V、0V以及1.3V15V可調(diào)電壓的輸出，它們提供了實(shí)驗(yàn)箱所需的所有工作電源。(2)

5、信號、數(shù)據(jù)處理單元U3內(nèi)含以C8051F060為核心組成的數(shù)據(jù)處理卡（含軟件），通過USB口與上位PC進(jìn)行通訊。內(nèi)部包含八路A/D采集輸入通道和兩路D/A輸出通道。與上位機(jī)一起使用時，可同時使用其中兩個輸入和兩個輸出通道?？梢援a(chǎn)生頻率與幅值可調(diào)的周期方波信號、周期斜坡信號、周期拋物線信號以及正弦信號，并提供與周期階躍、斜坡、拋物線信號相配合的周期鎖零信號。結(jié)合上位機(jī)軟件，用以實(shí)現(xiàn)虛擬示波器、測試信號發(fā)生器以及數(shù)字控制器功能。(3) 元器件單元U2單元提供了實(shí)驗(yàn)所需的電容、電阻與電位器，另提供插接電路供放置自己選定大小的元器件。(4) 非線性環(huán)節(jié)單元U5、U6和U7U5，U6，U7分別用于構(gòu)成不

6、同的典型非線性環(huán)節(jié)。單元U5可通過撥鍵S4選擇具有死區(qū)特性或間隙特性的非線性環(huán)節(jié)模擬電路。單元U6為具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)模擬電路。單元U7為具有飽和特性的非線性環(huán)節(jié)模擬電路。(5) 模擬電路單元U8U16U8U16為由運(yùn)算放大器與電阻，電容等器件組成的模擬電路單元。其中U8為倒相電路，實(shí)驗(yàn)時通常用作反號器。U9U16的每個單元內(nèi)，都有用場效應(yīng)管組成的鎖零電路（所有鎖零G內(nèi)部是互通的）和運(yùn)放調(diào)零電位器（出廠已調(diào)好，無需調(diào)節(jié)）。2系統(tǒng)上位機(jī)軟件的功能與使用方法，詳見ACCT-I自動控制理論實(shí)驗(yàn)上位機(jī)程序使用說明書。三自動控制理論實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究；2 典型系統(tǒng)

7、動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析；3 典型環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）的頻率特性測量；4 線性系統(tǒng)串聯(lián)校正；5 典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性；6 非線性系統(tǒng)相平面法；7 非線性系統(tǒng)描述函數(shù)法；8 極點(diǎn)配置線性系統(tǒng)全狀態(tài)反饋控制；9 采樣控制系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析的混合仿真研究；10采樣控制系統(tǒng)串聯(lián)校正的混合仿真研究。要完成上列全部實(shí)驗(yàn)，必須配備上位計算機(jī)。四實(shí)驗(yàn)注意事項1實(shí)驗(yàn)前U9U16單元內(nèi)的運(yùn)放需要調(diào)零（出廠前已經(jīng)調(diào)整過）。2運(yùn)算放大器邊上的鎖零點(diǎn)G接線要正確。在需要鎖零時（主要是典型環(huán)節(jié)的信號觀察實(shí)驗(yàn)），可與輸入信號同步的鎖零信號相連。鎖零G與U3單元的鎖零信號G1相連（同步對應(yīng)O1信號），G2與此類似（同步對應(yīng)O

8、2）；一般情況下不需要鎖零信號。不需要鎖零時，請把G與-15V相連。3在設(shè)計和連接被控對象或系統(tǒng)的模擬電路時，要特別注意，實(shí)驗(yàn)箱上的運(yùn)放都是反相輸入的，因此對于整個系統(tǒng)以及反饋的正負(fù)引出點(diǎn)是否正確都需要仔細(xì)考慮，必要時接入反號器。4作頻率特性實(shí)驗(yàn)和采樣控制實(shí)驗(yàn)時，必須注意只用到其中2路A/D輸入和1路D/A輸出,具體采用“I1I8”中哪一個通道，決定于控制箱上的實(shí)際連線和軟件的設(shè)置。5受數(shù)據(jù)處理單元U3的數(shù)據(jù)處理速率限制，作頻率特性實(shí)驗(yàn)和采樣控制實(shí)驗(yàn)時，在上位機(jī)界面上操作“實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置”必須注意頻率點(diǎn)和采樣控制頻率的選擇。對于頻率特性實(shí)驗(yàn)，應(yīng)滿足<200/sec，以免引起過大誤差。類似地

9、，對于采樣控制實(shí)驗(yàn)，采樣控制周期應(yīng)不小于5 ms。6本采集設(shè)備的上位機(jī)軟件，A/D和D/A輸出部分，需要注意的一些事項。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有8路A/D輸入，2路D/A輸出，對于8路A/D輸入將其分為四組，因?yàn)橐话阄覀冇玫絻陕吠瑫r輸出或同時輸入。I1、I2為一組A/D輸入，I3、I4為一組A/D輸入，I5、I6為一組A/D輸入，I7、I8為一組A/D輸入。在這四組A/D輸入中，I1、I3、I5、I7為每組A/D輸入中的第一路，I2、I4、I6、I8為每組A/D輸入中的第二路。在每個實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，我們可以隨意選擇任一組A/D輸入，和任一路D/A輸出。這個在實(shí)驗(yàn)三中，做頻率特性實(shí)驗(yàn)要求比較嚴(yán)格（頻響信號接I

10、1，原信號接I2）。五、計算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)軟件操作注意事項1、打開已經(jīng)準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)項目后，點(diǎn)擊，使系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行裝態(tài)。2、按下“啟動暫?！卑存I程序開始運(yùn)行,再次按下該按鍵程序暫停。按“退出”鍵使系統(tǒng)退出子VI運(yùn)行狀態(tài)。3、測試信號設(shè)置選項框中可以設(shè)置發(fā)出的波形的種類、幅值、頻率、占空比、采樣開關(guān)T、采樣時間。4、按下“退出”按鍵或圖標(biāo)，程序退出運(yùn)行。 5、按下“”圖標(biāo)，程序關(guān)閉。自動控制理論部分實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過實(shí)驗(yàn)熟悉并掌握實(shí)驗(yàn)裝置和上位機(jī)軟件的使用方法。2通過實(shí)驗(yàn)熟悉各種典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及其特性，掌握電路模擬和軟件仿真研究方法。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1設(shè)計各種典型環(huán)節(jié)

