機(jī)電控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、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(dòng)控制原理”課程初級與高級實(shí)驗(yàn)的需要。只配備ACT-I實(shí)驗(yàn)箱，則實(shí)驗(yàn)時(shí)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、混合仿真有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，則必須配備上位機(jī)（包含相應(yīng)軟件）及并口通訊線。2ACT-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)或系統(tǒng)。此外，ACT-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(tái)時(shí)，將高效率支持“自動(dòng)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

2、了滿足軟件仿真需要外，又可成為測試所需的虛擬示波器、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(jì)，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(gè)實(shí)驗(yàn)外，還可自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。5增加選件（如MCL13或 MCL14）后，可構(gòu)成綜合性很強(qiáng)的以感應(yīng)電機(jī)或直流方波無刷電機(jī)為具體控制對象的研究型高級實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。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）、ACT-I實(shí)驗(yàn)箱、并行通訊線等組成。ACT-I實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)裝有以ADmC812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，通過并口與PC微機(jī)連接。1實(shí)驗(yàn)箱ACT-I簡介ACT-I控制理論實(shí)驗(yàn)箱主要由電源部

3、分U1單元、信號源部分U2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U4、非線性單元U5U7以及模擬電路單元U8U16等共16個(gè)單元組成，詳見附圖。(1) 電源單元U1包括電源開關(guān)、保險(xiǎn)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) 信號源單元U2 可以產(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。該單元面板上配置的撥鍵S1和S2用于周期階躍、斜坡、拋物線信號的頻率段選擇，可有以下4種狀態(tài)：S1和S2均下?lián)茌敵鲂盘栔芷诘恼{(diào)節(jié)范圍為2

4、60ms；S1上撥、S2下?lián)茌敵鲂盘栔芷诘恼{(diào)節(jié)范圍為0.26s；S1下?lián)?、S2上撥輸出信號周期的調(diào)節(jié)范圍為20600ms；S1和S2均上撥輸出信號周期的調(diào)節(jié)范圍為0.167s；另有電位器RP1用于以上頻率微調(diào)。電位器RP2、RP3和RP4依次分別用于周期階躍、斜坡與拋物線信號的幅值調(diào)節(jié)。在上述S1和S2的4種狀態(tài)下，階躍信號的幅值調(diào)節(jié)范圍均為014V；除第三種狀態(tài)外，其余3種狀態(tài)的斜坡信號和拋物線信號的幅值調(diào)節(jié)范圍均為015V；在第三種狀態(tài)時(shí)，斜坡信號的幅值調(diào)節(jié)范圍為010V，拋物線信號的幅值調(diào)節(jié)范圍為02.5V。信號單元面板上的撥鍵S3用于正弦信號的頻率段的選擇：當(dāng)S3上撥時(shí)輸出頻率范圍為1

5、40Hz14KHz；當(dāng)S3下?lián)軙r(shí)輸出頻率范圍為2160Hz。電位器RP5和RP6分別用于正弦信號的頻率微調(diào)和幅值調(diào)節(jié)，其幅值調(diào)節(jié)范圍為0-14V。(3) 數(shù)據(jù)處理單元U3內(nèi)含以ADmC812為核心組成的數(shù)據(jù)處理卡（含軟件），通過并行口與上位PC進(jìn)行通訊。內(nèi)部包含6路A/D采集輸入通道（I1I6）和兩路D/A輸出通道（O1和O2），以及與該兩路D/A輸出通道同步的運(yùn)算放大器鎖零用信號（G1和G2）。與上位機(jī)一起使用時(shí)，可同時(shí)使用其中兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出通道。結(jié)合上位機(jī)及其軟件，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。(4) 元器件單元U4單元提供了實(shí)驗(yàn)所需的電容、電阻與電位器，另提供

