自控实验讲义.doc

实 验 要 求1请自觉遵守实验室的相关规定，不要大声喧哗。2 实验过程中，操作一定要细心，不要损坏设备。3. 学生进行实验前，由指导教师点名并检查预习报告，预习报告符合要求方可实验。4. 实验后由指导教师验收，符合要求后学生方可离开实验室。5. 实验报告的格式应采用统一封面，统一的实验报告纸（A4）。 6. 学生应在实验报告中的预习部分里：（1）写出硬件连接方法（在模拟电路图中标出所选运放单元）（2）根据实验模拟电路所示相应参数，计算出理论值并绘制理论响应曲线。 7. 实验报告中的每做一个实验，都要将实验截图附后，并根据实验结果分析总结。实验仪器、设备（软、硬件）及仪器使用说明自动控制实验系统 一套 计算机 （已安装虚拟测量软件-LABACT） 一台连接线 18根仪器使用说明 附录计算机虚拟测量软件的使用说明 附录附录 labACT自控/计控原理实验机构成及说明一 主实验板的布置简图图1-1-2 主实验板的布置简图根据功能本实验机划分了各种实验区均在主实验板上。实验区组成见表1-1-1。表1-1-1 实验区组成A实验区模拟运算单元有六个模拟运算单元，每单元由多组电阻、或电容构成的输入回路、反馈回路和12个运算放大器组成。A1A6模拟运算扩充库包括校正网络库（A7）、整形模块（A8），可调零放大器（A9），放大器（A10）和2个0999.9K的直读式可变电阻、2个电位器及多个电容（A11）。A7A11B实验区手控阶跃信号发生器由手控阶跃发生（0/+5v、-5v/+5v），幅度控制（电位器），非线性输出组成。B1函数发生器含有十种（可选择）波形输出：矩形波、正弦波、斜坡、方波输出，方波/正弦波、矩形波/正弦波同时输出，继电特性、饱和特性、死区特性及间隙特性等非线性输出。B5数模转换器八位数/模转换，输出有0+5v、-5v+5v二个测孔供选择。B2模数转换器八位模/数转换，其中有2个通道为0+5v输入，有2个通道为-5v+5v输入。B7定时器/中断单元有8253定时器中的计数器1、计数器2， 有中断控制器8259中的IRQ5，IRQ6中断输入，固定时钟（1.229MHz）输出。B8采样/保持器采样/保持器LF398，单稳态电路4538B4虚拟示波器2个通道模拟信号输入，输入信号可不衰减输入，也可衰减5倍后输入。B3基准电压单元+Vref（+5.00v），-Vref（-5.00v）B6C实验区步进电机模块步进电机35BY48C1直流电机模块直流电机BY25，直流电压驱动，脉冲测速及电压测速输出。C2温控模块模拟电压加热及脉宽控制加热，热敏电阻测温。C3外设接口模块6路开关量输入和8路开关量输出，TTL电平兼容。1路测温传感器（铂电阻PT100）输入及控制固态继电器输出。C4D实验区显示与功能选择5位8段数码管、四个功能选择按键和16个指示灯。具有独立于实验机的CPU控制模块，提供控制对象输出显示，提供函数发生器（B5）的输出切换控制和输出数据显示。 D1说明一A实验区1模拟运算单元 （A1A6） 模拟运算单元 A1A6布置图见图1-2-1，图中S1-S13均为跨接座，当用户选中模拟运算单元的某一参数的电阻、电容作输入回路和反馈回路构成一个模拟电路时，在该元件的左边相对应的跨接座上插上白色短路套即可，直观方便。 六个模拟运算单元实现原理基本相同，只是运放各输入回路及各反馈回路引入的电阻、电容的参数和连接方式各不相同。六个模拟运算单元的各参数已经合理设计，组合使用可以满足本实验指导书中提供的全部实验要求，而无需外接电阻或电容，有效的简化了实验操作。各信号接入点及输出点均引出标准插孔供接线用。H1、H2为模拟运算单元的输入插孔，IN为运算放大器负端输入(反馈与输入相加点)插孔， OUT为模拟运算单元的输出插孔。图1-2-1 模拟运算单元 A1A6布置图2模拟运算扩充库 （A7A11）模拟运算扩充库 A7A11布置图见图1-2-2。模拟运算扩充库包括校正网络库（A7）、整形模块（A8），可调零放大器（A9），放大器（A10）和2个0999.9K的直读式可变电阻、2个电位器及多个电容（A11），可以灵活搭建多种不同参数的系统。