THKKL-7型 控制理論實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書復(fù)習(xí)過程

1、PAGE PAGE 81目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295829928 第一部分 使用說明書 PAGEREF _Toc295829928 h 2 HYPERLINK l _Toc295829929 第一章 系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc295829929 h 2 HYPERLINK l _Toc295829930 第二章 硬件的組成及使用 PAGEREF _Toc295829930 h 3 HYPERLINK l _Toc295829931 第三章 上位機(jī)軟件安裝及使用說明 PAGEREF _Toc295829931 h 5 HYPERLINK l

2、 _Toc295829932 第二部分 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 PAGEREF _Toc295829932 h 8 HYPERLINK l _Toc295829933 第一章控制理論的MATLAB仿真與控制實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc295829933 h 8 HYPERLINK l _Toc295829934 實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬 PAGEREF _Toc295829934 h 8 HYPERLINK l _Toc295829935 實(shí)驗(yàn)二 二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng) PAGEREF _Toc295829935 h 16 HYPERLINK l _Toc295829936 實(shí)驗(yàn)三 高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)

3、定性分析 PAGEREF _Toc295829936 h 20 HYPERLINK l _Toc295829937 實(shí)驗(yàn)四 線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 PAGEREF _Toc295829937 h 24 HYPERLINK l _Toc295829938 實(shí)驗(yàn)五 線性定常系統(tǒng)的串聯(lián)校正 PAGEREF _Toc295829938 h 29 HYPERLINK l _Toc295829939 實(shí)驗(yàn)六 典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性 PAGEREF _Toc295829939 h 37 HYPERLINK l _Toc295829940 實(shí)驗(yàn)七 非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)法 PAGEREF _Toc295829

4、940 h 43 HYPERLINK l _Toc295829941 實(shí)驗(yàn)八 系統(tǒng)能控性與能觀性分析 PAGEREF _Toc295829941 h 50 HYPERLINK l _Toc295829942 實(shí)驗(yàn)九 控制系統(tǒng)極點(diǎn)的任意配置 PAGEREF _Toc295829942 h 54 HYPERLINK l _Toc295829943 實(shí)驗(yàn)十 具有內(nèi)部模型的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc295829943 h 61 HYPERLINK l _Toc295829944 實(shí)驗(yàn)十一 狀態(tài)觀測(cè)器及其應(yīng)用 PAGEREF _Toc295829944 h 66 HYPERLINK l

5、_Toc295829945 第二章 對(duì)象控制實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc295829945 h 70 HYPERLINK l _Toc295829946 實(shí)驗(yàn)十二 單閉環(huán)溫度恒值控制 PAGEREF _Toc295829946 h 70 HYPERLINK l _Toc295829947 實(shí)驗(yàn)十三 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 PAGEREF _Toc295829947 h 73 HYPERLINK l _Toc295829948 實(shí)驗(yàn)十四 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 PAGEREF _Toc295829948 h 77第一部分 使用說明書第一章 系統(tǒng)概述“THKKL-7型控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱”是我公司結(jié)

6、合教學(xué)和實(shí)踐的需要而精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。適用于高校的控制原理、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該實(shí)驗(yàn)箱具有實(shí)驗(yàn)功能全、資源豐富、使用靈活、接線可靠、操作快捷、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)箱的硬件部分主要由直流穩(wěn)壓電源、低頻信號(hào)發(fā)生器、階躍信號(hào)發(fā)生器、低頻頻率計(jì)、交/直流數(shù)字電壓表、數(shù)據(jù)采集接口單元、通用單元電路、電位器組、采樣保持器等單元組成。上位機(jī)軟件采用MATLAB6.5軟件，可完成控制理論的仿真與實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)、溫度和液位控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)箱通過電路單元模擬控制工程中的各種典型環(huán)節(jié)和控制系統(tǒng)，并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)對(duì)控制理論及計(jì)算機(jī)控制算法有更深一步的理解，并提高分析與綜合系統(tǒng)的能力

7、。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，控制理論既有經(jīng)典理論實(shí)驗(yàn)，又有現(xiàn)代控制理論實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)箱提供電源。有5V/0.5A、15V/0.5A及+24V/1.0A五路，每路均有短路保護(hù)自恢復(fù)功能。它們的開關(guān)分別由相應(yīng)的鈕子開關(guān)控制，并由相應(yīng)發(fā)光二極管指示。其中+24V主用于溫度控制單元和直流電機(jī)單元。實(shí)驗(yàn)前，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱上的電源總開關(guān)。并根據(jù)需要將5V、15V、+24V鈕子開關(guān)拔到“開”的位置。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過2號(hào)連接導(dǎo)線將直流電壓接到需要的位置。二、低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器及鎖零按鈕低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器由單片集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器專用芯片及外圍電路組合而成，主要輸出有正弦波信

8、號(hào)、三角波信號(hào)、方波信號(hào)、斜波信號(hào)和拋物波信號(hào)。輸出頻率分為f1、f2、f3、f4四檔。其中正弦信號(hào)的頻率范圍分別為0.1Hz3.3Hz、2.5Hz86.4Hz、49.8Hz1.7kHz、700Hz10kHz四檔，Vp-p值為13V。使用時(shí)先將信號(hào)發(fā)生器單元的鈕子開關(guān)拔到“開”的位置，并根據(jù)需要選擇合適的波形及頻率的檔位，然后調(diào)節(jié)“頻率調(diào)節(jié)”和“幅度調(diào)節(jié)”微調(diào)電位器，以得到所需要的頻率和幅值，并通過2號(hào)連接導(dǎo)線將其接到需要的位置。另外本單元還有一個(gè)鎖零按鈕，用于實(shí)驗(yàn)前運(yùn)放單元中電容器的放電。當(dāng)按下按鈕時(shí)，通用單元中的場(chǎng)效應(yīng)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(dāng)按鈕復(fù)位時(shí)，

9、單元中的場(chǎng)效應(yīng)管處于開路狀態(tài)，此時(shí)可以開始實(shí)驗(yàn)。三、階躍信號(hào)發(fā)生器階躍信號(hào)發(fā)生器主要提供實(shí)驗(yàn)時(shí)的階躍給定信號(hào)，其輸出電壓范圍為-5+5V，正負(fù)檔連續(xù)可調(diào)。使用時(shí)根據(jù)需要可選擇正輸出或負(fù)輸出，具體通過“階躍信號(hào)發(fā)生器”單元的拔動(dòng)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)按下自鎖按鈕時(shí)，單元的輸出端輸出一個(gè)連續(xù)可調(diào)(選擇正輸出時(shí)，調(diào)RP1電位器；選擇負(fù)輸出時(shí)，調(diào)RP2電位器)的階躍信號(hào)(當(dāng)輸出電壓為1V時(shí)，即為單位階躍信號(hào))，實(shí)驗(yàn)開始；當(dāng)按鈕復(fù)位時(shí)，單元的輸出端輸出電壓為0V。注：單元的輸出電壓可通過實(shí)驗(yàn)箱上的直流數(shù)字電壓表來進(jìn)行測(cè)量。 四、低頻頻率計(jì)低頻頻率計(jì)是由單片機(jī)89C2051和六位共陰極LED數(shù)碼管設(shè)計(jì)而成的，具有

