自動控制理論

PAGE目錄一．自動控制理論實驗指導(dǎo)1．概述12．實驗一典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究53．實驗二典型系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析124．實驗三典型環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）的頻率特性測量165．實驗四線性系統(tǒng)串聯(lián)校正216．實驗五典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性267．實驗六非線性系統(tǒng)相平面法318．實驗七非線性系統(tǒng)描述函數(shù)法379．實驗八極點(diǎn)配置全狀態(tài)反饋控制4210．實驗九采樣控制系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析的混合仿真研究4911．實驗十采樣控制系統(tǒng)串聯(lián)校正的混合仿真研究53二．自動控制理論對象實驗指導(dǎo)1．實驗一直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制實驗572．實驗二溫度控制實驗603．實驗三水箱液位控制實驗62三．自動控制理論軟件說明1．概述642．安裝指南及系統(tǒng)要求673．功能使用說明694．使用實例79自動控制理論實驗指導(dǎo)概述一．實驗系統(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(guān)的實驗必須配備上位機(jī)（包含相應(yīng)軟件）及并口通訊線。2．ACT-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(xué)實驗需要進(jìn)行靈活組合，構(gòu)成各種典型環(huán)節(jié)與系統(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(jī)的通訊。3．配備PC微機(jī)作操作臺時，將高效率支持“自動控制原理”的教學(xué)實驗。系統(tǒng)提供界面友好、功能豐富的上位機(jī)軟件。PC微機(jī)在實驗中，除了滿足軟件仿真需要外，又可成為測試所需的虛擬儀器、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，充分考慮了開放型、研究型實驗的需要。除了指導(dǎo)書所提供的10個實驗外，還可自行設(shè)計實驗。二．系統(tǒng)構(gòu)成實驗系統(tǒng)由上位PC微機(jī)（含實驗系統(tǒng)上位機(jī)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ADC812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．實驗箱ACT-I簡介ACT-I控制理論實驗箱主要由電源部分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U5～U7以及模擬電路單元U8～U16等共16個單元組成，詳見附圖。電源單元U1包括電源開關(guān)、保險絲、＋5V、－5V、＋15V、－15V、0V以及1.3V～15V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。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)：①S1和S2均下?lián)堋敵鲂盘栔芷诘恼{(diào)節(jié)范圍為2～60ms；②S1上撥、S2下?lián)堋敵鲂盘栔芷诘恼{(diào)節(jié)范圍為0.2～6s；③S1下?lián)?、S2上撥——輸出信號周期的調(diào)節(jié)范圍為20～600ms；④S1和S2均上撥——輸出信號周期的調(diào)節(jié)范圍為0.16～7s；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0～14V；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0～15V；在第三種狀態(tài)時，斜坡信號的幅值調(diào)節(jié)范圍為0～10V，拋物線信號的幅值調(diào)節(jié)范圍為0～2.5V。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上撥時輸出頻率范圍為140Hz～14KHz；當(dāng)S3下?lián)軙r輸出頻率范圍為2～160Hz。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。數(shù)據(jù)處理單元U3內(nèi)含以ADC812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采集輸入通道和兩路D/A輸出通道。與上位機(jī)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(jī)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。元器件單元U4單元提供了實驗所需的電容、電阻與電位器，另提供插接電路供放置自己選定大小的元器件。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。模擬電路單元U8～U16U8～U16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，實驗時通常用作反號器。U9～U16的每個單元內(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)軟件的功能與使用方法，詳見《ACT-I自動控制理論實驗上位機(jī)程序使用說明書》。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(diǎn)配置線性系統(tǒng)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(jī)。四．實驗注意事項1．實驗前U9～U16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（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），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(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(yùn)放都是反相輸入的，因此對于整個系統(tǒng)以及反饋的正負(fù)引出點(diǎn)是否正確都需要仔細(xì)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(jī)界面操作時“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“I1～I(xiàn)6”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(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(jī)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(jī)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，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(shè)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(jī)界面上操作“實驗參數(shù)設(shè)置”必須注意頻率點(diǎn)和采樣控制頻率的選擇。對于頻率特性實驗，應(yīng)滿足ω<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(yīng)不小于2ms。

實驗一典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究一．實驗?zāi)康?．通過實驗熟悉并掌握實驗裝置和上位機(jī)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(shè)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．在上位機(jī)界面上，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。三．實驗步驟1．熟悉實驗箱，利用實驗箱上的模擬電路單元，參考本實驗附錄設(shè)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(yùn)放仔細(xì)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(yùn)放鎖零的要求。在輸入階躍信號時，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．利用實驗設(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，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）”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，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(yùn)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(jī)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(jī)程序，進(jìn)入主界面。界面上的操作步驟如下：①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?！