自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(五個(gè)實(shí)驗(yàn))

1、自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書電力學(xué)院自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)室二八年三月目 錄實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真2實(shí)驗(yàn)二 線性定常系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)7實(shí)驗(yàn)三 線性系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的研究9實(shí)驗(yàn)四 系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量12實(shí)驗(yàn)五 線性定常系統(tǒng)的串聯(lián)校正14附： THBDC-1控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介17實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?熟悉并掌握THBDC-1型控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及上位機(jī)軟件的使用方法。2熟悉各典型環(huán)節(jié)的電路傳遞函數(shù)及其特性，掌握典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究。3測(cè)量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，并了解參數(shù)變化對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1

2、THBDC-1型控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2PC機(jī)1臺(tái)(含上位機(jī)軟件) USB數(shù)據(jù)采集卡 37針通信線1根 16芯數(shù)據(jù)排線 USB接口線3雙蹤慢掃描示波器1臺(tái)(可選)4萬用表1只三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1設(shè)計(jì)并組建各典型環(huán)節(jié)的模擬電路；2測(cè)量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)，并研究參數(shù)變化對(duì)其輸出響應(yīng)的影響；3在上位機(jī)界面上，填入各典型環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型的實(shí)際參數(shù)，據(jù)此完成它們對(duì)階躍響應(yīng)的軟件仿真，并與模擬電路測(cè)試的結(jié)果相比較。四、實(shí)驗(yàn)原理自控系統(tǒng)是由比例、積分、微分、慣性等典型環(huán)節(jié)按一定的關(guān)系連接而成。熟悉這些環(huán)節(jié)對(duì)階躍輸入的響應(yīng)，對(duì)分析線性系統(tǒng)將是十分有益的。在附錄中介紹了典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、理論的階躍

3、響應(yīng)曲線和環(huán)節(jié)的模擬電路圖。五、實(shí)驗(yàn)步驟1熟悉實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的各電路單元，構(gòu)建所設(shè)計(jì)比例環(huán)節(jié)(可參考本實(shí)驗(yàn)附錄)的模擬電路并連接好實(shí)驗(yàn)電路；待檢查電路接線無誤后，接通實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電源總開關(guān)，并開啟±5V，±15V直流穩(wěn)壓電源。2把采集卡接口單元的輸出端DA1、輸入端AD2與電路的輸入端Ui相連，電路的輸出端Uo則與采集卡接口單元中的輸入端AD1相連。連接好采集卡接口單元與PC上位機(jī)的通信線。待接線完成并檢查無誤后，操作“THBDC-1”軟件。具體操作步驟如下；1）打開PC機(jī)，運(yùn)行軟件“THBDC-1”。2）運(yùn)行“系統(tǒng)”“通道設(shè)置”命令，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集通道(如雙通道，通

4、道1-2)，然后點(diǎn)擊“開始采集”按鈕，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。3）運(yùn)行“窗口”“虛擬示波器”命令。在左邊選擇X-t顯示模式，在右邊選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示通道，同時(shí)點(diǎn)擊相應(yīng)的“顯示”按鈕；然后點(diǎn)擊“虛擬示波器”左邊的“開始”按鈕開始采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3）運(yùn)行“窗口”“信號(hào)發(fā)生器”命令，在信號(hào)波形類型中選擇“周期階躍信號(hào)”；信號(hào)幅度為“1V”；信號(hào)占空比為“100%”，其它選項(xiàng)的不變。4）改變虛擬示波器的顯示量程(S/div或ms/div)及輸入波形的放大系數(shù)，以便更清晰地觀測(cè)波形(一般選擇128ms/d)。5）點(diǎn)擊“虛擬示波器”上的“暫?！奔啊按鎯?chǔ)”按鈕，保存實(shí)驗(yàn)波形。3參照本實(shí)驗(yàn)步驟1、2，依次構(gòu)建相應(yīng)的積分環(huán)

