自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書課件

1、 自動(dòng)控制原理 實(shí) 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書（電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)、熱能與動(dòng)力工程專業(yè)）樊強(qiáng) 編 寫西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院2011年12月目錄第一章 labACT自控/計(jì)控原理實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)成及說明11.1 構(gòu)成11.2 說明41.2.1 A實(shí)驗(yàn)區(qū)41.2.2 B實(shí)驗(yàn)區(qū)4第二章 典型環(huán)節(jié)的模擬研究62.1 實(shí)驗(yàn)要求62.2 典型環(huán)節(jié)的方塊圖及傳遞函數(shù)62.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟72.4 實(shí)驗(yàn)報(bào)告12第三章 二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性123.1 實(shí)驗(yàn)要求123.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟123.2.1 二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性123.2.2 三階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性143.3 實(shí)驗(yàn)報(bào)告15參 考 文 獻(xiàn)16第

2、一章 labACT自控/計(jì)控原理實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)成及說明1.1 構(gòu)成labACT自控/計(jì)控原理實(shí)驗(yàn)機(jī)由以下七個(gè)模塊組成：1自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)?zāi)K2計(jì)算機(jī)控制原理實(shí)驗(yàn)?zāi)K3信號(hào)源模塊4控制對(duì)象模塊5虛擬示波器模塊6控制對(duì)象輸入顯示模塊7CPU控制模塊各模塊相互交聯(lián)關(guān)系框圖見圖1-1所示：圖1-1 各模塊相互交聯(lián)關(guān)系框圖自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)?zāi)K由六個(gè)模擬運(yùn)算單元及元器件庫組成，這些模擬運(yùn)算單元的輸入回路和反饋回路上配有多個(gè)各種參數(shù)的電阻、電容，因此可以完成各種自動(dòng)控制模擬運(yùn)算。利用本實(shí)驗(yàn)機(jī)所提供的多種信號(hào)源輸入到模擬運(yùn)算單元中去，再使用本實(shí)驗(yàn)機(jī)提供的虛擬示波器界面可觀察和分析各種自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)控制原理實(shí)驗(yàn)的響

3、應(yīng)曲線。 計(jì)算機(jī)控制原理實(shí)驗(yàn)?zāi)K由模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，8253定時(shí)器，8259中斷控制器及模擬運(yùn)算單元組成。在CPU的運(yùn)算和控制下，可完成數(shù)字PID控制，最少拍控制及大林算法等實(shí)驗(yàn)。 控制對(duì)象模塊由溫度控制模塊，直流電機(jī)模塊和步進(jìn)電機(jī)模塊組成?？蓪?shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)，直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速實(shí)驗(yàn)和步進(jìn)電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)。還包括外設(shè)接口模塊，可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展外設(shè)各種實(shí)驗(yàn)。CPU控制模塊由十六位微機(jī)8088及只讀存儲(chǔ)器27512，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器62256，時(shí)鐘芯片，RS232串口通訊芯片等組成。CPU控制模塊（ACT88），位于主實(shí)驗(yàn)板的下面，經(jīng)J1插座與主實(shí)驗(yàn)板相聯(lián)。根據(jù)功能本實(shí)驗(yàn)機(jī)劃分了各種實(shí)驗(yàn)區(qū)均在主實(shí)驗(yàn)板

4、上。實(shí)驗(yàn)區(qū)組成見表1-1：表1-1 實(shí)驗(yàn)區(qū)組成A實(shí)驗(yàn)區(qū)模擬運(yùn)算單元有六個(gè)模擬運(yùn)算單元，每單元由輸入回路6組電阻、或電容，反饋回路7組電阻、或電容，1個(gè)運(yùn)算放大器組成。A1A6可變阻容元件庫由電位器330K和22K，直讀式可變電阻0999.9K，直讀式可變電容00.7uF組成。A7阻容元件庫有10個(gè)電阻，6個(gè)電容，2個(gè)二極管，1個(gè)雙向穩(wěn)壓管。A8運(yùn)算放大器庫有3組運(yùn)算放大器,1個(gè)整形器A9B實(shí)驗(yàn)區(qū)信號(hào)發(fā)生器由手控階躍發(fā)生（0/+5v、-5v/+5v），幅度控制（電位器），非線性輸出組成。B1數(shù)模轉(zhuǎn)換器八位數(shù)/模轉(zhuǎn)換，輸出有0+5v、-5v+5v、-10v+10v，三個(gè)測(cè)孔供選擇。B2虛擬示波器2