保安蓸油ǖ繶”選擇“通道I1?！保安蓸油ǖ繷”選擇“不采集”。②進(jìn)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(jìn)入實驗?zāi)Ｊ健?；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(dǎo)教師幫助。③進(jìn)入實驗?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)輸入信號”和“采樣通道X”。④完成實驗設(shè)置，先選擇“實驗類別”（在主界面右上角）為“時域”，然后點(diǎn)擊“實驗參數(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6～8倍。這樣，實驗中才能觀測到階躍響應(yīng)的整個過程。⑤以上設(shè)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(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)”。⑥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(fù)⑤的操作；如發(fā)現(xiàn)實驗參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，看不到“階躍響應(yīng)”全過程，可重復(fù)④、⑤的操作。⑦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(jī)完成環(huán)節(jié)階躍特性軟件仿真的操作，前①②步驟與2相同，其后操作步驟如下：③進(jìn)入實驗?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)仿真”。④在上位機(jī)界面右上角“實驗類別”中選擇“軟件仿真”。⑤然后點(diǎn)擊“實驗參數(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%，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6～8倍。⑥在“仿真設(shè)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。⑦在“仿真設(shè)置”框內(nèi)的“其它設(shè)置”欄目中選擇“時域仿真”。⑧以上設(shè)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(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)”。⑨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(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)⑧的操作；如發(fā)現(xiàn)“系統(tǒng)仿真輸入信號設(shè)定”中的實驗參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，看不到“階躍響應(yīng)”全過程，可重復(fù)⑤、⑧的操作。⑩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(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，于是，實驗參數(shù)取R0＝100k，R1＝200k，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1.2.1、圖1.2.2和圖1.2.3所示，于是，實驗參數(shù)取R0＝100k，C＝1uF，R=10k。3．比例積分(PI)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1.3.1、圖1.3.2和圖1.3.3所示，于是，實驗參數(shù)取R0＝200k，R1＝200k，C＝1uF，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)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1.4.1、圖1.4.2所示。其模擬電路是近似的（即實際PD環(huán)節(jié)），取，則有，實驗參數(shù)取R0＝10k，R1＝10k，R2＝10k，R3＝200，C＝1uF，R=10k。對應(yīng)理想的和實際的比例微分(PD)環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)分別如圖1.4.3a、圖1.4.3b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1.5.1、圖1.5.2和圖1.5.3所示，其中，實驗參數(shù)取R0＝200k，R1＝200k，C＝1uF，R=10k。6．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1.6.1、圖1.6.2所示。其模擬電路是近似的（即實際PID環(huán)節(jié)），取，將近似上述理想PID環(huán)節(jié)有，實驗參數(shù)取R0＝200k，R1＝100k，R2＝10k，R3＝1k，C1＝1uF，C2＝10uF，R=10k。對應(yīng)理想的和實際的比例積分微分(PID)環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)分別如圖1.6.3a、圖1.6.3b所示。實際PID環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：（供軟件仿真參考）

實驗二典型系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析一．實驗?zāi)康?．學(xué)習(xí)和掌握動態(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(yīng)，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(yīng)，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2.1.1和圖2.1.2，設(shè)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(yùn)放仔細(xì)調(diào)零。接線時要注意對運(yùn)放鎖零的要求。2．利用實驗設(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2.2.1和圖2.2.2，設(shè)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(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(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。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(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，取二階系統(tǒng)的模擬電路如圖2.1.2所示：該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖2.1.3所示：Rx接U4單元的220K電位器，改變元件參數(shù)Rx大小，研究不同參數(shù)特征下的時域響應(yīng)。2.1.3a，2.1.3b，2.1.3c分別對應(yīng)二階系統(tǒng)在過阻尼，臨界阻尼，欠阻尼三種情況下的階躍響應(yīng)曲線：2．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：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：該系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為，,Rx的單位為K。系統(tǒng)特征方程為，根據(jù)勞斯判據(jù)得到：系統(tǒng)穩(wěn)定 0<K<12 系統(tǒng)臨界穩(wěn)定 K=12系統(tǒng)不穩(wěn)定 K>12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(yīng)如圖2.2.3a、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。

