自動控制原理試驗指導書

1、第一局部 使用說明書 .1 1第章系統(tǒng)概述.1 1第二章硬件的組成及使用 .2 2第二局部 實驗指導書.5 5第一章控制理論實驗.5 5實驗一典型環(huán)節(jié)的 電路模擬 .5實驗二二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應 .11實驗三高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性分析 .14實驗五典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)頻率特性的測量 .16實驗七典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性 .21實驗十三 采樣控制系統(tǒng)的分析 .26附錄 上位機軟件使用流程 .2929筒天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技30天煌教儀第一局部使用說明書第一章系統(tǒng)概述“THKKL-6 型控制理論及計算機控制技術實驗箱是我公司結合教學和實踐的需要而進行 精心設計的

2、實驗系統(tǒng)。適用于高校的控制原理、計算機控制技術等課程的實驗教學。該實驗箱 具有實驗功能全、資源豐富、使用靈活、接線可靠、操作快捷、維護簡單等優(yōu)點。實驗箱的硬件局部主要由直流穩(wěn)壓電源、低頻信號發(fā)生器、階躍信號發(fā)生器、交/直流數(shù)字電壓表、電阻測量單元、示波器接口、CPU 51單片機模塊、單片機接口、步進電機單元、直流電機單元、溫度控制單元、通用單元電路、電位器組等單元組成。數(shù)據(jù)采集局部采用USB2.0接口，它可直接插在舊M-PC/AT或與之兼容的計算機USB通 訊口上，有4路單端A/D模擬量輸入，轉換精度為12位；2路D/A模擬量輸出，轉換精度為12位；上位機軟件那么集中了虛擬示波器、信號發(fā)生器、

3、Bode圖等多種功能于一體。在實驗設計上，控制理論既有模擬局部的實驗，又有離散局部實驗；既有經(jīng)典控制理論實 驗，又有現(xiàn)代控制理論實驗；計算機控制系統(tǒng)除了常規(guī)的實驗外，還增加了當前工業(yè)上應用廣 泛、效果卓著的模糊控制、神經(jīng)元控制、二次型最優(yōu)控制等實驗；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驗箱提供電源。有+5V/0.5A、=d5V/0.5A及+24V/2.0A四路，每路均有短路保護自恢復功能。它們的開關分別由相關的鈕子開關控制，并由相應發(fā)光二極管 指示。其中+24V主要用于溫度控制單元。實驗前，啟動實驗箱左側的電源總開關。并根據(jù)需要將+5V、凸5V、+24V鈕子開關拔到

4、 開的位置。實驗時，通過2號連接導線將直流電壓接到需要的位置。二、 低頻信號發(fā)生器低頻信號發(fā)生器主要輸出有正弦信號、方波信號、斜坡信號和拋物線信號四種波形信號。輸出頻率由上位機設置， 頻率范圍0.1 Hz 100Hz?？梢酝ㄟ^幅度調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)各個波形的 幅度，而斜坡和拋物波信號還可以通過斜率調(diào)節(jié)電位器來改變波形的斜率。三、 鎖零按鈕鎖零按鈕用于實驗前運放單元中電容器的放電。使用時用二號實驗導線將對應的接線柱與 運放的輸出端連接。當按下按鈕時，通用單元中的場效應管處于短路狀態(tài)，電容器放電，讓電 容器兩端的初始電壓為0V ;當按鈕復位時，單元中的場效應管處于開路狀態(tài)，此時可以開始實驗。四、 階

5、躍信號發(fā)生器階躍信號發(fā)生器主要提供實驗時的階躍給定信號，其輸出電壓范圍約為-15V+15V ,正負檔連續(xù)可調(diào)。使用時根據(jù)需要可選擇正輸出或負輸出，具體通過階躍信號發(fā)生器單元的鈕子開關來實現(xiàn)。當按下自鎖按鈕時，單元的輸出端輸出一個可調(diào)的階躍信號 當輸出電壓為1V時, 即為單位階躍信號，實驗開始；當按鈕復位時，單元的輸出端輸出電壓為0V。注：單元的輸出電壓可通過實驗箱上的直流數(shù)字電壓表來進行測量。五、 電阻測量單元可以通過輸出的電壓值來得到未知的電阻值，本單元可以在實驗時方便地設置電位器的阻 值。當鈕子開關撥到X10k位置時，所測量的電阻值等于輸出的電壓值乘以10,單位為千歐。當鈕子開關撥到X10

6、0k位置時，所測量的電阻值等于輸出的電壓值乘以100,單位為千歐。注：為了得到一個較準確的電阻值，應該選擇適當?shù)臋n位，盡量保證輸出的電壓與1V更接近。六、 交/直流數(shù)字電壓表交/直流數(shù)字電壓表有三個量程，分別為200mV、2V、20V。當自鎖開關不按下時，它作直流電壓表使用，這時可用于測量直流電壓；當自鎖開關按下時，作交流毫伏表使用，它具有頻 帶寬10Hz400kHz、精度高1kHz時：土5%和真有效值測量的特點，即使測量窄脈沖信 號，也能測得其精確的有效值，其適用的波峰因數(shù)范圍可到達10。七、 通用單元電路O天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技3天煌教儀通用單元電路