校正网络库（A7）在不同的跨接座上插上白色短路套即可构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节、比例微分积分环节，用户可按不同的需求构成各种校正环节。C1、C2、C3插孔为了扩充电容用。在第3.3节 线性系统的校正中将详细说明。整形模块中有二组整形器，其中CIN1/2为输入插孔，COUT1/2为输出插孔。1-2-2 模拟运算扩充库 A7A11布置图二D和B实验区1显示与功能选择模块（D1）及函数发生器（B5）D1实验区是一个显示与功能选择模块，它主要由5位8段数码管、四个功能选择按键和16个指示灯、3个测试孔组成。D1实验区是独立于实验机的CPU控制模块，提供控制对象输出显示，並实现函数发生器（B5）的十种（可选择）波形输出切换控制和显示。（1） 输入信号测量上排左按键循环控制输入信号的测量，包括电压（-5V+5V）、电压（0+5V）、频率、温度和直流电机转速测量。每按一次按键，指示灯向右循环切换，数码管显示相应的测量信息。信号的输入口为模块中的“电压测量”和“频率测量”3个测试孔。指示灯和数码管的输出数据显示对应关系表见表1-2-1。表1-2-1 指示灯和数码管的显示对应关系表项目内容指示灯输入测试孔数据显示单位（-5V+5V）电压测量电压（-5V+5V）电压测量（-5V+5V）(-)X.XXV（0+5V）电压测量电压（0+5V）电压测量（0+5V）X.XXV频率测量频率频率测量XXX .XHzC3模块温度值温度电压测量（0+5V）XX.XC2模块直流电机转速转速频率测量X.XXX千转/分（2） 函数发生器波形输出切换控制和显示选择下排左、右按键循环切换控制输出波形，包括矩形波、正弦波、斜坡、方波、继电特性、饱和特性、死区特性和间隙特性的切换控制。每按一次下排左按键，指示灯向左循环切换，每按一次下排右按键，指示灯向右循环切换，数码管显示相应的波形信息。上排右按键循环切换控制输出波形，包括矩形波/正弦波和方波/正弦波同时发生。2函数发生器（B5）函数发生器（B5）是各函数及波形发生的控制和输出模块，它含有十种（可选择）波形输出，有4个函数波形调节电位器、1个波形量程选择开关和各函数发生的输出口组成。各波形和函数的输出选择在（D1）模块中选择设置。各波形的切换控制和显示见表1-2-2。表1-2-2 函数发生器取值及显示序号波形类型函数发生器取值及显示左显示及范围电位器调节右显示及范围电位器调节1矩形波宽度上0.01S1S设定电位器1幅度（0V6V）矩形波调幅下0.1S10S2正弦波振幅值 (06V)正弦波调幅频率上0.1Hz2Hz设定电位器2下0.8Hz50Hz3斜坡斜率(0.48)设定电位器1宽度(0.5S10S)4方波频率(2.4Hz250Hz)设定电位器15继电幅值(0V6V)设定电位器16饱和斜率(0.15.1)设定电位器1限幅(0V6V)设定电位器27死区斜率(0.15.1)设定电位器1死区宽度(0V5V)设定电位器28间隙斜率(0.15.1)设定电位器1间隙宽度(0V5V)设定电位器29矩形/正弦波详见本节第、点说明10方波/正弦波矩形波：下排按键选择“矩形波”，指示灯亮，函数发生器（B5）模块中的“矩形波输出”测孔输出矩形波，左边2个数码管显示矩形波正脉冲的宽度“X.X”或“XX”（秒）, 由“设定电位器1”控制相应的正脉冲输出宽度；此外，（B5）模块中的“量程选择”开关还可控制正脉冲输出宽度量程（见表1-2-2）。右边3个数码 管显示矩形波的幅度“X.XX”(伏)，由（B5）模块中的“矩形波调幅”电位器控制变化幅度。注1：只有把函数发生器（B5）模块左下角的“S-ST” 跨接座上套上短路套后，在“矩形波输出”测孔才有矩形波输出。注2：“量程选择”开关置于下档时，其零输出宽度恒保持为2秒，与正脉冲输出宽度值无关；“量程选择”开关置于上档时，其零输出宽度与正脉冲输出宽度值相等。 正弦波：下排按键选择“正弦波”，指示灯亮，函数发生器（B5）模块中的“正弦波输出”测孔输出正弦波，左边2个数码管显示正弦波的振幅“X.X”(V),由（B5）模块中的“正弦波调幅”电位器控制变化幅度；右边3个数码管显示正弦波的频率“X.XX”或“XX.X”（Hz），由“定电位器2”控制相应的输出频率；此外，（B5）模块中的“量程选择”开关还可控制正弦波的频率输出量程（见表1-2-2）。 