5、個(gè)通道模擬信號(hào)輸入，輸入信號(hào)可不衰減輸入，也可衰減5倍后輸入。B3采樣/保持器采樣/保持器LF398，單穩(wěn)態(tài)電路4538B4函數(shù)發(fā)生器有單位階躍，斜坡，拋物線信號(hào)輸出，信號(hào)寬度范圍2ms6s，寬度可調(diào)，幅度可調(diào)。B5正弦波發(fā)生器頻率范圍0.1HZ100HZ可調(diào)，幅度可調(diào)。B6基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧?Vref（+5.00v），-Vref（-5.00v）B7模數(shù)轉(zhuǎn)換器8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換，其中有6個(gè)通道為0+5v輸入，有2個(gè)通道為-5v+5v輸入。B8定時(shí)器/中斷單元有8253定時(shí)器中的計(jì)數(shù)器1，固定時(shí)鐘（1.229MHz）輸入的OUTO輸出及與OUTO級(jí)聯(lián)的OUT2輸出。有中斷控制器8259中的輸入IRQ6，I

6、RQ7。B9C實(shí)驗(yàn)區(qū)步進(jìn)電機(jī)模塊步進(jìn)電機(jī)35BY48C1直流電機(jī)模塊直流電機(jī)BY25及光電斷續(xù)器測(cè)速C2溫控模塊AD590測(cè)溫及溫度閉環(huán)控制（080）。C3外設(shè)接口模塊1路420mA或15v模擬電壓輸出（AOUT），2路420mA或15v模擬電壓輸入（IN-2、IN-3），4路開關(guān)量輸入和4路開關(guān)量輸出（DIN和DOUT），1路測(cè)溫傳感器（鉑電阻PT100）輸入（IN-1）。C4D實(shí)驗(yàn)區(qū)控制對(duì)象輸出顯示模塊自帶CPU （89C2051）控制，10位A/D轉(zhuǎn)換器TLC1543。3位八段數(shù)碼管，可切換顯示溫度/轉(zhuǎn)速/電壓/電流?？僧?dāng)作-5v+5v電壓表。D主實(shí)驗(yàn)板的布置簡(jiǎn)圖見圖1-2所示。 圖1-

7、2 主實(shí)驗(yàn)板的布置簡(jiǎn)圖1.2 說明1.2.1 A實(shí)驗(yàn)區(qū)（1）模擬運(yùn)算單元（A1A6） 六個(gè)模擬運(yùn)算單元實(shí)現(xiàn)原理基本相同，只是運(yùn)放各輸入回路及各反饋回路引入的電阻、電容的參數(shù)和連接方式各不相同。（2）可變阻容元件庫（A7） 提供22K和330K電位器,一組0999.9K直讀式可變電阻，一組00.7uF直讀式可變電容及標(biāo)準(zhǔn)插孔。（3）阻容元件庫（A8） 提供各種電阻（10K510K）10個(gè)，各種電容（0.1uF2uf）6個(gè)，二極管（1N4148）2個(gè)，雙向穩(wěn)壓管（4.6v）1組及多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)插孔。（4）運(yùn)算放大器庫（A9） 提供3組運(yùn)算放大器及標(biāo)準(zhǔn)測(cè)孔（電源+12V和-12V已接入放大器）；1個(gè)整形器

8、，CIN為輸入插孔，COUT為輸出插孔，供用戶自行接插元器件，為系統(tǒng)提供了足夠的靈活性。1.2.2 B實(shí)驗(yàn)區(qū)（1）信號(hào)發(fā)生器（B1）信號(hào)發(fā)生器由手控階躍發(fā)生器（B1-1），幅度控制（B1-2）和非線性輸出（B1-3）組成，其布置圖見圖1-3所示：圖1-3 信號(hào)發(fā)生器布置圖 手控階躍發(fā)生模塊由按鈕SB2及74LS00組成。 如圖1-2-2所示在B1-1模塊中，當(dāng)按鈕SB2按下時(shí)，L9燈亮，其0/+5v測(cè)孔將從0V階躍成+5v，-5v/+5v測(cè)孔將從-5v階躍成+5v；當(dāng)按鈕彈出時(shí)，L9燈滅，其輸出狀態(tài)相反。（注：該按鈕是一個(gè)帶鎖開關(guān)，如要改變狀態(tài)必須再按一次） 幅度控制模塊由開關(guān)K3、開關(guān)K4和