5、節(jié)、比例積分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)、比例積分微分環(huán)節(jié)及慣性環(huán)節(jié)；并觀察各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)波形及參數(shù)。注意：凡是帶積分環(huán)節(jié)的，都需要在實(shí)驗(yàn)前按下“鎖零按鈕”對(duì)電路的積分電容放電；實(shí)驗(yàn)時(shí)再次按下“鎖零按鈕”取消鎖零。4點(diǎn)擊“仿真平臺(tái)”按鈕，根據(jù)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，在“傳遞函數(shù)”欄中填入該環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)，如比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：則在“傳遞函數(shù)”欄的分子中填入“0.1，1”， 分母中填入“0.1，0”即可，然后點(diǎn)擊“仿真”按鈕，即可觀測(cè)到該環(huán)節(jié)的仿真曲線，并可與實(shí)驗(yàn)觀察到的波形相比較。注意：仿真實(shí)驗(yàn)只針對(duì)傳遞函數(shù)的分子階數(shù)小于等于分母階數(shù)的情況，若分子階數(shù)大于分母階數(shù)（如含有微分項(xiàng)的傳遞函數(shù)），則不能進(jìn)行仿真實(shí)

6、驗(yàn)，否則出錯(cuò)。5根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)存儲(chǔ)的波形及記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1畫出各典型環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)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(cè)得的典型環(huán)節(jié)單位階躍響應(yīng)曲線，分析參數(shù)變化對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響。七、實(shí)驗(yàn)思考題1用運(yùn)放模擬典型環(huán)節(jié)時(shí)，其傳遞函數(shù)是在什么假設(shè)條件下近似導(dǎo)出的？2積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差別是什么？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(shí)驗(yàn)中，如何根據(jù)單位階躍響應(yīng)曲線的波形，確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)？八、附錄1比例（P）環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為 其模擬電路（后級(jí)

7、為反相器）和單位階躍響應(yīng)曲線分別如圖1-1所示。其中；這里取 R1=100K，R2=200K，R0=200K。通過改變電路中R1、R2的阻值，可改變放大系數(shù)。 圖1-1 比例環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的參考單元：U10、U52積分(I)環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖1-2所示。 圖1-2 積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線其中 T=RC，這里取 C=10uF，R=100K，R0=200K。通過改變R、C的值可改變響應(yīng)曲線的上升斜率。實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的參考單元：U7、U53比例積分(PI)環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為 其模擬電路和單位階躍

8、響應(yīng)分別如圖1-3所示。其中，T=R1C，這里取C=10uF， R1=100K，R2=100K，R0=200K。通過改變R2、R1、C的值可改變比例積分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和積分時(shí)間常數(shù)T。圖1-3 比例積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的參考單元：U12、U54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： 其中 其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖1-4所示圖1-4 比例微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線這里取 C=10uF， R1=100K，R2=200K，R0=200K。通過改變R2、R1、C的值可改變比例微分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和微分時(shí)間常數(shù)T。實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的參考單元：U

9、10、U55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 其中， （當(dāng)KP=2，Ti =0.1，Td =0.1時(shí)）其模擬電路和單位階躍響應(yīng)曲線分別如圖1-5所示。圖1-5 比例積分微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線其中C1=1uF，C2=1uF，R1=100K，R2=100K， R0=200K。通過改變R2、R1、C1、C2的值可改變比例積分微分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K、微分時(shí)間常數(shù)Td和積分時(shí)間常數(shù)Ti。實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的參考單元：U12、U5 6慣性環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為其模擬電路和單位階躍響應(yīng)曲線分別如圖1-6所示。其中，T=R2C，這里取C=1uF，R

10、1=100K，R2=100K，R0=200K。通過改變R2、R1、C的值可改變慣性環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和時(shí)間常數(shù)T。圖1-6慣性環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的參考單元：U7、U5實(shí)驗(yàn)二 線性定常系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握線性定常系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的測(cè)試方法。2研究線性定常系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 同實(shí)驗(yàn)一。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1觀測(cè)二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，并測(cè)出其超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間。2調(diào)節(jié)二階系統(tǒng)的開環(huán)增益K，使系統(tǒng)的阻尼比=，測(cè)出此時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間。3調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益K，可使系統(tǒng)的阻尼比分別為：0<<1，1和>1三種。在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)這三種情

