自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書目 錄實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)的模擬研究 （驗(yàn)證型） （1）實(shí)驗(yàn)二 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的時(shí)域分析（設(shè)計(jì)型） （8）實(shí)驗(yàn)三 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)值模擬（驗(yàn)證型） （14）實(shí)驗(yàn)四 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的頻率特性研究（綜合型） （16）實(shí)驗(yàn)五 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的校正研究 （設(shè)計(jì)型） （17）附 錄 XMN2學(xué)習(xí)機(jī)使用方法簡(jiǎn)介 （19）實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)的模擬研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1、了解并掌握XMN-2型自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)機(jī)的使用方法，掌握典型環(huán)節(jié)模擬電路的構(gòu)成方法，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能。2、熟悉各種典型線性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。3、了解參數(shù)變化對(duì)典型環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性的影響。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1 XMN-2型機(jī)。2 CAE98。3 萬(wàn)用表。三、

2、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 本實(shí)驗(yàn)是利用運(yùn)算放大器的基本特性（開環(huán)增益高、輸入阻抗大、輸出阻抗小等），設(shè)置不同的反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬各種典型環(huán)節(jié)。1、比例（P）環(huán)節(jié)：其方塊圖如圖1-1A所示。其傳遞函數(shù)為： (1-1)其傳遞函數(shù)為： (1-2)比較式(1-1)和(1-2)得K=R1/R0 (1-3)比例環(huán)節(jié)的模擬電路如圖1-1B所示, 當(dāng)輸入為單位階躍信號(hào),即Ui(t)=1(t)時(shí),Ui(s)=1/S。則由式（1-1）得到Uo(S)=K所以輸出響應(yīng)為 Uo(t)=K (t0) (1-4)2、積分(I)環(huán)節(jié)。其方塊圖如圖1-2A所示。其傳遞函數(shù)為 (1-5)積分環(huán)節(jié)的模擬電路如圖1-2B所示。積分環(huán)節(jié)模擬電路的傳遞

3、函數(shù)為 (1-6)比較式(1-5)和(1-6)得T=R0C (1-7)當(dāng)輸入為單位階躍信號(hào)，即Ui(t)=1(t)時(shí),Ui(s)=1/S。則由式（1-5）得到Uo(S)=所以輸出響應(yīng)為 （1-8）3、比例積分（PI）環(huán)節(jié)。其方塊圖如圖1-3A所示。其傳遞函數(shù)為：+ (1-9) 比例積分環(huán)節(jié)的模擬電路如圖1-3B所示。其傳遞函數(shù)為： (1-10)比較式(1-9)和(1-10)得K=R1/R0 T=R0C （1-11）當(dāng)輸入為單位階躍信號(hào),即Ui(t)=1(t)時(shí),Ui(S)=1/S。則由式（1-9）得到Uo(S)=（K+）所以輸出響應(yīng)為Uo(t)=K+ (1-12)4、慣性（T）環(huán)節(jié)。其方塊圖如

4、圖1-4A所示。其傳遞函數(shù)為： (1-13)其傳遞函數(shù)為： (1-14)比較式(1-13)和(1-14)得K=R1/R0 T=R1C （1-15）慣性環(huán)節(jié)的模擬電路如圖1-4B所示,當(dāng)輸入為單位階躍信號(hào),即Ui(t)=1(t)時(shí),Ui(S)=1/S。則由式（1-13）得到Uo(S)=所以輸出響應(yīng)為 Uo(t)=K（1-） (1-16)5、比例微分（PD）環(huán)節(jié)。其方塊圖如圖1-5A所示。其傳遞函數(shù)為：K(1+TS) (1-17)比例微分環(huán)節(jié)的模擬電路如圖1-5B所示,其傳遞函數(shù)為 （1-18）考慮到R3R1、R2，所以 （1-19）比較式(1-17)和(1-19)得K= T= （1-20）當(dāng)輸入

