自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū).

1、 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)（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(xiě)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(shuō)明. 11.1構(gòu)成 .11.2說(shuō)明 .41.2.1A實(shí)驗(yàn)區(qū) .41.2.2B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 .62.4實(shí)驗(yàn)報(bào)告 .11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 .

2、15參 考 文 獻(xiàn) .16第一章labACT 自控 / 計(jì)控原理實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)成及說(shuō)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7 CPU控制模塊各模塊相互交聯(lián)關(guān)系框圖見(jiàn)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(kù)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

3、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)?？刂茖?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

4、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)板上。實(shí)驗(yàn)區(qū)組成見(jiàn)表1-1 ：1表 1-1 實(shí)驗(yàn)區(qū)組成有六個(gè)模擬運(yùn)算單元， 每單元由輸入回路 6 組電阻、或電容，模擬運(yùn)算單元反饋回路 7 組電阻、或電容，1 個(gè)運(yùn)算放大器組成。A1A6A可變阻容元件由電位器 330K 和 22K，直讀式可變電阻 0999.9K ，直讀式實(shí)庫(kù)可變電容 00.7uF 組成。A7驗(yàn)阻容元件庫(kù)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區(qū)運(yùn)算放大器庫(kù)有 3 組運(yùn)算放大器 ,1個(gè)整形器A9由手控階躍發(fā)生（ 0/+5v 、-5v/+5v），幅度控制（電位器），信號(hào)發(fā)生器非線性輸出組

5、成。B1八位數(shù) / 模轉(zhuǎn)換，輸出有 0+5v、-5v+5v 、-10v+10v ，三個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器測(cè)孔供選擇。B22 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虛擬示波器倍后輸入。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)。B5B正弦波發(fā)生器頻率范圍 0.1HZ100HZ 可調(diào)，幅度可調(diào)。B6實(shí)基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧?Vref （ +5.00v ）， -Vref（ -5.00v ）B7驗(yàn)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)通道區(qū)模數(shù)轉(zhuǎn)

6、換器為 -5v+5v輸入。B8定時(shí)器 / 中斷單有 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。B9元有中斷控制器 8259 中的輸入 IRQ6， IRQ7。步進(jìn)電機(jī)模塊步進(jìn)電機(jī) 35BY48C1C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（0 80）。C3實(shí)1 路 420mA或 15v 模擬電壓輸出（ AOUT），驗(yàn)2 路 420mA或 15v 模擬電壓輸入（ IN-2 、IN-3 ），區(qū)外設(shè)接口模塊C44 路開(kāi)關(guān)量輸入和 4 路開(kāi)關(guān)量輸出（ DIN 和 DOUT），1 路測(cè)溫

7、傳感器（鉑電阻PT100）輸入（ IN-1 ）。D自帶 CPU （ 89C2051）控制， 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 TLC1543。實(shí)控制對(duì)象輸出3 位八段數(shù)碼管，可切換顯示溫度/ 轉(zhuǎn)速/ 電壓/電流。D驗(yàn)顯示模塊可當(dāng)作 -5v+5v 電壓表。區(qū)2主實(shí)驗(yàn)板的布置簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1-2 所示。圖 1-2 主實(shí)驗(yàn)板的布置簡(jiǎn)圖31.2說(shuō)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(kù)（A7）提供 22K 和 330K電位器 , 一組 0999.9K 直讀式可變電阻， 一組

8、00.7uF 直讀式可變電容及標(biāo)準(zhǔn)插孔。（ 3）阻容元件庫(kù)（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(kù)（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， 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(jiàn)圖 1

9、-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(kāi)關(guān)，如要改變狀態(tài)必須再按一次）幅度控制模塊由開(kāi)關(guān)K3、開(kāi)關(guān) K4 和電位器組成。 開(kāi)關(guān) K3 的上端已連接了 -5V ，下端已連接了GND；開(kāi)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

10、）K3開(kāi)關(guān)撥下， K4開(kāi)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(kāi)關(guān)撥上， K3開(kāi)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(kāi)關(guān)撥下， K3開(kāi)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，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

11、測(cè)孔的反相輸出。三位撥動(dòng)開(kāi)關(guān)S1 切換波形類型，上階躍，中斜坡，下拋物線；4三位撥動(dòng)開(kāi)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(shuō)，使各運(yùn)放所接的反饋?zhàn)杩苟搪?。啟?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