6、插接電路供放置自己選定大小的元器件。(5) 非線性環(huán)節(jié)單元U5、U6和U7U5，U6，U7分別用于構(gòu)成不同的典型非線性環(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。(6) 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(shí)通常用作反號器。U9U16的每個(gè)單元內(nèi)，都有用場效應(yīng)管組成的鎖零電路和運(yùn)放調(diào)零電位器。2系統(tǒng)上位機(jī)軟件要完成軟件仿真與采樣系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，必須配備上位機(jī)，并安裝ACT-I自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)上位機(jī)軟件。該軟件

7、借助于控制箱內(nèi)“數(shù)據(jù)處理單元U3”的配合，具有虛擬示波器、測試信號發(fā)生器以及數(shù)字控制器的功能。有關(guān)這些功能的說明以及使用、操作方法，詳見ACT-I自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)上位機(jī)軟件使用說明書。三、自動(dòng)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)動(dòng)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)配置全狀態(tài)反饋控制；9 采樣控制系統(tǒng)動(dòng)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(jì)算機(jī)。四、實(shí)驗(yàn)注意

8、事項(xiàng)1實(shí)驗(yàn)前U9U16單元內(nèi)的運(yùn)放需要調(diào)零。2運(yùn)算放大器邊上的鎖零點(diǎn)G接線要正確。不需要鎖零時(shí)（運(yùn)放構(gòu)成環(huán)節(jié)中不含電容或輸入信號為正弦波時(shí)），必須把G與-15V相連；在需要鎖零時(shí)，必須與其輸入信號同步的鎖零信號相連。如在采用PC產(chǎn)生的經(jīng)D/A通道輸出的信號O1作為該環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的輸入時(shí)，運(yùn)放的鎖零信號G應(yīng)連U3單元的G1（對應(yīng)O1）；類似地，如采用PC產(chǎn)生的信號O2作輸入，則鎖零信號G應(yīng)連U3單元的G2（對應(yīng)O2）。鎖零主要用于對電容充電后需要放電的場合，一般不需要鎖零。3在設(shè)計(jì)和連接被控對象或系統(tǒng)的模擬電路時(shí)，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(gè)系統(tǒng)以及反饋的正負(fù)引出點(diǎn)是否正

9、確都需要仔細(xì)考慮，必要時(shí)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(shí)，必須注意上位機(jī)界面操作時(shí)“通道設(shè)置”只允許選用采樣通道X作為A/D輸入。至于該“X通道”具體采用“I1I6”中哪一個(gè)通道，決定于控制箱上的實(shí)際連線，必須注意硬件連線與軟件界面上操作的一致性。類似地，軟件界面上操作時(shí)，也必須注意“通道設(shè)置”與“顯示”選擇的一致性。此一致性要求對所有使用通道的實(shí)驗(yàn)都是一樣的，只是其它實(shí)驗(yàn)還允許以同樣方式使用Y通道。5上位機(jī)軟件提供線性系統(tǒng)軟件仿真功能。在作軟件仿真時(shí)，無論是一個(gè)環(huán)節(jié)、或是幾個(gè)環(huán)節(jié)組成的被控對象、或是閉環(huán)系統(tǒng)，在利用上位機(jī)界面作實(shí)驗(yàn)時(shí)，都必須將開環(huán)或閉環(huán)的傳遞函數(shù)都轉(zhuǎn)化成下面形式，

10、以便填入?yún)?shù)ai, bj其中 ， 。如出現(xiàn) 的情況，軟件仿真就會(huì)出錯(cuò)，必須設(shè)法避免。如實(shí)驗(yàn)一，在作理想比例微分（PD）環(huán)節(jié)的軟件仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)就會(huì)遇到此問題，因?yàn)榇藭r(shí) 可見該W(s)分子中s的階高于分母的，直接填入?yún)?shù)仿真，即出現(xiàn)“非法操作”的提示。具體避免方法請參閱該實(shí)驗(yàn)附錄。 6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(shí)，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30Rad/sec，以免引起過大誤差。類似地，對于采樣控制實(shí)驗(yàn)，采樣控制周期應(yīng)不小于2 ms。注意，軟件仿真與數(shù)據(jù)處理單元U3無關(guān)，故無上述限制。機(jī)電控制工