11、況下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。四、實(shí)驗(yàn)步驟1利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的通用電路單元，設(shè)計(jì)一個(gè)由積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)組成的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路(具體可參考本實(shí)驗(yàn)附錄的圖1-2)。待檢查電路接線無誤后，接通實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電源總開關(guān)，并開啟±5V，±15V直流穩(wěn)壓電源。注意：凡是帶積分環(huán)節(jié)的，都需要在實(shí)驗(yàn)前按下“鎖零按鈕”對(duì)電路的積分電容放電；實(shí)驗(yàn)時(shí)再次按下“鎖零按鈕”取消鎖零。2把采集卡接口單元的輸出端DA1、輸入端AD2與電路的輸入端相連，電路的輸出端則與采集卡接口單元中的輸入端AD1相連。連接好采集卡接口單元與PC上位機(jī)的通信線。待接線完成并檢查無誤后，在PC機(jī)上啟動(dòng)“THBDC-1

12、”軟件。具體操作步驟如下；1）打開PC機(jī)，運(yùn)行軟件“THBDC-1”。2）運(yùn)行“系統(tǒng)”“通道設(shè)置”命令，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集通道(如雙通道，通道1-2)，然后點(diǎn)擊“開始采集”按鈕，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。3）運(yùn)行“窗口”“虛擬示波器”命令。在左邊選擇X-t顯示模式，在右邊選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示通道，同時(shí)點(diǎn)擊相應(yīng)的“顯示”按鈕；然后點(diǎn)擊“虛擬示波器”左邊的“開始”按鈕開始采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。4）運(yùn)行“窗口”“信號(hào)發(fā)生器”命令，在信號(hào)波形類型中選擇“周期階躍信號(hào)”；信號(hào)幅度為“1V”；信號(hào)占空比為“100%”，其它選項(xiàng)的不變，點(diǎn)擊信號(hào)發(fā)生器“開始”。5）改變虛擬示波器的顯示量程(S/div或ms/div)及輸入波形的放

13、大系數(shù)，以便更清晰地觀測(cè)波形(一般選擇128ms/d)。6）點(diǎn)擊“虛擬示波器”上的“暫?！奔啊按鎯?chǔ)”按鈕，保存實(shí)驗(yàn)波形。3觀察二階系統(tǒng)模擬電路的階躍響應(yīng)曲線，記錄時(shí)間及與其對(duì)應(yīng)的輸出幅值，并測(cè)出其超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間。 序號(hào)參數(shù)12345678tC(t)4改變二階系統(tǒng)模擬電路的開環(huán)增益K(改變圖1-2所示電路中Rx的阻值，具體數(shù)值參考本實(shí)驗(yàn)附錄)，觀測(cè)當(dāng)阻尼比為不同值時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。5根據(jù)計(jì)算機(jī)保存的實(shí)驗(yàn)參數(shù)及波形，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1根據(jù)圖1-1的實(shí)驗(yàn)電路圖，寫出其閉環(huán)傳遞函數(shù)。2根據(jù)測(cè)得參數(shù)畫出系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，并求出超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間，分析阻尼比對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。六、附

14、錄典型二階系統(tǒng)的方框圖為 圖2-1 二階系統(tǒng)的方框圖 ，系統(tǒng)的模擬電路如圖2-2所示（實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的參考單元：U6、U7、U10、U5）圖2-2 二階系統(tǒng)的模擬電路圖其中C1=1uF，C2=10uF，R1=100K，R2=100K，R0=200K，Rx阻值可調(diào)范圍為0100K。改變圖2-2中電位器Rx的大小，就能看到系統(tǒng)在不同阻尼比時(shí)的時(shí)域響應(yīng)特性，其中 Rx=10K時(shí) 0<<1 Rx=47K時(shí) >1 實(shí)驗(yàn)三 線性系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解不同典型輸入信號(hào)對(duì)于同一個(gè)系統(tǒng)所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差。2了解一個(gè)典型輸入信號(hào)對(duì)不同類型系統(tǒng)所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差。3研究系統(tǒng)的開環(huán)增益K對(duì)穩(wěn)態(tài)誤