9、電位器組成。開關(guān)K3的上端已連接了-5V，下端已連接了GND；開關(guān)K4的上端已連接了+5V，下端已連接了0/+5V階躍信號(hào)輸出。B1-2模塊可以有三種狀態(tài)輸出： （1）K3開關(guān)撥下，K4開關(guān)撥上，在電位器的Y測(cè)孔可得到0+5v連續(xù)可調(diào)電壓輸出。（2）K3開關(guān)撥上，K3開關(guān)也撥上，在電位器的Y測(cè)孔可得到-5v+5v連續(xù)可調(diào)電壓輸出。（3）K3開關(guān)撥下，K3開關(guān)也撥下，在電位器的Y測(cè)孔將得到手控連續(xù)可調(diào)0-+5V階躍信號(hào)。非線性發(fā)生模塊是利用二極管的非線性特性形成非線性輸出，IN為輸入測(cè)孔 ，OUT為輸出測(cè)孔。（2）函數(shù)發(fā)生器（B5） 將產(chǎn)生單位階躍，斜坡，拋物線信號(hào)，其信號(hào)寬度范圍為2ms6s，

10、幅度可調(diào)，在其OUT測(cè)孔輸出。S測(cè)孔是方波輸出，N測(cè)孔用于構(gòu)造尖脈沖干擾，NC是干擾輸出，/ST測(cè)孔是S，ST短路套套上后的S測(cè)孔的反相輸出。三位撥動(dòng)開關(guān)S1切換波形類型，上階躍，中斜坡，下拋物線；三位撥動(dòng)開關(guān)S2切換信號(hào)的周期,周期范圍:上2-60ms，中20ms-0.6s，下0.2s-6s。使用調(diào)幅和調(diào)寬旋鈕可調(diào)節(jié)信號(hào)的幅度和頻率大小。為了使運(yùn)算放大器為零初始狀態(tài)并且積分漂移不致累加增多，設(shè)置了鎖零電路。其原理：當(dāng)鎖零功能啟動(dòng)后，使模擬運(yùn)算單元（A1A6）中的場(chǎng)效應(yīng)管的D、S端處于短路狀態(tài)，也就是說，使各運(yùn)放所接的反饋?zhàn)杩苟搪贰?dòng)鎖零功能有兩個(gè)辦法：（1）按住B5單元中的放電按鈕，啟動(dòng)鎖

11、零功能。（2）把B5單元中的S-ST用短路套套住，則當(dāng)B5單元的OUT輸出為零時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)鎖零功能。（3）正弦波發(fā)生器（B6）本單元可產(chǎn)生0.1Hz100Hz頻率范圍（使用撥動(dòng)開關(guān)S3分三檔切換）的正弦波和方波。正弦波最大峰峰值3V。使用調(diào)頻、調(diào)幅電位器可以輸出波形的頻率和幅值。正弦波信號(hào)引出為SIN測(cè)孔。方波信號(hào)引出為SQU測(cè)孔, 幅值為0/+5V。（4）數(shù)模轉(zhuǎn)換器（B2） 本實(shí)驗(yàn)機(jī)采用ADC0832作為數(shù)/模轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)8bit數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換為模擬量。數(shù)字00FFH輸入，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后OUT1測(cè)孔輸出為0+5v模擬量。經(jīng)運(yùn)放處理后，在OUT2測(cè)孔輸出為-5v +5v，在OUT3測(cè)孔輸出為-1

12、0v +10v。（5）采樣/保持器（B4） 采用LF398實(shí)現(xiàn)保持，輸入、輸出電平范圍為12V。IN為輸入端；PU為采樣控制端，高電平采樣，低電平保持。單穩(wěn)態(tài)電路4538，完成脈沖整形。（6）基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧˙7） 本單元可提供+Vref（+5.00V）和-Vref（-5.00V）兩種基準(zhǔn)電壓?？梢酝ㄟ^調(diào)整該單元中的W9電位器來調(diào)整基準(zhǔn)電壓。（在出廠時(shí)已調(diào)整好）注意：該單元的測(cè)孔不可隨意插線，以免損壞基準(zhǔn)源。（7）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（B8） 本實(shí)驗(yàn)機(jī)采用DAC0809作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)8bit數(shù)字輸出。其中IN0IN5通道為0+5V模擬量輸入，IN6和IN7通道為-5V+5V模擬量輸入。IN-0IN