11、的模擬電路。2完成各種典型環(huán)節(jié)模擬電路的階躍特性測試，并研究參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)階躍特性的影響。3在MATLAB軟件上，填入各個環(huán)節(jié)的實(shí)際（非理想）傳遞函數(shù)參數(shù)，完成典型環(huán)節(jié)階躍特性的軟件仿真研究，并與電路模擬研究的結(jié)果作比較。三實(shí)驗(yàn)步驟1熟悉實(shí)驗(yàn)箱，利用實(shí)驗(yàn)箱上的模擬電路單元，設(shè)計并連接各種典型環(huán)節(jié)（包括比例、積分、比例積分、比例微分、比例積分微分以及慣性環(huán)節(jié)）的模擬電路。接線時要注意：先斷電，再接線。接線時要注意不同環(huán)節(jié)、不同測試信號對運(yùn)放鎖零的要求。（U3單元的O1接被測對象的輸入、G接G1、U3單元的I1接被測對象的輸出）。2利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成各典型環(huán)節(jié)模擬電路的階躍特性測試，并研究參數(shù)變

12、化對典型環(huán)節(jié)階躍特性的影響。首先必須在熟悉上位機(jī)界面的操作，充分利用上位機(jī)提供的虛擬示波器與信號發(fā)生器功能。為了利用上位機(jī)提供的虛擬示波器與信號發(fā)生器功能。接線完成，經(jīng)檢查無誤，再給實(shí)驗(yàn)箱上電后，啟動上位機(jī)程序，進(jìn)入主界面。軟件界面上的操作步驟如下：按通道接線情況:通過上位機(jī)界面中“通道選擇” 選擇I1、I2路A/D通道作為被測環(huán)節(jié)的檢測端口,選擇D/A通道的O1（“測試信號1”）作為被測對象的信號發(fā)生端口.不同的通道,圖形顯示控件中波形的顏色將不同。硬件接線完畢后,檢查USB口通訊連線和實(shí)驗(yàn)箱電源后，運(yùn)行上位機(jī)軟件程序,如果有問題請求指導(dǎo)教師幫助。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶螅葘︼@示模式進(jìn)行設(shè)置：選擇“

13、X-t模式”；選擇“T/DIV”為1s/1HZ。完成上述實(shí)驗(yàn)設(shè)置，然后設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，在界面的右邊可以設(shè)置系統(tǒng)測試信號參數(shù)，選擇“測試信號”為“周期階躍信號”，選擇“占空比”為50%，選擇“T/DIV”為“1000ms”， 選擇“幅值”為“3V”，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)整幅值，以得到較好的實(shí)驗(yàn)曲線，將“偏移”設(shè)為“0”。以上除必須選擇“周期階躍信號”外，其余的選擇都不是唯一的。要特別注意，除單個比例環(huán)節(jié)外，對其它環(huán)節(jié)和系統(tǒng)都必須考慮環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的時間常數(shù)，如仍選擇“輸入波形占空比”為50%，那么“T/DIV”至少是環(huán)節(jié)或系統(tǒng)中最大時間常數(shù)的68倍。這樣，實(shí)驗(yàn)中才能觀測到階躍響應(yīng)的整個過程。以上設(shè)置完成

14、后，按LabVIEW上位機(jī)軟件中的 “RUN”運(yùn)行圖標(biāo)來運(yùn)行實(shí)驗(yàn)程序，然后點(diǎn)擊右邊的“啟動/停止”按鈕來啟動實(shí)驗(yàn)，動態(tài)波形得到顯示，直至周期響應(yīng)過程結(jié)束，如上述參數(shù)設(shè)置合理就可以在主界面圖形顯示控件中間得到環(huán)節(jié)的“階躍響應(yīng)”。利用LabVIEW軟件中的圖形顯示控件中光標(biāo)“Cursor”功能觀測實(shí)驗(yàn)結(jié)果；改變實(shí)驗(yàn)箱上環(huán)節(jié)參數(shù)，重復(fù)的操作；如發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，看不到“階躍響應(yīng)”全過程，可重復(fù)、的操作。按實(shí)驗(yàn)報告需要，將圖形結(jié)果保存為位圖文件。3分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)報告。四附錄1比例(P)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、方塊圖、模擬電路和階躍響應(yīng)比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：其方塊圖、模擬電路和階躍響應(yīng)，分別如圖1.

15、1.1、圖1.1.2和圖1.1.3所示，于是。 實(shí)驗(yàn)參數(shù)取R0100k，R1200k，R=10k。實(shí)驗(yàn)接線如下圖：2積分(I)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、方塊圖、模擬電路和階躍響應(yīng)積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： 其方塊圖、模擬電路和階躍響應(yīng)，分別如圖1.2.1、圖1.2.2和圖1.2.3所示，于是， 實(shí)驗(yàn)參數(shù)取R0100k，C1uF，R=10k。實(shí)驗(yàn)接線如下圖：3比例積分(PI)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、方塊圖、模擬電路和階躍響應(yīng)比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：其方塊圖、模擬電路和階躍響應(yīng)，分別如圖1.3.1、圖1.3.2和圖1.3.3所示，于是，4比例微分(PD)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、方塊圖、模擬電路和階躍響應(yīng)比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)

16、為： 其方塊圖和模擬電路分別如圖1.4.1、圖1.4.2所示。其模擬電路是近似的（即實(shí)際PD環(huán)節(jié)），取，則有，實(shí)驗(yàn)參數(shù)取R010k，R110k，R210k，R31K，C10uF，R=10k。對應(yīng)理想的和實(shí)際的比例微分(PD)環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)分別如圖1.4.3a、圖1.4.3b所示。實(shí)際PD環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： （供軟件仿真參考）實(shí)驗(yàn)接線如下圖：5慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、方塊圖、模擬電路和階躍響應(yīng)慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： 實(shí)驗(yàn)接線如下圖：其方塊圖、模擬電路和階躍響應(yīng)，分別如圖1.5.1、圖1.5.2和圖1.5.3所示，其中，實(shí)驗(yàn)參數(shù)取R0200k，R1200k，C1uF，R=10k。6比例積分微分(PID

