控制工程理論實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、.控制工程理論實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書課程編號(hào)：02000310課程名稱：控制工程理論“控制工程理論”是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)必修課程，其實(shí)驗(yàn)的目的是理論聯(lián)系實(shí)際，加深對(duì)控制工程理論基本原理、基本規(guī)律的理解，掌握系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法，通過學(xué)生自己動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得基本實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練, 培養(yǎng)學(xué)生分析、操作和解決實(shí)際問題的能力，為后續(xù)課程和專業(yè)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及今后從事生產(chǎn)技術(shù)工作打下良好的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)一至實(shí)驗(yàn)四的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要在AEDK LabACT自控/計(jì)控原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置上進(jìn)行，它利用教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的接口電路把模擬信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換傳送到計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。 實(shí)驗(yàn)一&#

2、160; 典型環(huán)節(jié)的模擬研究一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆崭鞯湫铜h(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及模擬電路圖，通過對(duì)典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)曲線的觀測(cè)和分析，加深對(duì)典型環(huán)節(jié)的理解，掌握基本知識(shí)。二、實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容：1、 根據(jù)表1-1所示的各典型環(huán)節(jié)的模擬電路圖，觀測(cè)其階躍響應(yīng)曲線。 表1-1 各典型環(huán)節(jié)的模擬電路圖典型環(huán)節(jié)名稱模擬電路圖比例（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）三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及工具：AEDK LabACT自控/計(jì)控原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、PC機(jī)、萬用表，連接線及工具若干；四、實(shí)驗(yàn)原理 分析各典型環(huán)節(jié)的方塊圖和模擬電路圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系，寫出傳遞函數(shù)，填入表12中。表12典

3、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） 五、實(shí)驗(yàn)方法和步驟運(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，再選擇開始實(shí)驗(yàn)，就會(huì)彈出虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始即可使用實(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)模擬電路參考表1-1。該環(huán)節(jié)在A1單元中分別選取反饋電阻R1=100K、200K來改變比例參數(shù)。實(shí)驗(yàn)步驟： （1）將信號(hào)發(fā)生器（B1）中的階躍輸出0/

4、+5V作為系統(tǒng)的信號(hào)輸入（Ui）（2）安置短路套、聯(lián)線，構(gòu)造模擬電路：（a）安置短路套 模塊號(hào)跨接座號(hào)1A1當(dāng)反饋電阻R1=100K時(shí)當(dāng)反饋電阻R1=200K時(shí)S4，S7S4，S82A6S2，S6（b）測(cè)孔聯(lián)線1信號(hào)輸入（Ui）B1（0/+5V） A1（H1）2運(yùn)放級(jí)聯(lián)A1（OUT）A6（H1）（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OUT（Uo）。注：CH1選X1檔。時(shí)間量程選x4檔。 （4）運(yùn)行、觀察、記錄：按下信號(hào)發(fā)生器（B1）階躍信號(hào)按鈕時(shí)（0+5V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），且將結(jié)果記下。改變比例參數(shù)（改變運(yùn)算模擬單

5、元A1的反饋電阻R1），重新觀測(cè)結(jié)果。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)模擬電路參考表1-1。該環(huán)節(jié)在A1單元中分別選取反饋電容C =1uf、2uf來改變時(shí)間常數(shù)。實(shí)驗(yàn)步驟： （1）將信號(hào)發(fā)生器（B1）中的階躍輸出0/+5V作為系統(tǒng)的信號(hào)輸入（Ui）（2）安置短路套、聯(lián)線，構(gòu)造模擬電路：（a）安置短路套 模塊號(hào)跨接座號(hào)1A1當(dāng)反饋電容C=1uf時(shí)當(dāng)反饋電容C=2uf時(shí)S4，S8，S10S4,S8,S10,S112A6S2，S6 （b）測(cè)孔聯(lián)線1信號(hào)輸入（Ui）B1（0/+5V） A1（H1）2運(yùn)放級(jí)聯(lián)A1（OUT）A6（H1）（3）虛擬示波器（B3）的聯(lián)接：示波器輸入端CH1接到A6單