13、-3已在實(shí)驗(yàn)機(jī)內(nèi)連線，其中IN-0用作C實(shí)驗(yàn)區(qū)溫控模塊（C3）測(cè)溫輸入，IN-1、IN-2用作C實(shí)驗(yàn)區(qū)外設(shè)接口（C4）模擬量輸入，IN-3用作外設(shè)接口測(cè)溫傳感器輸入。IN-4IN-7由測(cè)孔引出。（8）虛擬示波器（B3） 提供兩通道模擬信號(hào)輸入CH1和CH2，配合上位機(jī)軟件的示波器窗口，可以實(shí)現(xiàn)波形的顯示、存儲(chǔ)，可以有效的觀察實(shí)驗(yàn)中各點(diǎn)信號(hào)的波形。 虛擬示波器每個(gè)輸入通道都配有量程開關(guān)，當(dāng)量程開關(guān)撥到1位置，表示輸入不衰減，輸入范圍-5V+5V，如果超出此范圍，應(yīng)把量程開關(guān)撥到5位置，此時(shí)輸入信號(hào)將被衰減5倍。第二章 典型環(huán)節(jié)的模擬研究2.1 實(shí)驗(yàn)要求（1）了解和掌握各典型環(huán)節(jié)模擬電路的構(gòu)成方法

14、、傳遞函數(shù)表達(dá)式及輸出時(shí)域函數(shù)表達(dá)式；（2）觀察和分析各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，了解各項(xiàng)電路參數(shù)對(duì)典型環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性的影響。2.2 典型環(huán)節(jié)的方塊圖及傳遞函數(shù)典型環(huán)節(jié)名稱方 塊 圖傳遞函數(shù)比例（P）積分（I）比例積分（PI）比例微分（PD）慣性環(huán)節(jié)（T）比例積分微分（PID）2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟在實(shí)驗(yàn)中欲觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，可用普通示波器，也可選用本實(shí)驗(yàn)機(jī)配套的虛擬示波器。如果選用虛擬示波器，只要運(yùn)行LABACT程序，選擇自動(dòng)控制菜單下的線性系統(tǒng)的時(shí)域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，就會(huì)彈出虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始即可使用本實(shí)驗(yàn)機(jī)配套的虛擬示波器（B3）單元的CH1測(cè)孔測(cè)量波形。（1）觀察比

15、例環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線典型比例環(huán)節(jié)模擬電路如圖2-1所示。圖2-1 典型比例環(huán)節(jié)模擬電路典型比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)：?jiǎn)挝浑A躍響應(yīng)： 實(shí)驗(yàn)步驟：（1） 用信號(hào)發(fā)生器（B1）的Y測(cè)孔輸出作為比例環(huán)節(jié)輸入信號(hào)。將B1單元中電位器的左邊K3開關(guān)撥下（GND），右邊K4開關(guān)撥下（0/+5V階躍）。按下信號(hào)發(fā)生器（B1）階躍信號(hào)按鈕SB2，L9燈亮，調(diào)節(jié)電位器，用萬用表測(cè)量Y測(cè)孔，電壓調(diào)整為1V。 （2） 構(gòu)造模擬電路：按圖2-1安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線。 （3） 虛擬示波器（B3）的聯(lián)接：B3虛擬示波器輸入端CH1接到A6單元信號(hào)輸出端OUT（Uo）。 （4） 運(yùn)行、觀察、記錄： 進(jìn)入自動(dòng)控制菜單下的線性系統(tǒng)的時(shí)

16、域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，點(diǎn)擊開始，按下SB2按鈕（0+1V階躍），用示波器觀測(cè)A6輸出端（Uo）的實(shí)際響應(yīng)曲線Uo（t）。然后點(diǎn)擊停止,移動(dòng)標(biāo)尺,測(cè)量數(shù)據(jù)。 改變比例系數(shù)（改變運(yùn)算模擬單元A1的反饋電阻R1），觀測(cè)結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表：輸入電阻Ro反饋電阻R1輸入電壓Ui比例系數(shù)響應(yīng)曲線理論K實(shí)測(cè)K200K100K1V0.5200K1.0500K2.5（2）觀察慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線典型慣性環(huán)節(jié)模擬電路如圖2-2所示。圖2-2 典型慣性環(huán)節(jié)模擬電路典型慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)： 單位階躍響應(yīng)： 實(shí)驗(yàn)步驟： （1）用信號(hào)發(fā)生器（B1）的Y測(cè)孔輸出作為比例環(huán)節(jié)輸入信號(hào)。將B1

