機電控制工程基礎實驗實驗指導書

1、概 述一、實驗系統(tǒng)功能特點 1系統(tǒng)可以按教學需要組合，滿足“自動控制原理”課程初級與高級實驗的需要。只配備ACT-I實驗箱，則實驗時另需配備示波器，且只能完成部分基本實驗。要完成與軟件仿真、混合仿真有關的實驗，則必須配備上位機（包含相應軟件）及并口通訊線。2ACT-I實驗箱內(nèi)含有實驗必要的電源、信號發(fā)生器以及非線性與高階電模擬單元，可根據(jù)教學實驗需要進行靈活組合，構成各種典型環(huán)節(jié)或系統(tǒng)。此外，ACT-I實驗箱內(nèi)還可含有數(shù)據(jù)處理單元，用于數(shù)據(jù)采集、輸出以及和上位機的通訊。3配備PC微機作操作臺時，將高效率支持“自動控制原理”的教學實驗。系統(tǒng)提供界面友好、功能豐富的上位機軟件。PC微機在實驗中，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)生器以及具有很強柔性的數(shù)字控制器。4 系統(tǒng)的硬件、軟件設計，充分考慮了開放型、研究型實驗的需要。除了指導書所提供的10個實驗外，還可自行設計實驗。5增加選件（如MCL13或 MCL14）后，可構成綜合性很強的以感應電機或直流方波無刷電機為具體控制對象的研究型高級實驗系統(tǒng)。二、系統(tǒng)構成實驗系統(tǒng)由上位PC微機（含實驗系統(tǒng)上位機軟件）、ACT-I實驗箱、并行通訊線等組成。ACT-I實驗箱內(nèi)裝有以ADmC812芯片（含數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件）為核心構成的數(shù)據(jù)處理卡，通過并口與PC微機連接。1實驗箱ACT-I簡介ACT-I控制理論實驗箱主要由電源部

3、分U1單元、信號源部分U2單元、與PC機進行通訊的數(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個單元組成，詳見附圖。(1) 電源單元U1包括電源開關、保險絲、5V、5V、15V、15V、0V以及1.3V15V可調(diào)電壓的輸出，它們提供了實驗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)堋2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，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S3上撥時輸出頻率范圍為1

5、40Hz14KHz；當S3下?lián)軙r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輸出通道同步的運算放大器鎖零用信號（G1和G2）。與上位機一起使用時，可同時使用其中兩個輸入和兩個輸出通道。結(jié)合上位機及其軟件，用以實現(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單元提供了實驗所需的電容、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，實驗時通常用作反號器。U9U16的每個單元內(nèi)，都有用場效應管組成的鎖零電路和運放調(diào)零電位器。2系統(tǒng)上位機軟件要完成軟件仿真與采樣系統(tǒng)的實驗，必須配備上位機，并安裝ACT-I自動控制理論實驗上位機軟件。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。有關這些功能的說明以及使用、操作方法，詳見ACT-I自動控制理論實驗上位機軟件使用說明書。三、自動控制理論實驗系統(tǒng)實驗內(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 極點配置全狀態(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。要完成上列全部實驗，必須配備上位計算機。四、實驗注意

8、事項1實驗前U9U16單元內(nèi)的運放需要調(diào)零。2運算放大器邊上的鎖零點G接線要正確。不需要鎖零時（運放構成環(huán)節(jié)中不含電容或輸入信號為正弦波時），必須把G與-15V相連；在需要鎖零時，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，運放的鎖零信號G應連U3單元的G1（對應O1）；類似地，如采用PC產(chǎn)生的信號O2作輸入，則鎖零信號G應連U3單元的G2（對應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在設計和連接被控對象或系統(tǒng)的模擬電路時，要特別注意，實驗箱上的運放都是反相輸入的，因此對于整個系統(tǒng)以及反饋的正負引出點是否正