6、元信號(hào)輸出端OUT（Uo）。注：CH1選X1檔。時(shí)間量程選x4檔。（4）運(yùn)行、觀察、記錄：按下信號(hào)發(fā)生器（B1）階躍信號(hào)按鈕時(shí)（0+5V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），且將結(jié)果記下。改變時(shí)間常數(shù)（改變運(yùn)算模擬單元A1的反饋反饋電容C），重新觀測(cè)結(jié)果。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)模擬電路參考表1-1。該環(huán)節(jié)在A1單元中分別選取反饋電容C=1uf、2uf來改變時(shí)間常數(shù)。實(shí)驗(yàn)步驟：（1）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）中的階躍輸出0/+5V作為系統(tǒng)的信號(hào)輸入（Ui）：a將函數(shù)發(fā)生器（B5）中

7、的插針S ST用短路套短接。b將S1撥動(dòng)開關(guān)置于最上檔（階躍信號(hào)）。c信號(hào)周期由撥動(dòng)開關(guān)S2和“調(diào)寬”旋鈕調(diào)節(jié)，信號(hào)幅度由“調(diào)幅”旋鈕調(diào)節(jié)， 以信號(hào)幅值小，信號(hào)周期較長(zhǎng)比較適宜（周期在0.5S左右，幅度在2.5V左右）。（2）安置短路套、聯(lián)線，構(gòu)造模擬電路： （a）安置短路套 模塊號(hào)跨接座號(hào)1A1當(dāng)反饋電容C=1uf時(shí)當(dāng)反饋電容C=2uf時(shí)S4，S10S4，S10，S112A6S2，S6（b）測(cè)孔聯(lián)線1信號(hào)輸入（Ui）B5（OUT） A1（H1）2運(yùn)放級(jí)聯(lián)A1（OUT）A6（H1）（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OUT（Uo）。（4）運(yùn)行、觀察、記錄：用

8、示波器觀測(cè)A6輸出端（Uo）的實(shí)際響應(yīng)曲線Uo（t），且將結(jié)果記下。改變時(shí)間常數(shù)（改變運(yùn)算模擬單元A1的反饋反饋電容C），重新觀測(cè)結(jié)果。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)模擬電路參考表1-1.。該環(huán)節(jié)在A5單元中分別選取反饋電容C=1uf、2uf來改變時(shí)間常數(shù)。實(shí)驗(yàn)步驟：（1）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）中的階躍輸出0/+5V作為系統(tǒng)的信號(hào)輸入（Ui）：a將函數(shù)發(fā)生器（B5）中的插針S ST用短路套短接。b將S1撥動(dòng)開關(guān)置于最上檔（階躍信號(hào)）。c信號(hào)周期由撥動(dòng)開關(guān)S2和“調(diào)寬”旋鈕調(diào)節(jié)，信號(hào)幅度由“調(diào)幅”旋鈕調(diào)節(jié)

9、， 以信號(hào)幅值小，信號(hào)周期較長(zhǎng)比較適宜（正輸出寬度在0.5S左右，幅度在1V左右）。（2）安置短路套、聯(lián)線，構(gòu)造模擬電路：（a）安置短路套 模塊號(hào)跨接座號(hào)1A5當(dāng)反饋電容C=1uf時(shí)當(dāng)反饋電容C=2uf時(shí)S4，S8S4，S92A6S2，S6（b）測(cè)孔聯(lián)線1信號(hào)輸入（Ui）B5（OUT） A5（H1）2運(yùn)放級(jí)聯(lián)A5（OUT）A6（H1）（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OUT（Uo）。（4）運(yùn)行、觀察、記錄：用示波器觀測(cè)A6輸出端（Uo）的實(shí)際響應(yīng)曲線U0（t），且將結(jié)果記下。改變時(shí)間常數(shù)（改變運(yùn)算模擬單元A5的反饋反饋電容C），重新觀測(cè)結(jié)果。5)觀察比例微