15、差的影響。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備同實(shí)驗(yàn)一。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1觀測(cè)0型二階系統(tǒng)的單位階躍和斜坡響應(yīng)，并測(cè)出它們的穩(wěn)態(tài)誤差。2觀測(cè)型二階系統(tǒng)的單位階躍和斜坡響應(yīng)，并測(cè)出它們的穩(wěn)態(tài)誤差。3觀測(cè)型二階系統(tǒng)的單位斜坡和拋物線響應(yīng)，并測(cè)出它們的穩(wěn)態(tài)誤差。四、實(shí)驗(yàn)原理下圖為控制系統(tǒng)的方框圖：該系統(tǒng)誤差E(S)的表達(dá)式為：式中G(S)和H(S)分別為系統(tǒng)前向通道和反饋通道中的傳遞函數(shù)。由上式可知，系統(tǒng)的誤差不僅與其結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，而且也與其輸入信號(hào)R(S)的大小有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)就是研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與上述因素間的關(guān)系。有關(guān)0型、型和型系統(tǒng)跟蹤不同的輸入信號(hào)時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差的理論計(jì)算及其實(shí)驗(yàn)參考模擬電路，請(qǐng)參見附錄。五、實(shí)驗(yàn)步驟1利用實(shí)

16、驗(yàn)平臺(tái)上的通用電路單元，設(shè)計(jì)(具體可參考本實(shí)驗(yàn)附錄中的圖3-2)一個(gè)由兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)組成的0型二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。待檢查電路接線無誤后，接通實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電源總開關(guān)，并開啟±5V，±15V直流穩(wěn)壓電源。2把采集卡接口單元的輸出端DA1、輸入端AD2與電路的輸入端相連，電路的輸出端則與采集卡接口單元中的輸入端AD1相連。連接好采集卡接口單元與PC上位機(jī)的通信線。待接線完成并檢查無誤后，在PC機(jī)上啟動(dòng)“THBDC-1”軟件。觀測(cè)0型二階模擬電路的階躍特性，保存實(shí)驗(yàn)曲線并測(cè)出其穩(wěn)態(tài)誤差。3參考實(shí)驗(yàn)步驟2觀測(cè)0型二階模擬電路的斜坡響應(yīng)曲線，并保存實(shí)驗(yàn)曲線，據(jù)此確定其穩(wěn)態(tài)誤差。4參考實(shí)

17、驗(yàn)步驟1、2、3，設(shè)計(jì)(具體可參考本實(shí)驗(yàn)附錄中的圖3-4)一個(gè)由一個(gè)積分環(huán)節(jié)（積分環(huán)節(jié)鎖零端的使用請(qǐng)參考實(shí)驗(yàn)一的相關(guān)步驟）和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)組成的型二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。并用上位機(jī)軟件“THBDC-1”觀測(cè)該系統(tǒng)的階躍特性和斜坡特性，保存實(shí)驗(yàn)曲線并分別測(cè)出其穩(wěn)態(tài)誤差。5參考實(shí)驗(yàn)步驟1、2、3，設(shè)計(jì)(具體可參考本實(shí)驗(yàn)附錄中的圖3-6)一個(gè)由兩個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)比例微分環(huán)節(jié)組成的型二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。并用上位機(jī)軟件“THBDC-1”觀測(cè)該系統(tǒng)的斜坡特性和拋物線特性，保存實(shí)驗(yàn)曲線并分別測(cè)出其穩(wěn)態(tài)誤差。注意：1、以上實(shí)驗(yàn)步驟2、3、4、5中的具體操作方法，請(qǐng)參閱“實(shí)驗(yàn)一”中的實(shí)驗(yàn)步驟2。6本實(shí)驗(yàn)所用的