11、程實(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)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性分析；3 典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性；4 線性系統(tǒng)串聯(lián)校正；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(jì)各種典型環(huán)節(jié)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利用上位機(jī)界面上的軟件仿真功能，完成各典型環(huán)節(jié)階躍特性的軟件仿真研究，并與電路模擬測試的結(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，參考

12、本實(shí)驗(yàn)附錄設(shè)計(jì)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。注意實(shí)驗(yàn)接線前必須先將實(shí)驗(yàn)箱上電，以對運(yùn)放仔細(xì)調(diào)零。然后斷電，再接線。接線時(shí)要注意不同環(huán)節(jié)、不同測試信號對運(yùn)放鎖零的要求。在輸入階躍信號時(shí)，除比例環(huán)節(jié)運(yùn)放可不鎖零（G可接-15V）也可鎖零外，其余環(huán)節(jié)都需要考慮運(yùn)放鎖零。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)變化對典型環(huán)節(jié)階躍特性的影響。無上位機(jī)時(shí)，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”與環(huán)節(jié)的輸入端（例如對比例環(huán)節(jié)即圖1.1.2的Ui），同時(shí)連接U2的“鎖零（G）”

13、與運(yùn)放的鎖零G。然后用示波器觀測該環(huán)節(jié)的輸入與輸出（例如對比例環(huán)節(jié)即測試圖1.1.2的Ui和Uo）。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，以保證觀測到完整的階躍響應(yīng)過程。有上位機(jī)時(shí)，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。仍以比例環(huán)節(jié)為例，此時(shí)將Ui連到實(shí)驗(yàn)箱 U3單元的O1（D/A通道的輸出端），將Uo連到實(shí)驗(yàn)箱 U3單元的I1（A/D通道的輸入端），將運(yùn)放的鎖零G連到實(shí)驗(yàn)箱 U3單元的G1（與O1同步），并連好U3單元至上位機(jī)的并口通

14、信線。接線完成，經(jīng)檢查無誤，再給實(shí)驗(yàn)箱上電后，啟動(dòng)上位機(jī)程序，進(jìn)入主界面。界面上的操作步驟如下：按通道接線情況完成“通道設(shè)置”:在界面左下方“通道設(shè)置”框內(nèi)，“信號發(fā)生通道”選擇“通道O1”，“采樣通道X”選擇“通道I1”，“采樣通道Y”選擇“不采集”。進(jìn)行“系統(tǒng)連接”（見界面左下角），如連接正常即可按動(dòng)態(tài)狀態(tài)框內(nèi)的提示（在界面正下方）“進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?；如連接失敗，檢查并口連線和實(shí)驗(yàn)箱電源后再連接，如再失敗則請求指導(dǎo)教師幫助。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶?，先對顯示進(jìn)行設(shè)置：選擇“顯示模式”（在主界面左上角）為“X-t”；選擇“量程”（在“顯示模式”下方）為100ms/div；并在界面右方選擇“顯示”“系統(tǒng)輸

15、入信號”和“采樣通道X”。完成實(shí)驗(yàn)設(shè)置，先選擇“實(shí)驗(yàn)類別”（在主界面右上角）為“時(shí)域”，然后點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置”，在彈出的“系統(tǒng)測試信號設(shè)置”框內(nèi)，選擇“輸入波形類別”為“周期階躍信號”，選擇“輸入波形占空比”為50%，選擇“輸入波形周期”為“1000ms”，選擇“輸入持續(xù)時(shí)間”為“1000ms”，選擇波形不“連續(xù)”, 選擇“輸入波形幅值”為“1V”，將零位偏移設(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(gè)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(shí)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)中最大時(shí)間常數(shù)的