實驗三典型環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）的頻率特性測量一．實驗?zāi)康?．學(xué)習(xí)和掌握測量典型環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）頻率特性曲線的方法和技能。2．學(xué)習(xí)根據(jù)實驗所得頻率特性曲線求取傳遞函數(shù)的方法。二．實驗內(nèi)容1．用實驗方法完成一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性曲線測試。2．用實驗方法完成典型二階系統(tǒng)開環(huán)頻率特性曲線的測試。3．根據(jù)測得的頻率特性曲線求取各自的傳遞函數(shù)。4．用軟件仿真方法求取一階慣性環(huán)節(jié)頻率特性和典型二階系統(tǒng)開環(huán)頻率特性，并與實驗所得結(jié)果比較。三．實驗步驟1．熟悉實驗箱上的信號源，掌握改變正弦波信號幅值和頻率的方法。利用實驗箱上的模擬電路單元，參考本實驗附錄設(shè)計并連接“一階慣性環(huán)節(jié)”模擬電路（如用U9+U8連成）或“兩個一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)”的模擬電路（如用U9+U11連成）。2．利用實驗設(shè)備完成一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性曲線測試。無上位機(jī)時，利用實驗箱上的信號源單元U2所輸出的正弦波信號作為環(huán)節(jié)輸入，即連接箱上U2的“正弦波”與環(huán)節(jié)的輸入端（例如對一階慣性環(huán)節(jié)即圖1.5.2的Ui）。然后用示波器觀測該環(huán)節(jié)的輸入與輸出（例如對一階慣性環(huán)節(jié)即測試圖1.5.2的Ui和Uo）。注意調(diào)節(jié)U2的正弦波信號的“頻率”電位器RP5與“幅值”電位器RP6，測取不同頻率時環(huán)節(jié)輸出的增益和相移（測相移可用“李沙育”圖形），從而畫出環(huán)節(jié)的頻率特性。有上位機(jī)時，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。仍以一階慣性環(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），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，再給實驗箱上電后，啟動上位機(jī)程序，進(jìn)入主界面。界面上的操作步驟如下：①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”。②進(jìn)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(jìn)入實驗?zāi)Ｊ健?；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(dǎo)教師幫助。③進(jìn)入實驗?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“Bode”。④完成實驗設(shè)置，先選擇“實驗類別”（在主界面右上角）為“頻域”，然后點(diǎn)擊“實驗參數(shù)設(shè)置”，在彈出的“頻率特性測試頻率點(diǎn)設(shè)置”框內(nèi)，確定實驗要測試的頻率點(diǎn)。注意設(shè)置必須滿足ω<30Rad/sec。⑤以上設(shè)置完成后，按“實驗啟動”啟動實驗。界面中下方的動態(tài)提示框?qū)@示實驗測試的進(jìn)展情況，從開始測試直至結(jié)束的過程大約需要2分鐘。實驗自動結(jié)束，提供數(shù)據(jù)表格和顯示對數(shù)頻率特性（Bode圖）。⑥改變顯示模式，從“Bode”改為“Polar”,圖框內(nèi)即顯示幅相頻率特性（Nyquist圖）。⑦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．利用實驗設(shè)備完成典型二階系統(tǒng)開環(huán)頻率特性曲線的測試。具體操作方法參閱步驟2。4．參考附錄的提示，根據(jù)測得的頻率特性曲線（或數(shù)據(jù)）求取各自的傳遞函數(shù)。5．用位機(jī)軟件界面上提供的軟件仿真功能，求取一階慣性環(huán)節(jié)頻率特性和典型二階系統(tǒng)開環(huán)頻率特性，并與實驗所得結(jié)果比較?，F(xiàn)以求取一階慣性環(huán)節(jié)頻率特性為例，說明怎樣利用上位機(jī)軟件完成環(huán)節(jié)頻率特性軟件仿真的操作。這里，前①②③步驟與2相同，其后操作步驟如下：④在上位機(jī)界面右上角“實驗類別”中選擇“軟件仿真”。⑤然后點(diǎn)擊“實驗參數(shù)設(shè)置”，在彈出的“仿真設(shè)置”框內(nèi)，在“傳遞函數(shù)”欄目中填入環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)參數(shù)。⑥在“仿真設(shè)置”框內(nèi)的“其它設(shè)置”欄目中選擇“頻域仿真”。⑦以上設(shè)置完成后，按“實驗啟動”啟動實驗。界面中下方的動態(tài)提示框?qū)@示實驗測試的進(jìn)展情況，從開始測試直至結(jié)束的過程大約需要2分鐘。實驗自動結(jié)束，提供數(shù)據(jù)表格和顯示對數(shù)頻率特性（Bode圖）。⑧改變顯示模式，從“Bode”改為“Polar”,圖框內(nèi)即顯示幅相頻率特性（Nyquist圖）。⑨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6．分析實驗結(jié)果，完成實驗報告。四．附錄1．實驗用一階慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)參數(shù)、電路設(shè)計及其幅相頻率特性曲線：對于的一階慣性環(huán)節(jié)，其幅相頻率特性曲線是一個半圓，見圖3.1。取代入，得在實驗所得特性曲線上，從半園的直徑，可得到環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)K，K＝。在特性曲線上取一點(diǎn)，可以確定環(huán)節(jié)的時間常數(shù)T，。實驗用一階慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為，其中參數(shù)為R0=200，R1＝200，C＝1uF，其模擬電路設(shè)計參閱圖1.5.2。2．實驗用典型二階系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)參數(shù)、電路設(shè)計及其幅相頻率特性曲線：對于由兩個慣性環(huán)節(jié)組成的二階系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為令上式中，可以得到對應(yīng)的頻率特性二階系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的幅相頻率特性曲線，如圖3.2.1所示。根據(jù)上述幅相頻率特性表達(dá)式，有（3—1）其中故有（3—2）（3—3）如已測得二階環(huán)節(jié)的幅相頻率特性，則、、和均可從實驗曲線得到，于是可按式（3—1）、（3—2）和（3—3）計算K、T、ξ，并可根據(jù)計算所得T、ξ求取T1和T2實驗用典型二階系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:其電路設(shè)計參閱圖3.2.2。3．對數(shù)幅頻特性和對數(shù)相頻特性圖3.3.1上述幅相頻率特性也可表達(dá)為對數(shù)幅頻特性和對數(shù)相頻特性，圖3.3.1和圖3.圖3.3.1圖3圖3.3.2注意：此時橫軸采用了以10為底的對數(shù)坐標(biāo)，縱軸則分別以分貝和度為單位。

實驗四線性系統(tǒng)串聯(lián)校正一．實驗?zāi)康?．熟悉串聯(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(shè)計方法和參數(shù)調(diào)試技術(shù)。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(shè)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(jìn)行計算機(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．實驗步驟1．利用實驗設(shè)備，設(shè)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：①設(shè)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4.1.1和圖4.1.2，利用實驗箱上的U9、U11、U15和U8單元連成。②通過對該系統(tǒng)階躍響應(yīng)的觀察，來完成對其穩(wěn)定性和動態(tài)特性的研究，如何利用實驗設(shè)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(biāo)要求設(shè)計串聯(lián)校正裝置傳遞函數(shù)和模擬電路。3．利用實驗設(shè)備，設(shè)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：①設(shè)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4.4.4，利用實驗箱上的U9、U14、U11、U15和U8單元連成②通過對該系統(tǒng)階躍響應(yīng)的觀察，來完成對其穩(wěn)定性和動態(tài)特性的研究，如何利用實驗設(shè)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(jìn)行調(diào)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．方塊圖和模擬電路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：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(biāo)要求加串聯(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(shè)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(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)為圖4.圖4.4.1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(biāo)要求。最后得到校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為圖4.4.2圖4.4.24．串聯(lián)校正裝置的頻域設(shè)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4.4.2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4.4.3。圖4.圖4.4.3從串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)可以設(shè)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。在圖4.4.4中，串聯(lián)校正裝置電路的參數(shù)可取R1＝390，R2＝R3＝200，R4＝10，C＝4.7uF。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:（2）傳遞函數(shù)法期望的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)除以未加校正二階閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)，可以得到串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)。同樣地，可從串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)設(shè)計其模擬電路，如圖4.4.4所示。