12、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(kāi)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 -10v +10v 。（ 5）采樣 / 保持器（

13、 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^(guò)調(diào)整該單元中的W9電位器來(lái)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+

14、5V 模擬量輸入。 IN-0IN-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(kāi)關(guān)，當(dāng)量程開(kāi)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(kāi)關(guān)撥到×5 位置，此時(shí)輸入信號(hào)將被衰減5 倍。5第二

15、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、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)方塊圖傳遞函數(shù)名稱比例G(S)UO(S)K（ P）U i (S)積分G(S)U O(S)1（ I）U i (S)TS比例積分G(S)UO(S)K ( 11 )（ PI）U i (S)TS比例微分G(S)UO(S)K(1 TS)（ PD）U i (S)慣性環(huán)節(jié)UO(S)KG(S)1 TS（ T）U i (S)比例積分G(S)U O(S)U i (S)微分K

16、 p（PID）K pK pTd STi S2.3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6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(kāi)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：G(S)U O(S)R1KKU i (S)R0U ( t )K（ 1） 用信號(hào)

17、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(kāi)關(guān)撥下（ GND ），右邊 K4 開(kāi)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(wàn)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)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(kāi)始，按下SB2按鈕（ 0+1V 階躍），用示波器觀測(cè) A

18、6 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：輸入電阻反饋電阻輸入電壓比例系數(shù)RoR1Ui理論 K響應(yīng)曲線實(shí)測(cè) K100K0.5200K200K1V1.0500K2.5（ 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)： G(S)UO(S)K,KR1,TR1CU i (S)1 TSR07t單位階躍響應(yīng)：U 0 (t)K (1e T )實(shí)驗(yàn)步驟：（ 1）用信號(hào)發(fā)生器（B1）的 Y

19、 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(kāi)關(guān)撥下（ GND ），右邊 K4 開(kāi)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(wàn)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(kāi)始，按下SB2按鈕時(shí)（ 0 +2V 階躍），用示波器觀測(cè) A6 輸出端（ Uo ）

20、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 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：輸入電阻反饋電阻反饋電容輸入電壓比例系數(shù)時(shí)間常數(shù)響應(yīng)曲線RoR1CUi理論 K實(shí)測(cè) K理論 T實(shí)測(cè) T100K2u0.50.21u0.50.1200K2V2u1.00.4200K1u1.00.2（ 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)：UO(S)1,T R0CG(S)TSU i (S)單位階躍響應(yīng)： U 0 (

21、t )1 tT實(shí)驗(yàn)步驟：注： S ST用短路套短接?。?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(kāi)關(guān)置于最上檔（階躍信號(hào)）， S2撥動(dòng)開(kāi)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）

22、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：8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(kāi)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：輸入電阻反饋電容輸入電壓積分常數(shù)RoCUi理論 Ti響應(yīng)曲線實(shí)測(cè) Ti100K2u0.21u0.11V2u0.4200K1u0.2（ 4）觀察比例積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線典型

23、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U O(S)1KR1,TR1C典型比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)： G(S)K(1),R0U i (S)TS單位階躍響應(yīng)：U O ( t ) K（11 t）T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 ）：將函數(shù)發(fā)生器（ B5 ）中 S1撥動(dòng)開(kāi)關(guān)置于最上檔（階躍信號(hào)）， S2撥動(dòng)開(kāi)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 輸出方波幅值在

24、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(kāi)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），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：輸入電阻反饋電阻反饋電容輸入電壓比例系數(shù)積分常

25、數(shù)RoR1CUi理論 K實(shí)測(cè) K理論 T響應(yīng)曲線實(shí)測(cè) T200K2u1.00.41u1.00.2200K1V2u2.00.4100K1u2.00.2（ 5）觀察比例微分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線9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)：G(S)UO(S)1TS)K (1SU i (S)R1 R2R3 )C,R3C,KR1R2,TT (R0K DR1 R2單位階躍響應(yīng)： U 0 (t) KT(t)K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

26、電位器的左邊 K3 開(kāi)關(guān)撥下 （ GND ），右邊 K4 開(kāi)關(guān)撥下 （ 0/ +5V 階躍） 。階躍信號(hào)輸出 （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(wàn)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(kāi)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)