斜坡：下排按键选择“斜坡”，指示灯亮，函数发生器（B5）模块中的“斜坡输出”孔输出斜坡波形。斜坡输出的幅度为4V，左边2个数码管显示斜坡信号的斜率X.X，右边3个数码管显示斜坡的信号的宽度X.XX，由（B5）模块中的“设定电位器1”控制相应的斜率。 方波：下排按键选择“方波”，指示灯亮，函数发生器（B5）模块中的“方波输出”孔输出方波。数码管显示方波频率“XXX.X”（Hz），由（B5）模块中的 “设定电位器1”控制相应的输出频率，幅度为3V。 继电特性：下排按键选择“继电”，指示灯亮，将信号发生器（B1）的幅度控制电位器中心Y测孔作为非线性-5V+5V输入信号接到函数发生器（B5）模块中的“非线性输入”测孔，（B1）单元的K3开关拨上（-5V）， K4开关也拨上（+5V），（B5）单元中的“非线性输出”测孔信号输出继电特性；数码管显示继电特性的幅值“X.XX”（V），由（B5）模块中的 “设定电位器1”控制相应的输出幅值。 饱和特性：下排按键选择“饱和”，指示灯亮，将信号发生器（B1）的幅度控制电位器中心Y测孔作为非线性-5V+5V输入信号接到函数发生器（B5）模块中的“非线性输入”测孔，（B1）单元的K3开关拨上（-5V）， K4开关也拨上（+5V），（B5）单元中的“非线性输出”测孔信号输出饱和特性；左边2个数码管显示饱和特性线性区的斜率“X.X”,由（B5）模块中的“设定电位器1”设定斜率；右边3个数码管显示饱和输出的限幅值“X.XX”（V），由（B5）模块中的“设定电位器2”设定输出限幅值。 死区特性：下排按键选择“死区”，指示灯亮，将信号发生器（B1）的幅度控制电位器中心Y测孔作为非线性-5V+5V输入信号接到函数发生器（B5）模块中的“非线性输入”测孔，（B1）单元的K3开关拨上（-5V）， K4开关也拨上（+5V），（B5）单元中的“非线性输出”测孔信号输出死区特性；左边2个数码管显示死区特性线性区的斜率“X.X”,由（B5）模块中的“设定电位器1”设定斜率；右边3个数码管显示死区宽度“X.XX”（V），由（B5）模块中的“设定电位器2”设定死区宽度。 间隙特性：下排按键选择“间隙”，指示灯亮，将信号发生器（B1）的幅度控制电位器中心Y测孔作为非线性-5V+5V输入信号接到函数发生器（B5）模块中的“非线性输入”测孔，（B1）单元的K3开关拨上（-5V）， K4开关也拨上（+5V），（B5）单元中的“非线性输出”测孔信号输出间隙特性；左边2个数码管显示间隙特性线性区的斜率“X.X”,由（B5）模块中的“设定电位器1”设定斜率；右边3个数码管显示间隙宽度“X.XX”（V），由（B5）模块中的“设定电位器2”设定间隙宽度。 矩形波/正弦波：上排右按键选择“矩形波/正弦波”，指示灯亮，（B5）模块“矩形波输出”测孔和“正弦波输出”测孔同时有输出，矩形波的指示灯也亮，数码管显示矩形波的信息。若要观察正弦波的信息，再按一次上排右按键，正弦波的指示灯亮，数码管显示正弦波的信息（波形的控制调节与单一波形发生控制相同）。 方波/正弦波：上排右按键选择“方波/正弦波”，指示灯亮，（B5）模块“方波输出”测孔和“正弦波输出”测孔同时有输出，方波的指示灯也亮，数码管显示方波的信息。若要观察正弦波的信息，再按一次上排右按键，“正弦波”的指示灯亮，同时，正弦波数码管显示正弦波的信息（波形的控制调节与单一波形发生控制相同）。注1：显示与功能选择模块（D1）右上角的电位器RP5用于调整该模块的基准电压（+2.40V）。注2：函数发生器（B5）右下角的调零电位器用于调整正弦波输出的基准零位。上电总清或按复位键总清后，把“正弦波调幅”电位器调到最大，然后调整调零电位器，使“正弦波输出”测孔输出直流电压为零，即正弦波输出的基准零位调整成功。注3：上电总清或按“复位”键总清后，数码管显示矩形波信息,矩形波有输出2秒宽度的波形，其他波无输出。3手控阶跃信号发生器 （B1）信号发生器由手控阶跃发生器（B1-1），幅度控制（B1-2）和非线性输出（B1-3）组成。 手控阶跃发生模块由按钮SB2、L9灯及二个测孔组成。 