10、分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線典型比例微分環(huán)節(jié)模擬電路參考表1-1。該環(huán)節(jié)在A2單元中分別選取反饋電阻R1=10K、20K來改變比例參數(shù)。實(shí)驗(yàn)步驟：（1）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）中的階躍輸出0/+5V作為系統(tǒng)的信號(hào)輸入（Ui）：a將函數(shù)發(fā)生器（B5）中的插針S ST用短路套短接。b將S1撥動(dòng)開關(guān)置于最上檔（階躍信號(hào)）。c信號(hào)周期由撥動(dòng)開關(guān)S2和“調(diào)寬”旋鈕調(diào)節(jié)，信號(hào)幅度由“調(diào)幅”旋鈕調(diào)節(jié)， 以信號(hào)幅值小，信號(hào)周期較長(zhǎng)比較適宜（正輸出寬度在70ms左右，幅度在400mv左右）。（2）安置短路套、聯(lián)線，構(gòu)造模擬電路： （a）安置短路套 模

11、塊號(hào)跨接座號(hào)1A2當(dāng)反饋電阻R1=10K時(shí)當(dāng)反饋電阻R1=20K時(shí)S1，S7，S9S1，S8，S92A6S2，S6（b）測(cè)孔聯(lián)線1信號(hào)輸入（Ui）B5（OUT） A2（H1）2運(yùn)放級(jí)聯(lián)A2（OUT）A6（H1）（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OUT（Uo）。（4）運(yùn)行、觀察、記錄：用示波器觀測(cè)A6輸出端（Uo）的實(shí)際響應(yīng)曲線Uo（t）,且將結(jié)果記下。改變比例參數(shù)（改變運(yùn)算模擬單元A1的反饋電阻R1），重新觀測(cè)結(jié)果.。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)模擬電路參考表1-1。該環(huán)節(jié)在A2單元中分別選取反饋電阻R1=10K、

12、20K來改變比例參數(shù)。實(shí)驗(yàn)步驟：（1）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）中的階躍輸出0/+5V作為PID環(huán)節(jié)的信號(hào)輸入（Ui）：a將函數(shù)發(fā)生器（B5）中的插針S ST用短路套短接。b將S1撥動(dòng)開關(guān)置于最上檔（階躍信號(hào)）。c信號(hào)周期由撥動(dòng)開關(guān)S2和“調(diào)寬”旋鈕調(diào)節(jié)，信號(hào)幅度由“調(diào)幅”旋鈕調(diào)節(jié)， 以信號(hào)幅值小，信號(hào)周期較長(zhǎng)比較適宜（正輸出寬度在70ms左右，幅度在400mv左右）。（2）安置短路套、聯(lián)線，構(gòu)造模擬電路：（a）安置短路套 模塊號(hào)跨接座號(hào)1A2當(dāng)反饋電阻R1=10K時(shí)當(dāng)反饋電阻R1=20K時(shí)S1，S7S1，S82A6S2，S6

13、（b）測(cè)孔聯(lián)線1信號(hào)輸入（Ui）B5（OUT） A2（H1）2運(yùn)放級(jí)聯(lián)A2（OUT）A6（H1）（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OUT（Uo）。（4）運(yùn)行、觀察、記錄：用示波器觀測(cè)A6輸出端（Uo）的實(shí)際響應(yīng)曲線Uo（t）,且將結(jié)果記下。改變比例參數(shù)（改變運(yùn)算模擬單元A2的反饋電阻R1），重新觀測(cè)結(jié)果。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要內(nèi)容及要求 分析各典型環(huán)節(jié)的方塊圖和模擬電路圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系(1) 根據(jù)各典型環(huán)節(jié)的方塊圖寫出傳遞函數(shù),作出各典型環(huán)節(jié)的理論階躍響應(yīng)曲線。(2) 抓取從各典型環(huán)節(jié)模擬電路圖中觀測(cè)到的實(shí)際階躍響應(yīng)曲線。(3) 將上述要求以表格形式表達(dá)。實(shí)驗(yàn)二 二

14、階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性分析一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 掌握典型二階系統(tǒng)模擬電路的構(gòu)成方法，型二階閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)式。2. 研究二階閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)-無阻尼振蕩頻率n, 阻尼比對(duì)過渡過程的影響。3. 掌握欠阻尼二階閉環(huán)系統(tǒng)在階躍信號(hào)輸入時(shí)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)Mp、tp、ts的計(jì)算。二、實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容：根據(jù)圖2-1所示的典型二階系統(tǒng)的原理方框圖，構(gòu)建如圖22所示的模擬電路，在此基礎(chǔ)上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)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)-自然頻率（無阻尼振蕩頻率）n, 阻尼比對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)的影響。 圖2-1 典型二階系統(tǒng)原理方塊圖圖2-2 典型二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電