16、68倍。這樣，實(shí)驗(yàn)中才能觀測到階躍響應(yīng)的整個(gè)過程。以上設(shè)置完成后，按“實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)”啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，動(dòng)態(tài)波形得到顯示，直至“持續(xù)時(shí)間”結(jié)束，實(shí)驗(yàn)也自動(dòng)結(jié)束，如上述參數(shù)設(shè)置合理就可以在主界面中間得到環(huán)節(jié)的“階躍響應(yīng)”。利用“紅線數(shù)值顯示”功能（詳見軟件使用說明書）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(bào)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。3利用上位機(jī)完成環(huán)節(jié)階躍特性軟件仿真的操作，前步驟與2相同，其后操作步驟如下：進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶?，先對顯示進(jìn)行設(shè)置：選擇“顯示模式”（在主界面左上角）為“X-t”；選擇

17、“量程”（在“顯示模式”下方）為100ms/div；并在界面右方選擇“顯示”“系統(tǒng)仿真”。在上位機(jī)界面右上角“實(shí)驗(yàn)類別”中選擇“軟件仿真”。然后點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置”，在彈出的“仿真設(shè)置”框內(nèi)，先作“系統(tǒng)仿真輸入信號設(shè)定”，選擇“輸入波形類別”為“周期階躍信號”，選擇“輸入波形幅值”為“1V”，選擇“輸入波形占空比”為50%，選擇“輸入波形周期”為“1000ms”，選擇“輸入持續(xù)時(shí)間”為“1000ms”, 選擇波形不“連續(xù)”。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(gè)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)和系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，如仍選擇“輸入波形占空比”為50%，

18、那么“輸入波形周期”至少是環(huán)節(jié)或系統(tǒng)中最大時(shí)間常數(shù)的68倍。在“仿真設(shè)置”框內(nèi)的“傳遞函數(shù)”欄目中填入各個(gè)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。在“仿真設(shè)置”框內(nèi)的“其它設(shè)置”欄目中選擇“時(shí)域仿真”。以上設(shè)置完成后，按“實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)”啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，動(dòng)態(tài)波形得到顯示，直至“持續(xù)時(shí)間”結(jié)束，實(shí)驗(yàn)也自動(dòng)結(jié)束，如設(shè)置合理就可以在主界面中間得到環(huán)節(jié)的“階躍響應(yīng)”。利用“紅線數(shù)值顯示”功能（詳見軟件使用說明書）觀測實(shí)驗(yàn)結(jié)果；在“仿真設(shè)置”框內(nèi)的“傳遞函數(shù)”欄目中改變原填入的環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)參數(shù)，重復(fù)的操作；如發(fā)現(xiàn)“系統(tǒng)仿真輸入信號設(shè)定”中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)

19、，看不到“階躍響應(yīng)”全過程，可重復(fù)、的操作。按實(shí)驗(yàn)報(bào)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。4分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)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1.1.1、圖1.1.2和圖1.1.3所示，其中，實(shí)驗(yàn)參數(shù)取R0100k，R1200k， R=10k。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、圖和圖所示，于是，實(shí)驗(yàn)參數(shù)取R0200k，C1uF， R=10k。 3比例積分(PI)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、方塊圖、模擬電

20、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、圖和圖所示，于是，實(shí)驗(yàn)參數(shù)取R0200k，R1200k，C1uF， R=10k。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)a比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： 其方塊圖和模擬電路分別如圖、圖所示。其模擬電路是近似的（即實(shí)際PD環(huán)節(jié)），當(dāng)時(shí)，將近似上述理想PD環(huán)節(jié)，有，。實(shí)驗(yàn)時(shí)參數(shù)取R010k，R110k，R210k，R3200W，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a、圖b所示。實(shí)際PD環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： （供軟件仿真參考）5慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、方塊圖、模擬電

21、路和階躍響應(yīng)慣性環(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、圖和圖所示，其中，實(shí)驗(yàn)參數(shù)取R0200k，R1200k，C1uF， R=10k。圖1.5.3圖1.5.26比例積分微分(PID)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、圖所示。其模擬電路是近似的（即實(shí)際PID環(huán)節(jié)），當(dāng)時(shí)，將近似上述理想PID環(huán)節(jié)有，。實(shí)驗(yàn)時(shí)參數(shù)可取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 a、圖 b所示。實(shí)際PID環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：（