如图1-2-4所示，在B1-1模块中，当按钮SB2按下时，L9灯亮，其0/+5V测孔将从0V阶跃成+5V，-5V/+5V测孔将从-5V阶跃成+5V；当按钮弹出时，L9灯灭，其输出状态相反。（注：该按钮是一个带锁开关，如要改变状态必须再按一次） 幅度控制模块由开关K3、开关K4和电位器组成。开关K3的上端已连接了-5V，下端已连接了GND；开关K4的上端已连接了+5V，下端已连接了0/+5V阶跃信号输出。B1-2模块可以有三种状态输出： K3开关拨下，K4开关拨上，在电位器的Y测孔可得到0+5V连续可调电压输出。 K3开关拨上，K3开关也拨上，在电位器的Y测孔可得到-5V+5V连续可调电压输出。 K3开关拨下，K3开关也拨下，在电位器的Y测孔将得到手控连续可调0+5V阶跃信号。非线性发生模块是利用二极管的非线性特性形成非线性输出，IN为输入测孔 ，OUT为输出测孔。4数模转换器（B2） 本实验机采用ADC0832作为数/模转换，可实现8bit数字输入转换为模拟量。数字00FFH输入，经数/模转换后OUT1测孔输出为0+5V模拟量。经运放处理后，在OUT2测孔输出为-5V +5V。5虚拟示波器（B3） 提供两通道模拟信号输入CH1和CH2测孔，配合上位机软件的示波器窗口，可以实现波形的显示、存储，可以有效的观察实验中各点信号的波形。详见本实验指导书第二章所述。虚拟示波器每个输入通道都配有量程开关，当量程开关拨到1位置，表示输入不衰减，输入范围-5V+5V，如果超出此范围，应把量程开关拨到5位置，此时输入信号将被衰减5倍。6采样/保持器（B4） B4模块包含两组采样/保持器。采用LF398实现保持，输入、输出电平范围为12V。“IN”测孔为输入端；“PU”测孔为采样控制端，高电平采样，低电平保持。单稳态电路4538完成脉冲整形，“A”测孔为输入端（0/+5V上升沿），“Q”测孔为输出端（100S正脉冲）。本实验机采用DAC0809作为模/数转换，可实现8bit数字输出。其中“IN4和IN5”测孔为0+5V模拟量输入，“IN6和IN7”测孔为-5V+5V模拟量输入。8定时器、中断单元（B8）本单元提供CPU控制模块中的定时器8253的计数器1“CLK1”和“T1”测孔（GATE己短接VCC），计数器2“CLK1、T2和GATE2”测孔； 提供8259中断控制器IRQ5和IRQ6测孔为CPU控制模块的的中断输入；固定时钟（1.229MHz）脉冲输出测孔；“A和A”测孔分别为附加反相器（74LS14）的输入端和输出端，供用户作为逻辑信号反相用。9基准电压单元（B6） 本单元可提供+Vref（+5.00V）和-Vref（-5.00V）两种基准电压。可以通过调整该单元中的W9和W1电位器来调整基准电压。（在出厂时已调整好）注意：该单元的测孔不可随意插线，以免损坏基准源。附录 虚拟示波器2.1 虚拟示波器的显示方式为了满足自动控制不同实验的要求我们提供了示波器的四种显示方式。（1）示波器的时域显示方式（2）示波器的相平面显示（X-Y）方式（3）示波器的频率特性显示方式有对数幅频特性显示、对数相频特性显示（伯德图），幅相特性显示方式（奈奎斯特图），时域分析（弧度）显示方式。 (4) 示波器的计算机控制显示方式 2.2 虚拟示波器的使用一设置用户可以根据不同的要求选择不同的示波器，具体设置方法如下：1 示波器的一般用法： 运行LABACT程序，选择工具栏中的单迹示波器项或双迹示波器项，将可直接弹出该界面。单迹示波器项的频率响应要比双迹示波器项高，将可观察每秒6500个点；双迹示波器项只能观察每秒3200个点。点击开始即可当作一般的示波器使用。2 实验使用：运行LABACT程序，选择自动控制 / 微机控制 / 控制系统菜单下的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1、CH2测孔测量波形。二示波器的使用1示波器的时域显示Y11Y2幅值差率时间差图2-2-1 虚拟示波器时域显示运行界面（数字PID控制实验曲线）示波器的时域显示是指显示器界面中X轴为时间t，Y轴为电压U。见图2-2-1为示波器的时域显示运行界面，只要点击开始，示波器就运行了，此时就可以用实验机上的（CH1）和（CH2）来采集、观察波形。