17、)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、方塊圖、模擬電路和階躍響應(yīng)比例積分微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： 其方塊圖和模擬電路分別如圖1.6.1、圖1.6.2所示。其模擬電路是近似的（即實(shí)際PID環(huán)節(jié)），取，將近似上述理想PID環(huán)節(jié)有，實(shí)驗(yàn)參數(shù)取R0200k，R1100k，R210k，R31k，C11uF，C210uF，R=10k。對應(yīng)理想的和實(shí)際的比例積分微分(PID)環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)分別如圖1.6.3 a、圖1.6.3 b所示。實(shí)際PID環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：（供軟件仿真參考）實(shí)驗(yàn)接線如下圖：實(shí)驗(yàn)二 典型系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)和掌握動態(tài)性能指標(biāo)的測試方法。2研究典型系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。二實(shí)驗(yàn)

18、內(nèi)容1觀測二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，測出其超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間，并研究其參數(shù)變化對動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。2觀測三階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，測出其超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間，并研究其參數(shù)變化對動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。三實(shí)驗(yàn)步驟1熟悉實(shí)驗(yàn)箱，利用實(shí)驗(yàn)箱上的模擬電路單元，參考本實(shí)驗(yàn)附錄中的圖2.1.1和圖2.1.2，設(shè)計并連接由一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)組成的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路（如用U9、U15、U11和U8連成）。注意實(shí)驗(yàn)接線前必須對運(yùn)放仔細(xì)調(diào)零（出廠已調(diào)好，無需調(diào)節(jié)）。信號輸出采用U3單元的O1、信號檢測采用U3單元的I1、鎖零接U3單元的G1。2利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備觀測該二階系統(tǒng)模擬電路的階躍特性，并測出其超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間

19、。3改變該二階系統(tǒng)模擬電路的參數(shù)，觀測參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。4利用實(shí)驗(yàn)箱上的模擬電路單元，參考本實(shí)驗(yàn)附錄中的圖2.2.1和圖2.2.2，設(shè)計并連接由一個積分環(huán)節(jié)和兩個慣性環(huán)節(jié)組成的三階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路（如用U9、U15、U11、U10和U8連成）。5利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備觀測該三階系統(tǒng)模擬電路的階躍特性，并測出其超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間。6改變該三階系統(tǒng)模擬電路的參數(shù)，觀測參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性與動態(tài)指標(biāo)的影響。7分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)報告。軟件界面上的操作步驟如下：按通道接線情況:通過上位機(jī)界面中“通道選擇” 選擇I1、I2路A/D通道作為被測環(huán)節(jié)的檢測端口,選擇D/A通道的O1（“測試信號1”）作為被測對象

20、的信號發(fā)生端口.不同的通道,圖形顯示控件中波形的顏色將不同。硬件接線完畢后,檢查USB口通訊連線和實(shí)驗(yàn)箱電源后，運(yùn)行上位機(jī)軟件程序,如果有問題請求指導(dǎo)教師幫助。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶?，先對顯示模式進(jìn)行設(shè)置：選擇“X-t模式”；選擇“T/DIV”為1s/1HZ。完成上述實(shí)驗(yàn)設(shè)置，然后設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，在界面的右邊可以設(shè)置系統(tǒng)測試信號參數(shù)，選擇“測試信號”為“周期階躍信號”，選擇“占空比”為50%，選擇“T/DIV”為“1000ms”， 選擇“幅值”為“3V”，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)整幅值，以得到較好的實(shí)驗(yàn)曲線，將“偏移”設(shè)為“0”。以上除必須選擇“周期階躍信號”外，其余的選擇都不是唯一的。要特別注意，除單個比例

21、環(huán)節(jié)外，對其它環(huán)節(jié)和系統(tǒng)都必須考慮環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的時間常數(shù)，如仍選擇“輸入波形占空比”為50%，那么“T/DIV”至少是環(huán)節(jié)或系統(tǒng)中最大時間常數(shù)的68倍。這樣，實(shí)驗(yàn)中才能觀測到階躍響應(yīng)的整個過程。以上設(shè)置完成后，按LabVIEW上位機(jī)軟件中的 “RUN”運(yùn)行圖標(biāo)來運(yùn)行實(shí)驗(yàn)程序，然后點(diǎn)擊右邊的“啟動/停止”按鈕來啟動實(shí)驗(yàn)，動態(tài)波形得到顯示，直至周期響應(yīng)過程結(jié)束，如上述參數(shù)設(shè)置合理就可以在主界面圖形顯示控件中間得到環(huán)節(jié)的“階躍響應(yīng)”。利用LabVIEW軟件中的圖形顯示控件中光標(biāo)“Cursor”功能觀測實(shí)驗(yàn)結(jié)果；改變實(shí)驗(yàn)箱上環(huán)節(jié)參數(shù)，重復(fù)的操作；如發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，看不到“階躍響應(yīng)”全過程，可重復(fù)、

22、的操作。按實(shí)驗(yàn)報告需要，將圖形結(jié)果保存為位圖文件。3分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)報告。四附錄1典型二階系統(tǒng)典型二階系統(tǒng)的方塊結(jié)構(gòu)圖如圖2.1.1所示：其開環(huán)傳遞函數(shù)為， 其閉環(huán)傳遞函數(shù)為，其中， 取二階系統(tǒng)的模擬電路如圖2.1.2所示，調(diào)節(jié)Rx分析二階系統(tǒng)的三種情況： 該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖2.1.3所示：Rx接分立元器件單元的1M電位器（或200K電位器），改變元件參數(shù)Rx大小，研究不同參數(shù)特征下的時域響應(yīng)。2.1.3a，2.1.3b，2.1.3c分別對應(yīng)二階系統(tǒng)在過阻尼，臨界阻尼，欠阻尼三種情況下的階躍響應(yīng)曲線：2典型三階系統(tǒng)典型三階系統(tǒng)的方塊結(jié)構(gòu)圖如圖2.2.1所示：其開環(huán)傳遞函數(shù)為，其中，取三