7、具體有“通用單元1“通用單元6、“反相器單元和“系統(tǒng)能控性與能觀性分析等單元。這些單元主要由運放、電容、電阻、電位器和一些自由布線區(qū)等組成。通 過不同的接線，可以模擬各種受控對象的數(shù)學模型，主要用于比例、積分、微分、慣性等電路 環(huán)節(jié)的構造。一般為反向端輸入，其中電阻多為常用阻值51k、100k、200k、510k;電容多在反應端，容值為0.1uF、1uF、10uF。以組建積分環(huán)節(jié)為例，積分環(huán)節(jié)的時間常數(shù)為1s。首先確定帶運放的單元，且其前后的元器件分別為100k、10uF (T=100kX10uF=1s)，通過觀察 通用單元1可滿足要求，然后將100k和10uF通過實驗導線連接起來。實驗前先按

8、下鎖零按鈕對電容放電，然后用2號導線將單位階躍信號輸出端接到積分單元的輸入端，積分電路的輸出端接至反向器單元，保證輸入、輸出方向的一致性。然后按下鎖零按鈕和階躍信號輸出按鈕，用示波器觀察輸出曲線，其具體電路如以下圖所示。JT-J N八、非線性單元由一個含有兩個單向二極管并且需要外加=d5V直流電源，可研究非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性和非線性系統(tǒng)。其中10k電位器由電位器組單元提供。電位器的使用可由2號導線將電位器引出端點接入至相應電路中。但在實驗前先斷開電位器與電路的連線，用萬用表測量好所需R的阻值，然后再接入電路中。九、采樣保持器它采用“采樣-保持器組件LF398 ,具有將連續(xù)信號離散后再由零階保持

9、器輸出的功能， 其采樣頻率由外接的方波信號頻率決定。使用時只要接入外部的方波信號及輸入信號即可。十、單片機控制單元主要用于計算機控制實驗局部，其作用為計算機控制算法的執(zhí)行。主要由單片機(AT89S52)、AD采集(AD7323 ,四路12位，電壓范圍：-10V+10V )和DA輸出(LTC1446,兩路12位，電壓范圍：-10V+10V )三局部組成。發(fā)光二極管可顯示AD轉換結果(由具體程序而定)。十一、實物實驗單元包括溫度控制單元、直流電機單元和步進電機單元，主要用于計算機控制技術實驗中，使 用方法詳見實驗指導書。十二、數(shù)據(jù)采集卡采用ADUC7021和CY68013芯片組成，支持4路AD (

10、-10V+10V )采集，兩路DA(-10V+10V )輸出。采樣頻率為40k,轉換精度為12位，配合上位機可進行常規(guī)信號采集顯 示、模擬量輸出、頻率特性分析等功能。磷天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技4天煌教儀考前須知：1.每次連接線路前要關閉電源總開關。2.按照實驗指導書連接好線路后，仔細檢查線路是否連接正確、電源有無接反。如確認無 誤前方可接通電源開始實驗。筒天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技30天煌教儀第二局部實驗指導書第一章控制理論實驗實驗一典型環(huán)節(jié)的電路模擬、實驗目的1.熟悉THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱及“T

11、HKKL-6軟件的使用;2.熟悉各典型環(huán)節(jié)的階躍響應特性及其電路模擬；3.測量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應曲線，并了解參數(shù)變化對其動態(tài)特性的影響。、實驗設備1. THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱;2. PC機一臺(含“THKKL-6軟件)；3. USB接口線。三、實驗內(nèi)容1.設計并組建各典型環(huán)節(jié)的模擬電路；2.測量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應，并研究參數(shù)變化對其輸出響應的影響。四、實驗原理自控系統(tǒng)是由比例、積分、微分、慣性等環(huán)節(jié)按一定的關系組建而成。熟悉這些典型環(huán)節(jié) 的結構及其對階躍輸入的響應，將對系統(tǒng)的設計和分析十分有益。本實驗中的典型環(huán)節(jié)都是以運放為核心元件構成，其原理框圖如圖1-1所示。圖

12、中Zi和Z2表示由R、C構成的復數(shù)阻抗。圖1-1典型環(huán)節(jié)的原理框圖1.比例(P)環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)的特點是輸出不失真、不延遲、成比例地復現(xiàn)輸出信號的變化。它的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：G(S)=)=KUi(S)1當Ui(S)輸入端輸入一個單位階躍信號，且比例系數(shù)為K時的響應曲線如圖1-2所示。磁天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技6天煌教儀圖1-2比例環(huán)節(jié)的響應曲線筒天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技30天煌教儀2.積分(I)環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)的輸出量與其輸入量對時間的積分成正比。它的傳遞函數(shù)與方框圖分別為:6(司=項以=上竺廠匚=Ui(S) TsH T