5、為單位階躍信號(hào),即Ui(t)=1(t)時(shí),Ui(S)=1/S。則由式（1-17）得到Uo(S)=K（1+TS）= 所以輸出響應(yīng)為 Uo(t)=KT(t)+K (1-21)式中(t)為單位脈沖函數(shù)。 式（1-21）為理想的比例微分環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)，考慮到比例微分環(huán)節(jié)的實(shí)際模擬電路式（1-18），則實(shí)際輸出響應(yīng)為 （1-22）6、比例積分微分（PID）環(huán)節(jié)。其方塊圖如圖1-6A所示。其傳遞函數(shù)為：Kp+TDS （1-23） 比例積分微分環(huán)節(jié)的模擬電路如圖1-6B所示,其傳遞函數(shù)為 (1-24)考慮到R1R2R3，則式（1-24）可近似為 （1-25）比較式(1-23)和(1-25)得 KP= ， T

6、1=R0C1TD= （1-26）當(dāng)輸入為單位階躍信號(hào),即Ui(t)=1(t)時(shí),Ui(S)=1/S。則由式（1-23）得到Uo(S)=（KP+TDS）所以輸出響應(yīng)為 Uo(t)=TD(t)+KP+ (1-27)式中(t)為單位脈沖函數(shù)。 式（1-27）為理想的比例積分微分環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)，考慮到比例積分微分環(huán)節(jié)的實(shí)際模擬電路式（1-24），則實(shí)際輸出響應(yīng)為 1+（-1） （1-28）1、 觀測(cè)比例、積分、比例積分、慣性環(huán)節(jié)、比例微分和比例積分微分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。準(zhǔn)備：階躍信號(hào)電路可采用圖1-7所示電路：將XMN-2型自控原理學(xué)習(xí)機(jī)上CAE-98接口的信號(hào)源（OUT）1或2用導(dǎo)線連至幅度調(diào)節(jié)單

7、元的輸入端，由輸出端輸出信號(hào)。 步驟：（1）按圖1-1B接線； （2）將模擬電路輸入端（Ui）與圖1-7的輸出端相聯(lián)接；模擬電路輸出端（Uo）接CAE-98接口的采集輸入端1或2； （3）設(shè)置顯示器界面參數(shù)； （4 （4）合上開關(guān)K1，用顯示器觀測(cè)輸出端的響應(yīng)曲線Uo（t），且將結(jié)果記錄附表。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟圖1-7階躍信號(hào)電路 且將結(jié)果記錄附表。（5）分別按圖1-2B、3B、4B、5B、6B電路接線，重復(fù)步驟（2）、（3）、（4）。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、實(shí)驗(yàn)前計(jì)算確定典型環(huán)節(jié)模擬電路的元件參數(shù)各一組，并推導(dǎo)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)參數(shù)與模擬電路電阻、電容值的關(guān)系以及畫出理想階躍響應(yīng)曲線。2、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)記

8、錄。3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、討論和建議。六、思考題：1、由運(yùn)算放大器組成的各種環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)是在什么條件下可推導(dǎo)出的？輸入電阻、反饋電阻的阻值范圍可任意選用嗎？2、圖1-1B、2B、3B、4B、5B和6B中若后面一個(gè)比例環(huán)節(jié)，則其傳遞函數(shù)有什么差別？3、慣性環(huán)節(jié)在什么情況下可近似為比例環(huán)節(jié)？而在什么情況下可近似為積分環(huán)節(jié)？實(shí)驗(yàn)記錄表格：環(huán)節(jié)PIPIR0 R1R0 CR0 C階躍響應(yīng)波形理想實(shí)測(cè)環(huán)節(jié)TPDPIDR0 CR0 R1 CR0 R1 C1R1R2 R3R2 R3 C2階躍響應(yīng)波形理想實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)二 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的時(shí)域分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 學(xué)習(xí)瞬態(tài)性能指標(biāo)的測(cè)試方法。2 了解參數(shù)對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)性能及穩(wěn)定性的

9、影響。二、實(shí)驗(yàn)要求：1、 觀測(cè)不同參數(shù)下二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)并測(cè)出性能指標(biāo)：超調(diào)量MP，峰值時(shí)間tp,調(diào)節(jié)時(shí)間ts。2、 觀測(cè)增益對(duì)典型三階系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。三、實(shí)驗(yàn)儀器：1、XMN-2型機(jī)。2、CAE98。3、萬(wàn)用表。四、實(shí)驗(yàn)原理與電路應(yīng)用模擬電路來(lái)模擬典型二階系統(tǒng)和三階系統(tǒng)。1、圖2-1是典型二階系統(tǒng)原理方塊圖，其中T0=1秒；T1=0.1秒。開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-1）其中，K=K1/T0=開環(huán)增益。閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-2）其中， （2-3） （2-4） （1）當(dāng)0<<1。即欠阻尼情況時(shí)，二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為衰減振蕩，如圖2-2中曲線所示。 （t0） (2-5)式中， 峰值時(shí)間

