自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、目錄i目目 錄錄第三章第三章 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn).33.1 線性系統(tǒng)的時(shí)域分析線性系統(tǒng)的時(shí)域分析.33.1.1 典型環(huán)節(jié)的模擬研究.33.1.2 二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性.83.1.3 三階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性.93.2 線性控制系統(tǒng)的頻域分析線性控制系統(tǒng)的頻域分析.113.2.1 一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性曲線.113.2.2 二階閉環(huán)系統(tǒng)的頻率特性曲線.123.2.3 二階開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性曲線.143.2.4 頻率特性的時(shí)域分析.163.3 線性系統(tǒng)的校正與狀態(tài)反饋線性系統(tǒng)的校正與狀態(tài)反饋.173.3.1 頻域法串聯(lián)超前校正.173.3.2 頻域法串聯(lián)遲后校正.203.3.3

2、 時(shí)域法串聯(lián)比例微分校正.233.3.4 時(shí)域法比例反饋校正.263.3.5 時(shí)域法微分反饋校正.293.3.6 線性系統(tǒng)的狀態(tài)反饋及極點(diǎn)配置.313.4 非線性系統(tǒng)的相平面分析非線性系統(tǒng)的相平面分析 .333.4.1 典型非線性環(huán)節(jié).333.4.2 二階非線性控制系統(tǒng).363.4.3 三階非線性控制系統(tǒng).393.5 采樣控制系統(tǒng)分析采樣控制系統(tǒng)分析.423.6 模擬直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速實(shí)驗(yàn)?zāi)M直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速實(shí)驗(yàn).443.7 模擬溫度閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)?zāi)M溫度閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn).46第四章第四章 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn) .484.1 數(shù)數(shù)/模轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)?zāi)＾D(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn).484.2 模模/數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)數(shù)轉(zhuǎn)

3、換實(shí)驗(yàn).484.3 采樣與保持采樣與保持.494.3.1 采樣實(shí)驗(yàn).494.3.2 采樣/保持器實(shí)驗(yàn).494.4 平滑與數(shù)字濾波實(shí)驗(yàn)平滑與數(shù)字濾波實(shí)驗(yàn).514.4.1 微分與平滑.514.4.2 數(shù)字濾波.524.54.5 數(shù)字?jǐn)?shù)字 pidpid 控制實(shí)驗(yàn)控制實(shí)驗(yàn).544.5.1 標(biāo)準(zhǔn) pid 控制算法 .544.5.2 積分分離 pid 控制算法 .564.5.3 非線性 pid 控制算法 .564.5.4 積分分離-砰砰復(fù)式 pid 控制算法.57愛迪克自控/計(jì)控原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)ii4.6 最少拍控制系統(tǒng)最少拍控制系統(tǒng).584.6.1 最少拍有紋波系統(tǒng).584.6.2 最少拍無紋波設(shè)計(jì).594

4、.74.7 大林算法大林算法.604.8 多變量解耦控制多變量解耦控制.62第五章第五章 控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) .665.1 直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速實(shí)驗(yàn)直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速實(shí)驗(yàn).665.2 溫度閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)溫度閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn).675.3 步進(jìn)電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)步進(jìn)電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn).68第六章第六章 綜合控制實(shí)驗(yàn)綜合控制實(shí)驗(yàn).696.1 模擬模擬/數(shù)字混合溫度閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)數(shù)字混合溫度閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn).69第三章 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)3第三章第三章 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)3.1 線性系統(tǒng)的時(shí)域分析線性系統(tǒng)的時(shí)域分析3.1.13.1.1 典型環(huán)節(jié)的模擬研究典型環(huán)節(jié)的模擬研究一一. 實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)要求1 了解和掌握各典

5、型環(huán)節(jié)模擬電路的構(gòu)成方法、傳遞函數(shù)表達(dá)式及輸出時(shí)域函數(shù)表達(dá)式2 觀察和分析各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，了解各項(xiàng)電路參數(shù)對典型環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性的影響二二典型環(huán)節(jié)的方塊圖及傳遞函數(shù)典型環(huán)節(jié)的方塊圖及傳遞函數(shù)方 塊 圖 傳遞函數(shù)比例（p）k(s)u(s)u(s)gio積分（i）ts1(s)u(s)u(s)gio比例積分（pi）)ts11(k(s)u(s)u(s)gio比例微分（pd）)ts1(k(s)u(s)u(s)gio慣性環(huán)節(jié)（t）ts1k(s)u(s)u(s)gio比例積分微分（pid）stkstkk(s)u(s)u(s)gdpippio 愛迪克自控/計(jì)控原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)4三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步

6、驟在實(shí)驗(yàn)中欲觀測實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，可用普通示波器，也可選用本實(shí)驗(yàn)機(jī)配套的虛擬示波器。如果選用虛擬示波器，只要運(yùn)行 labact 程序，選擇自動(dòng)控制自動(dòng)控制菜單下的線性系統(tǒng)的時(shí)域分析線性系統(tǒng)的時(shí)域分析下的典典型環(huán)節(jié)的模擬研究型環(huán)節(jié)的模擬研究中的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，就會(huì)彈出虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始開始即可使用本實(shí)驗(yàn)機(jī)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)觀察比例環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線觀察比例環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)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)模擬電路實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)步驟： 注：注：s st不能用不能用“短路套短路套”短接

7、！短接?。?）用信號發(fā)生器（b1）的階躍信號輸出 和幅度控制電位器構(gòu)造輸入信號（ui）： b1 單元中電位器的左邊 k3 開關(guān)撥下（gnd） ，右邊 k4 開關(guān)撥下（0/+5v 階躍） 。階躍信號輸出（b1 的 y 測孔）調(diào)整為 4v（調(diào)節(jié)方法：按下信號發(fā)生器（b1）階躍信號按鈕，l9 燈亮，調(diào)節(jié)電位器，用萬用表測量 y 測孔） 。（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。（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線模塊號跨接座號1a1s4，s7（電阻r1=100k）2a6s2，s6（3）運(yùn)行、觀察、記錄：（注：ch1 選1檔。時(shí)間量程選1檔） 打開虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始開始

8、，按下信號發(fā)生器（b1）階躍信號按鈕（0+4v 階躍） ，用示波器觀測 a6 輸出端（uo）的實(shí)際響應(yīng)曲線 uo（t） 。 改變比例系數(shù)（改變運(yùn)算模擬單元 a1 的反饋電阻 r1） ，重新觀測結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 2)觀察慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線觀察慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線典型慣性環(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)模擬電路實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)步驟： 注：注：s st不能用不能用“短路套短路套”短接！短接！1信號輸入（ui）b1（y） a1（h1）2運(yùn)放級聯(lián)a1（outa6（h1）第三章 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)5（1）用信號發(fā)生器（b1）的階躍信號輸出 和幅度控制電位器構(gòu)造輸入信號