10、輸入阻抗大和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。其測(cè)頻范圍為：0.1Hz10.0kHz。低頻頻率計(jì)主要用來測(cè)量函數(shù)信號(hào)發(fā)生器或外來周期信號(hào)的頻率。使用時(shí)先將低頻頻率計(jì)的電源鈕子開關(guān)拔到“開”的位置，然后根據(jù)需要將測(cè)量鈕子開關(guān)拔到“外測(cè)”(此時(shí)通過“輸入”或“地”輸入端輸入外來周期信號(hào))或“內(nèi)測(cè)”(此時(shí)測(cè)量低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的頻率)。另外本單元還有一個(gè)復(fù)位按鈕，以對(duì)低頻頻率計(jì)進(jìn)行復(fù)位操作。注：將“內(nèi)測(cè)/外測(cè)”開關(guān)置于“外測(cè)”時(shí)，而輸入接口沒接被測(cè)信號(hào)時(shí)，頻率計(jì)有時(shí)會(huì)顯示一定數(shù)據(jù)的頻率，這是由于頻率計(jì)的輸入阻抗大，靈敏度高，從而感應(yīng)到一定數(shù)值的頻率。此現(xiàn)象并不影響內(nèi)外測(cè)頻。五、交/直流數(shù)字電壓表交/直流數(shù)字電

11、壓表有三個(gè)量程，分別為200mV、2V、20V。當(dāng)自鎖開關(guān)不按下時(shí)，它作直流電壓表使用，這時(shí)可用于測(cè)量直流電壓；當(dāng)自鎖開關(guān)按下時(shí)，作交流毫伏表使用，它具有頻帶寬（10Hz400kHz）、精度高（5）和真有效值測(cè)量的特點(diǎn)，即使測(cè)量窄脈沖信號(hào)，也能測(cè)得其精確的有效值，其適用的波峰因數(shù)范圍可達(dá)到10。六、通用單元電路通用單元電路具體見實(shí)驗(yàn)箱的U1U8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，可以模擬各種受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。其中U7為無源元件單元，U8為構(gòu)成反相器/加法器單元。U1U6為通用運(yùn)放單元，主要用于比例、積分、微分、慣性等電路環(huán)節(jié)的構(gòu)造。七、零階保持器零階

12、保持器采用“采樣-保持器”組件LF398，具有將連續(xù)信號(hào)離散后的零階保持器輸出信號(hào)的功能，其采樣頻率由外接的方波信號(hào)頻率決定。使用時(shí)只要接入外部的方波信號(hào)及輸入信號(hào)即可。八、非線性單元非線性單元主要用來構(gòu)成繼電器型非線性環(huán)節(jié)，飽和型非線性環(huán)節(jié)，具有死區(qū)特性非線性環(huán)節(jié)以及具有間隙特性非線性環(huán)節(jié)。九、數(shù)據(jù)采集接口單元數(shù)據(jù)采集部分則采用實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)上常用的USB數(shù)據(jù)采集卡(THVLW-1型)。它通過USB數(shù)據(jù)線與上位機(jī)連接，其采樣頻率為350K（理論值為400K）；有16路單端A/D模擬量輸入，轉(zhuǎn)換精度為14位；4路D/A模擬量輸出，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。數(shù)據(jù)采集卡

13、接口部分包含模擬量輸入輸出(AD/DA)與開關(guān)量輸入輸出(DI/DO)兩部分。其中只引出AD4路，DA2路，DI/DO各8路。第三章 上位機(jī)軟件安裝及使用說明一、上位機(jī)控制工程1運(yùn)行環(huán)境項(xiàng)目描述CPUP4(2.2G)以上內(nèi)存512M以上硬盤不限操作系統(tǒng)最好WinXP顯示設(shè)備17寸顯卡要求64M以上用戶名不能使用中文2上位機(jī)程序適用于MATLAB6.5版本MATLAB控制產(chǎn)品集支持控制設(shè)計(jì)過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，可以用于不同的領(lǐng)域，如過程仿真與控制、汽車、航空航天、計(jì)算機(jī)和通訊等領(lǐng)域。使用MATLAB高級(jí)編程語言，能使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析更加方便，編程者只需花很短的時(shí)間就可以開發(fā)出控制算法復(fù)雜、繪圖功

14、能強(qiáng)大的程序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)、方程和結(jié)果的顯示。注：實(shí)驗(yàn)程序處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，不能強(qiáng)制對(duì)界面進(jìn)行最小化操作，否則將出現(xiàn)錯(cuò)誤。二、上位機(jī)軟件的使用說明1、仿真部分使用說明1.1 雙擊任何一個(gè)模塊，都可以修改其參數(shù)。仿真過程中，只需按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容，修改仿真窗口中相應(yīng)模塊的參數(shù)。建議不要隨意改動(dòng)，如有改動(dòng)，關(guān)閉窗口時(shí)，不要選擇存盤。1.2 當(dāng)達(dá)到仿真結(jié)束時(shí)間，而示波器不能完整地顯示仿真波形時(shí)，可通過同時(shí)修改仿真參數(shù)和示波器參數(shù)實(shí)現(xiàn)。仿真參數(shù)的修改方法：按住Ctrl+E鍵，在彈出的窗口中修改Stop time的值。示波器參數(shù)的修改方法：在打開的示波器窗口中點(diǎn)擊Parameters圖標(biāo)，在彈出的窗口中

15、修改Time range的參數(shù)。修改完成后，示波器的Time range值必須大于或等于仿真參數(shù)的Stop time值。1.3 示波器的Y軸顯示范圍的修改可通過右擊示波器窗口，選擇Axes Properties項(xiàng)，在彈出的窗口中修改Y-min和 Y-max的值。1.4 每次參數(shù)更新后，需點(diǎn)擊Start Simulation圖標(biāo)進(jìn)行仿真，這樣才能看到新的結(jié)果（“典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量”仿真除外）。2、實(shí)驗(yàn)部分使用說明2.1 雙擊任何一個(gè)模塊，都可以修改其參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中，只需按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容，修改實(shí)驗(yàn)窗口中相應(yīng)模塊的參數(shù)。建議不要隨意改動(dòng)，如有改動(dòng)，關(guān)閉窗口時(shí)，不要選擇存盤。2.2 示