10、可由式（2-5）對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，并令它等于零得到： / （2-6）超調(diào)量MP： 由MP=C（tp）-1 求得 （2-7）調(diào)節(jié)時(shí)間ts，采用2%允許誤差范圍時(shí)，近似地等于系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)的四倍，即 （2-8） （2）當(dāng)，即臨界阻尼情況時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為單調(diào)的指數(shù)曲線，如圖2-2中曲線所示。 輸出響應(yīng)C（t）為 （t0） (2-9)這時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間ts可由下式求得 C(ts)= (2-10) (3)當(dāng)>1,即過阻尼情況時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為單調(diào)的指數(shù)曲線：C（t）=1+ （t0） (2-11)式中 , 當(dāng)遠(yuǎn)大于1時(shí)，可忽略-S1的影響，則 C（t）=1-） （t0） (2-12)這時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間ts近

11、似為： （2-13）圖2-3是圖2-1的模擬電路圖及階躍信號(hào)電路圖 2、圖2-4是典型三階系統(tǒng)原理方塊圖開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(S)H(S)= (2-14)其中， K=K1K2/T0 （開環(huán)增益）。圖2-5是典型三階系統(tǒng)模擬電路圖三階系統(tǒng)模擬電路圖的開環(huán)傳遞函數(shù)為 G(S)H(S)= （2-15）式中R的單位為K，比較式（2-14）和（2-15）得 T0=1 ， T1=0.1T2=0.51 ，K=510/R (2-16)系統(tǒng)的特征方程為1+G(S)H(S)=0，由式（2-14）可得到 S(T1S+1)(T2S+1)+K=0展開得到 T1T2+(T1+T2)+S+K=0 (2-17)將式（2-16）

12、代入式（2-17）得到 0.051+0.61+S+K=0 或 +11.96+19.6S+19.6K=0 (2-18) 用勞斯判據(jù)求出系統(tǒng)穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定和不穩(wěn)定時(shí)的開環(huán)增益 1 19.6 11.96 19.6K 0 19.6K由 11.96x19.6-19.6K>0 19.6K>0得到系統(tǒng)穩(wěn)定范圍： 0<K<11.96 (2-19)由 11.96x19.6-19.6K=0得到系統(tǒng)臨界穩(wěn)定時(shí)： K=11.96 （2-20）由 11.96x19.6-19.6K<0得到系統(tǒng)不穩(wěn)定范圍： K>11.96 (2-21)將K=510/R代入式（2-19）（2-21）得到：

13、 R>42.6K 系統(tǒng)穩(wěn)定 R=42.6K 系統(tǒng)臨界穩(wěn)定 R<42.6K 系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定和不穩(wěn)定時(shí)輸出波形如圖2-6A，2-6B，2-6C所示。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、 典型二階系統(tǒng)瞬態(tài)性能指標(biāo)的測(cè)試。按圖2-3接線，改變電阻R，使系統(tǒng)分別為欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼狀態(tài)，觀察相應(yīng)的階躍響應(yīng)C（t），測(cè)量并記錄超調(diào)量Mp、峰值時(shí)間tp和調(diào)節(jié)時(shí)間ts。2、 典型三階系統(tǒng)的性能（選做）（1） 按圖2-5接線，調(diào)節(jié)電阻R，使系統(tǒng)分別處于穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定和不穩(wěn)定三種狀態(tài)。 （2）觀察系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，記錄波形，并測(cè)量和記錄相應(yīng)的R電阻值。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求： 1、實(shí)驗(yàn)前按給定參數(shù)算出二