9、（ui）： b1 單元中電位器的左邊 k3 開關(guān)撥下（gnd） ，右邊 k4 開關(guān)撥下（0/+5v 階躍） 。階躍信號輸出（b1 的 y 測孔）調(diào)整為 4v（調(diào)節(jié)方法：按下信號發(fā)生器（b1）階躍信號按鈕，l9 燈亮，調(diào)節(jié)電位器，用萬用表測量 y 測孔） 。（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。（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線模塊號跨接座號1a1s4，s8，s10（電容c=1uf）2a6s2，s6（3）運(yùn)行、觀察、記錄：（注：ch1 選1檔。時(shí)間量程選1檔）打開虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始開始，用示波器觀測 a6 輸出端（uo） ，按下信號發(fā)生器（b1）階躍信號按鈕時(shí)

10、（0+4v 階躍） ，等待完整波形出來后，移動(dòng)虛擬示波器橫游標(biāo)到 4v（輸入）0.632 處， ，得到與慣性的曲線的交點(diǎn)，再移動(dòng)虛擬示波器兩根縱游標(biāo)，從階躍開始到曲線的交點(diǎn)，量得慣性環(huán)節(jié)模擬電路時(shí)間常數(shù) t。a6 輸出端（uo）的實(shí)際響應(yīng)曲線 uo（t） 。改變時(shí)間常數(shù)及比例系數(shù)（分別改變運(yùn)算模擬單元 a1 的反饋電阻 r1 和反饋電容 c） ，重新觀測結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。3)觀察積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線觀察積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)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 實(shí)驗(yàn)步驟：注：實(shí)驗(yàn)步驟：注：s st用短路套短接！用短路套短接?。?）為了避免積分飽

11、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(shí)，將自動(dòng)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= 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（3）運(yùn)行、觀察、記錄：（注：ch1 選1檔。時(shí)間量

12、程選1檔） 打開虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始開始，用示波器觀測 a6 輸出端（uo） ，調(diào)節(jié)調(diào)寬電位器使寬度從1信號輸入（ui）b1（y） a1（h1）2運(yùn)放級聯(lián)a1（out）a6（h1）1信號輸入（ui）b5（out）a1（h1）2運(yùn)放級聯(lián)a1（out）a6（h1）模塊號跨接座號1a1s4，s10（電容 c=1uf）2a6s2，s63b5s-st愛迪克自控/計(jì)控原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)60.3 秒開始調(diào)到積分輸出在虛擬示波器頂端（即積分輸出電壓接近+5v）為止。等待完整波形出來后，移動(dòng)虛擬示波器橫游標(biāo)到 0v 處，再移動(dòng)另一根橫游標(biāo)到 v=1v（與輸入相等）處，得到與積分的曲線的交點(diǎn)，再移動(dòng)虛擬示波器兩根

13、縱游標(biāo)，從階躍開始到曲線的交點(diǎn)，量得積分環(huán)節(jié)模擬電路時(shí)間常數(shù) ti。a6 輸出端（uo）的實(shí)際響應(yīng)曲線 uo（t） 。 改變時(shí)間常數(shù)（分別改變運(yùn)算模擬單元 a1 的輸入電阻 ro 和反饋電容 c） ，重新觀測結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 （可將運(yùn)算模擬單元 a1 的輸入電阻的短路套（s4）去掉，將可變元件庫（a11）中的可變電阻跨接到 a1 單元的 h1 和 in 測孔上，調(diào)整可變電阻繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。 ）4)觀察比例積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線觀察比例積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)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)模擬電路實(shí)驗(yàn)步驟：注：實(shí)驗(yàn)步驟：注：s st用短路套短接！

14、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(shí)將自動(dòng)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 = 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（3）運(yùn)行、觀察

15、、記錄：（注：ch1 選1檔。時(shí)間量程調(diào)選1檔） 打開虛擬示波器的單跡單跡界面，點(diǎn)擊開始開始，用示波器觀測 a6 輸出端（uo） 。 待完整波形出來后，移動(dòng)虛擬示波器橫游標(biāo)到 1v（與輸入相等）處，再移動(dòng)另一根橫游標(biāo)到v=kp輸入電壓處，得到與積分曲線的兩個(gè)交點(diǎn)。 再分別移動(dòng)示波器兩根縱游標(biāo)到積分曲線的兩個(gè)交點(diǎn)，量得積分環(huán)節(jié)模擬電路時(shí)間常數(shù) ti。 改變時(shí)間常數(shù)及比例系數(shù)（分別改變運(yùn)算模擬單元 a5 的輸入電阻 ro 和反饋電容 c） ，重新觀測結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 5)觀察比例微分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線觀察比例微分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線典型比例微分環(huán)節(jié)模擬電路如圖 3-1-9 所示。1信號輸入（ui

16、）b5（out a5（h1）2運(yùn)放級聯(lián)a5（out）a6（h1）模塊號跨接座號1a5s4，s8，s9（電容c=2uf）2a6s2，s63b5s-st第三章 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)7圖 3-1-9 典型比例微分環(huán)節(jié)模擬電路實(shí)驗(yàn)步驟：注：實(shí)驗(yàn)步驟：注：s st用短路套短接用短路套短接!（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，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

17、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（3）運(yùn)行、觀察、記錄： ch1 選1檔。時(shí)間量程選4檔。 打開虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始開始，用示波器觀測系統(tǒng)的 a6 輸出端（uo） ，響應(yīng)曲線見圖 3-1-10。等待完整波形出來后，把最高端電壓（4.77v）減去穩(wěn)態(tài)輸出電壓（0.5v） ，然后乘以 0.632，得到v=2.7v。 移動(dòng)虛擬示波器兩根橫游標(biāo)，從最高端開始到 v=2.7v 處為止，得到與微分的指數(shù)曲線的交點(diǎn)，再移動(dòng)虛擬示波器兩根縱游標(biāo)，從階躍開始到曲線的交點(diǎn)，量得 t=