15、路三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及工具：AEDK LabACT自控/計(jì)控原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、PC機(jī)、萬用表，連接線及工具若干；四實(shí)驗(yàn)原理圖2-1所示型二階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)式：自然頻率（無阻尼振蕩頻率）： 阻尼比： 二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路如圖2-2所示。它由積分環(huán)節(jié)（A2）和慣性環(huán)節(jié)（A3）構(gòu)成。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該閉環(huán)系統(tǒng)在A3單元中改變輸入電阻R來調(diào)整增益K，R分別設(shè)定為 10k、40k、100k 。 當(dāng)R=100k， K=1 =1.5

16、8 >1 為過阻尼響應(yīng)， 當(dāng)R=40k， K=2.5 =1 為臨界阻尼響應(yīng)， 當(dāng)R=10k， K=10 =0.5 0<<1 為欠阻尼響應(yīng)。 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)Mp、tp、ts的計(jì)算：（ K=10 =0.5）超調(diào)量 ： 峰值時(shí)間： 調(diào)節(jié)時(shí)間 ：五、實(shí)驗(yàn)方法和步驟運(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)，就會(huì)彈出虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始即可使用實(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。典型二階系統(tǒng)模擬電路(圖2-2)通過在A3單元中改變輸入電阻R來調(diào)整衰減時(shí)間

17、。（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（B1-2的Y測(cè)孔）調(diào)整為2V（調(diào)節(jié)方法：調(diào)節(jié)電位器，用萬用表測(cè)量Y測(cè)孔）。（2）安置短路套、聯(lián)線，構(gòu)造模擬電路：（a）安置短路套 模塊號(hào)跨接座號(hào)1A1S4，S82A2S2，S10，S113A3當(dāng)輸入電阻R=10K當(dāng)輸入電阻R=39K當(dāng)輸入電阻R=100KS1，S8，S10S2，S8，S10.S4，S8，S104A6S2，S6（b）測(cè)孔聯(lián)線1信號(hào)輸入r(t)B1（Y） A1（H1）2運(yùn)放級(jí)聯(lián)A1（OUTA2（H1）3運(yùn)

18、放級(jí)聯(lián)A2（OUTA3（H1）4負(fù)反饋A3（OUTA1（H2）5運(yùn)放級(jí)聯(lián)A3（OUTA6（H1）（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OUT（C(t)）。（4）運(yùn)行、觀察、記錄： 按下B1按鈕，用示波器觀察在三種情況下A3輸出端C(t)的系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并記錄超調(diào)量MP，峰值時(shí)間tp和調(diào)節(jié)時(shí)間ts。并將測(cè)量值和計(jì)算值（實(shí)驗(yàn)前必須按公式計(jì)算出）進(jìn)行比較。參數(shù)取值及響應(yīng)曲線，詳見表2-1。表2-1 二階系統(tǒng)在欠阻尼，臨界阻尼，過阻尼下的參數(shù)取值參數(shù)項(xiàng)目RK(1/S)Wn(1/S)MP(%)tp(S)ts(S)測(cè)量值 計(jì)算值測(cè)量值 計(jì)算值測(cè)量值 計(jì)算值0<<

19、;1欠阻尼階躍響應(yīng)為衰減振蕩1010101.2117.2 16.30.35 0.360.75 0.8=1臨界阻尼階躍響應(yīng)為單調(diào)指數(shù)曲線402.55111.1>1過阻尼響應(yīng)為單調(diào)指數(shù)曲線10011 3.68六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要內(nèi)容及要求 分析典型二階系統(tǒng)的方塊圖和模擬電路圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系(1)根據(jù)典型二階系統(tǒng)的方塊圖的寫出傳遞函數(shù),作出典型二階系統(tǒng)在欠阻尼，臨界阻尼，過阻尼下狀態(tài)下的理論階躍響應(yīng)曲線。(2)抓取典型二階系統(tǒng)模擬電路圖在欠阻尼，臨界阻尼，過阻尼下狀態(tài)下的觀測(cè)到的實(shí)際階躍響應(yīng)曲線。(3)將上述要求以表格形式表達(dá)。七、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)在作欠阻尼階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于虛擬示波器（B3）的頻率限制