實驗五典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性一．實驗?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(shè)備，設(shè)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5.1.1和圖5.1.2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(jī)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(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“幅值”電位器RP6，以保證觀測到完整的波形。有上位機(jī)時，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(jī)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(jī)程序，進(jìn)入主界面。界面上的操作步驟如下：①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“通道I2?！?。②點(diǎn)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(jìn)入實驗?zāi)Ｊ健?；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(dǎo)教師幫助。③進(jìn)入實驗?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）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(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，可點(diǎn)擊“采樣通道X”和“采樣通道Y”框內(nèi)的“顯示”。④進(jìn)行實驗設(shè)置，先選擇“實驗類別”（在主界面右上角）為“時域”，然后點(diǎn)擊“實驗參數(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)”。⑤以上設(shè)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(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。⑥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(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。，⑦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(shè)備，設(shè)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5.2.1和圖5.2.2可知，利用實驗箱上的單元U7即可獲得實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(shè)備，設(shè)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5.3.1和圖5.3.2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Δ，Δ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驗步驟1，這里不再贅述。4．利用實驗設(shè)備，設(shè)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5.4.1和圖5.4.2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，即可改變間隙特性線性部分斜率K，K隨Cf增大而減小。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Δ，Δ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。請注意，單元U5不含運(yùn)放鎖零電路，為避免電容上電荷累積影響實驗結(jié)果，在每次實驗啟動前，務(wù)必對電容進(jìn)行短接放電。5．分析實驗結(jié)果，完成實驗報告。四．附錄1．具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)具有繼電特性非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，即理想繼電特性如圖5.1.1所示。該環(huán)節(jié)的模擬電路如圖5.1.2所示。繼電特性參數(shù)M，由雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值與后一級運(yùn)放放大倍數(shù)之積決定。故改變圖5.1.2中電位器接入電阻的數(shù)值即可改變M。當(dāng)阻值減小時，M也隨之減小。實驗時，可以用周期斜坡或正弦信號作為測試信號進(jìn)行靜態(tài)特性觀測。注意信號頻率的選擇應(yīng)足夠低，如1Hz。通常選用周期斜坡信號作為測試信號時，選擇在X-Y顯示模式下觀測；選用正弦信號作為測試信號時，選擇在X-t顯示模式下觀測。2．具有飽和特性的非線性環(huán)節(jié)具有飽和特性非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，即理想飽和特性如圖5.2.1所示：該環(huán)節(jié)的模擬電路如圖5.2.2所示：特性飽和部分的飽和值M等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值與后一級放大倍數(shù)的積，特性線性部分的斜率K等于兩級運(yùn)放放大倍數(shù)之積。故改變圖5.2.2中的電位器接入電阻值時將同時改變M和K，它們隨阻值增大而增大。實驗時，可以用周期斜坡或正弦信號作為測試信號進(jìn)行靜態(tài)特性觀測。注意信號頻率的選擇應(yīng)足夠低，如1Hz。選用周期斜坡信號作為測試信號時，可在X-Y顯示模式下觀測；選用正弦信號作為測試信號時，可在X-t顯示模式下觀測。3．具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)具有死區(qū)特性非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，即理想死區(qū)特性如圖5.3.1所示：該環(huán)節(jié)的模擬電路如圖5.3.2所示：斜率K為： 死區(qū)，式中R2的單位為，且R2＝R1（實際死區(qū)還要考慮二極管的壓降值）。實驗時，可以用周期斜坡或正弦信號作為測試信號進(jìn)行靜態(tài)特性觀測。注意信號頻率的選擇應(yīng)足夠低，如1Hz。選用周期斜坡信號作為測試信號時，可在X-Y顯示模式下觀測；選用正弦信號作為測試信號時，可在X-t顯示模式下觀測。4．具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)具有間隙特性非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，即理想間隙特性如圖5.4.1所示：該環(huán)節(jié)的模擬電路如圖5.4.2所示：圖中間隙特性的寬度,（實際死區(qū)還要考慮二極管的壓降值），特性斜率，因此改變R1與R2可改變間隙特性的寬度，改變可以調(diào)節(jié)特性斜率。實驗時，可以用正弦信號作為測試信號進(jìn)行靜態(tài)特性觀測。注意信號頻率的選擇應(yīng)足夠低，如1Hz。選用正弦信號作為測試信號時，可在X-t顯示模式下觀測。注意由于元件（二極管、電阻等）參數(shù)數(shù)值的分散性，造成電路不對稱，因而引起電容上電荷累積，影響實驗結(jié)果，故每次實驗啟動前，需對電容進(jìn)行短接放電。