18、0.048s。 已知 kd=10，則圖 3-1-9 的比例微分環(huán)節(jié)模擬電路微分時(shí)間常數(shù)：0.48stktdd6)觀察觀察 pid（比例積分微分）環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線（比例積分微分）環(huán)節(jié)的響應(yīng)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)模擬電路實(shí)驗(yàn)步驟：注：實(shí)驗(yàn)步驟：注：s st用短路套短接！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(shí)將自動(dòng)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

19、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 0.1 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= 0.2v（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1a2當(dāng)電阻 r1=10k時(shí)s1，s72a6s2，s63b5s-st模塊號跨接座號1a4s4，s92a6s2，s63b5s-st1信號輸入(ui)b5（out）a4（h1）2運(yùn)放級聯(lián)a4（out）a6（h1）愛迪克自控/計(jì)控原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)8（3）運(yùn)

20、行、觀察、記錄： （ch1 選1檔。時(shí)間量程選4檔） 打開虛擬示波器的單跡單跡界面，點(diǎn)擊開始開始，用示波器觀測 a6 輸出端（uo） 。 等待完整波形出來后，移動(dòng)虛擬示波器兩根橫游標(biāo)使之 v=kp輸入電壓， ，得到與積分的曲線的兩個(gè)交點(diǎn)。 再分別移動(dòng)示波器兩根縱游標(biāo)到積分的曲線的兩個(gè)交點(diǎn)，量得積分環(huán)節(jié)模擬電路時(shí)間常數(shù) ti。注意：該實(shí)驗(yàn)由于微分的時(shí)間太短，較難捕捉到，必須把波形擴(kuò)展到最大（必須把波形擴(kuò)展到最大（/ 4 檔）檔） ，但有時(shí)仍無法顯示微分信號。定量觀察就更難了，因此，建議用一般的示波器觀察。 改變時(shí)間常數(shù)及比例系數(shù)（分別改變運(yùn)算模擬單元 a2 的輸入電阻 ro 和反饋電阻 r1）

21、，重新觀測結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 1信號輸入（ui）b5（out）a2（h1）2運(yùn)放級聯(lián)a2（out）a6（h1）第三章 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)93.1.23.1.2 二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性一實(shí)驗(yàn)要求一實(shí)驗(yàn)要求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(biāo)準(zhǔn)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(shí)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) mp、tp、ts 的計(jì)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(yīng)曲線，及在階躍信號輸入時(shí)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) mp、tp、ts 值，并與

22、理論計(jì)算值作比對。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟本實(shí)驗(yàn)用于觀察和分析二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。開環(huán)傳遞函數(shù)： 閉環(huán)傳遞函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)式： ) 1()(tstisksg2222)(1)()(nnnsssgsgs自然頻率（無阻尼振蕩頻率）： ； 阻尼比： titknktti21超調(diào)量 ： ； 峰值時(shí)間： %100me21p2np1t有二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路如圖 3-1-7 所示。它由積分環(huán)節(jié)（a2）和慣性環(huán)節(jié)（a3）構(gòu)成。圖 3-1-8 型二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路圖 3-1-8 的二階系統(tǒng)模擬電路的各環(huán)節(jié)參數(shù)及系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：積分環(huán)節(jié)（a2 單元）的積分時(shí)間常數(shù) ti=r1*c1=1s 慣性環(huán)節(jié)（a3 單元

23、）的慣性時(shí)間常數(shù) t=r2*c2=0.1s該閉環(huán)系統(tǒng)在 a3 單元中改變輸入電阻 r 來調(diào)整增益 k，r 分別設(shè)定為 4k、40k、100k 。當(dāng) r=100k， k=1 =1.58 1 為過阻尼響應(yīng)， 當(dāng) r=40k， k=2.5 =1 為臨界阻尼響應(yīng)， 當(dāng) r=4k， k=25 =0.316 01 為欠阻尼響應(yīng)。 欠阻尼二階閉環(huán)系統(tǒng)在階躍信號輸入時(shí)的動(dòng)態(tài)指標(biāo) mp、tp、ts 的計(jì)算：（ k=25、=0.316、=15.8）n型二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路見圖 3-1-8。該環(huán)節(jié)在 a3 單元中改變輸入電阻 r 來調(diào)整衰減時(shí)間。實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)步驟： 注：注：s st不能用不能用“短路套短路套”短接

24、！短接！（1）用信號發(fā)生器（b1）的階躍信號輸出 和幅度控制電位器構(gòu)造輸入信號（ui）： b1 單元中電位器的左邊 k3 開關(guān)撥下（gnd） ，右邊 k4 開關(guān)撥下（0/+5v 階躍） 。階躍信號輸出（b1 的 y 測孔）調(diào)整為 2v（調(diào)節(jié)方法：按下信號發(fā)生器（b1）階躍信號按鈕，l9 燈亮，調(diào)節(jié)電位器，愛迪克自控/計(jì)控原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)10用萬用表測量 y 測孔） 。（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1a1s4，s82a2s2，s10，s113a3s8，s104a6s2，s6（3）虛擬示波器（b3）的聯(lián)接：示波器輸入端

25、ch1 接到 a6 單元信號輸出端 out（c(t)） 。注：ch1 選1檔。（4）運(yùn)行、觀察、記錄： 運(yùn)行 labact 程序，選擇自動(dòng)控制自動(dòng)控制菜單下的線性系統(tǒng)的時(shí)域分析線性系統(tǒng)的時(shí)域分析下的二階典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和二階典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，就會(huì)彈出虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始開始即可使用本實(shí)驗(yàn)機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。 分別將（a11）中的直讀式可變電阻調(diào)整到 4k、40k、100k，按下 b1 按鈕，用示波器觀察在三種增益 k 下，a6 輸出端 c(t)的系統(tǒng)階躍響應(yīng)。 改變積分時(shí)間常數(shù) ti（慣性時(shí)間常數(shù)

26、t=0.1，慣性環(huán)節(jié)增益 k=25，r=4k，c2=1u） ，重新觀測結(jié)果，記錄超調(diào)量 mp，峰值時(shí)間 tp 和調(diào)節(jié)時(shí)間 ts，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 （計(jì)算值實(shí)驗(yàn)前必須按公式計(jì)算出） 改變慣性時(shí)間常數(shù) t（積分時(shí)間常數(shù) ti=1，慣性環(huán)節(jié)增益 k=25，r=4k，c1=2u）重新觀測結(jié)果，記錄超調(diào)量 mp，峰值時(shí)間 tp 和調(diào)節(jié)時(shí)間 ts，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 （計(jì)算值實(shí)驗(yàn)前必須按公式計(jì)算出）3.1.33.1.3 三階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性三階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性一實(shí)驗(yàn)要求一實(shí)驗(yàn)要求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(dá)式。2.熟悉勞斯（routh）判據(jù)使用方法。3.應(yīng)用