CH1和 CH2各有输入范围选择开关，当输入电压小于5v-+5v 应选用1档。 注：在使用本虚拟示波器采集、观察波形时，如输入范围选择开关选用1档，其输入电压一定要在5v-+5v的范围以内。如果大于此输入范围应选用5挡（表示输入信号衰减5倍后进入示波器）。该显示界面的下方有一个“显示方式”选择框，提供了示波和X-Y两种方式。当需要是时域显示方式时，应选择框内的示波方式选项（通常在弹出示波器界面时，默认为示波方式）。点击停止后，将停止示波器运行，即可进行波形分析和相关的测量（只保存当前实验的波形）。（1）信号幅值测量在显示界面的左右各有一条滑竿标尺，用户点住滑竿标尺上、下移动到显示界面中需标定的点，此时滑竿的最右侧的黄色方块上显示的数据为当前测量点的幅值，见图2-2-1的4.34V和2.5V数据显示。在Y轴上两条滑竿之间（在显示界面的左侧）的黄色方块中显示的数据，为两个测量点的幅值差，见图2-2-1上的v=1.84V。（2）信号时间测量a、 移动波形在运行开始到停止。示波器可能已采样了多幅波形，因此用户首先必须点击显示界面下方的前一屏或后一屏来获取显示所需的画面，然后再点击中间的微调按钮来调节波形至最佳测量状态。b、压缩/扩展波形在显示界面的下方有一个时间量程选择框，在框中2表示波形压缩了2倍，4表示波形压缩了4倍，该功能适用于观察频率低、周期长的信号，例如观察时间常数大的积分信号输出；在框中2表示波形放大了2倍，4表示波形压放大了4倍，该功能适用于观察频率较高的信号，例如观察微分信号输出、阶跃输出的上升时间等。c、信号时间的测量当信号在显示界面处于最佳测量状态后，用户可以点住显示界面上下各一条的滑竿，左、右移动到波形需标定的点的位置，在X轴上两条滑竿之间的黄色方块中显示的数据，为两个X轴上标定点的时间差，见图2-2-1上的t=1.200S。2。示波器的相平面显示（X-Y）使用在示波器的时域显示界面下方的显示方式选择框中，如用户选中X-Y选项，则虚拟示波器将提供相当于真实示波器中的X-Y选项，即可实现自动控制原理实验中的相平面分析实验。在实验中欲观测实验结果时，应运行LabACT程序，选择自动控制菜单下的非线性系统的相平面分析实验项目，再分别选择典型非线性环节、或二阶非线性系统、或三阶非线性系统，就会弹出相应的虚拟示波器界面，即可使用本实验机的虚拟示波器观察波形。确保实验机处于联机状态，点击开始后即开始实验。分析波形：待出现完整波形以后，点击停止后停止运行，进行波形分析；或按刷新按钮进行波形更新。注意：分析波形必须先停止。在相平面显示界面上，同样也可以实现与时域显示时相同的幅值测量和时间测量功能。在非线性实验的相平面分析实验中，如果用户在显示方式选择框中，选中示波选项，示波器将转为时域显示方式。这样用户可以在同一界面上方便地看到系统的时域显示和相平面显示。3示波器的幅频/相频/幅相特性显示使用该方式专为第三章自动控制原理实验第3.2节线性控制系统的频率响应分析设计的。在实验中欲观测实验结果时，应运行LabACT程序，选择自动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析-实验项目，再分别选择一阶系统或二阶系统就会弹出频率特性扫描点设置表，在该表中用户可根据自己的需要填入各个扫描点（本实验机选取的频率值f，以0.1Hz为分辨率），如需在特性曲线上直接标注某个扫描点的角频率、幅频特性L()或相频特性()，则可在该表的扫描点上小框内点击一下（打）。确认后将弹出虚拟示波器的频率特性界面，点击开始，即可按频率特性扫描点设置表规定的频率值，实现频率特性测试。测试结束后（约十分钟），可点击界面下方的“频率特性”选择框中的任意一项进行切换，将显示被测系统的闭环对数幅频、对数相频特性曲线（伯德图）和幅相曲线（奈奎斯特图），点击停止后，将停止示波器运行。用户如选择了二阶系统，则虚拟示波器上先弹出闭环频率特性界面，点击开始，待实验机把闭环频率特性测试结束后，再在示波器界面左上角的红色开环或闭环字上双击，将在示波器界面上弹出开环/闭环选择框，点击确定后，示波器界面左上角的红字，将变为开环然后再在示波器界面下部频率特性选择框点击（任一项），在示波器上将转为开环频率特性显示界面。