13、s設Ui(S)為一單位階躍信號，當積分系數(shù)為T時的響應曲線如圖1-3所示。電壓3.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：GUO(S)R2CS 1 _ R21.1、G (S) (I )Ui(S)R1CSR1R1CSR1R2CS其中T=R2C, K=R2/RI設Ui(S)為一單位階躍信號，圖1-4示出了比例系數(shù)(K)為1、積分系數(shù)為T時的PI輸出響 應曲線。圖1-4比例積分環(huán)節(jié)的響應曲線4.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：R2一一G(s) =K(1 +TS) = (1十RICS)其中K =R2/ RI,T = R1CR1設Ui(S)為一單位階躍信號，圖

14、1-5示出了比例系數(shù)(K)為2、微分系數(shù)為T時PD的輸出響 應曲線。電壓V- H時U1-】伊0圖1-3積分環(huán)節(jié)的響應曲線磁天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技6天煌教儀圖1-5比例微分環(huán)節(jié)的響應曲線筒天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技30天煌教儀5.比例積分微分(PID)環(huán)節(jié)比例積分微分(PID)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為:1G(s) = Kp - TDSTISR1C1R2C2其中Kp =-, TI=RC2 ,TD=R2C1R1C2_ (R2C2S 1)(R1C1S 1)一R1C2SR2C2RC11口=-十-十R2C1SRC2R1C2S設

15、Ui(S)為一單位階躍信號，圖1-6示出了比例系數(shù)(K)為1、微分系數(shù)為TD、積分系數(shù)為TI時PID的輸出。五、實驗步驟1.比例(P)環(huán)節(jié)根據(jù)比例環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實驗箱上的通用電路單元設計并組建相應的模擬電路，如圖6.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：GUO(S)KG (S)Ui(S) TS 1Ts-bl院)當Ui(S)輸入端輸入一個單位階躍信號，且放大系數(shù)圖1-7所示。(K)為1、時間常數(shù)為T時響應曲線如圖1-6 PID環(huán)節(jié)的響應曲線電.H-.f叫*磁天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技6天煌教儀圖中后一個單元為反相器，其中R0=200k。1-8所示。圖1

16、-8比例環(huán)節(jié)的模擬電路O天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技8天煌教儀假設比例系數(shù)K=1Ri=100k , R2=100k。假設比例系數(shù)K=2時，電路中的參數(shù)?。篟i=100k , R2=200k。當山為一單位階躍信號時，用“THKKL-6軟件觀測并記錄相應K值時的實驗曲線，并與理論值進行比擬。另外R2還可使用可變電位器，以實現(xiàn)比例系數(shù)為任意的設定值。注： 實驗中注意“鎖零按鈕和“階躍按鍵的使用，實驗時應先彈出鎖零按鈕，然后按下 階躍按鍵，具體請參考第一局部“硬件的組成及使用相關局部； 為了更好的觀測實驗曲線，實驗時可適當調(diào)節(jié)軟件上的時間軸刻度，以下實驗相同。2.積分

17、(I)環(huán)節(jié)根據(jù)積分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實驗箱上的通用電路單元設計并組建相應的模擬電路，如圖1-9所示。圖1-9積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖中后一個單元為反相器，其中R0=200k。假設積分時間常數(shù)T=1s時，電路中的參數(shù)取：R=100k , C=10uF(T=RC=100k 10uF=1s);假設積分時間常數(shù)T=0.1s時，電路中的參數(shù)?。篟=100k , C=1uF(T=RC=100k 1uF=0.1s);當山為單位階躍信號時，用“THKKL-6軟件觀測并記錄相應T值時的輸出響應曲線，并 與理論值進行比擬。注：由于實驗電路中有積分環(huán)節(jié)，實驗前一定要用“鎖零單元對積分電容進行鎖零。3.比例積分(PI)環(huán)

18、節(jié)根據(jù)比例積分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實驗箱上的通用電路單元設計并組建相應的模擬電路, 如圖1-10所示。圖1-10比例積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖中后一個單元為反相器，其中R0=200k。假設取比例系數(shù)K=1、積分時間常數(shù)T=1s時，電路中的參數(shù)?。篟1=100k,R2=100k, C=10uF(K= R2/ RI=1 ,T=R2C=100k X10uF=1s);假設取比例系數(shù)K=1、積分時間常數(shù)T=0.1s時，電路中的參數(shù)?。篟1=100k, R2=100k,C=1uF(K= R2/ RI=1 ,T=R2C=100k X1uF=0.1s)o注：通過改變R R2 2、R RI、C C的值可改變比例積分環(huán)節(jié)

19、的放大系數(shù)K K和積分時間常數(shù)ToTo當ui為單位階躍信號時，用“THKKL-6軟件觀測并記錄不同K及T值時的實驗曲線,天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技10天煌教儀并與理論值進行比擬。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，選擇實驗箱上的通用電路單元設計并組建其模擬電路，如圖1-11所示。圖1-11比例微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖中后一個單元為反相器，其中R0=200k。假設比例系數(shù)K=1、微分時間常數(shù)T=0.1s時，電路中的參數(shù)取：R1=100k , R2=100k, C=1uF(K= R2/ R1=1 ,T=RC=100k X1uF=0.1s);假設比例系數(shù)