27、勞斯（routh）判據(jù)，觀察和分析型三階系統(tǒng)在階躍信號輸入時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定及不穩(wěn)定三種瞬態(tài)響應(yīng)。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟本實(shí)驗(yàn)用于觀察和分析三階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。型三階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路如圖 3-1-8 所示。它由積分環(huán)節(jié)（a2） 、慣性環(huán)節(jié)（a3 和 a5）構(gòu)成。1信號輸入r(t)b1（y） a1（h1）2運(yùn)放級聯(lián)a1（outa2（h1）3運(yùn)放級聯(lián)a2（outa3（h1）4負(fù)反饋a3（outa1（h2）5運(yùn)放級聯(lián)a3（outa6（h1）6跨接元件4k、40k、100k元件庫 a11 中直讀式可變電阻跨接到 a3（h1）和（in）之間第三章 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)11圖 3-1-1

28、1 型三階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路圖圖 3-1-11 的型三階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路的各環(huán)節(jié)參數(shù)及系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：積分環(huán)節(jié)（a2 單元）的積分時(shí)間常數(shù) ti=r1*c1=1s， 慣性環(huán)節(jié)（a3 單元）的慣性時(shí)間常數(shù) t1=r3*c2=0.1s， k1=r3/r2=1慣性環(huán)節(jié)（a5 單元）的慣性時(shí)間常數(shù) t2=r4*c3=0.5s，k2=r4/r=500k/r該系統(tǒng)在 a5 單元中改變輸入電阻 r 來調(diào)整增益 k，r 分別為 30k、41.7k、100k 。閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為： （3-1-6）0202012, 0)(123kssssg特征方程標(biāo)準(zhǔn)式： （3-1-7）0322130asasasa由 routh

29、 判據(jù)，得系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng)臨界穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定 41.7kr 12k 41.7kr 12 k7 .41 12k0kr型三階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路圖見圖 3-1-11，分別將（a11）中的直讀式可變電阻調(diào)整到30k、41.7k、100k，跨接到 a5 單元（h1）和（in）之間，改變系統(tǒng)開環(huán)增益進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)步驟： 注：注：s st不能用不能用“短路套短路套”短接！短接！（1）用信號發(fā)生器（b1）的階躍信號輸出 和幅度控制電位器構(gòu)造輸入信號（ui）： b1 單元中電位器的左邊 k3 開關(guān)撥下（gnd） ，右邊 k4 開關(guān)撥下（0/+5v 階躍） 。階躍信號輸出（b1-2 的 y 測孔）調(diào)整為 2v

30、（調(diào)節(jié)方法：按下信號發(fā)生器（b1）階躍信號按鈕，l9 燈亮，調(diào)節(jié)電位器，用萬用表測量 y 測孔） 。（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（3）虛擬示波器（b3）的聯(lián)接：示波器輸入端 ch1 接到 a5 單元信號輸出端 out（c(t)） 。注：ch1 選x1檔。（4）運(yùn)行、觀察、記錄： 運(yùn)行 labact 程序，選擇自動(dòng)控制自動(dòng)控制菜單下的線性系統(tǒng)的時(shí)域分析線性系統(tǒng)的時(shí)域分析下的三階典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和三階典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，就會(huì)彈出虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始開始即可使用本實(shí)驗(yàn)機(jī)配套的虛擬示波器（b3）單元的

31、ch1 測孔測量波形。也可選用普通示波器觀測實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 分別將（a11）中的直讀式可變電阻調(diào)整到 30k、41.7k、100k，按下 b1 按鈕，用示波器觀察a5 單元信號輸出端 c（t）的系統(tǒng)階躍響應(yīng)。 改變時(shí)間常數(shù)（分別改變運(yùn)算模擬單元 a3 和 a5 的反饋電容 c2、c3） ，重新觀測結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 模塊號跨接座號1a1s4，s82a2s2，s10，s113a3s4，s8，s104a5s7，s105a6s2，s61信號輸入r(t)b1（y） a1（h1）2運(yùn)放級聯(lián)a1（out）a2（h1）3運(yùn)放級聯(lián)a2（out）a3（h1）4運(yùn)放級聯(lián)a3（out）a5（h1）5運(yùn)放級聯(lián)a5（ou

32、t）a6（h1）6負(fù)反饋a6（out）a1（h2）7跨接元件30k、41.7k、100k元件庫 a11 中直讀式可變電阻跨接到 a5（h1）和（in）之間愛迪克自控/計(jì)控原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)123.2 線性控制系統(tǒng)的頻線性控制系統(tǒng)的頻域分析域分析3.2.13.2.1 一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性曲線一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性曲線一實(shí)驗(yàn)要求一實(shí)驗(yàn)要求了解和掌握對數(shù)幅頻曲線和相頻曲線（波德圖） 、幅相曲線（奈奎斯特圖）的構(gòu)造及繪制方法。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟 本實(shí)驗(yàn)用于觀察和分析一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性曲線。頻域分析法是應(yīng)用頻率特性研究線性系統(tǒng)的一種經(jīng)典方法。它以控制系統(tǒng)的頻率特性作為數(shù)學(xué)模型，以波德圖或其

33、他圖表作為分析工具，來研究和分析控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能。本實(shí)驗(yàn)將數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（b2）單元作為信號發(fā)生器，自動(dòng)產(chǎn)生的超低頻正弦信號的頻率從低到高變化（0.5hz64hz） ，out2 輸出施加于被測系統(tǒng)的輸入端r(t)，然后分別測量被測系統(tǒng)的輸出信號的對數(shù)幅值和相位，數(shù)據(jù)經(jīng)相關(guān)運(yùn)算后在虛擬示波器中顯示。慣性環(huán)節(jié)的頻率特性測試電路見圖 3-2-1。圖 3-2-1 慣性環(huán)節(jié)的頻率特性測試電路實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟： （1）將數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（b2）輸出 out2 作為被測系統(tǒng)的輸入。（2）構(gòu)造模擬電路：按圖 3-2-1 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（3）運(yùn)行、觀察、記錄