16、波器的Y軸顯示范圍的修改可通過右擊示波器窗口，選擇Axes Properties項(xiàng)，在彈出的窗口中修改Y-min和 Y-max的值。2.3 基于simulink的仿真屬于偽實(shí)時(shí)仿真，其仿真時(shí)間并不與實(shí)際時(shí)間同步，而與機(jī)器執(zhí)行速度和模型復(fù)雜度有關(guān)。在完成實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)時(shí)，界面中所顯示的時(shí)間約為實(shí)際時(shí)間的兩倍。3、實(shí)驗(yàn)軟件初始化3.1 在進(jìn)行控制理論的MATLAB仿真與控制實(shí)驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行需要MATLAB6.5的支持。用戶在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)安裝好該軟件并對(duì)其工作環(huán)境及相關(guān)編程工作較為熟悉。3.2 打開MATLAB6.5軟件，查看MATLAB的當(dāng)前工作路徑（即Current Directory所顯示的路徑），

17、并將提供給用戶的光盤控制程序（不是文件夾）拷貝到MATLAB當(dāng)前工作路徑中。3.3 利用產(chǎn)品所附帶的采集卡驅(qū)動(dòng)光盤，安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。 3.4將發(fā)貨光盤中的“TH”文件夾放到Matlab文件夾下的“toolbox”文件夾下如：D:Matlab6.5toolbox。4、模塊的參數(shù)的設(shè)置打開Matlab軟件并進(jìn)入Simulink環(huán)境，可以看到在Simulink Library Browser中添加了“TH”庫，其中包括了采集卡的兩個(gè)輸入輸出模塊。如圖1所示：圖1 Simulink Library Browser界面4.1 模塊參數(shù)的設(shè)置：雙擊“ADTHUSBCard”或“DATHUSBCard”

18、在彈出的對(duì)話框中的S-function parameters:輸入0,0、1,1、0,1它們分別表示“通道一”有效、“通道二”有效、“一、二通道”同時(shí)有效。圖2 參數(shù)設(shè)置界面4.2 雙通道使用時(shí)的連線：先將AD模塊的S-function parameters設(shè)置成0,1，再用Demux模塊將信號(hào)分成雙通道輸出。最后將兩信號(hào)引入到相應(yīng)的模塊上，如圖3所示。圖3 AD模塊雙通道使用時(shí)連接圖雙通道輸入時(shí)也是先將DA模塊的S-function parameters設(shè)置成0,1，再用Mux模塊將雙通道信號(hào)合成，送入采集卡模塊的輸入端，如圖4所示。圖4 DA模塊雙通道使用時(shí)連接圖第二部分 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書控制理

19、論的MATLAB仿真與控制實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉THKKL-7型控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱及上位機(jī)軟件的使用；2、熟悉各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)特性及其電路模擬；3、測(cè)量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，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、THKKL-7型控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱；2、PC機(jī)一臺(tái)（含“MATLAB6.5”軟件）；3、THVLW-1型數(shù)據(jù)采集卡、37針數(shù)據(jù)線；4、USB數(shù)據(jù)線。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)仿真界面中，修改各典型環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型的實(shí)際參數(shù)，據(jù)此

20、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、慣性等環(huán)節(jié)按一定的關(guān)系組建而成。熟悉這些典型環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)及其對(duì)階躍輸入的響應(yīng)，將對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析十分有益。本實(shí)驗(yàn)中的典型環(huán)節(jié)都是以運(yùn)放為核心元件，其原理框圖如圖1-1所示。圖中Z1和Z2表示由R、C構(gòu)成的復(fù)數(shù)阻抗。1、比例（P）環(huán)節(jié) 圖1-1典型環(huán)節(jié)的原理框圖比例環(huán)節(jié)的特點(diǎn)是輸出不失真、不延遲、成比例地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化。它的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：當(dāng)Ui(S)輸入端輸入一個(gè)單位階躍信號(hào)，且比例系數(shù)為K時(shí)的響應(yīng)曲線如圖1-2所示。圖1-2 比例環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線2、積分（I）環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié)的輸出量

21、與其輸入量對(duì)時(shí)間的積分成正比。它的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：設(shè)Ui(S)為一單位階躍信號(hào)，當(dāng)積分系數(shù)為T時(shí)的響應(yīng)曲線如圖1-3所示。圖1-3 積分環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線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： 其中T=R2C，K=R2/R1設(shè)Ui(S)為一單位階躍信號(hào)，圖1-4示出了比例系數(shù)(K)為1、積分系數(shù)為T時(shí)的PI輸出響應(yīng)曲線。圖1-4 比例積分環(huán)節(jié)的響應(yīng)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： 其中設(shè)Ui(S)為一單位階躍信號(hào)，圖1-5示出了比例系數(shù)(K)為2、微分系數(shù)為TD時(shí)PD的輸出響應(yīng)曲線。圖1-5 比例微分環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線5、比例積分微分(

22、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， 設(shè)Ui(S)為一單位階躍信號(hào)，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(shí)PID的輸出。圖1-6 PID環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線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：當(dāng)Ui(S)輸入端輸入一個(gè)單位階躍信號(hào)，且放大系數(shù)(K)為1、時(shí)間常數(shù)為T時(shí)響應(yīng)曲線如圖1-7所示。圖1-7 慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線五、實(shí)驗(yàn)步驟（一）實(shí)驗(yàn)接線 1、各典型環(huán)節(jié)接線分別如下：1.1 比例（P）環(huán)節(jié)根據(jù)比例環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)箱上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建相應(yīng)的模擬電路，如圖1-8所示。圖1-8 比例環(huán)節(jié)的模擬電路圖中后一個(gè)單元為反

23、相器，其中R0=200k。若比例系數(shù)K=1時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100k，R2=100k。若比例系數(shù)K=2時(shí)，電路中的參數(shù)取：R1=100k，R2=200k。另外R2還可使用可變電位器，以實(shí)現(xiàn)比例系數(shù)為任意值。注：實(shí)驗(yàn)操作前必須先熟悉“THKKL-7 使用說明書”部分。1.2 積分（I）環(huán)節(jié)根據(jù)積分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)箱上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建相應(yīng)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(gè)單元為反相器，其中R0=200k。若積分時(shí)間常數(shù)T=1s時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟=100k，C=10uF(T=RC=100k10uF=1)。注：由于實(shí)驗(yàn)電路中有積分環(huán)節(jié)時(shí)，在實(shí)驗(yàn)