實驗六非線性系統(tǒng)相平面法一．實驗?zāi)康?．學(xué)習(xí)用相平面法分析非線性系統(tǒng)。2．熟悉研究非線性系統(tǒng)的電路模擬研究方法。二．實驗內(nèi)容1．用相平面法分析繼電型非線性系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。2．用相平面法分析帶速度負(fù)反饋的繼電型非線性系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。3．用相平面法分析飽和型非線性系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。三．實驗步驟1．利用實驗設(shè)備，設(shè)計并連接一未加校正的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，利用階躍輸入作測試信號，觀測和記錄系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡，利用該相軌跡分析系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差，并與測得的系統(tǒng)偏差的階躍響應(yīng)作比較。參閱本實驗附錄1,從圖6.1.1和圖6.1.2可知，利用實驗箱上的單元U9、U6、U11、U15和U8可連成實驗所需未加校正的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路?？衫弥芷陔A躍信號測試該非線性系統(tǒng)的相軌跡和階躍響應(yīng)，下面分兩種情況說明測試方法。無上位機(jī)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”與系統(tǒng)的輸入端（見圖6.1.2的r(t)），同時連接U2的“鎖零（G）”與運(yùn)放的鎖零G。然后將圖1.1.2中的X1（即-e）和X2(即-）分別與示波器的“X”和“Y”測試端相連，以便用示波器測試相軌跡。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，以保證觀測到相軌跡和完整的系統(tǒng)誤差階躍響應(yīng)。有上位機(jī)時，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。此時可將系統(tǒng)輸入端r(t)連到實驗箱U3單元的O1（D/A通道的輸出端），將運(yùn)放的鎖零G連到實驗箱U3單元的G1(與O1同步)，將X1（即-e）連到實驗箱U3單元的I1（A/D通道的輸入端），將X2(即-）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(jī)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(jī)程序，進(jìn)入主界面。界面上的操作步驟如下：①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?！保安蓸油ǖ繶”選擇“通道I1?！?，“采樣通道Y”選擇“通道I2?！?。②進(jìn)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(jìn)入實驗?zāi)Ｊ健?；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(dǎo)教師幫助。③進(jìn)入實驗?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-Y”；選擇“量程”（在“顯示模式”下方）為200ms/div；并在界面右方對“采樣通道X”選擇“顯示”和“反相”，對“采樣通道Y”也選擇“顯示”和“反相”。④進(jìn)入實驗設(shè)置：先選擇“實驗類別”（在主界面右上角）為“時域”，然后點(diǎn)擊“實驗參數(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“2000ms”，選擇“輸入持續(xù)時間”為“2000ms”，并選擇單波不連續(xù)，選擇“輸入波形幅值”為“1V”，置“零位偏移”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)或系統(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%，那么“輸入波形周期”至少是環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的最大時間常數(shù)的6～8倍。⑤所有必要的設(shè)置完成后，按“實驗啟動”啟動實驗，相平面上的相軌跡得到顯示，直至“持續(xù)時間”結(jié)束，實驗也自動結(jié)束，如設(shè)置合理就可以在主界面中間得到系統(tǒng)（,）的相軌跡。⑥改變顯示模式設(shè)置為“X-t”后，對“采樣通道X”選擇“顯示”和“反相”，重復(fù)⑤的操作，以觀測系統(tǒng)誤差e(t)的階躍響應(yīng)。⑦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(shè)備，設(shè)計并連接一帶速度負(fù)反饋的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，利用階躍輸入作測試信號，觀測和記錄系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡，利用該相軌跡分析系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差，并與測得的系統(tǒng)偏差的階躍響應(yīng)作比較。再將此實驗結(jié)果與未加校正的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的相比較。參閱本實驗附錄2,從圖6.2.1和圖6.2.2可知，利用實驗箱上的單元U9、U10、U6、U13、U11、U15和U8可連成實驗所需帶速度負(fù)反饋的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。可利用周期階躍信號測試該非線性系統(tǒng)（,）的相軌跡和階躍響應(yīng)，具體測試方法請參閱本實驗步驟1，這里不再贅述。3．利用實驗設(shè)備，設(shè)計并連接一飽和型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，利用階躍輸入作測試信號，觀測和記錄系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡，利用該相軌跡分析系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差，并與測得的系統(tǒng)偏差的階躍響應(yīng)作比較。參閱本實驗附錄3,從圖6.3.1和圖6.3.2可知，利用實驗箱上的單元U9、U7、U11、U15和U8可連成實驗所需飽和型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路?？衫弥芷陔A躍信號測試該非線性系統(tǒng)的（,）相軌跡和階躍響應(yīng)，具體測試方法請參閱本實驗步驟1，這里不再贅述。4．分析實驗結(jié)果，完成實驗報告。四．附錄1．未加校正的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)未加校正的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的原理方塊圖如圖6.1.1所示：其模擬電路圖如圖6.1.2所示：圖6.1.1所示系統(tǒng)可用以下方程描述： （6－1）式中T為時間常數(shù)（T＝0.5），K為線性部分開環(huán)增益，M為繼電器特性幅值，采用與為相平面坐標(biāo)，以及考慮（6－2）（6－3）則（6－1）變?yōu)椋?－4）該系統(tǒng)的相軌跡曲線如圖6.1.3所示：觀察X1即為－，X2即為－，取X1－X2坐標(biāo)下，即為相軌跡（－,－），進(jìn)行坐標(biāo)倒相變換可得（,）坐標(biāo)。2．帶速度負(fù)反饋的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)帶速度負(fù)反饋的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的原理方塊圖如圖6.2.1所示：其模擬電路圖如圖6.2.2所示：設(shè)計此圖時，為了滿足負(fù)反饋的相位的要求，增加了一些倒相環(huán)節(jié)。觀察圖6.2.2，可見X1即為－，X2即為－。?。璛1和－X2為X-Y坐標(biāo)，以階躍輸入為測試信號，即可獲得系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡。該系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡曲線如圖6.2.3所示：設(shè)計此圖時，為了滿足負(fù)反饋的相位的要求，增加了一些倒相環(huán)節(jié)。觀察圖6.2.2，可見X1即為－，X2即為－。?。璛1和－X2為X-Y坐標(biāo)，以階躍輸入為測試信號，即可獲得系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡。該系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡曲線如圖6.2.3所示：圖中分界線方程為： （6－5）式中為反饋系數(shù)，（圖6.2.1中＝0.1），增加反饋電阻現(xiàn)象更明顯。3．飽和型非線性閉環(huán)系統(tǒng)飽和型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的原理方塊圖如圖6.3.1所示：其模擬電路圖如圖6.3.2所示：圖6.3.1所示系統(tǒng)可用以下方程描述： （6－6）同理觀察相軌跡與時域響應(yīng)曲線，該系統(tǒng)的相軌跡曲線如圖6.3.3所示：