17、單元中電位器的左邊K3開關(guān)撥下（GND），右邊K4開關(guān)撥下（0/+5V階躍）。按下信號(hào)發(fā)生器（B1）階躍信號(hào)按鈕SB2，L9燈亮，調(diào)節(jié)電位器，用萬用表測(cè)量Y測(cè)孔，電壓調(diào)整為2V。 （2）構(gòu)造模擬電路：按圖2-2安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線。 （3）虛擬示波器（B3）的聯(lián)接：B3虛擬示波器輸入端CH1接到A6單元信號(hào)輸出端OUT（Uo）。 （4）運(yùn)行、觀察、記錄： 進(jìn)入自動(dòng)控制菜單下的線性系統(tǒng)的時(shí)域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，點(diǎn)擊開始，按下SB2按鈕時(shí)（0+2V階躍），用示波器觀測(cè)A6輸出端（Uo）的實(shí)際響應(yīng)曲線Uo（t）。然后點(diǎn)擊停止,移動(dòng)標(biāo)尺,測(cè)量數(shù)據(jù)。 改變時(shí)間常數(shù)及比例系數(shù)（分別改變運(yùn)算

18、模擬單元A1的反饋電阻R1和反饋電容C），觀測(cè)結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表：輸入電阻Ro反饋電阻R1反饋電容C輸入電壓Ui比例系數(shù)時(shí)間常數(shù)響應(yīng)曲線理論K實(shí)測(cè)K理論T實(shí)測(cè)T200K100K2u2V0.50.21u0.50.1200K2u1.00.41u1.00.2（3）觀察積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線 典型積分環(huán)節(jié)模擬電路如圖2-3所示。圖2-3 典型積分環(huán)節(jié)模擬電路典型積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)：?jiǎn)挝浑A躍響應(yīng)： 實(shí)驗(yàn)步驟：注：S ST用短路套短接?。?）為了避免積分飽和，將函數(shù)發(fā)生器（B5）所產(chǎn)生的周期性方波信號(hào)（OUT），代替信號(hào)發(fā)生器（B1）中的人工階躍輸出作為系統(tǒng)的信號(hào)輸入（Ui）；該信號(hào)為零輸出

19、時(shí)，將自動(dòng)對(duì)模擬電路鎖零。 將函數(shù)發(fā)生器（B5）中S1撥動(dòng)開關(guān)置于最上檔（階躍信號(hào)），S2撥動(dòng)開關(guān)置于0.2S6S檔。用示波器觀測(cè)信號(hào)輸入（Ui），調(diào)節(jié)“調(diào)寬”旋鈕，使OUT輸出方波寬度在1秒左右；調(diào)節(jié)“調(diào)幅”旋鈕，使OUT輸出方波幅值為1V。 （2）構(gòu)造模擬電路：按圖2-3安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線；B5單元S-ST用短路套短接！ （3）虛擬示波器（B3）的聯(lián)接：B3虛擬示波器輸入端CH1接到A6單元信號(hào)輸出端OUT（Uo）。 （4）運(yùn)行、觀察、記錄： 進(jìn)入自動(dòng)控制菜單的線性系統(tǒng)的時(shí)域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，點(diǎn)擊開始。用示波器觀測(cè)A6輸出端（Uo）的實(shí)際響應(yīng)曲線Uo（t）。然后點(diǎn)擊停止

20、,移動(dòng)標(biāo)尺,測(cè)量數(shù)據(jù)。 改變參數(shù)（分別改變運(yùn)算模擬單元A1的輸入電阻Ro和反饋電容C），觀測(cè)結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表：輸入電阻Ro反饋電容C輸入電壓Ui積分常數(shù)響應(yīng)曲線理論Ti實(shí)測(cè)Ti100K2u1V0.21u0.1200K2u0.41u0.2（4）觀察比例積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線 典型比例積分環(huán)節(jié)模擬電路如圖2-4所示.。圖2-4 典型比例積分環(huán)節(jié)模擬電路典型比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)：?jiǎn)挝浑A躍響應(yīng)： 實(shí)驗(yàn)步驟：注：S ST用短路套短接?。?）用信號(hào)發(fā)生器（B1）的階躍信號(hào)輸出 和幅度控制電位器構(gòu)造輸入信號(hào)（Ui）： 將函數(shù)發(fā)生器（B5）中S1撥動(dòng)開關(guān)置于最上檔（階躍信號(hào)），S2撥動(dòng)開關(guān)