27、“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 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：輸入電阻反饋電阻輸入電壓比例系數(shù)微分常數(shù)RoR1Ui理論 K實(shí)測(cè) K理論 T響應(yīng)曲線實(shí)測(cè) T10K10K20K20K10K1V20K30K20K（ 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。10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)：G(S)U O(S)K PK P TdSK PT

28、i SU i (S)R1R2R3 )C2, Ti( R1R2 )C1R1 R2Td (R2, K PR0R1單位階躍響應(yīng)：U 0 ( t ) K pTD( t ) K PK p tT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(kāi)關(guān)撥下 （ GND ），右邊 K4 開(kāi)關(guān)撥下 （ 0/ +5V 階躍） 。階躍信號(hào)輸出 （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(wàn)用表測(cè)量 Y 測(cè)孔）。（ 2）構(gòu)造模擬電路：按圖 2-6安

29、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(kāi)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(kāi)始，慢慢增加，直到積分輸出接近 5V為止（不能超過(guò) 5V）。如用 TEK數(shù)字示波器觀察，輸入信號(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)

30、展到最大（/ 4檔），但有時(shí)仍無(wú)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：輸入電阻反饋電阻輸入電壓比例系數(shù)微分常數(shù)積分常數(shù)響應(yīng)RoR1Ui理論 K實(shí)測(cè) K理論 T實(shí)測(cè) T理論 Ti實(shí)測(cè) Ti曲線10K10K20K1V10K20K20K2.4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(guò)程。（ 3）對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確描述與分析。11第三章二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性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)

31、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(guò)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(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：G(S)KTiS(TS1)G(S)2型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)式：(s)nG(S

32、)22n S21Sn自然頻率（無(wú)阻尼振蕩頻率）： nK阻尼比：1TiKT2TiT12t p超調(diào)量 ：% e100%峰值時(shí)間：n123調(diào)節(jié)時(shí)間： t sn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=R 1*C 1=1S慣性環(huán)節(jié)（ A3 單元）的慣性時(shí)間常數(shù)T=R 2*C 2=0.1S實(shí)驗(yàn)步驟：注： S ST不能用“短路套”短接?。?1）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)。12將 B1 單元

33、中電位器的左邊K3 開(kāi)關(guān)撥下（ GND ），右邊 K4 開(kāi)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(wàn)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(kāi)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

34、到 100K 、 40K 、 10K 、 4K 、 2K ，點(diǎn)擊開(kāi)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，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(lái)， 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S

35、B4“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)增益自然頻率阻尼比超調(diào)量 %峰值時(shí)間 tP調(diào)節(jié)時(shí)間 tS輸入電阻KWn項(xiàng)目R（A3 ）測(cè)量值測(cè)量值測(cè)量值（計(jì)算值 )（計(jì)算值 ) （計(jì)算值 )計(jì)算值計(jì)算值計(jì)算值 >1100K過(guò)阻尼 =140K臨界阻尼10K0<<14K欠阻尼2K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)反饋電容慣性環(huán)節(jié)自然頻率阻尼比超調(diào)量 %峰值時(shí)間 tP調(diào)節(jié)時(shí)間 tSC2 增加時(shí)間常數(shù)Wn項(xiàng)目（A3 ）測(cè)量值測(cè)量值測(cè)量值T（計(jì)算值 )（ 減?。ㄓ?jì)算

36、值 )計(jì)算值計(jì)算值計(jì)算值1u0<<12u欠阻尼3u13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)反饋電容超調(diào)量 %ttC1 減小積分環(huán)節(jié)自然頻率阻尼比峰值時(shí)間 P調(diào)節(jié)時(shí)間 S時(shí)間常數(shù)Wn項(xiàng)目（A2）測(cè)量值測(cè)量值測(cè)量值Ti（計(jì)算值 )（ 減?。ㄓ?jì)算值 )計(jì)算值計(jì)算值計(jì)算值0<<12u欠阻尼1u3.2.2三階系統(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(jiàn)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(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：G(S)K1K2S 1)(T 2S1)TiS (T1閉環(huán)傳遞函數(shù)（單位反饋） ：G(S)K1K2(S)TiS (T1