20、K=1、微分時間常數(shù)T=1s時，電路中的參數(shù)取：R1=100k, R2=100k, C=10uF(K= R2/ RI=1 ,T=R1C=100k X10uF=1s);當ui為一單位階躍信號時，用“THKKL-6軟件觀測并記錄不同K及T值時的實驗曲線，并與理論值進行比擬。5.比例積分微分(PID)環(huán)節(jié)根據(jù)比例積分微分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實驗箱上的通用電路單元設計并組建其相應的模擬 電路，如圖1-12所示。圖1-12比例積分微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖中后一個單元為反相器，其中R0=200k。假設比例系數(shù)K=2、 積分時間常數(shù)TI=0.1s、 微分時間常數(shù)TD=0.1s時， 電路中的參數(shù)?。篟1=100k

21、, R2=100k ,CI=1UF、C2=1uF (K= (RICI+ R2C2)/ R1C2=2, Ti=RC2=100k X1uF=0.1s, TD=R2C1=100k XuF=0.1s);假設比例系數(shù)K=1.1、 積分時間常數(shù)TI=1s、 微分時間常數(shù)TD=0.1s時， 電路中的參數(shù)?。篟1=100k , R2=100k,CI=1UF、C2=10uF (K= (R1C1+ R2C2)/ R1C2=1.1 , Ti=RC2=100k X10uF=1s, TD=R2C1=100k XuF=0.1s);當ui為一單位階躍信號時，用“THKKL-6軟件觀測并記錄不同K、TD值時的實驗曲 線，并與

22、理論值進行比擬。6.慣性環(huán)節(jié)根據(jù)慣性環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實驗箱上的通用電路單元設計并組建其相應的模擬電路，如 圖1-13所示。天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技10天煌教儀圖1-13慣性環(huán)節(jié)的模擬電路圖中后一個單元為反相器，其中R0=200k。假設比例系數(shù)K=1、時間常數(shù)T=1s時，電路中的參數(shù)?。篟i=l00k, R2=100k , C=10uF(K= R2/ Ri=1 ,T=R2C=100k X10uF=1s)o假設比例系數(shù)K=1、時間常數(shù)T=0.1s時，電路中的參數(shù)?。篟1=100k , R2=100k, C=1uF(K= R2/ R1=1 ,T=R2C=100

23、k X1uF=0.1s)o通過改變R R2 2、R RC C的值可改變慣性環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K K和時間常數(shù)To當山為一單位階躍信號時，用“THKKL-6軟件觀測并記錄不同K及T值時的實驗曲線， 并與理論值進行比擬。7.根據(jù)實驗時存儲的波形及記錄的實驗數(shù)據(jù)完成實驗報告。六、 實驗報告要求1.畫出各典型環(huán)節(jié)的實驗電路圖，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)測得的典型環(huán)節(jié)單位階躍響應曲線，分析參數(shù)變化對動態(tài)特性的影響。七、 實驗思考題1.用運放模擬典型環(huán)節(jié)時，其傳遞函數(shù)是在什么假設條件下近似導出的？2.積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差異是什么？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

24、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)實驗中，如何根據(jù)單位階躍響應曲線的波形，確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)？4.為什么實驗中實際曲線與理論曲線有一定誤差？5.為什么PD實驗在穩(wěn)定狀態(tài)時曲線有小范圍的振蕩？天煌一教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技12天煌教儀實驗二 二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應一、 實驗目的1.通過實驗了解參數(shù) 匚阻尼比、n阻尼自然頻率的變化對二階系統(tǒng)動態(tài)性能的影響;2.掌握二階系統(tǒng)動態(tài)性能的測試方法。二、 實驗設備1. THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱;2. PC機一臺含“THKKL-6軟件；3. USB接口線；、

25、實驗內(nèi)容0 ； 1 ,匚=1和匚1三種情況下的單位階躍響應曲線；使系統(tǒng)的阻尼比C=，測量此時系統(tǒng)的超調(diào)量8p、調(diào)2P節(jié)時間ts = 0.053.；為一定時，觀測系統(tǒng)在不同四、實驗原理1.二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應用二階常微分方程描述的系統(tǒng)，稱為二階系統(tǒng)，其標準形式的閉環(huán)傳遞函數(shù)為2CS _nRSS22nS，n2閉環(huán)特征方程：S22nS；=0其解5,2 =-匚的nn/匚2一1,針對不同的匚值，特征根會出現(xiàn)以下三種情況：1 0二1欠阻尼，5,2 =二切n jnW -；2此時，系統(tǒng)的單位階躍響應呈振蕩衰減形式，其曲線如圖2-1的a所示。它的數(shù)學表達式為：Ct =1 -一1e- ntSindt：.1 -2式中