14、階系統(tǒng)的性能指標(biāo)MP、tp、st的理論值。2、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)記錄。3、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、體會(huì)和建議。七、思考題1、在實(shí)驗(yàn)線路中如何確保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋？如果反饋回路中偶數(shù)個(gè)運(yùn)算放大器，則構(gòu)成什么反饋？2、有哪些措施能增加系統(tǒng)穩(wěn)定度？它們對(duì)系統(tǒng)的性能還有什么影響？3、實(shí)驗(yàn)中階躍輸入信號(hào)的幅值范圍應(yīng)該如何考慮？附表1、二階系統(tǒng)R(K)KC(tp)(V)C()(V)Mp(%)tp(S)ts(S)測(cè)量值 計(jì)算值測(cè)量值 計(jì)算值測(cè)量值 計(jì)算值2、三階系統(tǒng)R(K)K輸出波形穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)三 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)值模擬一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 初步學(xué)習(xí)并基本掌握利用Matlab語(yǔ)言進(jìn)行控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的方法；2、 了解基本動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)的參

15、數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)指標(biāo)的影響。二、 實(shí)驗(yàn)要求1、 控制系統(tǒng)的模型建立；2、 典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)模擬；3、 掌握根軌跡的繪制；4、 掌握頻率分析和系統(tǒng)及校正的方法。以上內(nèi)容根據(jù)教學(xué)安排，由指導(dǎo)教師確定。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、用Matlab進(jìn)行二階、三階系統(tǒng)建模；2、二階、三階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)；3、二階、三階系統(tǒng)及高階系統(tǒng)的根軌跡的繪制；4、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的頻率特性分析；5、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的校正分析。實(shí)驗(yàn)四 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的頻率特性研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.學(xué)習(xí)頻率特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法；2.掌握根據(jù)頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制Bode圖的方法；3.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果所繪制的Bode圖，分析二階系統(tǒng)的主要?jiǎng)討B(tài)特性（Mp，ts）二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1XMN-2型；2

16、CAE98；3萬(wàn)用表。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無(wú)阻尼自然頻率 ，阻尼比典型二階系統(tǒng)方塊圖其閉環(huán)頻率響應(yīng)為： =其中：=模擬電路圖無(wú)阻尼自然頻率和阻尼比： ， 1 選定R，C，Rf值，使，=0.2；2 用CAE98的正弦波作為系統(tǒng)的輸入信號(hào)，即x(t)=XSint，穩(wěn)態(tài)時(shí)其響應(yīng)為 y(t)=Ysin(t+)；3 改變輸入信號(hào)的頻率，使角頻率分別等于（或接近等于）0.2，0.4，0.6，0.8，0.9，1.0，1.2，1.4，1.6，2.0，3.0rad/s，穩(wěn)態(tài)時(shí)，記錄屏幕顯示的正弦輸入x(t)=XSint和正弦輸出響應(yīng)y(t)=Ysin(t+) 。記錄曲線序號(hào)依次記作；4.按下述表格整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：四、完成

17、實(shí)驗(yàn)報(bào)告根據(jù)上述表格所整理出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪制Bode圖，標(biāo)出Mr，；五、思考題理論計(jì)算不同值時(shí)的L（）和（），并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)五 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的校正研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解和觀測(cè)校正裝置對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及瞬態(tài)特性的影響。2學(xué)習(xí)校正裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1XMN-2型機(jī)。2CAE98。3萬(wàn)用表。三、實(shí)驗(yàn)原理和電路：1、 未校正系統(tǒng)的原理方塊圖為圖4-1所示，圖4-2是它的模擬電路。系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 W（S）= （4-1）系統(tǒng)的無(wú)阻尼自然頻率為=6.32阻尼比 =0.158所以未校正時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量MP為 =0.60=60% 調(diào)節(jié)時(shí)間ts為 =4秒系統(tǒng)靜態(tài)速度誤差系數(shù)

18、=20 1/秒2、 要求設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置使系統(tǒng)滿足下述性能指標(biāo)：（1） 超調(diào)量Mp25%（2） 調(diào)節(jié)時(shí)間ts1秒（3） 靜態(tài)速度誤差系數(shù)20 1/秒3、 串聯(lián)校正裝置的設(shè)計(jì)：校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為 （4-2）常用校正裝置電路如圖4-3所示，其中K=（R1+R2）/R0T1=T2=R3C提示：R3<<R1、R2根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求，并利用常用串聯(lián)校正裝置，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正設(shè)計(jì)。4、 將設(shè)計(jì)好的串聯(lián)校正裝置加入到未校正系統(tǒng)模擬電路中。校正后系統(tǒng)的方塊圖如圖4-4所示，注意校正后系統(tǒng)負(fù)反饋的實(shí)現(xiàn)。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：1、測(cè)量未校正系統(tǒng)的性能指標(biāo)。（1）按圖4-2接線；（2）加階躍電壓，觀察