21、置于0.2S6S檔。用示波器觀測(cè)信號(hào)輸入（Ui），調(diào)節(jié)“調(diào)寬”旋鈕，使OUT輸出方波寬度在1秒左右；調(diào)節(jié)“調(diào)幅”旋鈕，使OUT輸出方波幅值在1V。 （2）構(gòu)造模擬電路：按圖2-4安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線；B5單元S ST用短路套短接！ （3）虛擬示波器（B3）的聯(lián)接：B3虛擬示波器輸入端CH1接到A6單元信號(hào)輸出端OUT（Uo）。 （4）運(yùn)行、觀察、記錄： 進(jìn)入自動(dòng)控制菜單的線性系統(tǒng)的時(shí)域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，點(diǎn)擊開始。用示波器觀測(cè)A6輸出端（Uo）的實(shí)際響應(yīng)曲線Uo（t）。然后點(diǎn)擊停止,移動(dòng)標(biāo)尺,測(cè)量數(shù)據(jù)。 改變時(shí)間常數(shù)及比例系數(shù)（分別改變運(yùn)算模擬單元A5的輸入電阻Ro和反饋電容C

22、），重新觀測(cè)結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表：輸入電阻Ro反饋電阻R1反饋電容C輸入電壓Ui比例系數(shù)積分常數(shù)響應(yīng)曲線理論K實(shí)測(cè)K理論T實(shí)測(cè)T200K200K2u1V1.00.41u1.00.2100K2u2.00.41u2.00.2（5）觀察比例微分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線典型比例微分環(huán)節(jié)模擬電路如圖2-5所示。圖2-5 典型比例微分環(huán)節(jié)模擬電路典型比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)： 單位階躍響應(yīng)：實(shí)驗(yàn)步驟：注：S ST用短路套短接! （1）用信號(hào)發(fā)生器（B1）的階躍信號(hào)輸出 和幅度控制電位器構(gòu)造輸入信號(hào)（Ui）： B1單元中電位器的左邊K3開關(guān)撥下（GND），右邊K4開關(guān)撥下（0/+5V階躍）。階躍信號(hào)輸出

23、（B1的Y測(cè)孔）調(diào)整為1V（調(diào)節(jié)方法：按下信號(hào)發(fā)生器（B1）階躍信號(hào)按鈕，L9燈亮，調(diào)節(jié)電位器，用萬用表測(cè)量Y測(cè)孔）。 （2）構(gòu)造模擬電路：按圖2-5安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線。 （3）虛擬示波器（B3）的聯(lián)接：B3虛擬示波器輸入端CH1接到A6單元信號(hào)輸出端OUT（Uo）。 （4）運(yùn)行、觀察、記錄： 進(jìn)入線性系統(tǒng)的時(shí)域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，點(diǎn)擊開始，用示波器觀測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)輸入（Ui），調(diào)節(jié)“調(diào)寬”旋鈕，正輸出寬度在70ms左右，調(diào)節(jié)“調(diào)幅”旋鈕，幅度在400mv左右。 用示波器觀測(cè)A6輸出端（Uo）響應(yīng)曲線。 改變時(shí)間常數(shù)及比例系數(shù)（分別改變運(yùn)算模擬單元A2的輸入電阻Ro和反饋電阻R

24、1），重新觀測(cè)結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表：輸入電阻Ro反饋電阻R1輸入電壓Ui比例系數(shù)微分常數(shù)響應(yīng)曲線理論K實(shí)測(cè)K理論T實(shí)測(cè)T10K10K1V20K20K10K20K30K20K（6）觀察PID（比例積分微分）環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線PID（比例積分微分）環(huán)節(jié)模擬電路如圖2-6所示。圖2-6 PID（比例積分微分）環(huán)節(jié)模擬電路典型比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)： 單位階躍響應(yīng)： 實(shí)驗(yàn)步驟：注：S ST用短路套短接?。?）用信號(hào)發(fā)生器（B1）的階躍信號(hào)輸出 和幅度控制電位器構(gòu)造輸入信號(hào)（Ui）： B1單元中電位器的左邊K3開關(guān)撥下（GND），右邊K4開關(guān)撥下（0/+5V階躍）。階躍信號(hào)輸出（B1的Y測(cè)孔）