實驗七非線性系統(tǒng)描述函數(shù)法一．實驗?zāi)康?．學(xué)習(xí)用描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng)。2．掌握研究非線性系統(tǒng)的電路模擬研究方法。二．實驗內(nèi)容1．利用描述函數(shù)法分析繼電型非線性三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2．利用描述函數(shù)法分析飽和型非線性三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性。三．實驗步驟1．繼電型非線性三階系統(tǒng)的描述函數(shù)法研究（1）參閱本實驗附錄1，用描述函數(shù)法分析繼電型非線性三階系統(tǒng)，求取極限環(huán)振蕩的振蕩頻率與幅值。參考“實驗三”，可利用上位機(jī)的“軟件仿真”功能得到該系統(tǒng)線性部分G(jω)的開環(huán)頻率特性(Neguist圖)。（2）參閱本實驗附錄中的圖7.1.1與圖7.1.2，利用實驗箱上的單元電路U9、U6、U13、U11、U15和U8，設(shè)計并連接一繼電型非線性三階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。（3）利用階躍輸入作為測試信號，觀測和記錄系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡與e(t)的階躍響應(yīng)。并從觀測結(jié)果中獲取極限環(huán)振蕩的振幅和周期。測取系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡與e(t)階躍響應(yīng)的方法可參考“實驗六”的有關(guān)步驟，注意在本系統(tǒng)中，圖7.1.2中的X1仍與－e對應(yīng)，而X3則與對應(yīng)。故X1仍與“通道I1＃”和“通道X”對應(yīng)，且要反相；而X3則與“通道I2?！焙汀巴ǖ繷”對應(yīng)，且不要反相。其余操作方法雷同，這里不再贅述。（4）對兩種方法得到的結(jié)果進(jìn)行比較。2．飽和型非線性三階系統(tǒng)的描述函數(shù)法研究（1）參閱本實驗附錄2，用描述函數(shù)法分析飽和型非線性三階系統(tǒng)，求取極限環(huán)振蕩的振蕩頻率與幅值。參考“實驗三”，可利用上位機(jī)的“軟件仿真”功能得到該系統(tǒng)線性部分G(jω)的開環(huán)頻率特性(Neguist圖)。（2）參閱本實驗附錄中的圖7.2.1與圖7.2.2，利用實驗箱上的單元電路U9、U7、U13、U11、U15和U8，設(shè)計并連接一飽和型非線性三階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。（3）利用階躍輸入作為測試信號，觀測和記錄系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡與e(t)的階躍響應(yīng)。并從觀測結(jié)果中獲取極限環(huán)振蕩的振幅和周期。測取系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡與e(t)階躍響應(yīng)的方法可參考“實驗六”的有關(guān)步驟，注意在本系統(tǒng)中，圖7.2.2中的X1仍與－e對應(yīng)，而X3則與對應(yīng)。故X1仍與“通道I1＃”和“通道X”對應(yīng)，且要反相；而X3則與“通道I2?！焙汀巴ǖ繷”對應(yīng)，且不要反相。其余操作方法雷同，這里不再贅述。（4）對兩種方法得到的結(jié)果進(jìn)行比較（5）參閱圖7.2.2，通過增大R1或R3，減小線性部分增益，用上述實驗方法測量極限環(huán)振蕩的振幅和周期，直至該振蕩現(xiàn)象消失。3．分析實驗結(jié)果，完成實驗報告。四．附錄1．繼電型非線性三階系統(tǒng)繼電型非線性三階系統(tǒng)的原理方塊圖如圖7.1.1所示.其模擬電路如圖7.1.2所示：已知理想繼電型非線性環(huán)節(jié)的描述函數(shù)為，線性部分的傳遞函數(shù)為。則為了用描述函數(shù)法分析上述繼電型非線性三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可在復(fù)平面上分別畫出圖7.1.1所示系統(tǒng)的軌跡和軌跡，如圖7.1.3所示。從兩者是否有交點(diǎn)A可判斷出系統(tǒng)是否存在極限環(huán)振蕩。如有交點(diǎn)，即表示存在極限環(huán)振蕩，可令，求取振蕩頻率，即振蕩周期為；并由求取振蕩幅值:于是，在得到交點(diǎn)A的后，就可以得到振蕩幅值測量系統(tǒng)相軌跡，方法同實驗六，根據(jù)該曲線可以判斷是否有極限環(huán)振蕩。從階躍響應(yīng)可以獲取該振蕩的振幅和周期，用于和描述函數(shù)法分析結(jié)果進(jìn)行比較。從圖7.1.3可見，限于繼電型非線性環(huán)節(jié)描述函數(shù)的特點(diǎn)，如減小該系統(tǒng)線性部分增益（可通過增大圖7.1.2中的R1或R3實現(xiàn)），只能縮小極限環(huán)振蕩的振幅，而不能消除振蕩。2．飽和型非線性三階系統(tǒng)飽和型非線性三階系統(tǒng)的原理方塊圖如圖7.2.1所示：其模擬電路如圖7.2.2所示：已知飽和型非線性環(huán)節(jié)的描述函數(shù)為圖7.2.3給出圖7.2.1所示系統(tǒng)的非線性環(huán)節(jié)的軌跡和系統(tǒng)線性部分軌跡，從兩者有無交點(diǎn)可判斷出系統(tǒng)是否存在極限環(huán)振蕩。如有交點(diǎn)，即有極限環(huán)振蕩，可以采用與上述相同方法求取振蕩周期與幅值。如圖7.2.3所示，如不斷減小線性部分增益（通過增大圖7.2.2中的R1、R3的阻值實現(xiàn)），可以使系統(tǒng)的非線性環(huán)節(jié)的軌跡和系統(tǒng)線性部分軌跡不相交，即意味著減小線性部分增益可以使極限環(huán)消失,使系統(tǒng)變?yōu)榉€(wěn)定系統(tǒng)。根據(jù)實測的相軌跡與階躍響應(yīng)，可以分析與讀取振蕩周期與幅值，并與計算值比較。

實驗八極點(diǎn)配置全狀態(tài)反饋控制一．實驗?zāi)康?．學(xué)習(xí)并掌握用極點(diǎn)配置方法設(shè)計全狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)的方法。2．用電路模擬與軟件仿真方法研究參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。二．實驗內(nèi)容1．設(shè)計典型二階系統(tǒng)的極點(diǎn)配置全狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)，并進(jìn)行電路模擬與軟件仿真研究。2．設(shè)計典型三階系統(tǒng)的極點(diǎn)配置全狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)，并進(jìn)行電路模擬與軟件仿真研究。三．實驗步驟1．典型二階系統(tǒng)（1）參閱本實驗附錄1，對一已知二階系統(tǒng)（見圖8.1.1）用極點(diǎn)配置方法設(shè)計全狀態(tài)反饋系數(shù)。（2）見圖8.1.2和圖8.1.3，利用實驗箱上的電路單元U9、U11、U12和U8，按設(shè)計參數(shù)設(shè)計并連接成系統(tǒng)模擬電路，測取階躍響應(yīng)，并與軟件仿真結(jié)果比較。（3）改變系統(tǒng)模擬電路接線，使系統(tǒng)恢復(fù)到圖8.1.1所示情況，測取階躍響應(yīng)，并與軟件仿真結(jié)果比較。以上兩步驟中，測取階躍響應(yīng)以及系統(tǒng)軟件仿真的具體操作方法請參閱“實驗一”的實驗步驟2和3，這里不再贅述。（4）對實驗結(jié)果進(jìn)行比較、分析，并完成實驗報告。2．典型三階系統(tǒng)（1）參閱本實驗附錄2，對一已知三階系統(tǒng)（見圖8.2.1）用極點(diǎn)配置方法設(shè)計全狀態(tài)反饋系數(shù)。（2）見圖8.2.3和圖8.2.4，利用實驗箱上的電路單元U9、U11、U12、U15和U8，按設(shè)計參數(shù)設(shè)計并連接成系統(tǒng)模擬電路，測取階躍響應(yīng)，并與軟件仿真結(jié)果比較。（3）改變系統(tǒng)模擬電路接線，使系統(tǒng)恢復(fù)到圖8.2.2所示情況，測取階躍響應(yīng)，并與軟件仿真結(jié)果比較。以上兩步驟中，測取階躍響應(yīng)以及系統(tǒng)軟件仿真的具體操作方法請參閱“實驗一”的實驗步驟2和3，這里不再贅述。（4）對實驗結(jié)果進(jìn)行比較、分析，并完成實驗報告。四．附錄1．典型二階系統(tǒng)全狀態(tài)反饋的極點(diǎn)配置設(shè)計方法：(1)被控對象狀態(tài)方程與能控性若被控系統(tǒng)（A、B、C）完全能控，則通過狀態(tài)反饋可以任意配置極點(diǎn)。取圖8.1.1所示系統(tǒng)為實驗系統(tǒng)：可見系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為，取圖中x1，x2為狀態(tài)變量，將系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)表示為被控對象狀態(tài)方程S(A,B,C)，可以得：故有可見狀態(tài)完全可控。(2)理想極點(diǎn)配置期望的性能指標(biāo)為：超調(diào)量，峰值時間從選擇從選擇1/s于是可以得到理想極點(diǎn)為：p1=－7.07＋j7.07，p2=－7.07－j7.07理想特征方程為：（3）狀態(tài)反饋系數(shù)確定加入全狀態(tài)反饋后系統(tǒng)的特征方程為配置理想極點(diǎn)，則有于是可計算出按極點(diǎn)配置設(shè)計的具有全狀態(tài)反饋的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8.1.2所示。圖8.1圖8.1.5圖8.1.4系統(tǒng)的模擬電路圖如圖8.1.3所示：圖中參數(shù)Rx1，Rx2分別為18，33，注意反饋電路的連接。加狀態(tài)反饋前后系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線分別如8.1.4，8.1.5所示。2．典型三階系統(tǒng)全狀態(tài)反饋的極點(diǎn)配置設(shè)計方法：(1)典型三階系統(tǒng)如圖8.2.1所示其開環(huán)傳遞函數(shù)為閉環(huán)傳遞函數(shù)為該閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路圖如圖8.2.2所示：可以用勞斯判據(jù)判斷該閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如圖8.2.3所示。選取圖8.2.1中X1，X2，X3為狀態(tài)變量，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)可以表示為被控對象狀態(tài)方程S(A,B,C)：其中因，故狀態(tài)完全可控。（2）理想極點(diǎn)和理想閉環(huán)特征方程考慮系統(tǒng)要求后，選擇理想極點(diǎn)為S1＝－9，S2＝－2＋j2，S3＝－2－j2，由此可得理想閉環(huán)閉環(huán)特征方程為。（3）全狀態(tài)反饋系數(shù)設(shè)計取X1，X2，X3為狀態(tài)變量，帶全狀態(tài)反饋的典型三階系統(tǒng)方塊圖如圖8.2.4所示。求取加全狀態(tài)反饋后的閉環(huán)特征方程，可以得到：令其與理想的閉環(huán)特征方程一致，可以得到全狀態(tài)反饋系數(shù)，k1=－0.72，k2＝－2.2，k3＝－1.2。(4)全狀態(tài)反饋的典型系統(tǒng)的模擬電路如圖8.2.5所示。Rx1，Rx2，Rx3阻值分別為270，91，150。加全狀態(tài)反饋前后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)分別如下圖8.2.3和圖8.2.6所示：圖8圖8.2.33圖8.2.6