在 开环频率特性界面上，亦可转为闭环频率特性显示界面，方法同上。在频率特性显示界面的左上角，有红色开环或闭环字表示当前界面的显示状态。 被测系统某个频率点的L、Im、Re等相关数据测量：实验机在测试频率特性时，实验开始后实验机先自动产生0.5Hz16H等多种频率信号，在示波器的界面上形成闭环对数幅频、相频特性曲线（伯德图）和幅相曲线（奈奎斯特图）。在界面上方将显示该系统用户点取的频率点的、L、Im、Re等相关数据。然后提示用户用鼠标直接在幅频或相频特性曲线的界面上点击所需增加的频率点，（选取的频率值f，以0.1Hz为分辨率，例如所选择的频率信号频率值f为4.19Hz，则被认为4.1 Hz送入到被测对象的输入端），实验机将会把鼠标点取的频率点的频率信号送入到被测对象的输入端，然后检测该频率的频率特性。检测完成后在界面上方显示该频率点的频率和相关数据，同时在曲线上打十字标记。如果增添的频率点足够多，则频率特性曲线将成为近似光滑的曲线，见图2-2-2所示（该曲线已增添了多个频率点）。鼠标在界面上移动时，在界面的左下角将会同步显示鼠标位置所选取的角频率值，幅值或相位值。在软件安装目录AedkLabACT两阶频率特性数据表.txt中将列出所有测试到的频率点的闭环开环L、Im、Re等相关数据测量。注：该数据表不能自动更新，只能用关闭后再打开的办法更新。 闭环系统谐振频率，谐振峰值等相关数据的测量： 在闭环对数幅频曲线中，用鼠标在曲线峰值处点击一下，待检测完成后，就可以根据十字标记测得该系统的谐振频率，谐振峰值，见图2-2-2。谐振峰值L(r)谐振频率r图2-2-2 虚拟示波器闭环系统幅频特性界面 开环系统的幅值穿越频率、相角裕度等相关数据的测量：在开环对数幅频曲线中，用鼠标在曲线=0处点击一下，待检测完成后，就可以根据十字标记测得系统的幅值穿越频率 ，见图3-2-6 (a)； 同时还可在开环对数相频曲线上根据十字标记测得该系统的相位裕度，见图3-2-6（b）。注1：用户用鼠标只能在幅频或相频特性曲线的界面上点击所需增加的频率点，无法在幅相曲线的界面上点击所需增加的频率点。注2：根据本实验机的现况，要求构成被测二阶闭环系统的阻尼比必须满足下式，否则模/数转换器（B7单元）将产生削顶。 即 注3：实验机在测试频率特性时，实验开始后，实验机将按序自动产生0.5Hz、1Hz、2Hz等多种频率信号，当被测系统的输出时将停止测试。注4：由于型系统含有一个积分环节，它在开环時响应曲线是发散的，因此欲获得其开环频率特性时，还是需构建成闭环系统，测试其闭环频率特性，然后再通过公式换算，从而得到开环系统的频率特性。实验1 典型环节实验一、 实验目的和要求：（一）、实验目的：1、 了解相似性原理的基本概念。2、 掌握用运算放大器构成各种常用的典型环节的方法。3、 掌握各类典型环节的输入和输出时域关系及相应传递函数的表达形式，熟悉各典型环节的参数（K、T）。4、 学会用时域法测量典型环节参数的方法；用相平面法观察和分析典型非线性环节的输出特性。（二）、实验要求：1、预习要求：（1）根据实验内容中的模拟电路及相应参数，计算各典型环节的参数（K、T）值。非线性环节参数（K、M）等值。（2）计算各典型环节的时域输出响应，并写出其传递函数的表达式。（3）分别画出各典型环节、非线性环节的理论波形2、实验要求：（1）了解和掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式（2）观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响（3）了解和掌握典型非线性环节的特性参数及它们的实际输出特性。二、 实验内容：1、 熟悉自动控制实验装置和计算机虚拟测量软件的使用。2、 用运算放大器构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节（可选做）和比例积分微分环节（可选做）。3、 输入阶跃信号，测量各典型环节的输入和输出波形及相关参数。三、实验原理 1 比例环节： 式中 K增益 特点： 输入输出量成比例，无失真和时间延迟。