19、階躍相應(yīng)曲線，并測(cè)出超調(diào)量MP和調(diào)節(jié)時(shí)間ts。2、測(cè)量校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)。（1）按你所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)圖接線；（2）加階躍電壓，觀察階躍相應(yīng)曲線，并測(cè)出超調(diào)量MP和調(diào)節(jié)時(shí)間ts。五、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告報(bào)告要求：1、未校正系統(tǒng)性能分析；2、校正后系統(tǒng)性能分析；3、實(shí)驗(yàn)記錄； 4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、體會(huì)和建議。六、思考題：1、除串聯(lián)校正裝置外，還有什么校正裝置？它們的特點(diǎn)是什么？如何選用校正裝置類型？附錄：XMN-2型自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)機(jī)系統(tǒng)使用手冊(cè)第一章 概述XMN-2型自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)機(jī)系統(tǒng)包括XMN-2型自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)機(jī)和與之相配套的CAE-98E型計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。XMN-2型自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)機(jī)是專為

20、自動(dòng)控制原理課程而設(shè)計(jì)的電子模擬設(shè)備，它的整機(jī)結(jié)構(gòu)合理，單元電路設(shè)置符合控制原理實(shí)驗(yàn)要求，參數(shù)改變靈活，排題方便。它以積分器和加法器為基礎(chǔ)，配置了二極管、電位器、分壓器、電阻器、電容等部件，可以組成控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，如：PID調(diào)節(jié)器、多階調(diào)節(jié)對(duì)象等線性環(huán)節(jié)以及飽和、死區(qū)、遲滯等非線性環(huán)節(jié)，并且它可以與計(jì)算機(jī)中的CAE-98接口卡連接，完善它的顯示功能。該學(xué)習(xí)機(jī)的主要特點(diǎn)是：1、專為自動(dòng)化專業(yè)設(shè)計(jì)，整機(jī)結(jié)構(gòu)合理，單元電路設(shè)置符合控制原理實(shí)驗(yàn)要求，參數(shù)改變靈活，排題方便。2、選用進(jìn)口的高精度運(yùn)算放大器OP07，它具有高增益，輸入失調(diào)電壓、電流較一般產(chǎn)品小，由它組成的加法器、積分器的“調(diào)零”和“積

21、分漂移”較小。3、操作面板上設(shè)置了“復(fù)位”鍵，能方便地消除積分環(huán)節(jié)電容上的殘余電荷，從而提高了本機(jī)重復(fù)運(yùn)算的精度。4、自帶雙向雙量程電壓表，測(cè)量、調(diào)整方便。5、具有計(jì)算機(jī)接口，可方便連接計(jì)算機(jī)，組成數(shù)字/模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該學(xué)習(xí)機(jī)的主要技術(shù)性能：輸入電源電壓：AC220V±10%、輸出電壓：±15V、額定輸出電流：400mA、電壓調(diào)整率：（U）：25mV、輸出阻抗：1。CAE-98E型計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是以PC機(jī)為基礎(chǔ)，配合XMN-2型自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)機(jī)的新一代計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。它集長(zhǎng)余輝示波器、函數(shù)記錄儀、程控信號(hào)源、超低頻信號(hào)發(fā)生器于一身，可輕松完成各種復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。它配