23、階系統(tǒng)的模擬電路如圖2.2.2所示：該系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為，,Rx的單位為KW。系統(tǒng)特征方程為，根據(jù)勞斯判據(jù)得到：系統(tǒng)穩(wěn)定0<K<12系統(tǒng)臨界穩(wěn)定K=12系統(tǒng)不穩(wěn)定K>12根據(jù)K求取Rx。這里的Rx可利用模擬電路單元的220K（或1M）電位器，改變Rx即可改變K2，從而改變K，得到三種不同情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖2.2.3 a、2.2.3b 和2.2.3c所示，它們分別對應(yīng)系統(tǒng)處于不穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定和穩(wěn)定的三種情況。實(shí)驗(yàn)三 典型環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）的頻率特性測量一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)和掌握測量典型環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）頻率特性曲線的方法和技能。2學(xué)習(xí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得頻率特性曲線求取傳遞函數(shù)

24、的方法。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1用實(shí)驗(yàn)方法完成一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性曲線測試。2用實(shí)驗(yàn)方法完成典型二階系統(tǒng)開環(huán)頻率特性曲線的測試。3根據(jù)測得的頻率特性曲線求取各自的傳遞函數(shù)。4用軟件仿真方法求取一階慣性環(huán)節(jié)頻率特性和典型二階系統(tǒng)開環(huán)頻率特性，并與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果比較。三實(shí)驗(yàn)步驟1熟悉頻率測試軟件的使用方法，了解實(shí)驗(yàn)的線路的連接。利用實(shí)驗(yàn)箱上的模擬電路單元，參考本實(shí)驗(yàn)附錄設(shè)計并連接“一階慣性環(huán)節(jié)”模擬電路或“兩個一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)”的二階系統(tǒng)模擬電路。2利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性曲線測試。（1）無上位機(jī)時，利用用戶自配的信號源輸出的正弦波信號作為環(huán)節(jié)輸入，即連接信號源的“正弦波”與環(huán)節(jié)的輸入端（例如對

25、一階慣性環(huán)節(jié)即圖1.5.2的Ui）。然后用示波器觀測該環(huán)節(jié)的輸入與輸出（例如對一階慣性環(huán)節(jié)即測試圖1.5.2的Ui和Uo）。注意調(diào)節(jié)正弦波信號的“頻率”電位器RP與“幅值”電位器RP，測取不同頻率時環(huán)節(jié)輸出的增益和相移（測相移可用“李沙育”圖形），從而畫出環(huán)節(jié)的頻率特性。（2）有上位機(jī)時，必須在熟悉上位機(jī)界面操作的基礎(chǔ)上，充分利用上位機(jī)提供的虛擬示波器與信號發(fā)生器功能。一階慣性環(huán)節(jié)接線方式如下：接線完成，經(jīng)檢查無誤，再給實(shí)驗(yàn)箱上電后，啟動上位機(jī)程序，進(jìn)入主界面。軟件界面上的操作步驟如下：1、打開已經(jīng)準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)項目后，點(diǎn)擊，使系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行裝態(tài)。2、程序界面中的參數(shù)安照如下圖所示設(shè)置（下圖一般為

26、默認(rèn)設(shè)置無需修改參數(shù)）：3、測試信號為正弦波，請勿設(shè)置成其他波形，否則會造成程序運(yùn)行的錯誤。選擇D/A輸出通道，如“O1”，將其作為環(huán)節(jié)輸入，接到環(huán)節(jié)輸入Ui端, 將環(huán)節(jié)的輸出端Uo接到A/D輸入通道I1，再將其作為原始測試信號接到A/D輸入的I2（便于觀看虛擬示波器發(fā)出的原始信號）。完成上面的硬件接線后，檢查USB連線和實(shí)驗(yàn)箱電源，然后打開LabVIEW軟件上位機(jī)界面程序。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面后，先對頻率特性的測試信號進(jìn)行設(shè)置：“幅值”為7V（可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形來調(diào)整），“測試信號”為正弦波。完成實(shí)驗(yàn)設(shè)置，先點(diǎn)擊LabVIEW運(yùn)行按鈕“開始”運(yùn)行界面程序。測試程序?qū)牡皖l率計算到高頻，界面右下角

27、有個測試進(jìn)度條，它將顯示測試的進(jìn)度。最后測試出來頻率特性的Bode Plot、Nyquist Plot將在相應(yīng)的圖形控件中顯示出來,在同一界面中我們可以同時看到頻率特性的兩種顯示模式:一種是波特圖“Bode Plot”，它包括幅頻特性和相頻特性；另一種模式就是乃奎斯特圖“Nyquist Plot”，又稱極坐標(biāo)圖。說明：程序運(yùn)行狀態(tài)下對資源的要求很多，請勿做任何操作，包括鼠標(biāo)的移動（否則會造成程序停止響應(yīng)的結(jié)果）。按實(shí)驗(yàn)報告需要，將圖形結(jié)果保存為位圖文件。3利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成典型二階系統(tǒng)開環(huán)頻率特性曲線的測試。具體操作方法參閱一階系統(tǒng)操作步驟。4參考附錄的提示，根據(jù)測得的頻率特性曲線（或數(shù)據(jù)）求取

28、各自的傳遞函數(shù)。6分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)報告。四附錄1實(shí)驗(yàn)用一階慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)參數(shù)、電路設(shè)計及其幅相頻率特性曲線：對于的一階慣性環(huán)節(jié)，其幅相頻率特性曲線是一個半圓，見圖3.1。取代入，得在實(shí)驗(yàn)所得特性曲線上，從半園的直徑，可得到環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)K，K。在特性曲線上取一點(diǎn)，可以確定環(huán)節(jié)的時間常數(shù)T，。實(shí)驗(yàn)用一階慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為，其中參數(shù)為R0=200，R1200，C0.1uF，參數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求可以自行搭配，其模擬電路設(shè)計參閱上圖1.5.2。2實(shí)驗(yàn)用典型二階系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)參數(shù)、電路設(shè)計及其幅相頻率特性曲線：對于由兩個慣性環(huán)節(jié)組成的二階系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為 令上式中 ，可以得到對應(yīng)的頻率特性二