24、開始前應(yīng)按下鎖零按鈕，對(duì)電容放電。以后實(shí)驗(yàn)與此相同。1.3 比例積分(PI)環(huán)節(jié)根據(jù)比例積分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)箱上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建相應(yīng)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(gè)單元為反相器，其中R0=200k。若取比例系數(shù)K=1、積分時(shí)間常數(shù)T=1s時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100k，R2=100k，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100k10uF=1)。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。1.4 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(shí)驗(yàn)箱上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建其模擬電路，如圖

25、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(gè)單元為反相器，其中R0=200k。若比例系數(shù)K=1、微分時(shí)間常數(shù)T=1s時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100k，R2=100k，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100k10uF=1s)；若比例系數(shù)K=0.5、微分時(shí)間常數(shù)T=1s時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=200k，R2=100k，C=10uF(K= R2/ R1=0.5,T=R1C=100k10uF=1s)；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。1.5 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(shí)驗(yàn)箱上的通用電路單元設(shè)計(jì)

26、并組建其相應(yīng)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(gè)單元為反相器，其中R0=200k。若比例系數(shù)K=1.1、積分時(shí)間常數(shù)TI =1s、微分時(shí)間常數(shù)TD =0.1s時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100k，R2=100k，C1=1uF，C2=10uF (K= (R1 C1+ R2 C2)/ R1C2=1.1，TI=R1C2=100k10uF=1，TD=R2C1=100k1uF=0.1)。通過改變R1、R2、C1、C2的值可改變比例積分微分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K、積分時(shí)間常數(shù)TI和微分時(shí)間常數(shù)TD。1.6 慣性環(huán)節(jié)根據(jù)慣性環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)箱上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建

27、相應(yīng)的模擬電路，如圖1-13所示。圖1-13 慣性環(huán)節(jié)的模擬電路圖中后一個(gè)單元為反相器，其中R0=200k。若比例系數(shù)K=1、時(shí)間常數(shù)T=1s時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100k，R2=100k，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100k10uF=1)。若比例系數(shù)K=2、時(shí)間常數(shù)T=2s時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100k，R2=200k，C=10uF(K= R2/ R1=2,T=R2C=200k10uF=2)。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。2、用37針數(shù)據(jù)線將采集卡和THKKL-7型實(shí)驗(yàn)箱連接，用USB數(shù)據(jù)線將計(jì)算機(jī)和采集卡連接起來。用2#導(dǎo)線

28、將采集卡接口單元的AD1端接至階躍信號(hào)發(fā)生器的“輸出”端，AD2端接至各典型環(huán)節(jié)的Uo端，階躍信號(hào)發(fā)生器的“輸出”端接至各典型環(huán)節(jié)的Ui端。（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、按照實(shí)驗(yàn)接線內(nèi)容進(jìn)行接線，接線無誤后，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱的總電源。2、打開MATLAB軟件，在Current Directory窗口中將Matlab工作路徑設(shè)置為發(fā)貨光盤中“工程”存儲(chǔ)路徑，并在窗口中雙擊“fz1”文件。圖1-14 Current Directory窗口彈出如下對(duì)話框：圖1-15 典型環(huán)節(jié)的電路模擬仿真窗口雙擊圖1-15中的“Scope”圖標(biāo)，打開示波器窗口，點(diǎn)擊工具條上的“”按鈕開始仿真。在下列幾種情況下，記錄仿真曲線。仿真完畢

29、后，直接關(guān)閉仿真窗口。2.1開關(guān)S1打到1，Kp=1，Ki=0，Kd=0；2.2開關(guān)S1打到1，Kp=2，Ki=0，Kd=0；2.3開關(guān)S1打到1，Kp=0，Ki=1，Kd=0；2.4開關(guān)S1打到1，Kp=1，Ki=1，Kd=0；2.5開關(guān)S1打到1，Kp=1，Ki=0，Kd=1；2.6開關(guān)S1打到1，Kp=0.5，Ki=0，Kd=1；2.7開關(guān)S1打到1，Kp=1，Ki=1，Kd=0.1；2.8開關(guān)S1打到2，Numerator=1，Denominator=1 1；2.9開關(guān)S1打到2，Numerator=2，Denominator=2 1。3、在Current Directory窗口中雙擊

30、“sy1”文件彈出如下對(duì)話框：圖1-16典型環(huán)節(jié)的電路模擬實(shí)驗(yàn)窗口4、配置好ADTHUSBCard模塊后，雙擊圖1-16中的“Scope”圖標(biāo)。5、點(diǎn)擊圖1-16中的圖標(biāo)，啟動(dòng)控制程序，同時(shí)， 停止按鈕點(diǎn)亮。分別記錄各典型環(huán)節(jié)在不同參數(shù)下的單位階躍響應(yīng)曲線。注：雙通道采集時(shí)，如某一通道采集的數(shù)據(jù)值超過5V，則另一通道采集到的數(shù)據(jù)將受到干擾。6、實(shí)驗(yàn)完畢后，點(diǎn)擊停止按鈕關(guān)閉圖1-16所示的窗口，7、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)系統(tǒng)動(dòng)

31、態(tài)性能的影響。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)？4、為什么實(shí)驗(yàn)中實(shí)際曲線與理論曲線有一定偏差？5、為什么PD實(shí)驗(yàn)在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)曲線有小范圍的振蕩？實(shí)驗(yàn)二 二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過實(shí)驗(yàn)了解參數(shù)(阻尼比)、(阻尼自然頻率)的變化對(duì)二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響；2、掌握二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、THKK

32、L-7型控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱；2、PC機(jī)一臺(tái)（含“MATLAB6.5”軟件）；3、THVLW-1型數(shù)據(jù)采集卡、37針數(shù)據(jù)線；4、USB數(shù)據(jù)線。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀測(cè)二階系統(tǒng)的阻尼比分別在01三種情況下的單位階躍響應(yīng)曲線；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)量此時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間ts(= 0.05)；3、為一定時(shí)，觀測(cè)系統(tǒng)在不同時(shí)的響應(yīng)曲線。四、實(shí)驗(yàn)原理1、二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)用二階常微分方程描述的系統(tǒng)，稱為二階系統(tǒng)，其標(biāo)準(zhǔn)形式的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 (2-1)閉環(huán)特征方程：其解 ，針對(duì)不同的值，特征根會(huì)出現(xiàn)下列三種情況：1）01（欠阻尼），此時(shí)，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)呈振蕩衰減形式