25、調(diào)整為1V（調(diào)節(jié)方法：按下信號(hào)發(fā)生器（B1）階躍信號(hào)按鈕，L9燈亮，調(diào)節(jié)電位器，用萬用表測(cè)量Y測(cè)孔）。 （2）構(gòu)造模擬電路：按圖2-6安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線。 （3）虛擬示波器（B3）的聯(lián)接：示波器輸入端CH1接到A6單元信號(hào)輸出端。 注：CH1選1檔。時(shí)間量程選4檔。 （4）運(yùn)行、觀察、記錄： 進(jìn)入線性系統(tǒng)的時(shí)域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，點(diǎn)擊開始，用示波器觀測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)輸入（Ui），調(diào)節(jié)“調(diào)寬”旋鈕（正輸出寬度在0.1秒左右）。 用示波器觀測(cè)A6輸出端（Uo），調(diào)節(jié)“調(diào)幅”旋鈕，輸入信號(hào)幅值從0V開始，慢慢增加，直到積分輸出接近5V為止（不能超過5V）。如用TEK數(shù)字示波器觀察，輸入

26、信號(hào)幅值可大些。 注意：該實(shí)驗(yàn)由于微分的時(shí)間太短，如果用虛擬示波器（B3）觀察，必須把波形擴(kuò)展到最大（/ 4檔），但有時(shí)仍無法顯示微分信號(hào)。因此，建議用一般的示波器觀察。 改變時(shí)間常數(shù)及比例系數(shù)（分別改變運(yùn)算模擬單元A2的輸入電阻Ro和反饋電阻R1），重新觀測(cè)結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表：輸入電阻Ro反饋電阻R1輸入電壓Ui比例系數(shù)微分常數(shù)積分常數(shù)響應(yīng)曲線理論K實(shí)測(cè)K理論T實(shí)測(cè)T理論Ti實(shí)測(cè)Ti10K10K1V20K20K10K20K2.4 實(shí)驗(yàn)報(bào)告（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)M電路，實(shí)驗(yàn)所測(cè)波形、數(shù)據(jù)。 （2）理論參數(shù)的計(jì)算過程。 （3）對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確描述與分析。 第三章 二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性

27、3.1 實(shí)驗(yàn)要求（1）了解和掌握典型二階、三階系統(tǒng)模擬電路的構(gòu)成方法及傳遞函數(shù)表達(dá)式推導(dǎo)。（2）觀察和分析典型二階閉環(huán)系統(tǒng)在欠阻尼，臨界阻尼，過阻尼的瞬態(tài)響應(yīng)曲線，欠阻尼二階閉環(huán)系統(tǒng)在階躍信號(hào)輸入時(shí)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)%、tp、ts值，并與理論計(jì)算值作比對(duì)。（3）熟悉勞斯（ROUTH）判據(jù)使用方法。 （4）應(yīng)用勞斯（ROUTH）判據(jù)，觀察和分析型三階系統(tǒng)在階躍信號(hào)輸入時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定及不穩(wěn)定三種瞬態(tài)響應(yīng)。 3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟3.2.1 二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性圖3-1是典型的型二階單位反饋系統(tǒng)原理方塊圖。圖3-1 典型二階閉環(huán)系統(tǒng)原理方塊圖型二階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)： 型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞

28、函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)式： 自然頻率（無阻尼振蕩頻率）： 阻尼比： 超調(diào)量 ： 峰值時(shí)間： 調(diào)節(jié)時(shí)間 ：二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路如圖3-2所示。它由積分環(huán)節(jié)（A2）和慣性環(huán)節(jié)（A3）構(gòu)成。圖3-2 型二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路圖3-2的二階系統(tǒng)模擬電路的各環(huán)節(jié)參數(shù)及系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：積分環(huán)節(jié)（A2單元）的積分時(shí)間常數(shù)Ti=R1*C1=1S 慣性環(huán)節(jié)（A3單元）的慣性時(shí)間常數(shù) T=R2*C2=0.1S實(shí)驗(yàn)步驟： 注：S ST不能用“短路套”短接?。?）用信號(hào)發(fā)生器（B1）的Y測(cè)孔輸出作為二階系統(tǒng)輸入的階躍信號(hào)。 將B1單元中電位器的左邊K3開關(guān)撥下（GND），右邊K4開關(guān)撥下（0/+5V階躍）。按下信號(hào)發(fā)生器（B1）階躍