26、cod=穌、，1_二2，臼=tg?。2匚=1臨界阻尼&2=-此時，系統(tǒng)的單位階躍響應是一條單調(diào)上升的指數(shù)曲線，如圖2-1中的b所示。3匚1過阻尼，SI,2=二斜斜J匚2T此時系統(tǒng)有二個相異實根，它的單位階躍響應曲線如圖2-1的c所示。1.觀測二階系統(tǒng)的阻尼比分別在2.調(diào)節(jié)二階系統(tǒng)的開環(huán)增益K,斜時的響應曲線。(2-1)筒天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技30天煌教儀(a)欠阻尼(0 ； 1)圖2-1二階系統(tǒng)的動態(tài)響應曲線雖然當；=1或匚1時，系統(tǒng)的階躍響應無超調(diào)產(chǎn)生，但這種響應的動態(tài)過程太緩慢，故 控制工程上常采用欠阻尼的二階系統(tǒng)，一般取匚=0.60.7,此

27、時系統(tǒng)的動態(tài)響應過程不僅快速,而且超調(diào)量也小。2.二階系統(tǒng)的典型結構典型的二階系統(tǒng)結構方框圖和模擬電路圖如2-2、如2-3所示。五、實驗步驟根據(jù)圖2-3,選擇實驗箱上的通用電路單元設計并組建模擬電路。1.切n值一定時，圖2-3中取C=1uF, R=100k(此時由n=10), Rx阻值可調(diào)范圍為0470k。 系統(tǒng)輸入一單位階躍信號，在以下幾種情況下，用“THKKL-6軟件觀測并記錄不同 匚值時的 實驗曲線。電路參考單元為：通用單元1、通用單元由圖2-2可得其開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)=ST%，其中：K專2、通用單元3、反相器單元、電位器組R(T1= RXC , T2= RC)R其閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

28、KT1W(S)=S2SKTITI圖2-2二階系統(tǒng)的方框圖圖2-3二階系統(tǒng)的模擬電路圖與式2-1相比擬，可得天煌一教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技12天煌教儀1.1當可調(diào)電位器Rx=250k時，t =0.2,系統(tǒng)處于欠阻尼狀態(tài)，其超調(diào)量為53%左右;1.2假設可調(diào)電位器Rx=70.7k時，匚=0.707,系統(tǒng)處于欠阻尼狀態(tài)，其超調(diào)量為4.3%左右;1.3假設可調(diào)電位器Rx=50k時，匚=1 ,系統(tǒng)處于臨界阻尼狀態(tài)；1.4假設可調(diào)電位器Rx=25k時，匚=2,系統(tǒng)處于過阻尼狀態(tài)。2.匚值一定時，圖2-4中取R=100k , Rx=250k此時；=0.2。系統(tǒng)輸入一單位階躍

29、信號， 在以下幾種情況下，用“THKKL-6軟件觀測并記錄不同con值時的實驗曲線。2.1假設取C=10uF時，切n=12.2假設取C=0.1uF可從無源元件單元中取時， 場=100注：由于實驗電路中有積分環(huán)節(jié)，實驗前一定要用鎖零單元對積分電容進行鎖零。六、實驗報告要求1.畫出二階系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)的實驗電路，并寫出閉環(huán)傳遞函數(shù)，說明電路中的各參數(shù)；2.根據(jù)測得系統(tǒng)的單位階躍響應曲線， 分析開環(huán)增益K和時間常數(shù)T對系統(tǒng)的動態(tài)性能 的影響。七、實驗思考題1.如果階躍輸入信號的幅值過大，會在實驗中產(chǎn)生什么后果?2.在電路模擬系統(tǒng)中，如何實現(xiàn)負反應和單位負反應？3.為什么本實驗中二階系統(tǒng)對階躍輸入信號

30、的穩(wěn)態(tài)誤差為零?筒天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技30天煌教儀實驗三高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性分析、實驗目的1.通過實驗，進一步理解線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性僅取決于系統(tǒng)本身的結構和參數(shù), 初始條件均無關的特性；2.研究系統(tǒng)的開環(huán)增益K或其它參數(shù)的變化對閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。二、實驗設備1. THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱;2. PC機一臺含“THKKL-6軟件；3. USB接口線；、實驗內(nèi)容觀測三階系統(tǒng)的開環(huán)增益K為不同數(shù)值時的階躍響應曲線。四、實驗原理三階系統(tǒng)及三階以上的系統(tǒng)統(tǒng)稱為高階系統(tǒng)。 一個高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應是由一階和二階系 統(tǒng)的瞬態(tài)響應組成。控制

31、系統(tǒng)能投入實際應用必須首先滿足穩(wěn)定的要求。線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是其特征方程式的根全部位于S平面的左方。應用勞斯判據(jù)就可以判別閉環(huán)特征方程式的根在S平面上的具體分布，從而確定系統(tǒng)是否穩(wěn)定。本實驗是研究一個三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性與其參數(shù)K對系統(tǒng)性能的關系。三階系統(tǒng)的方框圖和電路參考單元為：通用單元1、通用單元2、通用單元3、通用單元4、反相器單元、電位器組與外作用及模擬電路圖如圖3-1、圖3-2所示。RWK1K2T圖3-1三階系統(tǒng)的方框圖筒天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技30天煌教儀系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)=- -S(TS 1)(T2S 1)S(0.1S 1)(0.5