9、確都需要仔細考慮，必要時接入反號器。4作頻率特性實驗和采樣控制實驗時，必須注意上位機界面操作時“通道設置”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”中哪一個通道，決定于控制箱上的實際連線，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，也必須注意“通道設置”與“顯示”選擇的一致性。此一致性要求對所有使用通道的實驗都是一樣的，只是其它實驗還允許以同樣方式使用Y通道。5上位機軟件提供線性系統(tǒng)軟件仿真功能。在作軟件仿真時，無論是一個環(huán)節(jié)、或是幾個環(huán)節(jié)組成的被控對象、或是閉環(huán)系統(tǒng)，在利用上位機界面作實驗時，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，軟件仿真就會出錯，必須設法避免。如實驗一，在作理想比例微分（PD）環(huán)節(jié)的軟件仿真實驗時就會遇到此問題，因為此時 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驗附錄。 6受數(shù)據(jù)處理單元U3的數(shù)據(jù)處理速率限制，作頻率特性實驗和采樣控制實驗時，在上位機界面上操作“實驗參數(shù)設置”必須注意頻率點和采樣控制頻率的選擇。對于頻率特性實驗，應滿足30Rad/sec，以免引起過大誤差。類似地，對于采樣控制實驗，采樣控制周期應不小于2 ms。注意，軟件仿真與數(shù)據(jù)處理單元U3無關，故無上述限制。機電控制工

11、程實驗內(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；實驗一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究一、實驗目的1通過實驗熟悉并掌握實驗裝置和上位機軟件的使用方法。2通過實驗熟悉各種典型環(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、實驗內(nèi)容1設計各種典型環(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、實驗步驟1熟悉實驗箱，利用實驗箱上的模擬電路單元，參考

12、本實驗附錄設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。注意實驗接線前必須先將實驗箱上電，以對運放仔細調(diào)零。然后斷電，再接線。接線時要注意不同環(huán)節(jié)、不同測試信號對運放鎖零的要求。在輸入階躍信號時，除比例環(huán)節(jié)運放可不鎖零（G可接-15V）也可鎖零外，其余環(huán)節(jié)都需要考慮運放鎖零。2利用實驗設備完成各典型環(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。無上位機時，利用實驗箱上的信號源單元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），同時連接U2的“鎖零（G）”

13、與運放的鎖零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過程。有上位機時，必須在熟悉上位機界面操作的基礎上，充分利用上位機提供的虛擬示波器與信號發(fā)生器功能。為了利用上位機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情況。仍以比例環(huán)節(jié)為例，此時將Ui連到實驗箱 U3單元的O1（D/A通道的輸出端），將Uo連到實驗箱 U3單元的I1（A/D通道的輸入端），將運放的鎖零G連到實驗箱 U3單元的G1（與O1同步），并連好U3單元至上位機的并口通

14、信線。接線完成，經(jīng)檢查無誤，再給實驗箱上電后，啟動上位機程序，進入主界面。界面上的操作步驟如下：按通道接線情況完成“通道設置”:在界面左下方“通道設置”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”。進行“系統(tǒng)連接”（見界面左下角），如連接正常即可按動態(tài)狀態(tài)框內(nèi)的提示（在界面正下方）“進入實驗模式”；如連接失敗，檢查并口連線和實驗箱電源后再連接，如再失敗則請求指導教師幫助。進入實驗模式后，先對顯示進行設置：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”。完成實驗設置，先選擇“實驗類別”（在主界面右上角）為“時域”，然后點擊“實驗參數(shù)設置”，在彈出的“系統(tǒng)測試信號設置”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“輸入波形周期”至少是環(huán)節(jié)或系統(tǒng)中最大時間常數(shù)的