29、階系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的幅相頻率特性曲線，如圖3.2.1所示。根據(jù)上述幅相頻率特性表達(dá)式，有 （31） 其中 故有 （32） （33）如已測得二階環(huán)節(jié)的幅相頻率特性，則、和均可從實(shí)驗(yàn)曲線得到，于是可按式（31）、（32）和（33）計算K、T、，并可根據(jù)計算所得T、 求取T1和T2實(shí)驗(yàn)用典型二階系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:其電路設(shè)計參閱圖3.2.2，軟件操作如一階電路所描述，請勿更改。程序運(yùn)行狀態(tài)下對資源的要求很多，請勿做任何操作，包括鼠標(biāo)的移動（否則會造成程序停止響應(yīng)的結(jié)果）。3對數(shù)幅頻特性和對數(shù)相頻特性上述幅相頻率特性也可表達(dá)為對數(shù)幅頻特性和對數(shù)相頻特性，圖3.3.1和圖3.3.2分別給出上述一階慣性環(huán)

30、節(jié)和二階環(huán)節(jié)的對數(shù)幅頻特性和對數(shù)相頻特性：圖3.3.1圖3.3.2注意：此時橫軸w采用了以10為底的對數(shù)坐標(biāo)，縱軸則分別以分貝和度為單位。實(shí)驗(yàn)四 線性系統(tǒng)串聯(lián)校正一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?熟悉串聯(lián)校正裝置對線性系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)特性的影響。2掌握串聯(lián)校正裝置的設(shè)計方法和參數(shù)調(diào)試技術(shù)。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1觀測未校正系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性。2按動態(tài)特性要求設(shè)計串聯(lián)校正裝置。3觀測加串聯(lián)校正裝置后系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性，并觀測校正裝置參數(shù)改變對系統(tǒng)性能的影響。4對線性系統(tǒng)串聯(lián)校正進(jìn)行計算機(jī)仿真研究，并對電路模擬與數(shù)字仿真結(jié)果進(jìn)行比較研究。三實(shí)驗(yàn)步驟1利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計并連接一未加校正的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，完成該系統(tǒng)的穩(wěn)

31、定性和動態(tài)特性觀測。提示：設(shè)計并連接一未加校正的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，可參閱本實(shí)驗(yàn)附錄的圖4.1.1和圖4.1.2，利用實(shí)驗(yàn)箱上的U9、U11、U15和U8單元連成。通過對該系統(tǒng)階躍響應(yīng)的觀察，來完成對其穩(wěn)定性和動態(tài)特性的研究，如何利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備觀測階躍特性的具體操作方法，可參閱實(shí)驗(yàn)一的實(shí)驗(yàn)步驟2。2參閱本實(shí)驗(yàn)的附錄，按校正目標(biāo)要求設(shè)計串聯(lián)校正裝置傳遞函數(shù)和模擬電路。3利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計并連接一加串聯(lián)校正后的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，完成該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性觀測。提示：設(shè)計并連接一加串聯(lián)校正后的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，可參閱本實(shí)驗(yàn)附錄的圖4.4.4，利用實(shí)驗(yàn)箱上的U9、U14、U11、U15

32、和U8單元連成。通過對該系統(tǒng)階躍響應(yīng)的觀察，來完成對其穩(wěn)定性和動態(tài)特性的研究，如何利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備觀測階躍特性的具體操作方法，可參閱“實(shí)驗(yàn)一”的實(shí)驗(yàn)步驟2。4改變串聯(lián)校正裝置的參數(shù)，對加校正后的二階閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，使其性能指標(biāo)滿足預(yù)定要求。提示：5分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)報告。四附錄1方塊圖和模擬電路實(shí)驗(yàn)用未加校正二階閉環(huán)系統(tǒng)的方塊圖和模擬電路，分別如圖4.1.1和圖4.1.2所示：其開環(huán)傳遞函數(shù)為：其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：式中 ，故未加校正時系統(tǒng)超調(diào)量為 ，調(diào)節(jié)時間為 s，靜態(tài)速度誤差系數(shù)KV等于該I型系統(tǒng)的開環(huán)增益 1/s，2串聯(lián)校正的目標(biāo)要求加串聯(lián)校正裝置后系統(tǒng)滿足以下性能指標(biāo)：（1）超調(diào)量（2）

33、調(diào)節(jié)時間（過渡過程時間）s（3）校正后系統(tǒng)開環(huán)增益（靜態(tài)速度誤差系數(shù)） 1/s3串聯(lián)校正裝置的時域設(shè)計從對超調(diào)量要求可以得到 % ，于是有 。由 s 可以得到 。因?yàn)橐?1/s，故令校正后開環(huán)傳遞函數(shù)仍包含一個積分環(huán)節(jié)，且放大系數(shù)為25。設(shè)串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)為D(s),則加串聯(lián)校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為采用相消法，令 （其中T為待確定參數(shù)），可以得到加串聯(lián)校正后的開環(huán)傳遞函數(shù) 圖4.4.1這樣，加校正后系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 對校正后二階系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以得到 圖4.4.2綜合考慮校正后的要求，取 T=0.05s ,此時 1/s,，它們都能滿足校正目標(biāo)要求。最后得到校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 從

34、串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)可以設(shè)計其模擬電路。有關(guān)電路設(shè)計與校正效果請參見后面的頻域設(shè)計。4串聯(lián)校正裝置的頻域設(shè)計根據(jù)對校正后系統(tǒng)的要求，可以得到期望的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的對數(shù)頻率特性，見圖4.4.1。根據(jù)未加校正系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，可畫出其相應(yīng)的對數(shù)頻率特性，如圖4.4.2所示。圖4.4.3從期望的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的對數(shù)幅頻特性，減去未加校正系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的對數(shù)幅頻特性，可以得到串聯(lián)校正裝置的對數(shù)幅頻特性，見圖4.4.3。從串聯(lián)校正裝置的對數(shù)幅頻特性，可以得到它的傳遞函數(shù)：從串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)可以設(shè)計其模擬電路。圖4.4.4給出已加入串聯(lián)校正裝置的系統(tǒng)模擬電路。在圖4.4.4中，串聯(lián)校正裝置