34、： 運(yùn)行 labact 程序，選擇自動(dòng)控制自動(dòng)控制菜單下的線線性性控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析-實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，選擇一階系統(tǒng)一階系統(tǒng)，就會(huì)彈出虛擬示波器的頻率特性界面，點(diǎn)擊開始開始，實(shí)驗(yàn)機(jī)將自動(dòng)產(chǎn)生 0.5hz64hz 多個(gè)頻率信號，測試被測系統(tǒng)的頻率特性，等待將近十分鐘，測試結(jié)束。 測試結(jié)束后，可點(diǎn)擊界面下方的“頻率特性”選擇框中的任意一項(xiàng)進(jìn)行切換，將顯示被測系統(tǒng)的對數(shù)幅頻、相頻特性曲線（伯德圖）和幅相曲線（奈奎斯特圖） ，同時(shí)在界面上方將顯示該系統(tǒng)用戶點(diǎn)取的頻率點(diǎn)的 l、im、re 等相關(guān)數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊停止停止后，將停止示波器運(yùn)行。 改變慣性環(huán)節(jié)開環(huán)增益：改變 a6 的輸入電阻 r=

35、50k、100k、200k。c=1u，r2=50k（t=0.05） 。模塊號跨接座號1a1s2，s62a6s4，s7，s91信號輸入b2（out2）a1（h1）2運(yùn)放級聯(lián)a1（out）a6（h1）3a6（out） a8（cin1）4a8（cout1） b4（a2）5相位測量b4（q2） b8（irq6）6幅值測量a6（out） b7（in6）第三章 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)13改變慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)：改變 a6 的反饋電容 c2=1u、2u、3u。r1=50k、r2=50k（k=1）注：本實(shí)驗(yàn)要求慣性環(huán)節(jié)開環(huán)增益不能大于注：本實(shí)驗(yàn)要求慣性環(huán)節(jié)開環(huán)增益不能大于 1。3.2.23.2.2 二階閉環(huán)系統(tǒng)的頻率

36、特性曲線二階閉環(huán)系統(tǒng)的頻率特性曲線一實(shí)驗(yàn)要求一實(shí)驗(yàn)要求1了解和掌握二階閉環(huán)系統(tǒng)中的對數(shù)幅頻特性和相頻特性，實(shí)頻特性和虛頻特性)(l)()re(的計(jì)算)im(2了解和掌握欠阻尼二階閉環(huán)系統(tǒng)中的自然頻率n、阻尼比 對諧振頻率r和諧振峰值 l(r)的影響及r和 l(r) 的計(jì)算。3觀察和分析欠阻尼二階開環(huán)系統(tǒng)的諧振頻率r、諧振峰值 l(r)，并與理論計(jì)算值作比對。二二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟本實(shí)驗(yàn)用于觀察和分析二階閉環(huán)系統(tǒng)的頻率特性曲線。本實(shí)驗(yàn)以第 3.1.2 節(jié)二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性中二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路為例，令積分時(shí)間常數(shù)為 ti，慣性時(shí)間常數(shù)為 t，開環(huán)增益為 k，可得： 自然頻率： 阻

37、尼比： （3-2-1）titknktti21諧振頻率： 諧振峰值： （3-2-2）221nr2121lg20)(rl頻率特性測試電路如圖 3-2-2 所示，其中慣性環(huán)節(jié)（a3 單元）的 r 用元件庫 a7 中可變電阻取代。 。圖 3-2-4 二階閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性測試電路 積分環(huán)節(jié)（a2 單元）的積分時(shí)間常數(shù) ti=r1*c1=1s， 慣性環(huán)節(jié)（a3 單元）的慣性時(shí)間常數(shù) t=r3*c2=0.1s，開環(huán)增益 k=r3/r。設(shè)開環(huán)增益 k=25（r=4k） ，各環(huán)節(jié)參數(shù)代入式（3-2-1） ，得：n = 15.81 = 0.316；再代入式（3-2-2） ，得：諧振頻率：r = 14.14 諧振峰

38、值： 44. 4)(rl 注注 1：根據(jù)本實(shí)驗(yàn)機(jī)的現(xiàn)況，要求構(gòu)成被測二階閉環(huán)系統(tǒng)的阻尼比 必須滿足，否則模/數(shù)102. 0轉(zhuǎn)換器（b7 元）將產(chǎn)生削頂。注注 2：實(shí)驗(yàn)機(jī)在測試頻率特性時(shí)，實(shí)驗(yàn)開始后，實(shí)驗(yàn)機(jī)將按序自動(dòng)產(chǎn)生 0.5hz16hz 等多種頻率信號，愛迪克自控/計(jì)控原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)14當(dāng)被測系統(tǒng)的輸出時(shí)將停止測試。mvtc60)( 實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)步驟： （1）將數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（b2）輸出 out2 作為被測系統(tǒng)的輸入。（2）構(gòu)造模擬電路：按圖 3-2-4 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（3）運(yùn)行、觀察、記錄： 將數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（b2）輸出 out2 作為被測系統(tǒng)的

39、輸入，運(yùn)行 labact 程序，在界面的自動(dòng)控制自動(dòng)控制菜單下的線性線性控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析-實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，選擇二階系統(tǒng)階系統(tǒng)，就會(huì)彈出虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始開始，實(shí)驗(yàn)開始后，實(shí)驗(yàn)機(jī)將自動(dòng)產(chǎn)生 0.5hz16hz 等多種頻率信號，等待將近十分鐘，測試結(jié)束后，觀察閉環(huán)對數(shù)幅頻、相頻曲線和幅相曲線。 測試結(jié)束后，可點(diǎn)擊界面下方的“頻率特性”選擇框中的任意一項(xiàng)進(jìn)行切換，將顯示被測系統(tǒng)的閉環(huán)對數(shù)幅頻、相頻特性曲線（伯德圖）和幅相曲線（奈奎斯特圖） 。圖 3-2-4 的被測二階系統(tǒng)的閉環(huán)對數(shù)幅頻所示。 顯示該系統(tǒng)用戶點(diǎn)取的頻率點(diǎn)的 、l、im、re實(shí)驗(yàn)機(jī)在測試頻率特性結(jié)束后，將提

40、示用戶用鼠標(biāo)直接在幅頻或相頻特性曲線的界面上點(diǎn)擊所需增加的頻率點(diǎn)（為了教育上的方便，本實(shí)驗(yàn)機(jī)選取的頻率值 f，以 0.1hz 為分辨率，例如所選擇的信號頻率f 值為 4.19hz，則被認(rèn)為 4.1 hz 送入到被測對象的輸入端） ，實(shí)驗(yàn)機(jī)將會(huì)把鼠標(biāo)點(diǎn)取的頻率點(diǎn)的頻率信號送入到被測對象的輸入端，然后檢測該頻率的頻率特性。檢測完成后在界面上方顯示該頻率點(diǎn)的f、l、im、re 相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)在曲線上打十字標(biāo)記 。如果增添的頻率點(diǎn)足夠多，則特性曲線將成為近似光滑的曲線。鼠標(biāo)在界面上移動(dòng)時(shí)，在界面的左下角將會(huì)同步顯示鼠標(biāo)位置所選取的角頻率 值及幅值或相位值。在(aedklabact兩階頻率特性數(shù)據(jù)表)中