29、信號(hào)按鈕SB2，L9燈亮，調(diào)節(jié)電位器，用萬用表測(cè)量Y測(cè)孔，電壓調(diào)整為1V。 （2）構(gòu)造模擬電路：按圖3-2安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線。 （3）虛擬示波器（B3）的聯(lián)接：B3虛擬示波器輸入端CH1接到A6單元信號(hào)輸出端OUT（C(t)）。 （4）運(yùn)行、觀察、記錄： 運(yùn)行LABACT程序，選擇自動(dòng)控制菜單下的線性系統(tǒng)的時(shí)域分析下的二階典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，再選擇開始實(shí)驗(yàn)。也可選用普通示波器觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 分別將（A7）中的直讀式可變電阻調(diào)整到100K、40K、10K、4K、2K，點(diǎn)擊開始，按下SB2按鈕(加階躍信號(hào))，用示波器觀察在不同增益K下，A6輸出端C(t)的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線，按下停止

30、，用標(biāo)尺測(cè)量、超調(diào)量%，峰值時(shí)間tp和調(diào)節(jié)時(shí)間ts等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)參數(shù)，記錄于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1。 改變慣性時(shí)間常數(shù)T，重新觀測(cè)結(jié)果，記錄動(dòng)態(tài)性能參數(shù)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表2。 改變積分時(shí)間常數(shù)Ti，重新觀測(cè)結(jié)果，記錄動(dòng)態(tài)性能參數(shù)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表3。 注：在作該實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)有積分飽和現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí)，即構(gòu)成積分的模擬電路處于飽和狀態(tài)，波形不出來，請(qǐng)人工放電。放電操作如下：輸入端Ui為零，把B5函數(shù)發(fā)生器的SB4“放電按鈕”按住3秒左右，進(jìn)行放電。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1：改變慣性環(huán)節(jié)增益（C1=2u，C2=1u，改變可變電阻R）參數(shù)項(xiàng)目輸入電阻R（A3）增益K（計(jì)算值)自然頻率Wn（計(jì)算值)阻尼比（計(jì)算值)超調(diào)量%峰值時(shí)間tP調(diào)

31、節(jié)時(shí)間tS測(cè)量值計(jì)算值測(cè)量值計(jì)算值測(cè)量值計(jì)算值1過阻尼100K=1臨界阻尼40K01欠阻尼10K4K2K實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表2：改變慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)（C1=2u ，R=4K，改變C2）參數(shù)項(xiàng)目反饋電容C2增加（A3）（減小）慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)T自然頻率Wn（計(jì)算值)阻尼比（計(jì)算值)超調(diào)量%峰值時(shí)間tP調(diào)節(jié)時(shí)間tS測(cè)量值計(jì)算值測(cè)量值計(jì)算值測(cè)量值計(jì)算值01欠阻尼1u2u3u實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表3：改變積分環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)（R=4K，C2=1u ，改變C1）參數(shù)項(xiàng)目反饋電容C1減?。ˋ2）（減?。┓e分環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)Ti自然頻率Wn（計(jì)算值)阻尼比（計(jì)算值)超調(diào)量%峰值時(shí)間tP調(diào)節(jié)時(shí)間tS測(cè)量值計(jì)算值測(cè)量值計(jì)算值測(cè)量值計(jì)算值01欠阻尼2u1u3.2.2 三階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性典型型三階單位反饋系統(tǒng)原理方塊圖見圖3-3。圖3-3 典型三階閉環(huán)系統(tǒng)的方塊圖型三階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)： 閉環(huán)傳遞函數(shù)（單位反饋）： 型三階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路如圖3-4所示。它由積分環(huán)節(jié)（A2）、慣性環(huán)節(jié)（A3和A5）構(gòu)成。圖3-4 型三階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路圖圖3-4的型三階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路的各環(huán)節(jié)參數(shù)及系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：積分環(huán)節(jié)（A2單元）的積分時(shí)間常數(shù)Ti=R1*C1=1S， 慣性環(huán)節(jié)（A3單元）的