32、S 1)筒天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技30天煌教儀式中E=1s, L =0.1s, T2=0.5s , K=三些，K1=1 ,膏=迎其中待定電阻Rx的單RX位為kQ,改變R的阻值，可改變系統(tǒng)的放大系數(shù)K。由開環(huán)傳遞函數(shù)得到系統(tǒng)的特征方程為:_3一2- _S3+12S2+ 20S + 20K = 0由勞斯判據(jù)得：0K12系統(tǒng)不穩(wěn)定圖3-3三階系統(tǒng)在不同放大系數(shù)的單位階躍響應曲線五、 實驗步驟根據(jù)圖3-2所示的三階系統(tǒng)的模擬電路圖，組建該系統(tǒng)的模擬電路。當系統(tǒng)輸入一單位階躍信號時，在以下幾種情況下，用上位軟件觀測并記錄不同K值時的實驗曲線。1.假設K=5時，系統(tǒng)穩(wěn)

33、定，此時電路中的RX取100k左右；2.假設K=12時，系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)，此時電路中的RX取42.5k左右實際值為47k左右;3.假設K=20時，系統(tǒng)不穩(wěn)定，此時電路中的RX取25k左右。六、 實驗報告要求1.畫出三階系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)的實驗電路，并寫出其閉環(huán)傳遞函數(shù)， 說明電路中的各參數(shù)。2.根據(jù)測得的系統(tǒng)單位階躍響應曲線，分析開環(huán)增益對系統(tǒng)動態(tài)特性及穩(wěn)定性的影響。七、實驗思考題對三階系統(tǒng)，為使系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，開環(huán)增益K應適量取大還是取小？a不穩(wěn)定b臨界筒天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技30天煌教儀實驗五 典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)頻率特性的測量一、 實驗目的1.了解典型環(huán)節(jié)

34、和系統(tǒng)的頻率特性曲線的測試方法；2.根據(jù)實驗求得的頻率特性曲線求取傳遞函數(shù)。二、 實驗設備1. THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱;2. PC機一臺含“THKKL-6軟件；3. USB接口線。三、 實驗內(nèi)容1.慣性環(huán)節(jié)的頻率特性測試；2.二階系統(tǒng)頻率特性測試；3.由實驗測得的頻率特性曲線，求取相應的傳遞函數(shù)；4.用軟件仿真的方法，求取慣性環(huán)節(jié)和二階系統(tǒng)的頻率特性。四、實驗原理1.系統(tǒng)環(huán)節(jié)的頻率特性設GS為一最小相位系統(tǒng)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。如在它的輸入端施加一幅值為Xm、頻率為o的正弦信號，那么系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出為y =YmSin，t =XmGj，sin t由式得出系統(tǒng)輸出，輸入信號的幅值比

35、相位差相頻特性式中|Gjco和。切都是輸入信號 切的函數(shù)。2.頻率特性的測試方法2.1李沙育圖形法測試2.1.1幅頻特性的測試由于6切=墮=多Xm2Xm改變輸入信號的頻率，即可測出相應的幅值比，并計算-一2YmL切=20log A切=20log-dB2Xm其測試框圖如下所示:YmXmG(j )XmXm=Gg幅頻特性筒天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技30天煌教儀圖5-1幅頻特性的測試圖(李沙育圖形法)注：示波器同一時刻只輸入一個通道，即系統(tǒng)(環(huán)節(jié))的輸入或輸出。2.1.2相頻特性的測試lust廣姑(w t+4 J通餐照柄q st生.I_H袖節(jié)峨嘉必-圖5-2幅頻特性

36、的測試圖(李沙育圖形法)令系統(tǒng)(環(huán)節(jié))的輸入信號為：X(t) =Xm msin t(5-1)那么其輸出為Y(t)=Ymsin( t .)(5-2)對應的李沙育圖形如圖5-2所示。假設以t為參變量，那么X(t)與Y(t)所確定點的軌跡將在示波器的屏幕上形成一條封閉的曲線(通常為橢圓)，當t=0時，X(0) = 0由式(5-2)得Y(0) =YmSin()1Y(0).A2Y(0)于正有()=sinsin(5-3)Ym2Ym同理可得(，)=sin12(5-4)2Xm其中2Y(0)為橢圓與Y軸相交點間的長度；2X(0)為橢圓與X軸相交點間的長度。式(5-3)、(5-4)適用于橢圓的長軸在一、三象限；當

37、橢圓的長軸在二、四時相位。的計算公式變?yōu)椋?)=1800-sin2Y(02Ym或()=1800-sinJ2X(0)2Xm下表列出了超前與滯后時相位的計算公式和光點的轉向。天煌一教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技12天煌教儀相角中超前滯后0口90 90 1800。9090 1806圖形*車力，計算公式一-1=Sin 2Y0/(2Ym)=Sin-12X0/(2Xm)華=180 -Sin-12Y0/(2Ym)=180 -Sin-12X0/(2Xm)一-1牝Sin 2Y0/(2Ym)=Sin-12X0/(2Xm)=180-Sin-12Y0/(2Ym)=180 -Sin-12X0