18、階躍信號(hào)、斜坡信號(hào)可由實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的“函數(shù)信號(hào)發(fā)生器”、上位機(jī)軟件的“信號(hào)發(fā)生器”或VBS腳本編輯器編程產(chǎn)生，但拋物線信號(hào)必須由上位機(jī)軟件的“信號(hào)發(fā)生器”或VBS腳本編輯器編程產(chǎn)生。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1畫出0型二階系統(tǒng)的方框圖和模擬電路圖，并由實(shí)驗(yàn)測(cè)得系統(tǒng)在單位階躍和單位斜坡信號(hào)輸入時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差。2畫出型二階系統(tǒng)的方框圖和模擬電路圖，并由實(shí)驗(yàn)測(cè)得系統(tǒng)在單位階躍和單位斜坡信號(hào)輸入時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差。3畫出型二階系統(tǒng)的方框圖和模擬電路圖，并由實(shí)驗(yàn)測(cè)得系統(tǒng)在單位斜坡和單位拋物線函數(shù)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差。七、實(shí)驗(yàn)思考題1為什么0型系統(tǒng)不能跟蹤斜坡輸入信號(hào)？2為什么0型系統(tǒng)在階躍信號(hào)輸入時(shí)一定有誤差存在？3為使系統(tǒng)的穩(wěn)

19、態(tài)誤差減小，系統(tǒng)的開環(huán)增益應(yīng)取大些還是小些？4解釋系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度對(duì)開環(huán)增益K的要求是相矛盾的，如何解決這對(duì)矛盾？八、附錄10型二階系統(tǒng)0型二階系統(tǒng)的方框圖和模擬電路圖分別為圖3-1和圖3-2所示。圖3-1 0型二階系統(tǒng)的方框圖 圖3-2 0型二階系統(tǒng)的模擬電路圖2型二階系統(tǒng)圖3-4和圖3-5分別為型二階系統(tǒng)的方框圖和模擬電路圖。圖3-4 型二階系統(tǒng)的方框圖圖3-5 型二階系統(tǒng)的模擬電路圖實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的參考單元：U6、U7、U103型二階系統(tǒng)圖3-6和圖3-7分別為型二階系統(tǒng)的方框圖和模擬電路圖。圖3-6 型二階系統(tǒng)的方框圖 圖3-7 型二階系統(tǒng)的模擬電路圖實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的參考單元：U6、U13

20、、U7、U8、U5實(shí)驗(yàn)四 系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的頻率特性曲線的測(cè)試方法。2根據(jù)實(shí)驗(yàn)求得的頻率特性曲線求取傳遞函數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備同實(shí)驗(yàn)一。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1慣性環(huán)節(jié)的頻率特性測(cè)試。2二階系統(tǒng)頻率特性測(cè)試。 4由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的頻率特性曲線，求取相應(yīng)的傳遞函數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)原理設(shè)G(S)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、頻率為的正弦信號(hào)，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出為 由式得出系統(tǒng)輸出，輸入信號(hào)的幅值比 顯然，是輸入X(t)頻率的函數(shù)，故稱其為幅頻特性。如用db（分貝）表示幅頻值的大小，則式可改寫為 在實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需改變輸入信號(hào)頻率的大?。ǚ挡蛔儯湍軠y(cè)得相

21、應(yīng)輸出信號(hào)的幅值Ym，代入上式，就可計(jì)算出該頻率下的對(duì)數(shù)幅頻值。 關(guān)于被測(cè)環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的模擬電路圖，請(qǐng)參見附錄。五、實(shí)驗(yàn)步驟1利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的通用電路單元，設(shè)計(jì)一個(gè)慣性環(huán)節(jié)（可參考本實(shí)驗(yàn)附錄的圖4-4）的模擬電路。待檢查電路接線無誤后，接通實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電源總開關(guān)，并開啟±5V，±15V直流穩(wěn)壓電源。2把采集卡接口單元的輸出端DA1、輸入端AD2與電路的輸入端相連，電路的輸出端則與采集卡接口單元中的輸入端AD1相連。連接好采集卡接口單元與PC上位機(jī)的通信線。待接線完成并檢查無誤后，在PC機(jī)上啟動(dòng)“THBDC-1”軟件。具體操作步驟如下： 點(diǎn)擊“通道設(shè)置”按鈕，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集通