20、,無法很明顯的觀察到正確的衰減振蕩圖形，此時(shí)需適當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)。調(diào)節(jié)方法：減小運(yùn)算模擬單元A3的輸入電阻R=10K的阻值，延長(zhǎng)衰減時(shí)間（參考參數(shù)：R=2K）。（可將運(yùn)算模擬單元A3的輸入電阻的短路套（S1/S2/S4） 去掉，將可變?cè)欤ˋ7）中的可變電阻跨接到A3單元的H1和IN測(cè)孔上，調(diào)整可變電阻繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。） 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)成積分或慣性環(huán)節(jié)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：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。 如欲用相平面分析該模塊電路時(shí)，需把示波器的輸入端CH2接到A1單元信號(hào)輸出端，并選用示波器界面中的X

21、-Y選項(xiàng)。 實(shí)驗(yàn)三 線性控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?了解和掌握控制系統(tǒng)的頻率特性，學(xué)會(huì)測(cè)量系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻曲線和相頻曲線。2 研究二階閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)-自然頻率或無阻尼振蕩頻率n, 阻尼比對(duì)對(duì)數(shù)幅頻曲線和相頻曲線的影響。3 研究表征系統(tǒng)穩(wěn)定程度的相位裕度和幅值裕度h（dB）對(duì)系統(tǒng)的影響。4 觀察和分析欠阻尼二階閉環(huán)系統(tǒng)諧振頻率和諧振峰值。二、實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容：根據(jù)圖3-1所示的被測(cè)系統(tǒng)的方框圖，構(gòu)建如圖3-2、圖3-3所示的模擬電路，在此基礎(chǔ)上觀察和分析一階、二階被測(cè)系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻曲線和相頻曲線。 圖3-1 被測(cè)系統(tǒng)方塊圖圖3-2 一階被測(cè)系統(tǒng)的模擬電路圖 圖3-3 二階被測(cè)閉環(huán)系統(tǒng)

22、模擬電路圖三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及工具：AEDK LabACT自控/計(jì)控原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、PC機(jī)、萬用表，連接線及工具若干；四、實(shí)驗(yàn)原理對(duì)于如圖3-1所示的被測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)（環(huán)節(jié)）的頻率特性G(j)是一個(gè)復(fù)變量，可以表示成以角頻率為參數(shù)的幅值和相角：G（j）=| G（j）|G(j) 被測(cè)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)： 如被測(cè)系統(tǒng)的反饋傳遞函數(shù)=1，則可簡(jiǎn)化為： 則上式以角頻率為參數(shù)的幅值和相角為： ，由于型系統(tǒng)含有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它在開環(huán)時(shí)響應(yīng)曲線是發(fā)散的，因此欲獲得其開環(huán)頻率特性時(shí)，還是需構(gòu)建成閉環(huán)系統(tǒng)，測(cè)試其閉環(huán)頻率特性，然后通過公式換算，獲得其開環(huán)頻率特性，算法如下：圖3-1所示被測(cè)系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性為： 圖3

23、-1所示被測(cè)系統(tǒng)以角頻率為參數(shù)表示成的開環(huán)頻率特性為： 上式亦可以角頻率為參數(shù)表示為對(duì)數(shù)幅頻特性和相頻特性：， 由此即可通過實(shí)驗(yàn)獲得系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻曲線和相頻曲線。五、實(shí)驗(yàn)方法和步驟運(yùn)行LABACT程序，選擇自動(dòng)控制菜單下的線性控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析-實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，再分別選擇一階系統(tǒng)、或二階系統(tǒng)、或三階系統(tǒng)、或時(shí)域分析，就會(huì)彈出虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始即可使用實(shí)驗(yàn)機(jī)配套的虛擬示波器（B3）顯示波形。1）一階系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻曲線、相頻曲線和幅相曲線實(shí)驗(yàn)中將數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（B2）單元作為信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生的超低頻正弦信號(hào)的頻率從低到高變化(0.5Hz64Hz)，施加于被測(cè)系統(tǒng)的輸入端r（t），然后分別測(cè)