16、68倍。這樣，實驗中才能觀測到階躍響應的整個過程。以上設置完成后，按“實驗啟動”啟動實驗，動態(tài)波形得到顯示，直至“持續(xù)時間”結(jié)束，實驗也自動結(jié)束，如上述參數(shù)設置合理就可以在主界面中間得到環(huán)節(jié)的“階躍響應”。利用“紅線數(shù)值顯示”功能（詳見軟件使用說明書）觀測實驗結(jié)果；改變實驗箱上環(huán)節(jié)參數(shù)，重復的操作；如發(fā)現(xiàn)實驗參數(shù)設置不當，看不到“階躍響應”全過程，可重復、的操作。按實驗報告需要，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。3利用上位機完成環(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：進入實驗模式后，先對顯示進行設置：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”。在上位機界面右上角“實驗類別”中選擇“軟件仿真”。然后點擊“實驗參數(shù)設置”，在彈出的“仿真設置”框內(nèi)，先作“系統(tǒng)仿真輸入信號設定”，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)中最大時間常數(shù)的68倍。在“仿真設置”框內(nèi)的“傳遞函數(shù)”欄目中填入各個環(huán)節(jié)的實際（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“仿真設置”框內(nèi)的“其它設置”欄目中選擇“時域仿真”。以上設置完成后，按“實驗啟動”啟動實驗，動態(tài)波形得到顯示，直至“持續(xù)時間”結(jié)束，實驗也自動結(jié)束，如設置合理就可以在主界面中間得到環(huán)節(jié)的“階躍響應”。利用“紅線數(shù)值顯示”功能（詳見軟件使用說明書）觀測實驗結(jié)果；在“仿真設置”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)，重復的操作；如發(fā)現(xiàn)“系統(tǒng)仿真輸入信號設定”中的實驗參數(shù)設置不當

19、，看不到“階躍響應”全過程，可重復、的操作。按實驗報告需要，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。4分析實驗結(jié)果，完成實驗報告。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，分別如圖1.1.1、圖1.1.2和圖1.1.3所示，其中，實驗參數(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，分別如圖、圖和圖所示，于是，實驗參數(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，分別如圖、圖和圖所示，于是，實驗參數(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（即實際PD環(huán)節(jié)），當時，將近似上述理想PD環(huán)節(jié)，有，。實驗時參數(shù)取R010k，R110k，R210k，R3200W，C10uF， R=10k。 對應理想的和實際的比例微分(PD)環(huán)節(jié)的階躍響應分別如圖a、圖b所示。實際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，分別如圖、圖和圖所示，其中，實驗參數(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（即實際PID環(huán)節(jié)），當時，將近似上述理想PID環(huán)節(jié)有，。實驗時參數(shù)可取R0200k，R1100k，R210k，R31k，C11uF，C210uF， R=10k。對應理想的和實際的比例積分微分(PID)環(huán)節(jié)的階躍響應分別如圖 a、圖 b所示。實際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實驗二 典型系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析一、實驗目的1學習和掌握動態(tài)性能指標的測試方法。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、實驗內(nèi)容1觀測二階系統(tǒng)的階躍響應，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，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、實驗步驟1熟悉實驗箱，利用實驗箱上的模擬電路單元，參考本實驗附錄中的圖和圖，設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）。注意實驗接線前必須對運放仔細調(diào)零。接線時要注

23、意對運放鎖零的要求。2利用實驗設備觀測該二階系統(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。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利用實驗箱上的模擬電路單元，參考本實驗附錄中的圖和圖，設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利用實驗設備觀測該三階系統(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)指標的影響。7利用上位機界面提供的軟件仿真功能，完成上述兩個典型系統(tǒng)的動態(tài)性能研究，并與模擬電路的研究結(jié)果相比較。8分析實驗結(jié)果，完成實驗報告

24、。注意：以上實驗步驟中的2、3與5、6的具體操作方法，請參閱“實驗一”的實驗步驟2；實驗步驟7的具體操作方法，請參閱“實驗一”的實驗步驟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， 。 設計該二階系統(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)情況下的時域響應。2.1.3a，2.1.3b，2.1.3c分別對應二階系統(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驗結(jié)果。該系統(tǒng)的階躍響應如圖2.2.3 a、2.2.3b 和2.2.3c所示，它們分別對應系統(tǒng)處于不穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定和穩(wěn)定的三種情況。實驗四 線性系統(tǒng)串聯(lián)校正一、實驗目的1熟悉串

26、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)校正裝置的設計方法和參數(shù)調(diào)試技術。二、實驗內(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)校正進行計算機仿真研究，并對電路模擬與數(shù)字仿真結(jié)果進行比較研究。三、實驗步驟1利用實驗設備，設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)定性和動態(tài)特性觀測。提示：設計并連接一未加校正的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，可參閱本實驗附錄的圖和圖，利用實驗箱上的U9、U11、U15和U8單元連成。通過對該系統(tǒng)階躍響應的觀察，