38、/(2Xm)光點轉向順時針順時針逆時針逆時針2.2用虛擬示波器測試D/A1 1-被測環(huán)節(jié)或系統(tǒng)-A/D- 虛 擬 示波器圖5-3用虛擬示波器測試系統(tǒng)環(huán)節(jié)的頻率特性可直接用軟件測試出系統(tǒng)環(huán)節(jié)的頻率特性，其中Ui信號由虛擬示波器掃頻輸出直接點 擊開始分析即可產(chǎn)生，并由信號發(fā)生器1開關撥至正弦波輸出。測量頻率特性時，信號發(fā)生器1的輸出信號接到被測環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的輸入端和示波器接口的通道1。被測環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的輸出信號接示波器接口的通道2。3.慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)和電路圖為林一usKGS-uis TS 1圖5-4慣性環(huán)節(jié)的電路圖其幅頻的近似圖如圖5-5所示。OdH -圖5-5慣性環(huán)節(jié)的幅頻特性假設圖5-4中取C=

39、1uF, R=100k , R2=100k , R0=200k那么系統(tǒng)的轉折頻率為fT=1一=1.66Hz10.1s 1筒天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技30天煌教儀2二T筒天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技30天煌教儀4.二階系統(tǒng)由圖5-6Rx=100k可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和方框圖為：2 n其中Rx可調(diào)。這里可取100k1、10k 0匚 Ui0時，二極管Di或D2導通，此時電路的輸出電壓為Ri+R2R2.Uo =Ui-Uio = i一- Ui- UioRiR2令k =i _ot,那么上式變?yōu)椋篣o= kUi-Uio7-2反之，當UJ條2

40、時，二極管Di或。2均不導通，電路的輸出電壓Uo為零。顯然，該非線性電路的特征參數(shù)為k和Uio。只要調(diào)節(jié)a，就能實現(xiàn)改變k和Uio的大小。實驗時，可以用正弦信號作為測試信號，注意信號頻率的選擇應足夠低一般小于i0Hz。實驗時，用示波器的李沙育顯示模式進行觀測。4.具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)間隙特性非線性環(huán)節(jié)的模擬電路圖及靜態(tài)特性如圖7-4所示。由圖7-4可知，當Ui i廠土E時，二極管Di和D2均不導通，電容Ci上沒有電壓，即UCCi兩端的電壓=0, U=0；當 5E時，二極管D2導通，Ui向Ci充電，其電壓為i -:Uo=i-二Ui-Uio令k =i 口，那么上式變?yōu)椋篣o= -kUi-Uio

41、天煌一教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技12天煌教儀當山=uim時，5 開始減小，由于Di和D2都處于截止狀態(tài)，電容Ci端電壓保持不變，此 時Ci上的端電壓和電路的輸出電壓分別為Uc=1-:如川-山。 Uo=kUim-Uio當Ui=Uim-Uio時，二極管Di處于臨界導通狀態(tài)，假設Ui繼續(xù)減小，那么二極管Di導通，此 時Ci放電，Uc和Uo都將隨著Ui減小而下降，即Uc=i-：血川UUo=kUimUio當Ui=-Uio時，電容Ci放電完畢，輸出電壓Uo=o。同理，可分析當Ui向負方向變化時 的情況。在實驗中，主要改變a值，就可改變k和Uio的值。實驗時，可以用正弦信號作

42、為測試信號，注意信號頻率的選擇。實驗時，用示波器的李沙 育顯示模式進行觀測。注：在李沙育顯示模式下， 改變時間軸設置可改變曲線的緩存時間，為了更好的觀測曲線，本實驗時間軸調(diào)節(jié)設置為5oms/格五、實驗步驟1.1.繼電器型非線性環(huán)節(jié)電路單元：非線性單元和電位器組在Ui輸入端輸入一個低頻率的正弦波，正弦波的Vp-p值大于i2V，頻率為ioHz。Ui端接至示波器的第一通道，&端接至示波器的第二通道，測量靜態(tài)特性M值的大小并記錄。2.2.飽和型非線性環(huán)節(jié)i.i當47k可調(diào)電位器調(diào)節(jié)至約i.2當47k可調(diào)電位器調(diào)節(jié)至約i.3當47k可調(diào)電位器調(diào)節(jié)至約i.4當47k可調(diào)電位器調(diào)節(jié)至約i.8k(M=

43、i)時；3. 6k(M=2)時；5.4k(M=3)時；iok(M=6左右)時;圖7-4間隙特性非線性環(huán)節(jié)的模擬電路及其靜態(tài)特性圖7-5繼電型非線性環(huán)節(jié)模擬電路磁天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技24天煌教儀圖7-6飽和型非線性環(huán)節(jié)模擬電路電路單元：非線性單元和電位器組在 5 輸入端輸入一個低頻率的正弦波，正弦波的Vp-p值大于12V，頻率為10Hz。將前一級運放中的電位器值調(diào)至10k(此時k=1),5 端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道，測量靜態(tài)特性M和k值的大小并記錄。2.1當后一級運放中的電位器值調(diào)至約1.8k(M=1)時;2.2當后一級運放中的