22、道（雙通道），然后點(diǎn)擊“開始采集”按鈕，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 點(diǎn)擊“虛擬示波器”按鈕，選擇“Bode”圖顯示模式，然后點(diǎn)擊 “開始”按鈕。 點(diǎn)擊“信號(hào)發(fā)生器”按鈕，選擇“正弦波信號(hào)”，并設(shè)置好信號(hào)幅值，然后點(diǎn)擊“變頻輸出（頻率范圍為0.130Hz）”及“開始”按鈕，即可觀測(cè)環(huán)節(jié)的幅頻特性。注：與操作順序不可顛倒。 點(diǎn)擊“暫停”及“存儲(chǔ)”按鈕”，保存實(shí)驗(yàn)波形。3利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的通用電路單元，設(shè)計(jì)一個(gè)二階閉環(huán)系統(tǒng)（可參考本實(shí)驗(yàn)附錄的圖4-7）的模擬電路。完成二階系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性曲線的測(cè)試，并求取其傳遞函數(shù)。具體操作步驟請(qǐng)參考本實(shí)驗(yàn)步驟2。4根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)存儲(chǔ)的波形完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1寫出被測(cè)環(huán)節(jié)

23、和系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并畫出相應(yīng)的模擬電路圖。2把實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)列表，繪出它們的Bode圖，并分析實(shí)測(cè)的Bode圖產(chǎn)生誤差的原因。3根據(jù)由實(shí)驗(yàn)測(cè)得二階閉環(huán)頻率特性曲線，寫出該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。七、實(shí)驗(yàn)思考題1在實(shí)驗(yàn)中如何選擇輸入正弦信號(hào)的幅值？2用示波器測(cè)試相頻特性時(shí)，若把信號(hào)發(fā)生器的正弦信號(hào)送入Y軸，被測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)送至X軸，則根據(jù)橢圓光點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，如何確定相位的超前和滯后？3根據(jù)上位機(jī)測(cè)得的Bode圖的幅頻特性，就能確定系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的相頻特性，試問這在什么系統(tǒng)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)？ 八、 附錄1慣性環(huán)節(jié) 電路圖為：圖4-1 慣性環(huán)節(jié)的電路圖 圖4-2 典型二階系統(tǒng)的方框圖其中 C=1uF，R1=100

24、K，R2=100K，R0=200K其幅頻特性為實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的參考單元：U7、U53二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)和方框圖為： 其模擬電路圖為 圖4-3 典型二階系統(tǒng)的電路圖其中Rx可調(diào)。這里可取100K、10K兩個(gè)典型值。實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的參考單元：U6、U10、U5實(shí)驗(yàn)五 線性定常系統(tǒng)的串聯(lián)校正在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，引入某些參數(shù)可以根據(jù)需要而改變的輔助裝置，來改善系統(tǒng)的性能，這里所用的輔助裝置又叫校正裝置。一般來說，原始系統(tǒng)除放大器增益可調(diào)外，其結(jié)構(gòu)參數(shù)不能隨意改變，有的地方將這些部分稱之為“不可變部分”。這樣的系統(tǒng)常常不能滿足要求。如為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能可考慮提高增益，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性常常受到破壞，甚至有可能造成不穩(wěn)

25、定。為此，人們常常在 系統(tǒng)中引入一些特殊的環(huán)節(jié)校正裝置，以改善其性能指標(biāo)。在試驗(yàn)應(yīng)用中，如何根據(jù)試驗(yàn)條件和要求來正確選擇校正裝置是我們必須掌握的技能。本實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，對(duì)給定系統(tǒng)串聯(lián)超前校正進(jìn)行研究，以知道我們合理設(shè)計(jì)與選用校正裝置。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?熟悉串聯(lián)校正裝置的結(jié)構(gòu)和特性；2掌握串聯(lián)校正裝置的設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)試技術(shù)。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備同實(shí)驗(yàn)一。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1觀測(cè)未加校正裝置時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。2按動(dòng)態(tài)性能的要求，分別用時(shí)域法或頻域法（期望特性）設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置。3觀測(cè)引入校正裝置后系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能，并予以實(shí)時(shí)調(diào)試，使之動(dòng)、靜態(tài)性能均滿足設(shè)計(jì)要求。4利用上位機(jī)軟件，分別對(duì)校正前和校正后