33、，其曲線如圖2-1的(a)所示，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 式中，2）（臨界阻尼）此時(shí)，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)是一條單調(diào)上升的指數(shù)曲線，如圖2-1的(b)所示。3）（過阻尼），此時(shí)系統(tǒng)有二個(gè)相異實(shí)根，它的單位階躍響應(yīng)曲線如圖2-1的(c)所示。(a) 欠阻尼(01時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)無超調(diào)產(chǎn)生，但這種響應(yīng)的動(dòng)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=0.60.7，此時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程不僅快速，而且超調(diào)量也小。2、二階系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)典型的二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖和模擬電路圖如圖2-2和圖2-3所示。圖2-2 二階系統(tǒng)的方框圖圖2-3 二階系統(tǒng)的模擬電路圖由圖2-2和圖2-3可得其開環(huán)傳遞函數(shù)為：

34、，其中：， (，)其閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 與式2-1相比較，可得 ， 五、實(shí)驗(yàn)步驟（一）實(shí)驗(yàn)接線 1、根據(jù)圖2-4，選擇實(shí)驗(yàn)箱上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建模擬電路。圖2-4 實(shí)驗(yàn)線路圖2、用37針數(shù)據(jù)線將采集卡和THKKL-7型實(shí)驗(yàn)箱連接，用USB數(shù)據(jù)線將計(jì)算機(jī)和采集卡連接起來。用2#導(dǎo)線將數(shù)據(jù)采集接口單元的AD1端接至圖2-4的“c(t)”端，DA1端接至圖2-4的“r(t)”端。（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、按照實(shí)驗(yàn)接線內(nèi)容進(jìn)行接線，接線無誤后，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱的總電源。2、打開MATLAB軟件，在Current Directory窗口中雙擊“fz2”文件，彈出如下對(duì)話框。圖2-5二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)仿真窗口雙擊圖

35、2-5中的“Scope”圖標(biāo)，打開示波器窗口，點(diǎn)擊工具條上的“”按鈕開始仿真，在下列幾種情況下，記錄仿真曲線。仿真完畢后，直接關(guān)閉仿真窗口。2.1 Go(s)1的參數(shù)為：Numerator=2.5，Denominator=0.25 1；Go(s)2的參數(shù)為：Numerator=1，Denominator=0.1 0。2.2 Go(s)1的參數(shù)為：Numerator=0.707，Denominator=0.0707 1；Go(s)2的參數(shù)為：Numerator=1，Denominator=0.1 0。2.3 Go(s)1的參數(shù)為：Numerator=0.5，Denominator=0.05 1；

36、Go(s)2的參數(shù)為：Numerator=1，Denominator=0.1 0。2.4 Go(s)1的參數(shù)為：Numerator=0.25，Denominator=0.25 1；Go(s)2的參數(shù)為：Numerator=1，Denominator=0.1 0。2.5 Go(s)1的參數(shù)為：Numerator=2.5，Denominator=2.5 1；Go(s)2的參數(shù)為：Numerator=1，Denominator=1 0。2.6 Go(s)1的參數(shù)為：Numerator=2.5，Denominator=0.025 1；Go(s)2的參數(shù)為：Numerator=1，Denominator

37、=0.01 0。3、在Current Directory窗口中雙擊“sy2”文件。圖2-6 二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)窗口4、配置好ADTHUSBCard和DATHUSBCard模塊后，雙擊圖2-6中的“Scope”圖標(biāo)。5、點(diǎn)擊圖2-6中的圖標(biāo)，啟動(dòng)控制程序，同時(shí)， 停止按鈕點(diǎn)亮。分別記錄各典型環(huán)節(jié)在不同參數(shù)下的單位階躍響應(yīng)曲線。5.1 值一定時(shí)，圖2-4中取C=1uF，R=100k(此時(shí))，Rx阻值可調(diào)范圍為0470k。在下列幾種情況下，用上位機(jī)軟件觀測(cè)并記錄不同值時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線。5.1.1當(dāng)可調(diào)電位器RX=250k時(shí)，=0.2，系統(tǒng)處于欠阻尼狀態(tài)，其超調(diào)量為53%左右；5.1.2當(dāng)可調(diào)電位器R

38、X=70.7k時(shí)，=0.707，系統(tǒng)處于欠阻尼狀態(tài)，其超調(diào)量為4.3%左右；5.1.3當(dāng)可調(diào)電位器RX=50k時(shí)，=1，系統(tǒng)處于臨界阻尼狀態(tài)；5.1.4當(dāng)可調(diào)電位器RX=25k時(shí)，=2，系統(tǒng)處于過阻尼狀態(tài)。5.2 值一定時(shí)，圖2-4中取R=100k，RX=250k(此時(shí)=0.2)。在下列幾種情況下，用上位機(jī)軟件觀測(cè)并記錄不同值時(shí)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線。5.2.1當(dāng)取C=10uF時(shí)，；5.2.2當(dāng)取C=0.1uF時(shí)，；6、實(shí)驗(yàn)完畢后，關(guān)閉圖2-6所示的窗口。7、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、畫出二階線性定常系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)電路，并寫出閉環(huán)傳遞函數(shù)，標(biāo)明電路中的各

39、參數(shù)；2、根據(jù)測(cè)得的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線，分析開環(huán)增益K和時(shí)間常數(shù)T對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能的影響。七、實(shí)驗(yàn)思考題1、如果階躍輸入信號(hào)的幅值過大，會(huì)在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生什么后果？2、為什么本實(shí)驗(yàn)中二階系統(tǒng)對(duì)階躍輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)誤差為零？實(shí)驗(yàn)三 高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過實(shí)驗(yàn)，進(jìn)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(jié)構(gòu)和參數(shù)，它與外作用及初始條件均無關(guān)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(duì)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、THKKL-7型控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱；2、PC機(jī)一臺(tái)（含“MATLAB6.5”軟件）；3、THVLW-1型數(shù)據(jù)采集卡、37針數(shù)據(jù)線；4、US

40、B數(shù)據(jù)線。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀測(cè)三階系統(tǒng)的開環(huán)增益K為不同數(shù)值時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線。四、實(shí)驗(yàn)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(gè)高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)是由一階和二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)組成?？刂葡到y(tǒng)能投入實(shí)際應(yīng)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(yīng)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(shí)驗(yàn)是研究一個(gè)三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性與其參數(shù)的關(guān)系。三階系統(tǒng)的方框圖和模擬電路圖如圖3-1和圖3-2所示。圖3-1 三階系統(tǒng)的方框圖 圖3-2 三階系統(tǒng)的模擬電路圖系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：式中=1s，（其中待定電阻的單位為k）