24、量被測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)的對(duì)數(shù)幅值和相位，數(shù)據(jù)經(jīng)相關(guān)運(yùn)算后在虛擬示波器中顯示。一階被測(cè)系統(tǒng)的模擬電路圖見圖3-2。實(shí)驗(yàn)步驟：（1）將數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（B2）輸出OUT2（信號(hào)頻率范圍為0.5Hz64Hz）作為被測(cè)系統(tǒng)的輸入端r（t）。（2）安置短路套、聯(lián)線，構(gòu)造模擬電路：（a）安置短路套 模塊號(hào)跨接座號(hào)1A1S2，S62A6S4，S7，S9（b）測(cè)孔聯(lián)線1信號(hào)輸入B2（OUT2）A1（H1）2運(yùn)放級(jí)聯(lián)A1（OUT）A6（H1）3信號(hào)聯(lián)線A6（OUT） A9（CIN）4信號(hào)聯(lián)線A9（COUT） B4（A2）5信號(hào)連線A6（OUT） B8（IN6）6中斷請(qǐng)求線B4（Q2） B9（IRQ6）（3）運(yùn)行、觀察

25、、記錄：a用示波器觀察系統(tǒng)各環(huán)節(jié)波形，避免系統(tǒng)進(jìn)入非線性狀態(tài)。b觀察、記錄被測(cè)系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻曲線、相頻曲線及幅相曲線.2) 二階系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻曲線、相頻曲線和幅相曲線實(shí)驗(yàn)中將數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（B2）單元作為信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生的超低頻正弦信號(hào)的頻率從低到高變化(0.5Hz64Hz），施加于被測(cè)系統(tǒng)的輸入端r（t），然后分別測(cè)量被測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)的對(duì)數(shù)幅值和相位，數(shù)據(jù)經(jīng)相關(guān)運(yùn)算后在虛擬示波器中顯示。二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路圖見圖3-3所示。它由積分環(huán)節(jié)（A5單元）和慣性環(huán)節(jié)（A3單元）構(gòu)成，二階閉環(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)分別為：積分環(huán)節(jié)（A5單元）的積分時(shí)間常數(shù)Ti=R1*C1=0.1

26、S， 慣性環(huán)節(jié)（A3單元）的慣性時(shí)間常數(shù) T=R3*C2=0.2S。 K1=R3/R2=10二階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)式： 系統(tǒng)中的開環(huán)傳遞函數(shù)：則其自然頻率或無阻尼振蕩頻率或交接頻率： 阻尼比： ，諧振頻率： 峰值： 如更改圖3-2-4二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路的各環(huán)節(jié)參數(shù)，使之 Ti=1，T=0.3，K=1則其自然頻率或無阻尼振蕩頻率或交接頻率： 阻尼比： 由于0.707，因此不存在諧振峰值，兩條漸近線交點(diǎn)為，其中一條漸近線斜率為-40dB/dec。 如更改圖3-2-4二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路的各環(huán)節(jié)參數(shù)，使之 Ti=0.043，T=0.1，K=10則其自然頻率或無阻尼振蕩頻率或交接頻率： 阻尼比：

27、諧振頻率： 峰值：實(shí)驗(yàn)步驟：將數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（B2）輸出OUT2（信號(hào)頻率范圍為0.5Hz32Hz）作為被測(cè)系統(tǒng)的輸入端。(1) 安置短路套、聯(lián)線，構(gòu)造模擬電路： （a）安置短路套 模塊號(hào)跨接座號(hào)1A1S4，S82A5S3，S103A3S1，S8，S9，S105A6S2，S6（b）測(cè)孔聯(lián)線1信號(hào)輸入r(t)B2（OUT2） A1（H1）2運(yùn)放級(jí)聯(lián)A1（OUT）A5（H1）3運(yùn)放級(jí)聯(lián)A5（OUT）A3（H1）4運(yùn)放級(jí)聯(lián)A3（OUT）A6（H1）6負(fù)反饋A3（OUT）A1（H2）7信號(hào)聯(lián)線A6（OUT） A9（CIN）8信號(hào)聯(lián)線A9（COUT） B4（A2）9信號(hào)連線A6（OUT） B8（IN6）1