35、電路的參數(shù)可取R1390，R2R3200，R410，C4.7uF。校正前后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖4.4.5、4.4.6所示:串聯(lián)校正接線圖如下圖，測試信號選擇階躍方波，占空比為80%，觀察校正前后的階躍響應(yīng)波形。（2）傳遞函數(shù)法期望的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)除以未加校正二階閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)，可以得到串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)。同樣地，可從串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)設(shè)計其模擬電路，如圖4.4.4所示。實(shí)驗(yàn)五 典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解并掌握典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性。2了解并掌握典型非線性環(huán)節(jié)的電路模擬研究方法。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1完成繼電型非線性環(huán)節(jié)靜特性的電路模擬研究。2完成飽和型非線性環(huán)節(jié)靜特性的

36、電路模擬研究。3完成具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)靜特性的電路模擬研究。4完成具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)靜特性的電路模擬研究。三實(shí)驗(yàn)步驟1利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計并連接繼電型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路，完成該環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性測試；并改變參數(shù)，觀測參數(shù)對靜態(tài)特性的影響。參閱本實(shí)驗(yàn)附錄1,從圖5.1.1和圖5.1.2可知，利用實(shí)驗(yàn)箱上的單元U6即可獲得實(shí)驗(yàn)所需繼電型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路。單元電路中雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為5.1V，改變U6中的電位器的電阻接入值，即可改變繼電特性參數(shù)M，M隨阻值減小而減小?？衫弥芷谛逼禄蛘倚盘枩y試非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，下面分兩種情況說明測試方法。無上位機(jī)時，利用實(shí)驗(yàn)箱上的信號源單元U2所

37、輸出的正弦信號（或周期斜坡信號）作為環(huán)節(jié)輸入，即連接箱上U2的“正弦波”與環(huán)節(jié)的輸入端（對應(yīng)圖5.1.2的Ui）。然后用示波器觀測該環(huán)節(jié)的輸入與輸出（對應(yīng)圖5.1.2的Ui和Uo）。注意調(diào)節(jié)U2的正弦波信號“頻率”電位器RP5與“幅值”電位器RP6，以保證觀測到完整的波形。有上位機(jī)時，必須在熟悉上位機(jī)界面操作的基礎(chǔ)上，充分利用上位機(jī)提供的虛擬示波器與信號發(fā)生器功能。為了利用上位機(jī)提供的虛擬示波器與信號發(fā)生器功能，接線方式將不同于上述無上位機(jī)情況。此時將Ui連到實(shí)驗(yàn)箱 U3單元的O1（D/A通道的輸出端）和I1（A/D通道的輸入端），將Uo連到實(shí)驗(yàn)箱 U3單元的I2（A/D通道的輸入端），并連好

38、U3單元至上位機(jī)的USB2.0通信線。接線完成，經(jīng)檢查無誤，再給實(shí)驗(yàn)箱上電后，啟動上位機(jī)程序，進(jìn)入主界面。界面上的操作步驟如下：按通道接線情況: 選擇任一路A/D輸入作為環(huán)節(jié)的輸出,選擇任一路D/A作為環(huán)節(jié)的輸入.不同的通道,圖形顯示控件中波形的顏色將不同；將另一輸出通道直接送倒輸入通道(顯示示波器信號源發(fā)出的輸入波形)。硬件接線完畢后,檢查USB口通訊連線和實(shí)驗(yàn)箱電源后，運(yùn)行上位機(jī)軟件程序,如果有問題請求指導(dǎo)教師幫助。進(jìn)入LabVIEW實(shí)驗(yàn)界面后，先對顯示進(jìn)行設(shè)置：選擇顯示模式（在LabVIEW圖形控件的右邊），可先選擇“X-t模式”，或選擇“X-Y模式”，或同時顯示兩種模式.在兩種不同顯示

39、方式下都觀察一下非線性的特性；選擇“T/DIV量程”（在實(shí)驗(yàn)界面的右邊框里）為1HZ/1S。在選擇顯示模式為“X-t模式”時。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)置，先選擇“測試信號”為正弦波，然后設(shè)置信號的幅值5（不是唯一的，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線調(diào)整大?。?，“測試信號”也可以為周期斜坡信號，顯示模式可以同時用兩種顯示模式顯示非線性靜特性，也可以按照需要選擇任一種顯示模式，如“X-T 模式”或者是“X-Y 模式”。對“正弦波”：選擇“幅值”為“5V”，選擇“偏移”為0V，選擇“T/DIV”為“1HZ/1S”。對“周期斜坡信號”：選擇“幅值”為“10V”，選擇“偏移”為5V，選擇“T/DIV”為“1HZ/1S”。以上設(shè)置完成后

40、，按照上面的步驟設(shè)置好信號后，點(diǎn)擊“下載數(shù)據(jù)”按鈕，將設(shè)置的測試信號發(fā)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。按“開始”按鈕啟動實(shí)驗(yàn)，動態(tài)波形得到顯示，直至周期反應(yīng)過程結(jié)束，實(shí)驗(yàn)也自動結(jié)束，如設(shè)置合理就可以在主界面中間得到反映該非線性環(huán)節(jié)靜態(tài)特性的波形。注意，采用不同測試信號看到的波形或曲線是不同的。改變環(huán)節(jié)參數(shù)，按“開始”啟動實(shí)驗(yàn)，動態(tài)波形得到顯示，直至周期反應(yīng)過程結(jié)束，實(shí)驗(yàn)也自動結(jié)束，如設(shè)置合理就可以在主界面中間得到反映參數(shù)改變對該非線性環(huán)節(jié)靜態(tài)特性影響的波形。，按實(shí)驗(yàn)報告需要，將圖形結(jié)果保存為位圖文件，操作方法參閱軟件使用說明書。2利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計并連接飽和型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路，完成該環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性測試；