44、電位器值調(diào)至約3.6k(M=2)時;2.3當后一級運放中的電位器值調(diào)至約5.4k(M=3)時;2.4當后一級運放中的電位器值調(diào)至約10k時；3.3.死區(qū)特性非線性環(huán)節(jié)圖7-7死區(qū)特性非線性環(huán)節(jié)模擬電路電路單元：非線性單元、反相器單元和電位器組在 5 輸入端輸入一個低頻率的正弦波，正弦波的Vp-p值大于12V，頻率為10Hz。Ui端接至示波器的第一通道，Uo端接至示波器的第二通道，測量靜態(tài)特性Uio和k值的大小并記錄。3.1調(diào)節(jié)兩個可變電位器，當兩個R1=2.0k , R2=8.0k時;3.2調(diào)節(jié)兩個可變電位器，當兩個R1=2.5k , R2=7.5k時;4.4.具有間隙特性非線性環(huán)節(jié)+E-E圖

45、7-8間隙特性非線性環(huán)節(jié)模擬電路電路單元：非線性單元、通用單元5、通用單元6和電位器組在Ui輸入端輸入一個低頻率的正弦波，正弦波的Vp-p值大于12V，頻率為10Hz。Ui端接 至示波器的第一通道，&端接至示波器的第二通道，測量靜態(tài)特性Uio和k值的大小并記錄。O天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技25天煌教儀4.1調(diào)節(jié)兩個可變電位器，當兩個R1=2.0k , R2=8.0k時；4.2調(diào)節(jié)兩個可變電位器，當兩個Ri=2.5k , R2=7.5k時；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，影響實驗結果，故每次實驗啟動

46、前，需對電容進行短接放電。六、 實驗報告要求1.畫出各典型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路圖，并選擇好相應的參數(shù)；2.根據(jù)實驗，繪制相應非線性環(huán)節(jié)的實際靜態(tài)特性，并與理想情況下的靜態(tài)特性相比擬， 分析電路參數(shù)對特性曲線的影響？七、 實驗思考題1.模擬繼電型電路的特性與理想特性有何不同？為什么？2.死區(qū)非線性環(huán)節(jié)中二極管的臨界導通電壓Uio是如何確定的？天煌科技27天煌教儀實驗十三 采樣控制系統(tǒng)的分析一、 實驗目的1.熟悉用LF398組成的采樣控制系統(tǒng)；2.通過本實驗進一步理解香農(nóng)定理和零階保持器ZOH的原理及其實現(xiàn)方法；3.觀察系統(tǒng)在階躍作用下的穩(wěn)態(tài)誤差。研究開環(huán)增益k和采樣周期T的變化對系統(tǒng)動態(tài) 性能的

47、影響。二、 實驗設備1. THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱；2. PC機一臺(含“THKKL-6軟件)；3. USB接口線。三、 實驗內(nèi)容1.利用實驗箱設計一個對象為二階環(huán)節(jié)的模擬電路，并與采樣電路組成一個數(shù)-?；旌舷到y(tǒng)。2.分別改變系統(tǒng)的開環(huán)增益k和采樣周期TS,研究它們對系統(tǒng)動態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)精度的影響。四、 實驗原理1.1.采樣定理圖13-1為信號的采樣與恢復的方框圖，圖中X(t)是t的連續(xù)信號，經(jīng)采樣開關采樣后，變*為離放信虧x (t)。頃廠I_圖13-1連續(xù)信號的采樣與恢復香農(nóng)采樣定理證明要使被采樣后的離散信號X*(t)能不失真地恢復原有的連續(xù)信號X(t),其充分條件為：-

48、S-2- max(13-1)2二 .式中%為米樣的角頻率，切max為連續(xù)信虧的取局角頻率。由于 切S=f，因而式(14-1)可寫為T (13-2), maxT為采樣周期。采樣控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是其特征方程的根均位于Z平面上以坐標原點為圓心的單位圓內(nèi)，且這種系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能均只與采樣周期T有關。2.2.采樣控制系統(tǒng)性能的研究筒天煌教儀THKKL-6型控制理論及計算機控制技術實驗箱天煌科技30天煌教儀圖13-2為二階采樣控制系統(tǒng)的方塊圖。天煌科技27天煌教儀由圖13-2所示系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：G(z)=： 芝1-=25(1-zf =25(1 - z).，二-竺-05S2(0.5S 1)S2(S 2)S2S S 2(z -1) z-1 z-e12.52T -1 e刃z (1 -e刃-2Te刀)(z-1)(z-e刀)R(z)一z2-(1 e刀)z eT12.52T -1 eTz (1-e2T-2Te勿)12.52T -1 e2Tz (1 -e -2Te刀)z2-25T -13.5 11.5eTz eT12.52T -11.5刀- 25TeT根據(jù)上式可判別該采樣控制系統(tǒng)否穩(wěn)定，并可用迭代法求出該系統(tǒng)的階躍輸出響應。五、實驗步驟1.