26、的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并與上述模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相比較。四、實(shí)驗(yàn)原理下圖是一串聯(lián)校正系統(tǒng)的方塊圖：圖中校正裝置Gc（S）與實(shí)驗(yàn)電路G0（S）是串聯(lián)相連接。串聯(lián)校正裝置有兩種：一種是超前校正，它是利用超前校正裝置的相位超前特性來改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；另一種是滯后校正，它是利用滯后校正裝置的高頻幅值衰減特性，使系統(tǒng)在滿足靜態(tài)性能的前提下又能滿足其動(dòng)態(tài)性能的要求。本實(shí)驗(yàn)采用串聯(lián)超前校正，使校正后的系統(tǒng)同時(shí)能滿足動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能的要求。有關(guān)串聯(lián)校正裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模擬電路，請(qǐng)參看附錄。五、實(shí)驗(yàn)步驟1利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的各通用單元，組建所設(shè)計(jì)二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路圖（參考本實(shí)驗(yàn)附錄中的圖5-1），并連接好實(shí)驗(yàn)電路

27、；當(dāng)檢查接線無誤后，接通實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電源總開關(guān)，并開啟±5V，±15V直流穩(wěn)壓電源。2把采集卡接口單元的輸出端DA1、輸入端AD2與電路的輸入端相連，電路的輸出端則與采集卡接口單元中的輸入端AD1相連。連接好采集卡接口單元與PC上位機(jī)的通信線。待接線完成并檢查無誤后，在PC機(jī)上啟動(dòng)“THBDC-1”軟件。在系統(tǒng)的輸入端輸入一階躍信號(hào)，觀測(cè)該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。具體步驟參考實(shí)驗(yàn)一的步驟2。3參閱本實(shí)驗(yàn)的附錄，按對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)和相應(yīng)的模擬電路。4利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)步驟3設(shè)計(jì)校正裝置的模擬電路(具體可參考本實(shí)驗(yàn)附錄的圖5-3)，并把校正裝置串接

28、到步驟1所設(shè)計(jì)的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路中（圖5-4）。然后輸入一階躍信號(hào)，觀測(cè)該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。5改變串聯(lián)校正裝置的相關(guān)參數(shù)，使系統(tǒng)的性能指標(biāo)均滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。6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(duì)電路模擬與軟件仿真結(jié)果進(jìn)行相比較。利用上位機(jī)軟件提供的軟件仿真功能完成線性系統(tǒng)軟件仿真的具體操作方法請(qǐng)參閱“實(shí)驗(yàn)一”中的實(shí)驗(yàn)步驟4。7根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)存儲(chǔ)的波形完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1根據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能的要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的串聯(lián)校正裝置，并畫出它的電路圖。2根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，畫出校正前系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線及相應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。3觀測(cè)引入校正裝置后系統(tǒng)的階躍響

29、應(yīng)曲線，并對(duì)實(shí)驗(yàn)所得的性能指標(biāo)與理論計(jì)算值作比較。4實(shí)時(shí)調(diào)整校正裝置的相關(guān)參數(shù)，使系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能均滿足設(shè)計(jì)要求，并分析相應(yīng)參數(shù)的改變對(duì)系統(tǒng)性能的影響。七、實(shí)驗(yàn)思考題1加入超前校正裝置后，為什么系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)會(huì)變快？2什么是超前校正裝置和滯后校正裝置，它們各利用校正裝置的什么特性對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正？3實(shí)驗(yàn)時(shí)所獲得的性能指標(biāo)為何與設(shè)計(jì)時(shí)確定的性能指標(biāo)有偏差？八、附錄 1時(shí)域校正法加校正前系統(tǒng)的方框圖和模擬電路分別如圖5-1和圖5-2所示。圖5-1二階閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖圖5-2 二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路圖實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的參考單元：U6、U7、U10、U52期望特性校正法根據(jù)給定的性能指標(biāo)，確定期望的開環(huán)對(duì)數(shù)幅