實驗九采樣控制系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析的混合仿真研究一．實驗?zāi)康?．學(xué)習(xí)用混合仿真方法研究采樣控制系統(tǒng)。2．深入理解和掌握采樣控制的基本理論。二．實驗內(nèi)容1．利用實驗設(shè)備設(shè)計并實現(xiàn)已知被控對象為典型二階連續(xù)環(huán)節(jié)的采樣控制混合仿真系統(tǒng)。2．改變數(shù)字控制器的采樣控制周期和放大系數(shù)，研究參數(shù)變化對采樣控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。三．實驗步驟1．采樣控制系統(tǒng)的混合仿真研究方法（1）參閱本實驗附錄1（1）以及圖9.1.1和圖9.1.2，利用實驗箱上的電模擬單元電路U9和U11，設(shè)計并連接已知傳遞函數(shù)的連續(xù)被控對象的模擬電路。（2）將實驗箱上的數(shù)據(jù)處理單元U3模擬量輸出端“O1”與被控對象的模擬電路的輸入端（對應(yīng)圖9.1.2的r(t)端）相連，同時將該數(shù)據(jù)處理單元U3的模擬量輸入端口“I1”與被控對象的模擬電路的輸出端（對應(yīng)圖9.1.2的c(t)端）相連。再將運(yùn)放的鎖零端“G”與電源單元U1的“-15V”相連。注意，實驗中運(yùn)放沒有鎖零，而模擬電路中包含“電容”，故每次實驗啟動前，必須對電容短接放電，以免影響實驗結(jié)果。（3）接線完成，經(jīng)檢查無誤，再給實驗箱上電后，啟動上位機(jī)程序，進(jìn)入主界面。界面上的操作步驟如下：①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?！保安蓸油ǖ繶”選擇“通道I1?！?，“采樣通道Y”選擇“不采集”。②進(jìn)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(jìn)入實驗?zāi)Ｊ健?；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(dǎo)教師幫助。③進(jìn)入實驗?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）為“X-t”；選擇“量程”（在“顯示模式”下方）為400ms/div；并在界面右方選擇“顯示”“系統(tǒng)輸入信號”和“采樣通道X”。④完成實驗設(shè)置，先選擇“實驗類別”（在主界面右上角）為“采樣控制”，然后點(diǎn)擊“實驗參數(shù)設(shè)置”，在彈出的“采樣控制”框內(nèi)，點(diǎn)擊小框“系統(tǒng)測試信號設(shè)置”框內(nèi)的“設(shè)置”按鈕，即彈出“系統(tǒng)測試信號設(shè)置”大框，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“4000ms”，選擇“輸入持續(xù)時間”為“4000ms”，選擇“連續(xù)”為“no”。最后按“確定”退出系統(tǒng)測試信號設(shè)置，返回“采樣控制”。在“采樣控制系統(tǒng)研究”框內(nèi)，先輸入采樣周期“2”ms,然后選擇“采樣控制系統(tǒng)混合仿真研究”，此時數(shù)字控制器是一比例放大器，可先設(shè)置Kp=1。注意允許的采樣周期最小值為2ms。小于此值即不能保證系統(tǒng)運(yùn)行正常。⑤以上設(shè)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(shè)置合理就可以在主界面中間得到系統(tǒng)的“階躍響應(yīng)”。⑥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．采樣控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性研究（1）在上位機(jī)界面上，重新調(diào)用“采樣控制”，固定采樣控制周期，改變數(shù)字控制器的放大系數(shù)，觀測放大系數(shù)變化對采樣控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。具體操作方法參照本實驗步驟1所述。（2）在上位機(jī)界面上，重新調(diào)用“采樣控制”，固定放大系數(shù)，改變數(shù)字控制器的采樣控制周期，觀測采樣控制周期變化對采樣控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。具體操作方法參照本實驗步驟1所述。3．對以上實驗結(jié)果進(jìn)行分析研究，完成實驗報告。四．附錄1．采樣控制系統(tǒng)的混合仿真研究方法（1）已知的連續(xù)被控對象傳遞函數(shù)及其電路模擬已知連續(xù)被控對象系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖9.1.1所示：此系統(tǒng)傳遞函數(shù)為： （9－1）此連續(xù)被控對象可用圖9.1.2所示電路模擬：（2）采樣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方塊圖及其實現(xiàn)采樣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方塊圖如圖9.2.1所示。圖中虛線框內(nèi)部分，包括測試信號、比較器、采樣開關(guān)、數(shù)字控制器和零階保持器等，由上位機(jī)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)；而框外部分，即連續(xù)被控對象則采用電路模擬實現(xiàn)。因為該仿真系統(tǒng)，既有模擬部分，又有數(shù)字部分，故稱之為“混合仿真系統(tǒng)”。用混合仿真系統(tǒng)研究采樣控制系統(tǒng)，比用電路模擬系統(tǒng)或全數(shù)字仿真系統(tǒng)都優(yōu)越，因為它更接近實際系統(tǒng)。其電路連接圖如圖9.2.2所示：2．采樣控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析（1）采樣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷對于圖9.2.1所示采樣控制系統(tǒng)，在采樣周期和放大系數(shù)確定后，可以用離散控制的基本理論來判斷閉環(huán)控制的穩(wěn)定性。先將模擬對象離散化，圖9.2.1所示閉環(huán)采樣系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：（9－2）數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)為：故閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：（9－3）得到閉環(huán)特征方程（9－4）對二階系統(tǒng)，可直接從閉環(huán)極點(diǎn)分布判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性，如果極點(diǎn)在單位圓內(nèi)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。（2）數(shù)字控制器放大系數(shù)對動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響對于圖9.2.1所示采樣控制系統(tǒng)，當(dāng)采樣周期保持不變時，可以利用離散系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)，求保證系統(tǒng)穩(wěn)定的臨界放大系數(shù)?？梢钥闯?，不同于二階連續(xù)系統(tǒng)，放大系數(shù)太大只是使系統(tǒng)的動態(tài)性能變差，而不致于不穩(wěn)定；而對于離散系統(tǒng)，則當(dāng)放大系數(shù)太大時，系統(tǒng)將變不穩(wěn)定。（3）采樣周期對動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響類似地，可以分析當(dāng)放大系數(shù)保持不變時，增大采樣周期將使系統(tǒng)的動態(tài)性能變差，直至不穩(wěn)定。