28、0中斷請(qǐng)求線B4（Q2） B9（IRQ6）(c) 運(yùn)行、觀察、記錄：a用示波器觀察系統(tǒng)各環(huán)節(jié)波形，避免系統(tǒng)進(jìn)入非線性狀態(tài)。b觀察二階系統(tǒng)的閉環(huán)對(duì)數(shù)幅頻、相頻曲線和幅相曲線.六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要內(nèi)容及要求 分析一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)的方塊圖和模擬電路圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系(1)根據(jù)一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)的模擬電路寫出傳遞函數(shù),作出一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)的理論對(duì)數(shù)幅頻曲線、相頻曲線和幅相曲線。(2)抓取一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)經(jīng)模擬電路圖觀測(cè)到的實(shí)際對(duì)數(shù)幅頻曲線、相頻曲線和幅相曲線。(3)將上述要求以表格形式表達(dá)。七、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)根據(jù)本實(shí)驗(yàn)機(jī)的現(xiàn)況，要求構(gòu)成被測(cè)二階閉環(huán)系統(tǒng)的阻尼比必須滿足下式，否則模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（B8單元）將產(chǎn)生

29、削頂。 即 實(shí)驗(yàn)機(jī)在測(cè)試頻率特性時(shí)，實(shí)驗(yàn)開始后，實(shí)驗(yàn)機(jī)將按序自動(dòng)產(chǎn)生0.5Hz、1Hz、2Hz、4Hz、8Hz、16Hz、32Hz、64Hz等多種頻率信號(hào)，當(dāng)被測(cè)系統(tǒng)的輸出時(shí)將停止測(cè)試。實(shí)驗(yàn)四 線性系統(tǒng)校正一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、 了解系統(tǒng)校正的方法（串聯(lián)超前校正），根據(jù)期望的時(shí)域性能指標(biāo)設(shè)計(jì)校正裝置。2、 觀察和分析未校正系統(tǒng)和校正后系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。二、實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容：根據(jù)未校正系統(tǒng)的原理方塊圖4-1、加入校正網(wǎng)絡(luò)后系統(tǒng)的原理方塊圖4-2，構(gòu)建如圖4-3、圖4-4所示的相對(duì)應(yīng)的模擬電路，在此基礎(chǔ)上分析和觀察相應(yīng)的性能指標(biāo)及響應(yīng)曲線。圖4-1 未校正系統(tǒng)的原理方塊圖圖4-2未校正系統(tǒng)的模擬電路圖圖

30、4-3加入校正網(wǎng)絡(luò)后系統(tǒng)的方塊圖圖4-4 校正后系統(tǒng)模擬電路三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及工具：AEDK LabACT自控/計(jì)控原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、PC機(jī)、萬用表，連接線及工具若干；四、實(shí)驗(yàn)原理圖4-1的二階系統(tǒng)（型）開環(huán)傳遞函數(shù)： （4-1）二階系統(tǒng)（型）閉環(huán)傳遞函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)式： （4-2）圖4-1的二階系統(tǒng)（型）閉環(huán)傳遞函數(shù)： （4-3） 從（4-3）計(jì)算可得到圖4-1二階系統(tǒng)的自然頻率和阻尼比為： 自然頻率 阻尼比： （4-4）從（4-4）計(jì)算可得到圖4-1二階系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間為：超調(diào)量 ： 調(diào)節(jié)時(shí)間 ： （4-5）要求設(shè)計(jì)校正裝置，使系統(tǒng)滿足下述性能指標(biāo)： （4-6）和代入（4-5），可得到，設(shè)串聯(lián)超

31、前（微分）校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為： 加入校正網(wǎng)絡(luò)后系統(tǒng)的原理方塊圖如圖4-3所示，系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)： （4-7）從（4-7）計(jì)算可得到圖4-3二階系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間為：超調(diào)量 ： 調(diào)節(jié)時(shí)間 ：計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。五、實(shí)驗(yàn)方法和步驟運(yùn)行LABACT程序，選擇自動(dòng)控制菜單下的線性系統(tǒng)的校正與狀態(tài)反饋下的線性系統(tǒng)校正實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，再選擇開始實(shí)驗(yàn)，就會(huì)彈出虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始即可使用實(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測(cè)量未校正系統(tǒng)的性能指標(biāo)未校正系統(tǒng)的模擬電路圖見圖4-2。實(shí)驗(yàn)步驟： （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（B1-2的Y測(cè)孔）調(diào)整為2V（調(diào)