41、將列出所有測試到的頻率點(diǎn)的閉環(huán) l、im、re 等相關(guān)數(shù)據(jù)測量。注：該數(shù)據(jù)表不能自動(dòng)更新，只能用關(guān)閉后再打開的辦法更新。 諧振頻率和諧振峰值的測試：在閉環(huán)對數(shù)幅頻曲線中用鼠標(biāo)在曲線峰值處點(diǎn)擊一下，待檢測完成后就可以根據(jù)十字標(biāo)記測得該系統(tǒng)的諧振頻率r ，諧振峰值 l(r)，見圖 3-2-5；實(shí)驗(yàn)結(jié)果可與式（3-2-9）的計(jì)算值進(jìn)行比對。注：注：用戶用鼠標(biāo)只能在幅頻或相頻特性曲線的界面上點(diǎn)擊所需增加的頻率點(diǎn)，無法在幅相曲線的界面上點(diǎn)擊所需增加的頻率點(diǎn)。 改變慣性環(huán)節(jié)開環(huán)增益：改變運(yùn)算模擬單元 a3 的輸入電阻 r=10k、4k、2k。ti=1（c1=2u） ，t=0.1（c2=1u） （ r 減小

42、（ 減?。?） 。改變慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)：改變運(yùn)算模擬單元 a3 的反饋電容 c2=1u、2u、3u。ti=1（c1=2u） ，k=25（r=4k） ， （c2增加 ( 減小)） 。模塊號跨接座號1a1s4，s82a2s2，s11，s123a3s8，s95a6s2，s61信號輸入b2（out2） a1（h1）2運(yùn)放級聯(lián)a1（out）a2（h1）3運(yùn)放級聯(lián)a3（out）a6（h1）4負(fù)反饋a3（out）a1（h2）6a6（out） a8（cin1）7a8（cout1） b4（a2）8相位測量b4（q2） b8（irq6）9幅值測量a6（out） b7（in4）10跨接元件（4k）元件庫 a11 中

43、可變電阻跨接到a2（out）和 a3（in）之間第三章 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)15改變積分環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)：改變運(yùn)算模擬單元 a3 的反饋電容 c1=1u、2u。t=0.1（c2=1u） ，k=25（r=4k） ，(c1 減小（ 減?。?。重新觀測結(jié)果，界面上方將顯示該系統(tǒng)用戶點(diǎn)取的頻率點(diǎn)的 、l、im、re、諧振頻率r ，諧振峰值 l(r)等相關(guān)數(shù)據(jù)，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。圖 3-2-5 被測二階閉環(huán)系統(tǒng)的對數(shù)幅頻曲線3.2.33.2.3 二階開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性曲線二階開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性曲線一實(shí)驗(yàn)要求一實(shí)驗(yàn)要求1研究表征系統(tǒng)穩(wěn)定程度的相位裕度和幅值穿越頻率對系統(tǒng)的影響。c2了解和掌握二階開環(huán)系統(tǒng)中的對數(shù)幅頻特

44、性和相頻特性，實(shí)頻特性 和虛頻特)(l)()re(性的計(jì)算。)im(3了解和掌握欠阻尼二階開環(huán)系統(tǒng)中的相位裕度和幅值穿越頻率的計(jì)算。c4觀察和分析欠阻尼二階開環(huán)系統(tǒng)波德圖中的相位裕度和幅值穿越頻率c，與計(jì)算值作比對。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟本實(shí)驗(yàn)用于觀察和分析二階開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性曲線。由于型系統(tǒng)含有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它在開環(huán)時(shí)響應(yīng)曲線是發(fā)散的，因此欲獲得其開環(huán)頻率特性時(shí)，還是需構(gòu)建成閉環(huán)系統(tǒng)，測試其閉環(huán)頻率特性，然后通過公式換算，獲得其開環(huán)頻率特性。 計(jì)算欠阻尼二階閉環(huán)系統(tǒng)中的幅值穿越頻率c、相位裕度 ：幅值穿越頻率： （3-2-3）24241nc相位裕度： （3-2-4）424122a

45、rctan)(180c 值越小，mp%越大，振蕩越厲害； 值越大，mp%小，調(diào)節(jié)時(shí)間 ts 越長，因此為使二階閉環(huán)系統(tǒng)不致于振蕩太厲害及調(diào)節(jié)時(shí)間太長，一般希望：3070 （3-2-5）本實(shí)驗(yàn)以第 3.2.2 節(jié)二階閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性曲線為例，得：諧振頻率 r諧振峰值l(r)愛迪克自控/計(jì)控原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)16 c =14.186 =34.93 本實(shí)驗(yàn)所構(gòu)成的二階系統(tǒng)符合式（3-2-5）要求。被測系統(tǒng)模擬電路圖的構(gòu)成如圖 3-2-2 所示。 （同二階閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性測試構(gòu)成）本實(shí)驗(yàn)將數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（b2）單元作為信號發(fā)生器，自動(dòng)產(chǎn)生的超低頻正弦信號的頻率從低到高變化（0.5hz16hz） ，out2 輸

46、出施加于被測系統(tǒng)的輸入端r(t)，然后分別測量被測系統(tǒng)的輸出信號的開環(huán)對數(shù)幅值和相位，數(shù)據(jù)經(jīng)相關(guān)運(yùn)算后在虛擬示波器中顯示。實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)步驟： （1）將數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（b2）輸出 out2 作為被測系統(tǒng)的輸入。（2）構(gòu)造模擬電路：安置短路套及測孔聯(lián)線表同笫 3.2.2 節(jié)二階閉環(huán)系統(tǒng)的頻率特性曲線測試 。（3）運(yùn)行、觀察、記錄： 將數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（b2）輸出 out2 作為被測系統(tǒng)的輸入，運(yùn)行 labact 程序，在界面的自動(dòng)控制自動(dòng)控制菜單下的線性線性控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析-實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，選擇二階系統(tǒng)階系統(tǒng)，就會(huì)彈出虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始開始，實(shí)驗(yàn)開始后，實(shí)驗(yàn)機(jī)將自動(dòng)產(chǎn)生