41、并改變參數(shù)，觀測參數(shù)對靜態(tài)特性的影響。參閱本實(shí)驗(yàn)附錄2,從圖5.2.1和圖5.2.2可知，利用實(shí)驗(yàn)箱上的單元U7即可獲得實(shí)驗(yàn)所需飽和型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路。單元電路中雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為2.4V，改變U7中的電位器的電阻接入值，即可改變飽和特性參數(shù)K與M，K與M隨阻值減小而減小?？衫弥芷谛逼禄蛘倚盘枩y試非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，具體操作方法請參閱本實(shí)驗(yàn)步驟1，這里不再贅述。3利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計并連接具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)的模擬電路，完成該環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性測試；并改變參數(shù)，觀測參數(shù)對靜態(tài)特性的影響。參閱本實(shí)驗(yàn)附錄3,從圖5.3.1和圖5.3.2可知，利用實(shí)驗(yàn)箱上的單元U5，將該單元中的撥鍵S4撥

42、向上方即可獲得實(shí)驗(yàn)所需具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)的模擬電路。改變U5中的電阻Rf的阻值，即可改變死區(qū)特性線性部分斜率K，K隨Rf增大而增大。改變U5中的電阻R1（R2）的阻值，即可改變死區(qū)特性死區(qū)的寬度，隨R1增大而增大?？衫弥芷谛逼禄蛘倚盘枩y試非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，具體操作方法請參閱本實(shí)驗(yàn)步驟1，這里不再贅述。4利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計并連接具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)的模擬電路，完成該環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性測試；并改變參數(shù)，觀測參數(shù)對靜態(tài)特性的影響。參閱本實(shí)驗(yàn)附錄4,從圖5.4.1和圖5.4.2可知，利用實(shí)驗(yàn)箱上的單元U5，將該單元中的撥鍵S4撥向下方即可獲得實(shí)驗(yàn)所需具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)的模擬電路。改

43、變U5中的電容Cf的阻值，即可改變間隙特性線性部分斜率K，K隨Cf增大而減小。改變U5中的電阻R1（R2）的阻值，即可改變死區(qū)特性死區(qū)的寬度，隨R1增大而增大。可利用周期斜坡或正弦信號測試非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，具體操作方法請參閱本實(shí)驗(yàn)步驟1，這里不再贅述。請注意，單元U5不含運(yùn)放鎖零電路，為避免電容上電荷累積影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在每次實(shí)驗(yàn)啟動前，務(wù)必對電容進(jìn)行短接放電。5分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)報告。四附錄1具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)具有繼電特性非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，即理想繼電特性如圖5.1.1所示。該環(huán)節(jié)的模擬電路如圖5.1.2所示。繼電特性參數(shù)M，由雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值與后一級運(yùn)放放大倍數(shù)之積決定。故

44、改變圖5.1.2中電位器接入電阻的數(shù)值即可改變M。當(dāng)阻值減小時，M也隨之減小。實(shí)驗(yàn)時，可以用周期斜坡或正弦信號作為測試信號進(jìn)行靜態(tài)特性觀測。注意信號頻率的選擇應(yīng)足夠低，如1Hz。通常選用周期斜坡信號作為測試信號時，選擇在X-Y顯示模式下觀測；選用正弦信號作為測試信號時，選擇在X-t顯示模式下觀測。2具有飽和特性的非線性環(huán)節(jié)具有飽和特性非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，即理想飽和特性如圖5.2.1所示：該環(huán)節(jié)的模擬電路如圖5.2.2所示：特性飽和部分的飽和值M等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值與后一級放大倍數(shù)的積，特性線性部分的斜率K等于兩級運(yùn)放放大倍數(shù)之積。故改變圖5.2.2中的電位器接入電阻值時將同時改變M和K，它們隨

45、阻值增大而增大。實(shí)驗(yàn)時，可以用周期斜坡或正弦信號作為測試信號進(jìn)行靜態(tài)特性觀測。注意信號頻率的選擇應(yīng)足夠低，如1Hz。選用周期斜坡信號作為測試信號時，可在X-Y顯示模式下觀測；選用正弦信號作為測試信號時，可在X-t顯示模式下觀測。3具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)具有死區(qū)特性非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，即理想死區(qū)特性如圖5.3.1所示：該環(huán)節(jié)的模擬電路如圖5.3.2所示：斜率K為：死區(qū)，式中R2的單位為，且R2R1（實(shí)際死區(qū)還要考慮二極管的壓降值）。實(shí)驗(yàn)時，可以用周期斜坡或正弦信號作為測試信號進(jìn)行靜態(tài)特性觀測。注意信號頻率的選擇應(yīng)足夠低，如1Hz。選用周期斜坡信號作為測試信號時，可在X-Y顯示模式下觀測；選用

46、正弦信號作為測試信號時，可在X-t顯示模式下觀測。4具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)具有間隙特性非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，即理想間隙特性如圖5.4.1所示：該環(huán)節(jié)的模擬電路如圖5.4.2所示：圖中間隙特性的寬度,（實(shí)際死區(qū)還要考慮二極管的壓降值），特性斜率，因此改變R1與R2可改變間隙特性的寬度，改變可以調(diào)節(jié)特性斜率。實(shí)驗(yàn)時，可以用正弦信號作為測試信號進(jìn)行靜態(tài)特性觀測。注意信號頻率的選擇應(yīng)足夠低，如1Hz。選用正弦信號作為測試信號時，可在X-t顯示模式下觀測。注意由于元件（二極管、電阻等）參數(shù)數(shù)值的分散性，造成電路不對稱，因而引起電容上電荷累積，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，故每次實(shí)驗(yàn)啟動前，需對電容進(jìn)行短接放電。實(shí)驗(yàn)六

47、 非線性系統(tǒng)相平面法一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)用相平面法分析非線性系統(tǒng)。2熟悉研究非線性系統(tǒng)的電路模擬研究方法。二實(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系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。三實(shí)驗(yàn)步驟1利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計并連接一未加校正的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，利用階躍輸入作測試信號，觀測和記錄系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡，利用該相軌跡分析系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差，并與測得的系統(tǒng)偏差的階躍響應(yīng)作比較。參閱本實(shí)驗(yàn)附錄1,從圖6.1.1和圖6.1.2可知，利用實(shí)驗(yàn)箱上的單元U9、U6、U11、