22、有CAE-98接口卡，該卡與CAE-98E軟件相配合，可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)顯示及曲線回放等功能，也可以作為信號(hào)源來(lái)進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送，有兩路信號(hào)源，可發(fā)送-5V+5V的正弦、余弦、方波、高低電平、正負(fù)階躍信號(hào)、三角波信號(hào)和鋸齒波信號(hào)。信號(hào)的周期和類型由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。第二章XMN-2型自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)機(jī)的結(jié)構(gòu)和使用方法XMN-2型自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)機(jī)如面板圖所示（見附）由以下幾個(gè)部分組成：電源部分、模擬運(yùn)算單元部分、CAE-98接口部分、幅度調(diào)節(jié)部分（階躍信號(hào)）、測(cè)量顯示部分。一、電源：學(xué)習(xí)機(jī)對(duì)外有專用的插頭直接接220伏的交流電壓給學(xué)習(xí)機(jī)供電。學(xué)習(xí)機(jī)內(nèi)部有變壓器及集成穩(wěn)壓電路將220伏的交流電轉(zhuǎn)變成學(xué)

23、習(xí)機(jī)可以使用的±15V的直流電壓。這樣，當(dāng)接通電源開關(guān)，操作面板的左側(cè)相應(yīng)的插孔即有±15V的電壓值，對(duì)應(yīng)的LED指示燈亮。本機(jī)的±15V的穩(wěn)壓電壓只供本機(jī)使用，不能提供其他使用。二、模擬運(yùn)算單元本機(jī)的模擬運(yùn)算單元采用進(jìn)口高精度的運(yùn)算放大器OP07，它具有高增益，輸入的失調(diào)電壓、電流較一般的產(chǎn)品小，由它組成的加法器、積分器的 “零點(diǎn)”和“積分漂移”較小等特點(diǎn)。由面板圖可見，由OP07運(yùn)算放大器組成的運(yùn)算部件有：8個(gè)配置了一些常用的電阻、電容的運(yùn)算放大器回路和1個(gè)反向器，這8個(gè)運(yùn)算放大器回路在反饋回路和輸入回路提供了一些外接插孔，可連接配置的和外接的電阻、電容來(lái)組成

24、所需要的各種運(yùn)算回路，但是每個(gè)運(yùn)算放大器的接線安排有所不同，其中方便實(shí)現(xiàn)加法器、慣性環(huán)節(jié)等，方便實(shí)現(xiàn)積分器、慣性環(huán)節(jié)，方便實(shí)現(xiàn)其它外接較多的電路，方便實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)器的功能。同時(shí)在運(yùn)算放大器的同相端，除了接了固定的電阻外也安排了一對(duì)“外接”插口，供使用者調(diào)整補(bǔ)償電阻進(jìn)一步減少漂移而引起的輸出誤差。在學(xué)習(xí)機(jī)的面板中間部分，提供了一些無(wú)源的電阻、電容和一些二極管等非線性環(huán)節(jié)，可以供所有的8個(gè)運(yùn)算放大器來(lái)使用，也可以用于組成飽和、死區(qū)和遲滯回路等非線性回路。這里的無(wú)源是相對(duì)8個(gè)運(yùn)算放大器里所配置的電阻、電容而言的，因?yàn)榕渲玫碾娮?、電容都是部分的接入了電路，所以，這些配置的電阻、電容只能在它所在的運(yùn)算

25、放大器回路中使用，不能用于其他的運(yùn)算放大器回路。在面板OP9的右測(cè)，有一個(gè)復(fù)位的按鈕，其作用是給各個(gè)運(yùn)算放大器回路中的電容放電。當(dāng)每個(gè)運(yùn)算放大器回路進(jìn)行第二次運(yùn)算前，按“復(fù)位”鍵，使每個(gè)積分器反饋回路中的電容都放電。需要注意的是，若反饋回路中只有電容，則放電很快就可以完成。若反饋回路中，既有電阻又有電容，則放電就較慢，需要按住按鈕一段時(shí)間，直到運(yùn)算放大器回路的輸出為零，才完成放電。三、CAE-98接口模擬運(yùn)算放大器回路的輸入、輸出都可以與CAE-98接口相連接的，CAE-98接口指的是學(xué)習(xí)機(jī)和計(jì)算機(jī)相聯(lián)系的接口。計(jì)算機(jī)中裝有與學(xué)習(xí)機(jī)相配套的硬件和軟件，這硬件和軟件配合有兩大功能，一是可以作為信