47、0.5hz16h 等多種頻率信號，等待將近十分鐘，測試結(jié)束后，觀察閉環(huán)對數(shù)幅頻、相頻曲線和幅相曲線。 待實(shí)驗(yàn)機(jī)把閉環(huán)閉環(huán)頻率特性測試結(jié)束后，再在示波器界面左上角的紅色開環(huán)或閉環(huán)字上雙擊，將在示波器界面上彈出開環(huán)閉環(huán)選擇框，點(diǎn)擊確定后，示波器界面左上角的紅字，將變?yōu)殚_環(huán)然后再在示波器界面下部頻率特性選擇框點(diǎn)擊（任一項(xiàng)） ，在示波器上將轉(zhuǎn)為開環(huán)開環(huán)頻率特性顯示界面。可點(diǎn)擊界面下方的“頻率特性”選擇框中的任意一項(xiàng)進(jìn)行切換，將顯示被測系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻、相頻特性曲線（伯德圖）和幅相曲線（奈奎斯特圖） 。在開環(huán)頻率特性界面上，亦可轉(zhuǎn)為閉環(huán)閉環(huán)頻率特性顯示界面，方法同上。在頻率特性顯示界面的左上角，有紅色

48、開環(huán)或閉環(huán)字表示當(dāng)前界面的顯示狀態(tài)。圖 3-2-4 的被測二階系統(tǒng)的開環(huán)開環(huán)對數(shù)幅頻曲線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖 3-2-6 所示。 顯示該系統(tǒng)用戶點(diǎn)取的頻率點(diǎn)的 、l、im、re實(shí)驗(yàn)機(jī)在測試頻率特性結(jié)束后，將提示用戶用鼠標(biāo)直接在幅頻或相頻特性曲線的界面上點(diǎn)擊所需增加的頻率點(diǎn)（為了教育上的方便，本實(shí)驗(yàn)機(jī)選取的頻率值 f，以 0.1hz 為分辨率，例如所選擇的信號頻率f 值為 4.19hz，則被認(rèn)為 4.1 hz 送入到被測對象的輸入端） ，實(shí)驗(yàn)機(jī)將會(huì)把鼠標(biāo)點(diǎn)取的頻率點(diǎn)的頻率信號送入到被測對象的輸入端，然后檢測該頻率的頻率特性。檢測完成后在界面上方顯示該頻率點(diǎn)的f、l、im、re 相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)在曲線上打

49、十字標(biāo)記 。如果增添的頻率點(diǎn)足夠多，則特性曲線將成為近似光滑的曲線。鼠標(biāo)在界面上移動(dòng)時(shí)，在界面的左下角將會(huì)同步顯示鼠標(biāo)位置所選取的角頻率 值及幅值或相位值。在aedklabact兩階頻率特性數(shù)據(jù)表中將列出所有測試到的頻率點(diǎn)的開環(huán) l、im、re 等相關(guān)數(shù)據(jù)測量。注：該數(shù)據(jù)表不能自動(dòng)更新，只能用關(guān)閉后再打開的辦法更新。 幅值穿越頻率c ，相位裕度 的測試：在開環(huán)對數(shù)幅頻曲線中，用鼠標(biāo)在曲線 l()=0 處點(diǎn)擊一下，待檢測完成后，就可以根據(jù)十字標(biāo)記測得系統(tǒng)的幅值穿越頻率c ，見圖 3-2-6 (a） ；同時(shí)還可在開環(huán)對數(shù)相頻曲線上根據(jù)十字標(biāo)記測得該系統(tǒng)的相位裕度 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可與式（3-2-11）和

50、（3-2-12）的理論計(jì)算值進(jìn)行比對。注 1：用戶用鼠標(biāo)只能在幅頻或相頻特性曲線的界面上點(diǎn)擊所需增加的頻率點(diǎn)，無法在幅相曲線的界面上點(diǎn)擊所需增加的頻率點(diǎn)。注 2：由于本實(shí)驗(yàn)機(jī)采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ad0809 分辨率（8 位）的局限，造成了信號幅度測量誤差。這誤差對閉環(huán)系統(tǒng)特性的測量影響不大；但是在計(jì)算和繪制開環(huán)對數(shù)幅頻、相頻曲線和幅相曲線時(shí)，這誤差就影響大了，反映到特性曲線上，感覺不平滑。注 3：頻率點(diǎn)如選擇在 0.1 hz0.4hz 時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ad0809 分辨率（8 位）的局限及被測系統(tǒng)的離第三章 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)17散性將帶來較大的誤差，其數(shù)據(jù)僅供參考。 改變慣性環(huán)節(jié)開環(huán)增益：改變運(yùn)

51、算模擬單元 a3 的輸入電阻 r=10k、4k、2k。ti=1（c1=2u） ，t=0.1（c2=1u） （ r 減?。?減小） ） 。改變慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)：改變運(yùn)算模擬單元 a3 的反饋電容 c2=1u、2u、3u。ti=1（c1=2u） ，k=25（r=4k） ， （c2增加 ( 減小)） 。改變積分環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)：改變運(yùn)算模擬單元 a3 的反饋電容 c1=1u、2u。t=0.1（c2=1u） ，k=25（r=4k） ，(c1 減?。?減?。?。重新觀測結(jié)果，界面上方將顯示該系統(tǒng)用戶點(diǎn)取的頻率點(diǎn)的 、l、im、re、諧振頻率r ，諧振峰值 l(r)等相關(guān)數(shù)據(jù)，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。圖 3-2-6 被

52、測二階開環(huán)系統(tǒng)的對數(shù)幅頻曲線3.2.43.2.4 頻率特性的時(shí)域分析頻率特性的時(shí)域分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟本實(shí)驗(yàn)將正弦波發(fā)生器（b5）單元sin測孔作為信號源，加于被測系統(tǒng)的輸入端，同時(shí)加到虛擬示波器 ch1 端口作為基準(zhǔn)，被測系統(tǒng)的輸出加到示波器 ch2 端口。待運(yùn)行停止后，虛擬示波器將以ch1 端口輸入的正弦信號周期，用弧度作為 x 軸坐標(biāo)進(jìn)行顯示。被測系統(tǒng)的模擬電路圖見圖 3-2-7。注：被測系統(tǒng)必須是一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)。注：被測系統(tǒng)必須是一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)。圖 3-2-7 被測系統(tǒng)的模擬電路圖實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟： （1）將函數(shù)發(fā)生器（b5）單元的正弦波輸出作為系統(tǒng)輸入。 在顯示與功能選擇（d