22、供軟件仿真參考）圖1.6.2圖1.6.3a實(shí)驗(yàn)二 典型系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。二、實(shí)驗(yàn)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(shí)間，并研究其參數(shù)變化對動(dòng)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(shí)間，并研究其參數(shù)變化對動(dòng)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)附錄中的圖和圖，設(shè)計(jì)并連接由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)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。接線時(shí)要注

23、意對運(yùn)放鎖零的要求。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(shí)間。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(dòng)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)附錄中的圖和圖，設(shè)計(jì)并連接由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和兩個(gè)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(shí)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(dòng)態(tài)指標(biāo)的影響。7利用上位機(jī)界面提供的軟件仿真功能，完成上述兩個(gè)典型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能研究，并與模擬電路的研究結(jié)果相比較。8分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告

24、。注意：以上實(shí)驗(yàn)步驟中的2、3與5、6的具體操作方法，請參閱“實(shí)驗(yàn)一”的實(shí)驗(yàn)步驟2；實(shí)驗(yàn)步驟7的具體操作方法，請參閱“實(shí)驗(yàn)一”的實(shí)驗(yàn)步驟3，這里不再贅述。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， 。 設(shè)計(jì)該二階系統(tǒng)的模擬電路如圖2.1.2所示： 圖2.1.2該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖2.1.3所示。見圖2.1.2,圖中Rx為模擬電路單元的220K電位器，改變Rx大小，即可研究不同參數(shù)(K1)情況下的時(shí)域響應(yīng)。2.1.3a，2.1.3b，2.1.3c分別對應(yīng)二階系統(tǒng)在欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼三種情況下的階躍響應(yīng)曲線：圖2.1.3a圖2

25、.1.3c圖2.1.3b2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：圖2.2.1其開環(huán)傳遞函數(shù)為，其中，取三階系統(tǒng)的模擬電路如圖2.2.2所示：圖2.2.2 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0K12圖2.2.3a圖2.2.3b圖2.2.3c根據(jù)K求取Rx。這里的Rx可利用模擬電路單元的220K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)四 線性系統(tǒng)串聯(lián)校正一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?熟悉串

26、聯(lián)校正裝置對線性系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性的影響。2掌握串聯(lián)校正裝置的設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)特性。2按動(dòng)態(tài)特性要求設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)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(jì)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)定性和動(dòng)態(tài)特性觀測。提示：設(shè)計(jì)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)附錄的圖和圖，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，

27、來完成對其穩(wěn)定性和動(dòng)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(jì)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(jì)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(dòng)態(tài)特性觀測。提示：設(shè)計(jì)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，利用實(shí)驗(yàn)箱上的U9、U14、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(dòng)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)

28、試，使其性能指標(biāo)滿足預(yù)定要求。提示：5利用上位機(jī)軟件提供的軟件仿真功能，完成線性系統(tǒng)串聯(lián)校正的軟件仿真研究，并對電路模擬與軟件仿真結(jié)果進(jìn)行比較研究。如何利用上位機(jī)軟件提供的軟件仿真功能，完成線性系統(tǒng)的軟件仿真，其具體操作方法請參閱“實(shí)驗(yàn)一”的實(shí)驗(yàn)步驟3。6分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。四、附錄1實(shí)驗(yàn)用未加校正的二階閉環(huán)系統(tǒng)分析實(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：圖4.1.1圖4.1.2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(shí)系統(tǒng)超調(diào)量為 ，調(diào)節(jié)時(shí)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

29、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）調(diào)節(jié)時(shí)間（過渡過程時(shí)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(shí)域設(shè)計(jì)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(gè)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) 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 綜合考慮校正后的要求，取 T=0.05s ,此時(shí) 1/s,，它們都能滿足校正目標(biāo)要求。最后