26、號(hào)源產(chǎn)生信號(hào)，如：階躍信號(hào)、正余弦等，二是可以作為顯示器來(lái)顯示曲線，顯示什麼曲線取決于所接進(jìn)的信號(hào)，一般我們來(lái)顯示實(shí)驗(yàn)回路的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。具體的功能和使用將在第三部分CAE-98E型計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中介紹。這里只介紹在學(xué)習(xí)機(jī)面板上的接口的使用。如面板圖可見該接口可以分為兩部分，一部分是兩路輸入，對(duì)學(xué)習(xí)機(jī)來(lái)說(shuō)是輸出，連接該部分的信號(hào)可以在計(jì)算機(jī)中顯示，因而一般我們將實(shí)驗(yàn)回路的輸入和輸出連接進(jìn)來(lái)。另一部分是兩路輸出，對(duì)學(xué)習(xí)機(jī)來(lái)說(shuō)是輸入（信號(hào)源），可以給學(xué)習(xí)機(jī)的實(shí)驗(yàn)回路提供信號(hào)源，但是不能直接接入實(shí)驗(yàn)回路，因?yàn)樾盘?hào)源提供的信號(hào)是統(tǒng)一±5V的信號(hào)，而實(shí)驗(yàn)所用的幅值相對(duì)來(lái)說(shuō)要小一些，因

27、而要通過幅度調(diào)節(jié)部分進(jìn)行幅度調(diào)節(jié)后接入實(shí)驗(yàn)回路的輸入。四、幅度調(diào)節(jié)部分（階躍信號(hào)）該部分有三種功能。第一、調(diào)節(jié)信號(hào)的幅值，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中，信號(hào)源信號(hào)常需要在這里進(jìn)行信號(hào)幅值的調(diào)節(jié)（因?yàn)槲覀冿@示的幅值最大是5V，故我們要將信號(hào)調(diào)?。?。方法是將CAE-98接口的信號(hào)源的信號(hào)接入該部分的輸入，開關(guān)K1扳在上面（這樣，電位器就可調(diào)了，具體的看面板圖），該部分的輸出，通過調(diào)節(jié)電位器就可以得到我們所需要的信號(hào)幅值。第二、如果“輸入”插口外接超低頻信號(hào)發(fā)生器，則可做控制系統(tǒng)的頻率特性實(shí)驗(yàn)。第三、本機(jī)還備有“輸入”插口，可以與外加信號(hào)源配合使用。如果系統(tǒng)輸入擾動(dòng)信號(hào)為階躍信號(hào)，則需要將“輸入”插口接入+15V電

28、源端，撥動(dòng)K1，可以得到015V的正、負(fù)階躍信號(hào)。同理，“輸入”插口也可以接入-15V電源端。五、測(cè)量顯示部分在面板的右下方有一個(gè)電壓表，它的上方有測(cè)量選擇，這兩部分結(jié)合使用，可以顯示運(yùn)算放大器的輸出。當(dāng)測(cè)量選擇中的K3撥向右方時(shí)，電壓表上所指示的電壓值為撥碼盤上數(shù)碼所選定的運(yùn)算放大器的輸出電壓值，同時(shí)由插口可供示波器觀察響應(yīng)數(shù)碼的運(yùn)算放大器的輸出波形。當(dāng)撥碼盤為0時(shí)，電壓表上所指示是幅度調(diào)節(jié)部分的輸出。K3撥向左邊時(shí)電壓表顯示的是在外接端連接的電壓值。電壓表有兩個(gè)量程，一般情況下，當(dāng)電壓表的量程為±15V時(shí)，可以顯示各運(yùn)算放大器的輸出。當(dāng)電壓表的量程為±1.5V時(shí)，用來(lái)測(cè)

29、量各運(yùn)算放大器放電時(shí)輸出是否為零。OP07運(yùn)算放大器在調(diào)零時(shí)，調(diào)整數(shù)字在mV級(jí)，因此需用數(shù)字電壓表才可以精確調(diào)零。六、注意事項(xiàng)（1）、熟悉本機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)，以及面板控制開關(guān)、旋鈕的作用。（2）、檢查電源電壓應(yīng)符合AC220V/±10%的范圍。（3）、清理面板上的連線，將不用的線拔出，特別是±15V插孔不能接地，以防燒壞電源。（4）、插頭為自鎖緊式，插頭插入后順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)一定角度即可鎖緊，拔出時(shí)需逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)后方可拔出，嚴(yán)禁拉著導(dǎo)線拔出。（5）、儀器不使用時(shí)應(yīng)拔去電源線，蓋好機(jī)箱。第三章 CAE-98E型計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一、該系統(tǒng)的構(gòu)成和主要技術(shù)指標(biāo)CAE-98E型計(jì)算