41、，改變Rx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：由勞斯判據(jù)得0K12 系統(tǒng)不穩(wěn)定其三種狀態(tài)的不同響應(yīng)曲線如圖3-3的a)、b)、c)所示。a) 不穩(wěn)定 b) 臨界 c)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(yīng)曲線五、實(shí)驗(yàn)步驟（一）實(shí)驗(yàn)接線 1、根據(jù)圖3-4，選擇實(shí)驗(yàn)箱上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建模擬電路。圖3-4 實(shí)驗(yàn)線路圖2、用37針數(shù)據(jù)線將采集卡和THKKL-7型實(shí)驗(yàn)箱連接，用USB數(shù)據(jù)線將計(jì)算機(jī)和采集卡連接起來。用2#導(dǎo)線將數(shù)據(jù)采集接口單元的AD1端接至圖3-4的“c(t)”端，DA1端接至圖3-4的“r(t)”端。（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、按照實(shí)驗(yàn)接線內(nèi)容

42、進(jìn)行接線，接線無誤后，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱的總電源。2、打開MATLAB軟件，在Current Directory窗口中雙擊“fz3”文件。圖3-5 高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性分析仿真窗口雙擊圖3-5中的“Scope”圖標(biāo)，打開示波器窗口，點(diǎn)擊工具條上的“”按鈕開始仿真，在下列幾種情況下，記錄仿真曲線。仿真完畢后，直接關(guān)閉仿真窗口。2.1 Go(s)2的參數(shù)為：Numerator=5，Denominator=0.5 1。2.2 Go(s)2的參數(shù)為：Numerator=12，Denominator=0.5 1。2.3 Go(s)2的參數(shù)為：Numerator=20，Denominator=0.5 1。3

43、、在Current Directory窗口中雙擊“sy3”文件。圖3-6 高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性分析實(shí)驗(yàn)窗口4、配置好ADTHUSBCard和DATHUSBCard模塊后，雙擊圖3-6中的“Scope”圖標(biāo)。5、點(diǎn)擊圖3-6中的圖標(biāo)，啟動(dòng)控制程序，同時(shí)， 停止按鈕點(diǎn)亮。分別記錄各典型環(huán)節(jié)在不同參數(shù)下的單位階躍響應(yīng)曲線。5.1若K=5時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定，此時(shí)電路中的RX取100k左右；5.2若K=12時(shí)，系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)，此時(shí)電路中的RX取47k (實(shí)際值為47k左右)；5.3若K=20時(shí)，系統(tǒng)不穩(wěn)定，此時(shí)電路中的RX取25k左右；6、實(shí)驗(yàn)完畢后，關(guān)閉圖3-6所示的窗口。7、根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)存儲(chǔ)的波形及

44、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、畫出三階線性定常系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)電路，并寫出其閉環(huán)傳遞函數(shù)，標(biāo)明電路中的各參數(shù)。2、根據(jù)測(cè)得的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線，分析開環(huán)增益K和時(shí)間常數(shù)T對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)定性的影響。七、實(shí)驗(yàn)思考題1、對(duì)三階系統(tǒng)，為使系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，開環(huán)增益K應(yīng)適量取大還是取?。?實(shí)驗(yàn)四 線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過本實(shí)驗(yàn)，理解系統(tǒng)的跟蹤誤差與其結(jié)構(gòu)、參數(shù)、輸入信號(hào)的形式、幅值大小之間的關(guān)系；2、研究系統(tǒng)的開環(huán)增益K對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差的影響。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、THKKL-7型控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱；2、PC機(jī)一臺(tái)（含“MATLAB6.5”軟件）；3、THVLW-1型數(shù)據(jù)

45、采集卡、37針數(shù)據(jù)線；4、USB數(shù)據(jù)線。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀測(cè)0型二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)和單位斜坡響應(yīng)，并實(shí)測(cè)它們的穩(wěn)態(tài)誤差；2、觀測(cè)I型二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)和單位斜坡響應(yīng)，并實(shí)測(cè)它們的穩(wěn)態(tài)誤差；3、觀測(cè)II型二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)和單位斜坡響應(yīng)，并實(shí)測(cè)它們的穩(wěn)態(tài)誤差。四、實(shí)驗(yàn)原理通?？刂葡到y(tǒng)的方框圖如圖4-1所示。其中G(S)為系統(tǒng)前向通道的傳遞函數(shù)，H(S)為其反饋通道的傳遞函數(shù)。圖4-1 控制系統(tǒng)的方框圖由圖4-1求得（4-1）由上式可知，系統(tǒng)的誤差E(S)不僅與其結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，而且也與輸入信號(hào)R(S)的形式和大小有關(guān)。如果系統(tǒng)穩(wěn)定，且誤差的終值存在，則可用下列的終值定理求取系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)

46、誤差：（4-2）本實(shí)驗(yàn)就是研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與上述因素之間的關(guān)系。下面敘述0型、I型、II型系統(tǒng)對(duì)三種不同輸入信號(hào)所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差。1、0型二階系統(tǒng)設(shè)0型二階系統(tǒng)的方框圖如圖4-2所示。根據(jù)式（4-2），可以計(jì)算出該系統(tǒng)對(duì)階躍和斜坡輸入時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差：圖4-2 0型二階系統(tǒng)的方框圖單位階躍輸入（）單位斜坡輸入（）上述結(jié)果表明0型系統(tǒng)只能跟蹤階躍輸入，但有穩(wěn)態(tài)誤差存在，其計(jì)算公式為：其中，R0為階躍信號(hào)的幅值。由實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的圖4-3(a)和圖4-3(b)所示的波形可知，系統(tǒng)實(shí)際的穩(wěn)態(tài)誤差符合理論計(jì)算的結(jié)果。 (a) (b)圖4-3 0型二階系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差響應(yīng)曲線2、I型二階系統(tǒng)設(shè)圖4-4為I型二階系