27、來完成對其穩(wěn)定性和動態(tài)特性的研究，如何利用實驗設備觀測階躍特性的具體操作方法，可參閱實驗一的實驗步驟2。2參閱本實驗的附錄，按校正目標要求設計串聯(lián)校正裝置傳遞函數(shù)和模擬電路。3利用實驗設備，設計并連接一加串聯(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，可參閱本實驗附錄的圖，利用實驗箱上的U9、U14、U11、U15和U8單元連成通過對該系統(tǒng)階躍響應的觀察，來完成對其穩(wěn)定性和動態(tài)特性的研究，如何利用實驗設備觀測階躍特性的具體操作方法，可參閱“實驗一”的實驗步驟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)進行調(diào)

28、試，使其性能指標滿足預定要求。提示：5利用上位機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)果進行比較研究。如何利用上位機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“實驗一”的實驗步驟3。6分析實驗結(jié)果，完成實驗報告。四、附錄1實驗用未加校正的二階閉環(huán)系統(tǒng)分析實驗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)校正的目標要求加串

29、聯(lián)校正裝置后系統(tǒng)滿足以下性能指標：（1）超調(diào)量（2）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)校正裝置的時域設計從對超調(diào)量要求可以得到 % ，于是有 。由 s 可以得到 。因為要求 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)進行分析，可以得到 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)可以設計其模擬電路。有關電路設計與校正效果請參見后面的頻域設計。4串聯(lián)校正裝置的頻域設計根據(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。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。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實驗三 典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性一、實驗目的1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、實驗內(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、實驗步驟1利用實驗設備，設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

32、變參數(shù)，觀測參數(shù)對靜態(tài)特性的影響。參閱本實驗附錄1,從圖和圖可知，利用實驗箱上的單元U6即可獲得實驗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。無上位機時，利用實驗箱上的信號源單元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。有上位機時，必須在熟悉上位機界面操作的基礎上，充分利用上位機提供的虛擬示波器與信號發(fā)生器功能。為了利用上位機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情況。此時將Ui連到實驗箱 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連到實驗箱 U3單元的I2（A/D通道的輸入端），并連好U3單元至上位機的并口通信線。接線完成，經(jīng)檢查無誤，再給實驗箱上電后，啟動上位機程序，進入主界面。界面上的操作步驟如下：按通道接線情況完成“通道設置”:在界面左下方“通道設置”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”。點擊“系統(tǒng)連接”（見界面左下角），如連接正常即可按動態(tài)狀態(tài)框內(nèi)的提示（在界面正下方）“進入實驗模式”；如連接失敗，檢查并口連線和實驗箱電源后再連接，如再失敗則請求指導教師幫助。進入實驗模式后，先對顯示進行設置：選擇“顯示模式”（在主界面左上角）時，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，可點擊“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，可點擊“采樣通道X”和“采樣通道Y”框內(nèi)的“顯示”。

35、進行實驗設置，先選擇“實驗類別”（在主界面右上角）為“時域”，然后點擊“實驗參數(shù)設置”，在彈出的“系統(tǒng)測試信號設置”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)時間”為“1000ms”，選擇信號不“連續(xù)”。以上設置完成后，按“實驗啟動”啟動

36、實驗，動態(tài)波形得到顯示，直至“持續(xù)時間”結(jié)束，實驗也自動結(jié)束，如設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“實驗啟動”啟動實驗，動態(tài)波形得到顯示，直至“持續(xù)時間”結(jié)束，實驗也自動結(jié)束，如設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。，按實驗報告需要，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利用實驗設備，設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；并改變參數(shù)，觀測參數(shù)對靜態(tài)特性的影響。參閱本實驗附錄2,從圖和圖可知，利用實驗箱上的單元U7即可獲得實

37、驗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。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驗步驟1，這里不再贅述。3利用實驗設備，設計并連接具有死區(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。參閱本實驗附錄3,從圖和圖可知，利用實驗箱上的單元U5，將該單元中的撥鍵S4撥向上方即可獲得實驗所需具有死區(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驗步驟1，這里不再贅述。4利用實驗設備，設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。參閱本實驗附錄4,從圖和圖可知，利用實驗箱上的單元U5，將該單元中的撥鍵S4撥向下方即可獲得實驗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