30、機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是以PC機(jī)為基礎(chǔ)，配合XMN-2型自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)機(jī)的新一代計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。它集長(zhǎng)余輝示波器、函數(shù)記錄儀、程控信號(hào)源、超低頻信號(hào)發(fā)生器于一身，可輕松完成各種復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)由CAE-98型微機(jī)接口卡（硬件）和CAE-98E軟件兩部分組成。由硬件和軟件組合用于數(shù)據(jù)采集、信號(hào)源輸出、波形顯示等功能。其主要的技術(shù)指標(biāo)：1）、采集輸入通道：作用相當(dāng)于雙通道存儲(chǔ)示波器，工作電壓范圍：-5V +5V。信號(hào)采集時(shí)間：6mS 26.2S/512點(diǎn)信號(hào)顯示時(shí)間：6mS 419.4S/512點(diǎn)。（時(shí)基）2）、信號(hào)源通道：獨(dú)立2路信號(hào)源，工作電壓范圍-5V +5V 信號(hào)波形：正弦波、方波、高電

31、平、低電平、正階躍、負(fù)階躍、三角波、鋸齒波。 信號(hào)周期：0.4mS 655.36S(2500Hz 0.00154Hz)。3）、系統(tǒng)配置：PC兼容機(jī)，DOS環(huán)境。注：可在WIN3.X或WIN9X下運(yùn)行。4）、占用PC資源：DAMA通道（DAM1），中斷5（IORQ5），IO地址：280H287H。5）、接口：25芯接口、9芯接口二、使用方法1、啟動(dòng)在DOS環(huán)境下，進(jìn)入C:CAE98目錄，運(yùn)行CAE98E程序后出現(xiàn)等待畫面，敲回車鍵，進(jìn)入CAE98E型計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的等待畫面。2、設(shè)置在等待畫面下，按F4鍵可設(shè)置信號(hào)源和采集參數(shù)。其中綠色下劃線所在項(xiàng)可使用數(shù)字鍵輸入、退格鍵清除、回車鍵確認(rèn)進(jìn)行

32、修改，若輸入數(shù)據(jù)超范圍或直接按回車鍵則使用原參數(shù)。設(shè)置完所有的選項(xiàng)后回到等待畫面。其中顯示起點(diǎn)和顯示抽樣點(diǎn)數(shù)兩項(xiàng)不能進(jìn)行設(shè)置，沒有選擇的余地。（1）、信號(hào)源設(shè)置（注：兩個(gè)信號(hào)源可分別選擇不同的波形。）·波形選擇：信號(hào)源1：_（0-7） 信號(hào)源2：_（0-7）其中： 0、正弦波 1、余弦波 2、方波 3、高電平4、正階躍5、負(fù)階躍 6、三角波 7、鋸齒波·信號(hào)周期的選擇（每個(gè)單位代表0.1mS）：源1：_(4 - 6553600) 源2：_(4 6553600)(注：如果選擇10，則信號(hào)周期為10*0.1mS=1mS。使用階躍信號(hào)應(yīng)使信號(hào)周期大于系統(tǒng)周期的2.5倍以上。因?yàn)殡A躍信號(hào)為可控觸發(fā)的方波，周期為“信號(hào)周期”的2.5倍。且如果兩個(gè)信號(hào)源中只要有一個(gè)是階躍信號(hào)，不論是正還是負(fù)，信號(hào)源的輸出受采集開始信號(hào)F1的控制。發(fā)出該信號(hào)后，信號(hào)源有信號(hào)，正（負(fù)）階躍先輸出四分之一信號(hào)的低（高）電平，然后變?yōu)楦撸ǖ停╇娖骄S持2個(gè)信號(hào)周期后，停止；另一路信號(hào)源同時(shí)啟動(dòng)，同時(shí)停止。如果兩個(gè)信號(hào)源均不是階躍信號(hào)，則信號(hào)源不受任何信號(hào)的限制，只要在