47、統(tǒng)的方框圖。圖4-4 I型二階系統(tǒng)的方框圖單位階躍輸入單位斜坡輸入這表明I型系統(tǒng)的輸出信號(hào)完全能跟蹤階躍輸入信號(hào)，在穩(wěn)態(tài)時(shí)其誤差為零。對(duì)于單位斜坡信號(hào)輸入，該系統(tǒng)的輸出也能跟蹤輸入信號(hào)的變化，且在穩(wěn)態(tài)時(shí)兩者的速度相等（即），但有位置誤差存在，其值為，其中，為斜坡信號(hào)對(duì)時(shí)間的變化率。3、II型二階系統(tǒng)設(shè)圖4-5為II型二階系統(tǒng)的方框圖。圖4-5 II型二階系統(tǒng)的方框圖同理可證明這種類型的系統(tǒng)輸出均無穩(wěn)態(tài)誤差地跟蹤單位階躍輸入和單位斜坡輸入。當(dāng)輸入信號(hào)，即時(shí)，其穩(wěn)態(tài)誤差為：五、實(shí)驗(yàn)步驟（一）實(shí)驗(yàn)接線 1、根據(jù)圖4-6、圖4-7和圖4-8，選擇實(shí)驗(yàn)箱上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建模擬電路。1.1 0型二

48、階系統(tǒng)圖4-6 0型二階系統(tǒng)模擬電路圖1.2 I型二階系統(tǒng)圖4-7 I型二階系統(tǒng)模擬電路圖1.3 II型二階系統(tǒng)圖4-8 II型二階系統(tǒng)模擬電路圖2、用37針數(shù)據(jù)線將采集卡和THKKL-7型實(shí)驗(yàn)箱連接，用USB數(shù)據(jù)線將計(jì)算機(jī)和采集卡連接起來。用2#導(dǎo)線將數(shù)據(jù)采集接口單元的AD1端接至圖4-8的“c(t)”端，DA1端接至圖4-8的“r(t)”端。（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、按照實(shí)驗(yàn)接線內(nèi)容進(jìn)行接線，接線無誤后，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱的總電源。2、打開MATLAB軟件，在Current Directory窗口中雙擊“fz4”文件。圖4-9 線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差仿真窗口雙擊圖4-9中的“Scope”圖標(biāo)，打開示波器窗

49、口，點(diǎn)擊工具條上的“”按鈕開始仿真，在開關(guān)S1打到1和2兩種情況下，修改Go(s)的參數(shù)，記錄仿真曲線。仿真完畢后，直接關(guān)閉仿真窗口。2.1 Go(s)的參數(shù)為：Numerator=2，Denominator=0.02 0.3 1。2.2 Go(s)的參數(shù)為：Numerator=10，Denominator=0.1 1 0。2.3 Go(s)的參數(shù)為：Numerator=4.7 10，Denominator=1 0 0。3、在Current Directory窗口中雙擊“sy4”文件。圖4-10 線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差實(shí)驗(yàn)窗口4、配置好ADTHUSBCard和DATHUSBCard模塊后，雙擊

50、圖4-10中的“Scope”圖標(biāo)。5、點(diǎn)擊圖4-10中的圖標(biāo)，啟動(dòng)控制程序，同時(shí)， 停止按鈕點(diǎn)亮。分別記錄各典型環(huán)節(jié)在不同參數(shù)下的單位階躍響應(yīng)曲線。5.1 0型二階系統(tǒng)5.1.1 當(dāng)給定信號(hào)為一單位階躍信號(hào)時(shí)，用上位機(jī)軟件觀測(cè)圖中E點(diǎn)并記錄其實(shí)驗(yàn)曲線，與理論偏差值進(jìn)行比較。5.1.2 當(dāng)給定信號(hào)為一單位斜坡信號(hào)時(shí)，用上位機(jī)軟件觀測(cè)圖中E點(diǎn)并記錄其實(shí)驗(yàn)曲線，與理論偏差值進(jìn)行比較。5.2 I型二階系統(tǒng)5.2.1 當(dāng)給定信號(hào)為一單位階躍信號(hào)時(shí)，用上位機(jī)軟件觀測(cè)圖中E點(diǎn)并記錄其實(shí)驗(yàn)曲線，與理論偏差值進(jìn)行比較。5.2.2 當(dāng)給定信號(hào)為一單位斜坡信號(hào)時(shí)，用上位機(jī)軟件觀測(cè)圖中E點(diǎn)并記錄其實(shí)驗(yàn)曲線，與理論偏差

51、值進(jìn)行比較。5.3 II型二階系統(tǒng)5.3.1 當(dāng)給定信號(hào)為一單位階躍信號(hào)時(shí)，用上位機(jī)軟件觀測(cè)圖中E點(diǎn)并記錄其實(shí)驗(yàn)曲線，與理論偏差值進(jìn)行比較。5.3.2 當(dāng)給定信號(hào)為一單位斜坡信號(hào)時(shí)，用上位機(jī)軟件觀測(cè)圖中E點(diǎn)并記錄其實(shí)驗(yàn)曲線，與理論偏差值進(jìn)行比較。6、實(shí)驗(yàn)完畢后，關(guān)閉圖4-10所示的窗口。7、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

52、實(shí)驗(yàn)測(cè)得系統(tǒng)在單位階躍和單位斜坡信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差。4、觀察由改變輸入階躍信號(hào)的幅值，斜坡信號(hào)的速度，對(duì)二階系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的影響，并分析其產(chǎn)生的原因。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，決定誤差的因素有哪些？3、為使系統(tǒng)的穩(wěn)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，在控制工程中應(yīng)如何解決這對(duì)矛盾？實(shí)驗(yàn)五 線性定常系統(tǒng)的串聯(lián)校正一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過實(shí)驗(yàn)，理解所加校正裝置的結(jié)構(gòu)、特性和對(duì)系統(tǒng)性能的影響；2、掌握串聯(lián)校正幾種常用的設(shè)計(jì)方法和對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)試技術(shù)。二、實(shí)驗(yàn)

53、設(shè)備1、THKKL-7型控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱；2、PC機(jī)一臺(tái)（含“MATLAB6.5”軟件）；3、THVLW-1型數(shù)據(jù)采集卡、37針數(shù)據(jù)線；4、USB數(shù)據(jù)線。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)校正前和校正后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并與模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相比較。四、實(shí)驗(yàn)原理圖5-1為一加串聯(lián)校正后系統(tǒng)的方框圖。圖中校正裝置Gc(S)是與被控對(duì)象Go(S)串聯(lián)連接。圖5-1 加串聯(lián)校正后系統(tǒng)