48、U15和U8可連成實(shí)驗(yàn)所需未加校正的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。可利用周期階躍信號測試該非線性系統(tǒng)的相軌跡和階躍響應(yīng)，下面分兩種情況說明測試方法。無上位機(jī)時，利用實(shí)驗(yàn)箱上的信號源單元U2所輸出的周期階躍信號作為環(huán)節(jié)輸入，即連接箱上U2的“階躍”與系統(tǒng)的輸入端（見圖6.1.2的r(t)），同時連接U2的“鎖零（G）”與運(yùn)放的鎖零G。然后將圖1.1.2中的X1（即-e）和X2(即-）分別與示波器的“X”和“Y”測試端相連，以便用示波器測試相軌跡。注意調(diào)節(jié)U2的周期階躍信號的“頻率”電位器RP5與“幅值”電位器RP2，以保證觀測到相軌跡和完整的系統(tǒng)誤差階躍響應(yīng)。有上位機(jī)時，必須在熟悉上位機(jī)界面操

49、作的基礎(chǔ)上，充分利用上位機(jī)提供的虛擬示波器與信號發(fā)生器功能。為了利用上位機(jī)提供的虛擬示波器與信號發(fā)生器功能，接線方式將不同于上述無上位機(jī)情況。此時可將系統(tǒng)輸入端r(t)連到實(shí)驗(yàn)箱 U3單元的O1（D/A通道的輸出端），將運(yùn)放的鎖零G連到實(shí)驗(yàn)箱 U3單元的G1(與O1同步)，將X1（即-e）連到實(shí)驗(yàn)箱 U3單元的I1（A/D通道的輸入端），將X2(即-） 連到實(shí)驗(yàn)箱 U3單元的I2（A/D通道的輸入端），并連好U3單元至上位機(jī)的USB2.0通信線。接線完成，經(jīng)檢查無誤，再給實(shí)驗(yàn)箱上電后，啟動上位機(jī)程序，進(jìn)入主界面。界面上的操作步驟如下：按通道接線情況: 選擇第1路A/D輸入I1作為環(huán)節(jié)中的采樣信

50、號X的輸入端, 選擇第2路A/D輸入I2作為環(huán)節(jié)中的采樣信號Y的輸入端,選擇第1路D/A輸出O1作為環(huán)節(jié)的輸入端。不同的通道,圖形顯示控件中波形的顏色將不同。按上述說明硬件接線完成后，檢查USB口通訊連線是否接好和實(shí)驗(yàn)箱電源后運(yùn)行上位機(jī)程序，如有問題則請求指導(dǎo)教師幫助。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面后，先對顯示進(jìn)行設(shè)置：選擇“X-Y模式”和“X-t模式”同時顯示，X-t模式主要為了觀測系統(tǒng)誤差e(t)的階躍響應(yīng)。選擇“T/DIV”為0.1HZ/10s；并在界面右方對采樣通道X(AD1)選擇“-1”(即反相)，對采樣通道Y(AD2)也選擇“-1”(即反相)。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)設(shè)置：首先對實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，選擇“測試信號”為

51、“周期階躍信號”，選擇“占空比”為50%，選擇“T/DIV”為“0.4HZ/2.5S”，選擇“幅值”為“6V”(根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線調(diào)整大小)，設(shè)置“偏移”為“0”。以上除必須選擇“周期階躍信號”外，其余的選擇都不是唯一的。要特別注意，除單個比例環(huán)節(jié)外，對其它環(huán)節(jié)或系統(tǒng)都必須考慮環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的時間常數(shù)，如仍選擇“輸入波形占空比”為50%，那么“輸入波形周期”至少是環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的最大時間常數(shù)的68倍。所有必要的設(shè)置完成后，按照上面的步驟設(shè)置好信號后，點(diǎn)擊“下載數(shù)據(jù)”按鈕，將設(shè)置的測試信號發(fā)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。按界面右下角的“Start”啟動實(shí)驗(yàn)，相平面上的相軌跡得到顯示，直至周期過程反應(yīng)結(jié)束，實(shí)驗(yàn)也自動結(jié)束，

52、如設(shè)置合理就可以在主界面中間得到系統(tǒng)（,）的相軌跡。按實(shí)驗(yàn)報告需要，將圖形結(jié)果保存為位圖文件，操作方法參閱軟件使用說明書。2利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計并連接一帶速度負(fù)反饋的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，利用階躍輸入作測試信號，觀測和記錄系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡，利用該相軌跡分析系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差，并與測得的系統(tǒng)偏差的階躍響應(yīng)作比較。再將此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與未加校正的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的相比較。參閱本實(shí)驗(yàn)附錄2,從圖6.2.1和圖6.2.2可知，利用實(shí)驗(yàn)箱上的單元U9、U10、U6、U13、U11、U15和U8可連成實(shí)驗(yàn)所需帶速度負(fù)反饋的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路?？衫弥芷陔A躍信號測試該非線

53、性系統(tǒng)（,）的相軌跡和階躍響應(yīng)，具體測試方法請參閱本實(shí)驗(yàn)步驟1，這里不再贅述。3利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計并連接一飽和型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，利用階躍輸入作測試信號，觀測和記錄系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡，利用該相軌跡分析系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差，并與測得的系統(tǒng)偏差的階躍響應(yīng)作比較。參閱本實(shí)驗(yàn)附錄3,從圖6.3.1和圖6.3.2可知，利用實(shí)驗(yàn)箱上的單元U9、U7、U11、U15和U8可連成實(shí)驗(yàn)所需飽和型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。可利用周期階躍信號測試該非線性系統(tǒng)的（,）相軌跡和階躍響應(yīng)，具體測試方法請參閱本實(shí)驗(yàn)步驟1，這里不再贅述。4分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)報告。四附錄1未加校正的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)未加校正的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的原理方塊圖如圖6.1.1所示：其模擬電路圖如圖6.1.2所示：圖6.1.1所示系統(tǒng)可用以下方程描述： （61）式中T為時間常數(shù)（T0.5），K為線性部分開環(huán)增益，M為繼電器特性幅值，采用與為相平面坐標(biāo)，以及考慮 （62） （63）則（61）變?yōu)?（64）該系統(tǒng)的相軌跡曲線如圖6.1.3所示：觀察X1即為，X2即為，取X1X2坐標(biāo)下，即為相軌跡（,），進(jìn)行坐標(biāo)倒相變換可得（,）坐標(biāo)。2帶速度負(fù)反饋的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)帶速度負(fù)反饋的繼電型非線