實驗十采樣控制系統(tǒng)串聯(lián)校正的混合仿真研究一．實驗?zāi)康?．熟悉并掌握用混合仿真方法研究采樣控制系統(tǒng)。2．了解采樣控制系統(tǒng)基本的串聯(lián)校正方法。二．實驗內(nèi)容1．根據(jù)已知的被控對象的連續(xù)傳遞函數(shù)，按串聯(lián)校正要求設(shè)計串聯(lián)校正數(shù)字控制算法。2．利用實驗設(shè)備設(shè)計并實現(xiàn)已知被控對象為典型二階連續(xù)環(huán)節(jié)的具有串聯(lián)校正數(shù)字控制器的采樣控制混合仿真系統(tǒng)。3．改變該數(shù)字控制器的參數(shù)，觀測參數(shù)變化對采樣控制系統(tǒng)的動態(tài)性能的影響。三．實驗步驟1．設(shè)計串聯(lián)校正數(shù)字控制算法（1）根據(jù)已知的被控對象的連續(xù)傳遞函數(shù)，按連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正要求設(shè)計串聯(lián)校正裝置，得到它的連續(xù)傳遞函數(shù)。（方法參見實驗4附錄）（2）參閱本實驗附錄，用一階差分近似方法，離散化串聯(lián)校正裝置的連續(xù)傳遞函數(shù)，可推得該校正裝置的離散傳遞函數(shù)。（3）參閱本實驗附錄，從該校正裝置的離散傳遞函數(shù)，可推得串聯(lián)校正數(shù)字控制算法。2．具有串聯(lián)校正數(shù)字控制器的采樣控制系統(tǒng)的混合仿真（1）參閱圖10.2.1和圖10.2.2，利用實驗箱面板上的電模擬單元電路，如U9和U11，設(shè)計并連接已知傳遞函數(shù)的連續(xù)被控對象的模擬電路。（2）將實驗箱上的數(shù)據(jù)處理單元U3模擬量輸出端“O1”與被控對象的模擬電路的輸入端（對應(yīng)圖10.2.2的電阻R0左端）相連，同時將該數(shù)據(jù)處理單元U3的模擬量輸入端口“I1”與被控對象的模擬電路的輸出端（對應(yīng)圖10.2.2的第二級運(yùn)放輸出端）相連。再將運(yùn)放的鎖零端“G”與電源單元U1的“-15V”相連。注意，實驗中運(yùn)放沒有鎖零，而模擬電路中包含“電容”，故每次實驗啟動前，必須對電容短接放電，以免影響實驗結(jié)果。（3）接線完成，經(jīng)檢查無誤，再給實驗箱上電后，啟動上位機(jī)程序，進(jìn)入主界面。界面上的操作步驟如下：①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?！保安蓸油ǖ繶”選擇“通道I1?！?，“采樣通道Y”選擇“不采集”。②進(jìn)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(jìn)入實驗?zāi)Ｊ健?；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(dǎo)教師幫助。③進(jìn)入實驗?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1000ms/div；并在界面右方選擇“顯示”“系統(tǒng)輸入信號”和“采樣通道X”。④完成實驗設(shè)置，先選擇“實驗類別”（在主界面右上角）為“采樣控制”，然后點(diǎn)擊“實驗參數(shù)設(shè)置”，在彈出的“采樣控制”框內(nèi)，點(diǎn)擊小框“系統(tǒng)測試信號設(shè)置”框內(nèi)的“設(shè)置”按鈕，即彈出“系統(tǒng)測試信號設(shè)置”大框，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“10000ms”，選擇“輸入持續(xù)時間”為“10000ms”，選擇“連續(xù)”為“no”。最后按“確定”退出系統(tǒng)測試信號設(shè)置，返回“采樣控制”。在“采樣控制系統(tǒng)研究”框內(nèi)，先輸入采樣周期“2”ms,然后選擇“采樣控制系統(tǒng)串聯(lián)校正混合仿真研究”，提示該串聯(lián)校正數(shù)字控制器有兩個參數(shù)a、b需要設(shè)置，可先設(shè)置a=b=1,用于獲得不加串聯(lián)校正時的對比結(jié)果。注意允許的采樣周期最小值為2ms。小于此值即不能保證系統(tǒng)運(yùn)行正常。⑤以上設(shè)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(shè)置合理就可以在主界面中間得到系統(tǒng)的“階躍響應(yīng)”。⑥重新設(shè)置串聯(lián)校正控制器的參數(shù)，令a=0.05,b=0.5,重復(fù)⑤。⑦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。有串聯(lián)校正的采樣控制系統(tǒng)動態(tài)性能的混合仿真研究在上位機(jī)界面上，重新調(diào)用“采樣控制”，固定采樣控制周期，改變串聯(lián)校正數(shù)字控制器的參數(shù)a或b，觀測參數(shù)數(shù)變化對采樣控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。具體操作方法參照本實驗步驟1所述。4．對以上實驗結(jié)果進(jìn)行分析研究，完成實驗報告。四．附錄1．設(shè)計串聯(lián)校正數(shù)字控制算法這里介紹一種常用方法：（1）在已知被控對象連續(xù)傳遞函數(shù)條件下，先按連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正要求設(shè)計串聯(lián)校正裝置，得到它的連續(xù)傳遞函數(shù)；（方法參見實驗4附錄）（2）然后用一階差分近似方法，離散化串聯(lián)校正裝置的連續(xù)傳遞函數(shù)，得到該校正裝置的離散傳遞函數(shù)；（3）最后從該校正裝置的離散傳遞函數(shù)，推得串聯(lián)校正數(shù)字控制算法。本實驗未校正系統(tǒng)采樣控制框圖如圖10.1.1對本實驗系統(tǒng)而言，已知被控對象開環(huán)傳遞函數(shù)為 （10－1）閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （10－2）模擬電路如圖10.2.2中虛線框外部分。采用和實驗4相同的方法，得到的串聯(lián)校正裝置的連續(xù)傳遞函數(shù)為 （10－3）對于，用一階差分近似離散化，以代入，得到校正裝置的離散傳遞函數(shù)為 （10－4）推得串聯(lián)校正數(shù)字控制算法 （10－5）2．具有串聯(lián)校正數(shù)字控制器的采樣控制系統(tǒng)的混合仿真研究閉環(huán)采樣控制系統(tǒng)如圖10.2.2所示，圖中虛線框內(nèi)部分，包括測試信號、校正控制器、采樣開關(guān)、數(shù)字控制器和零階保持器等，由上位機(jī)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)，如式（10－4）所示；而框外部分，即連續(xù)被控對象則采用電路模擬實現(xiàn)。開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為，閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為，同實驗9也可以據(jù)此分析閉環(huán)采樣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在上位機(jī)界面上，為本實驗提供了改變采樣控制周期T與校正環(huán)節(jié)Gc(s)參數(shù)a與b的功能。通過實驗觀察，可以研究這些參數(shù)變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。自動控制理論對象實驗指導(dǎo)

實驗一直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制實驗一．實驗?zāi)康模?1．在自動控制理論實驗基礎(chǔ)上，控制實際的模擬對象，加深對理論的理解； 2．掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。二．實驗設(shè)備：ACCC-I型自動控制理論及計算機(jī)控制技術(shù)實驗裝置；數(shù)字式萬用表。圖1.1直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖三．實驗原理：圖1.1直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖圖1.1為直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，它由給定、PID調(diào)節(jié)器、電機(jī)驅(qū)動單元、轉(zhuǎn)速測量電路和輸出電壓反饋等幾個部分組成。在參數(shù)給定的情況下，在PID調(diào)節(jié)器的補(bǔ)償作用下，直流電機(jī)可以按給定的轉(zhuǎn)速閉環(huán)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。給定Ug由ACCT-II自動控制理論及計算機(jī)控制技術(shù)的實驗面板上的電源單元U1提供，電壓變化范圍為1.3V～15V。經(jīng)PID運(yùn)算后的控制量作為驅(qū)動單元輸入信號，經(jīng)過功率放大后驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速測量電路單元將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓信號，作為反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。它由轉(zhuǎn)盤、光電轉(zhuǎn)換和頻率/電壓（F/V）轉(zhuǎn)換電路組成。由于轉(zhuǎn)速測量的轉(zhuǎn)盤為60齒，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，光電變換后輸出60個脈沖信號，對于轉(zhuǎn)速為n的電機(jī)來說，輸出的脈沖頻率為60n/min，我們用這個信號接入以秒作為計數(shù)單位的頻率計時，頻率計的讀數(shù)即為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以轉(zhuǎn)速測量輸出的電壓即為頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出，這里的F/V轉(zhuǎn)換率為150Hz/V。根據(jù)設(shè)計要求改變輸出電壓反饋系數(shù)可以得到預(yù)設(shè)的輸出電壓。四．實驗內(nèi)容及步驟：實驗的接線圖如圖1.2所示，除了實際的模擬對象、電壓表和轉(zhuǎn)速計表外，其中的模擬電路由ACCT-II自動控制理論及計算機(jī)控制技術(shù)實驗板上的運(yùn)放單元和備用元器件搭建而成。這里給出一組參考的實驗參數(shù)，僅供參考，在實際的實驗中需聯(lián)系實際的控制對象進(jìn)行參數(shù)的試湊，以達(dá)到預(yù)定的效果。參考的試驗參數(shù)為：R0=R1=R2=100K，R3=100K，R4=2M，R5=10K，C1=1F，