53、1）單元中，通過波形選擇按鍵選中正弦波 （正弦波指示燈亮） 。 量程選擇開關(guān) s2 置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器 2” ，使之正弦波頻率為 5hz（d1 單元右顯示） 。 調(diào)節(jié) b5 單元的“正弦波調(diào)幅”電位器，使之正弦波峰峰值輸出電壓= 2.5v 左右（d1 單元左顯示）。（2）構(gòu)造模擬電路：按圖 3-2-7 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)線穿越頻率 c愛迪克自控/計(jì)控原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)18（3）虛擬示波器（b3）的聯(lián)接：b5 單元 sin 測孔接 ch1，a6 單元信號輸出端 out 接 ch2。（4）運(yùn)行、觀察、記錄： 運(yùn)行 labact 程序，在界面的自動(dòng)控制自動(dòng)控

54、制菜單下的線性線性控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析-實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，選擇時(shí)域分析時(shí)域分析，就會(huì)彈出虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始開始，用示波器觀察波形，應(yīng)避免系統(tǒng)進(jìn)入非線性狀態(tài)。 把正弦波發(fā)生器 b5 單元作為信號發(fā)生器，產(chǎn)生的超低頻正弦信號，頻率為 5hz 左右，正弦波峰峰值輸出電壓= 2.5v 左右施加于被測系統(tǒng)的輸入端r(t)。 程序正常運(yùn)行時(shí)，示波器的 x 軸仍按時(shí)間 t 顯示；點(diǎn)擊停止停止鍵后，則示波器將以 ch1 點(diǎn)擊時(shí)刻測得正弦波信號的周期，轉(zhuǎn)為弧度作為 x 軸坐標(biāo)來顯示。3.3 線性系統(tǒng)的校正與狀態(tài)反饋線性系統(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

55、定性能指標(biāo)的前提下，要求設(shè)計(jì)者選擇控制器（校正網(wǎng)絡(luò)）的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使控制器和被控對象組成一個(gè)性能滿足指標(biāo)要求的系統(tǒng)。3.3.13.3.1 頻域法串聯(lián)超前校正頻域法串聯(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(shí)現(xiàn)的。一實(shí)驗(yàn)要求一實(shí)驗(yàn)要求1了解和掌握二階系統(tǒng)中的閉環(huán)和開環(huán)對數(shù)幅頻特性和相頻特性（波德圖）的構(gòu)造及繪制方法。2了解和掌握超前校正的原理，及超前校正網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)的計(jì)算。3熟練掌握使用本實(shí)驗(yàn)機(jī)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。4觀察和分析系統(tǒng)未校正和串聯(lián)超前校正后的開環(huán)對數(shù)幅頻特性和相頻特性，幅值穿越)(l)(頻率處 c，相位裕度 ，

56、并與理論計(jì)算值作比對。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟本實(shí)驗(yàn)用于觀察和分析引入頻域法串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)后的二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。超前校正的原理是利用超前校正網(wǎng)絡(luò)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(dòng)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(yīng)速度也加快。1未校正系統(tǒng)的時(shí)域特性的測試未校正系統(tǒng)的時(shí)域特性的測試未校正系統(tǒng)模擬電路圖見圖 3-3-2。本實(shí)驗(yàn)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(shí)被測

57、系統(tǒng)的時(shí)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：0.3s)0.2s(16)s(g模擬電路的各環(huán)節(jié)參數(shù)：積分環(huán)節(jié)（a5 單元）的積分時(shí)間常數(shù) ti=r1*c1=0.2s， 模塊號跨接座號1a1s2，s62a6s4，s7，s91信號輸入b5（sin）a1（h1）2運(yùn)放級聯(lián)a1（out）a6（h1）第三章 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)19慣性環(huán)節(jié)（a6 單元）的慣性時(shí)間常數(shù) t=r2*c2=0.3s， 開環(huán)增益 k=r2/r3=6。實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)步驟： 注：注：s st 用用“短路套短路套”短接！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。

58、（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） 。（1）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。（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線模塊號跨接座號1a1s4，s82a3s1，s63a5s4，s104a6s4，s8，s95b5s-st（3）運(yùn)行、觀察、記錄： 運(yùn)行 labact 程序，在界面自動(dòng)控制自動(dòng)控制菜單下的“線性

59、系統(tǒng)的校正和狀態(tài)反饋線性系統(tǒng)的校正和狀態(tài)反饋” -實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，選中“線性系統(tǒng)的校正線性系統(tǒng)的校正”項(xiàng)，彈出線性系統(tǒng)的校正的界面，點(diǎn)擊開始開始，用虛擬示波器 ch1 觀察系統(tǒng)輸出信號。 觀察 out 從 0v 階躍+2.5v 時(shí)被測系統(tǒng)的時(shí)域特性，等待一個(gè)完整的波形出來后，點(diǎn)擊停止停止，然后移動(dòng)游標(biāo)測量其超調(diào)量、峰值時(shí)間及調(diào)節(jié)時(shí)間。在未校正系統(tǒng)的時(shí)域特性特性曲線上可測得時(shí)域特性：超調(diào)量 mp= 56.4 % 峰值時(shí)間 tp= 0.32s 調(diào)節(jié)時(shí)間 ts= 1.8s(=5 時(shí))2未校正系統(tǒng)的頻域特性的測試未校正系統(tǒng)的頻域特性的測試本實(shí)驗(yàn)將數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（b2）單元作為信號發(fā)生器，自動(dòng)產(chǎn)生的超低頻正弦信

60、號的頻率從低到高變化（0.5hz16hz） ，out2 輸出施加于被測系統(tǒng)的輸入端r(t)，然后分別測量被測系統(tǒng)的輸出信號的對數(shù)幅值和相位，數(shù)據(jù)經(jīng)相關(guān)運(yùn)算后在虛擬示波器中顯示。未校正系統(tǒng)頻域特性測試的模擬電路圖見圖 3-3-4。1信號輸入r(t)b5（out）a1（h1）2運(yùn)放級聯(lián)a1（out）a5（h1）3運(yùn)放級聯(lián)a5（out）a6（h1）4負(fù)反饋a6（out）a1（h2）5運(yùn)放級聯(lián)a6（out）a3（h1）愛迪克自控/計(jì)控原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)20圖 3-3-4 未校正系統(tǒng)頻域特性測試的模擬電路圖 實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)步驟： （1）將數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（b2）輸出 out2 作為被測系統(tǒng)的輸入。（2）構(gòu)造模擬電