30、得到校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 從串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)可以設(shè)計(jì)其模擬電路。有關(guān)電路設(shè)計(jì)與校正效果請參見后面的頻域設(shè)計(jì)。4串聯(lián)校正裝置的頻域設(shè)計(jì)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。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，如圖所示。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。圖4.4.2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(jì)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。圖4.4.3在圖中，

31、串聯(lián)校正裝置電路的參數(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:圖4.4.4圖4.4.5圖4.4.6實(shí)驗(yàn)三 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(jì)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

32、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,從圖和圖可知，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。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，下面分兩種情況說明測試方法。無上位機(jī)時(shí)，利用實(shí)驗(yàn)箱上的信號源單元U2所輸出的正弦信號（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

33、值”電位器RP6，以保證觀測到完整的波形。有上位機(jī)時(shí)，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(shí)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U3單元至上位機(jī)的并口通信線。接線完成，經(jīng)檢查無誤，再給實(shí)驗(yàn)箱上電后，啟動(dòng)上位機(jī)程序，進(jìn)入主界面。界面上的操作步驟如下：按通道接線情況完成“通道設(shè)置”:在界面左下方“通道設(shè)置”框內(nèi)，“信號發(fā)生通道”選擇“通道O1”，“采樣通道X”選

34、擇“通道I1”，“采樣通道Y”選擇“通道I2”。點(diǎn)擊“系統(tǒng)連接”（見界面左下角），如連接正常即可按動(dòng)態(tài)狀態(tài)框內(nèi)的提示（在界面正下方）“進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?；如連接失敗，檢查并口連線和實(shí)驗(yàn)箱電源后再連接，如再失敗則請求指導(dǎo)教師幫助。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶螅葘︼@示進(jìn)行設(shè)置：選擇“顯示模式”（在主界面左上角）時(shí)，可先選擇“X-t”，然后再選擇“X-Y”，在兩種不同顯示方式下都觀察一下；選擇“量程”（在“顯示模式”下方）為100ms/div。在選擇“顯示模式”為“X-t”時(shí)，可點(diǎn)擊“系統(tǒng)輸入信號”和“采樣通道Y”框內(nèi)的“顯示”；在選擇“顯示模式”為“X-Y”時(shí)，可點(diǎn)擊“采樣通道X”和“采樣通道Y”框內(nèi)的“顯示”。

35、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)置，先選擇“實(shí)驗(yàn)類別”（在主界面右上角）為“時(shí)域”，然后點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置”，在彈出的“系統(tǒng)測試信號設(shè)置”框內(nèi)，選擇“輸入波形類別”可為“正弦波”，也可以為“周期斜坡信號”。對“正弦波”：選擇“輸入波形幅值”為“5V”，選擇“零位偏移”為0V，選擇“輸入波形周期”為“1000ms”，選擇“輸入持續(xù)時(shí)間”為“1000ms”,選擇信號不“連續(xù)”。對“周期斜坡信號”：選擇“輸入波形幅值”為“10V”，選擇“零位偏移”為5V，選擇“輸入波形占空比”為100%，選擇“輸入波形周期”為“1000ms”，選擇“輸入持續(xù)時(shí)間”為“1000ms”，選擇信號不“連續(xù)”。以上設(shè)置完成后，按“實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)”啟動(dòng)

36、實(shí)驗(yàn)，動(dòng)態(tài)波形得到顯示，直至“持續(xù)時(shí)間”結(jié)束，實(shí)驗(yàn)也自動(dòng)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“實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)”啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，動(dòng)態(tài)波形得到顯示，直至“持續(xù)時(shí)間”結(jié)束，實(shí)驗(yàn)也自動(dòng)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(bào)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(jì)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；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,從圖和圖可知，利用實(shí)驗(yàn)箱上的單元U7即可獲得實(shí)

37、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(jì)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,從圖和圖可知，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。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。4利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)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,從圖和圖可知，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。改變U5中的電容Cf的阻值，即可改