54、的方框圖串聯(lián)校正有以下三種形式： 1) 超前校正，這種校正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。2) 滯后校正，這種校正是利用滯后校正裝置的高頻幅值衰減特性，使系統(tǒng)在滿足穩(wěn)態(tài)性能的前提下又能滿足其動(dòng)態(tài)性能的要求。3) 滯后超前校正，由于這種校正既有超前校正的特點(diǎn)，又有滯后校正的優(yōu)點(diǎn)。因而它適用于系統(tǒng)需要同時(shí)改善穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的場(chǎng)合。校正裝置有無源和有源二種，基于后者與被控對(duì)象相連接時(shí)，不存在負(fù)載效應(yīng)，故得到廣泛地應(yīng)用。下面介紹兩種常用的校正方法：零極點(diǎn)對(duì)消法（時(shí)域法；采用超前校正）和期望特性校正法（頻域法；采用滯后校正）。1、零極點(diǎn)對(duì)消法(時(shí)域法)所謂零極點(diǎn)對(duì)消法就是使校正變量

55、Gc(S)中的零點(diǎn)抵消被控對(duì)象Go(S)中不希望的極點(diǎn)，以使系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能均能滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)校正前系統(tǒng)的方框圖如圖5-2所示。圖5-2 二階閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖1.1 性能要求靜態(tài)速度誤差系數(shù)：KV=25 1/s，超調(diào)量：；上升時(shí)間：。1.2 校正前系統(tǒng)的性能分析校正前系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)的速度誤差系數(shù)為：，剛好滿足穩(wěn)態(tài)的要求。根據(jù)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)求得，代入二階系統(tǒng)超調(diào)量的計(jì)算公式，即可確定該系統(tǒng)的超調(diào)量，即，這表明當(dāng)系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)KV的要求后，其動(dòng)態(tài)性能距設(shè)計(jì)要求甚遠(yuǎn)。為此，必須在系統(tǒng)中加一合適的校正裝置，以使校正后系統(tǒng)的性能同時(shí)滿足穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。1.3 校正裝置

56、的設(shè)計(jì)根據(jù)對(duì)校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求，確定系統(tǒng)的和。即由，求得，解得根據(jù)零極點(diǎn)對(duì)消法則，令校正裝置的傳遞函數(shù)則校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：相應(yīng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)于是有：，為使校正后系統(tǒng)的超調(diào)量，這里取 ， 則 ，。這樣所求校正裝置的傳遞函數(shù)為：設(shè)校正裝置GC(S)的模擬電路如圖5-3所示。其中 時(shí) 圖5-3校正裝置的電路圖則有圖5-4 (a)、(b)分別為二階系統(tǒng)校正前、后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)的示意曲線。 (a) (約為63%) (b) (約為16.3%)圖5-4 加校正裝置前后二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線2、期望特性校正法根據(jù)圖5-1和給定的性能指標(biāo)，確定期望的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性L()，并令它等于校正裝置

57、的對(duì)數(shù)幅頻特性Lc()和未校正系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性Lo()之和，即L()= Lc()+ Lo()當(dāng)知道期望開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性L()和未校正系統(tǒng)的開環(huán)幅頻特性L0()，就可以從Bode圖上求出校正裝置的對(duì)數(shù)幅頻特性Lc()= L()-Lo()據(jù)此，可確定校正裝置的傳遞函數(shù)，具體說明如下：設(shè)校正前系統(tǒng)如圖5-5所示，這是一個(gè)0型二階系統(tǒng)。圖5-5 二階系統(tǒng)的方框圖其開環(huán)傳遞函數(shù)為：，其中，K=K1K2=2。則相應(yīng)的模擬電路如圖5-6所示。圖5-6 二階系統(tǒng)的模擬電路圖 由于圖5-6是一個(gè)0型二階系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)輸入端輸入一個(gè)單位階躍信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)有一定的穩(wěn)態(tài)誤差，其誤差的計(jì)算方法請(qǐng)參考實(shí)驗(yàn)四“線性定常系

58、統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差”。2.1 設(shè)校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)如下：系統(tǒng)的超調(diào)量，速度誤差系數(shù)。后者表示校正后的系統(tǒng)為I型二階系統(tǒng)，使它跟蹤階躍輸入無穩(wěn)態(tài)誤差。 2.2 設(shè)計(jì)步驟2.2.1 繪制未校正系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性曲線，由圖5-5可得：其對(duì)數(shù)幅頻特性曲線如圖5-7的曲線(虛線) 所示。2.2.2 根據(jù)對(duì)校正后系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，取，相應(yīng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：其頻率特性為： 據(jù)此作出曲線（），如圖5-7的曲線L所示。2.2.3 求因?yàn)?，所以上式表明校正裝置是PI調(diào)節(jié)器，它的模擬電路圖如圖5-8所示。圖5-7 二階系統(tǒng)校正前、校正后的幅頻特性曲線圖5-8 PI校正裝置的電路圖由于 其中取R1=80k，R2=1

59、00k，C=10uF，則s，校正后系統(tǒng)的方框圖如圖5-9所示。圖5-9 二階系統(tǒng)校正后的方框圖五、實(shí)驗(yàn)步驟（一）實(shí)驗(yàn)接線 1、根據(jù)圖5-10和圖5-11，選擇實(shí)驗(yàn)箱上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建模擬電路。1.1 零極點(diǎn)對(duì)消法(時(shí)域法)進(jìn)行串聯(lián)校正1.1.1 校正前 圖5-10 二階開環(huán)系統(tǒng)的模擬電路圖(時(shí)域法)1.1.2 校正后 圖5-11 二階開環(huán)系統(tǒng)校正后的模擬電路圖(時(shí)域法)其中，R2=R4=200k，R1=400k（實(shí)際取390k），R3=10k，C=4.7uF。1.2 期望特性校正法1.2.1 校正前圖5-12 二階開環(huán)系統(tǒng)的模擬電路圖(頻域法)1.2.2 校正后圖5-13 二階開環(huán)系統(tǒng)

60、校正后的模擬電路圖(頻域法)用37針數(shù)據(jù)線將采集卡和THKKL-7型實(shí)驗(yàn)箱連接，用USB數(shù)據(jù)線將計(jì)算機(jī)和采集卡連接起來。用2#導(dǎo)線將數(shù)據(jù)采集接口單元的AD1端接至圖5-13的“c(t)”端，DA1端接至圖5-13的“r(t)”端。（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、按照實(shí)驗(yàn)接線內(nèi)容進(jìn)行接線，接線無誤后，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱的總電源。2、打開MATLAB軟件，在Current Directory窗口中雙擊“fz5”文件。圖5-14線性定常系統(tǒng)的串聯(lián)校正仿真窗口雙擊圖5-14中的“時(shí)域校正示波器”和“期望特性校正示波器”圖標(biāo)，打開示波器窗口，點(diǎn)擊工具條上的“”按鈕開始仿真，在開關(guān)S1打到1和2兩種情況下，記錄仿真曲線。仿真完