30、頻特性L(w)，并令它等于校正裝置的對(duì)數(shù)幅頻特性Lc(w)和未校正系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性L0(w)之和，即 L(w)= Lc(w)+ L0(w)當(dāng)知道期望開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性L(w)和未校正系統(tǒng)的開環(huán)幅頻特性L0(w)，就可以求出校正裝置的對(duì)數(shù)幅頻特性 Lc(w)= L(w)-L0(w)設(shè)未校正系統(tǒng)如圖5-3所示， 圖5-3 二階系統(tǒng)的方框圖圖中 ，K=K1K2=2則相應(yīng)的模擬電路為圖5-4 二階系統(tǒng)的模擬電路圖實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的參考單元：U6、U7、U10、U5附： THBDC-1控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介THBDC-1型控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要是針對(duì) “控制理論

31、”及“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”這兩門課程而設(shè)計(jì)的。在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)上用運(yùn)放來模擬各種受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，另外還增加了實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用到的低頻信號(hào)發(fā)生器、交直流數(shù)字電壓表，便于實(shí)驗(yàn)室其它地方的使用。一、硬件部分1直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源輸出為±5V、±15V及+24V。2低頻信號(hào)發(fā)生器見實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器單元。低頻信號(hào)發(fā)生器由單片集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器ICL8038及外圍電路組合而成，主要輸出有正弦信號(hào)、三角波信號(hào)、方波信號(hào)、斜坡信號(hào)和拋物線信號(hào)。輸出頻率分為T1、T2、T3為三檔。每一檔正弦信號(hào)的范圍為：0.1Hz3.3Hz，2.5Hz86.4Hz，49.8Hz1.7KHz；Vp-

32、p值為25V，而方波信號(hào)輸出幅度的Vp-p值為15V。使用時(shí)可根據(jù)需要選擇合適頻率的檔并且調(diào)節(jié)“頻率調(diào)節(jié)”和“幅度調(diào)節(jié)”兩個(gè)電位器即可調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的頻率和幅值。3實(shí)驗(yàn)通用單元電路見實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的U1U17單元。這些單元主要由運(yùn)放、電容、電阻、電位器和一些自由布線區(qū)等組成。通過接線和短路帽的選擇，可以模擬各種受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。其中U1為能控性與能觀性單元，U2為無源器件單元，U3為帶調(diào)零端的運(yùn)放單元，U4為非線性單元，U5反相器單元，U6-U17為通用單元電路主要用于比例、積分、微分、慣性等環(huán)節(jié)電路的構(gòu)造。4USB數(shù)據(jù)采集卡及接口單元數(shù)據(jù)采集卡采用THBXD，它可直接插在IBM-PC/AT 或與之

33、兼容的計(jì)算機(jī)內(nèi)，其采樣頻率為250K；有4路單端A/D模擬量輸入，2路D/A模擬量輸出，A/D與D/A轉(zhuǎn)換精度均為12位；16路開關(guān)量輸入，16路開關(guān)量輸出。接口單元?jiǎng)t放于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)，用于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與PC上位機(jī)的連接與通訊。數(shù)據(jù)采集卡接口部分包含模擬量輸入輸出(AI/AO)與開關(guān)量輸入輸出(DI/DO)兩部分。其中列出AI有6路，AO有2路，DI/DO各8路。二、上位機(jī)軟件使用說明上位機(jī)軟件集虛擬示波器、VBScript腳本編程器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器等于一身。其中虛擬示波器用于顯示實(shí)驗(yàn)波形，并具有圖形和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、打印功能；VBScript腳本編程器則提供了一個(gè)開放的編程環(huán)境，用戶可編寫各種算法及控制程序；函數(shù)信