2 惯性环节： 式中 T时间常数 特点： 含一个储能元件，对突变的输入其输出不能立即复现，输出无振荡。 3积分环节： 特点： 输出量与输入量的积分成正比例，当输入消失，输出具有记忆功能。 4比例积分环节： 式中 K增益5比例微分环节：G（S）=K TS+ K；其中：K=（R2 +R3）/ R1 = 2； T=（R2*R3）/（R2 +R3）；6比例积分微分环节： G (S) = K p+1 / Ti *S +Td*S 其中：K p = R2 / R1； Ti = R1*C1； Td = R2*R3* C2 / R1四、 实验方法与步骤选用虚拟示波器，只要运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。具体用法参见用户手册中的示波器部分。1)观察比例环节的阶跃响应曲线典型比例环节模拟电路如图1-1所示。图1-1 典型比例环节模拟电路实验步骤： 注：S ST不能用“短路套”短接！（1）用信号发生器（B1）的阶跃信号输出 和幅度控制电位器构造输入信号（Ui）： B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。阶跃信号输出（B1的Y测孔）调整为1V（调节方法：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮，L9灯亮，调节电位器）。（2）构造模拟电路：按图1-1安置短路套及测孔联线， （3）运行、观察、记录： 打开虚拟示波器的界面，点击开始，按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮（0+1V阶跃），观测A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。 改变比例系数后重复步骤(3)。重新观测结果，填入实验报告。 2)观察惯性环节的阶跃响应曲线典型惯性环节模拟电路如图1-2所示。图1-2 典型惯性环节模拟电路实验步骤： 注：S ST不能用“短路套”短接！（1）用信号发生器（B1）的阶跃信号输出 和幅度控制电位器构造输入信号（Ui）： B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。阶跃信号输出（B1的Y测孔）调整为1V（调节方法：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮，L9灯亮，调节电位器）。（2）构造模拟电路：按图1-2安置短路套及测孔联线， （3）运行、观察、记录： 打开虚拟示波器的界面，点击开始，按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮时（0+4V阶跃），等待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到1V（输入）0.632处，得到与惯性的曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得惯性环节模拟电路时间常数T。A6输出端（Uo）响应曲线Uo(t）。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。 改变时间常数及比例系数，重新观测结果，填入实验报告。3)观察积分环节的阶跃响应曲线 典型积分环节模拟电路如图1-3所示。图1-3 典型积分环节模拟电路实验步骤：注：S ST用短路套短接！（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒左右（D1单元左显示）。 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 1V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图1-3安置短路套及测孔联线，（3）运行、观察、记录： 打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测A6输出端（Uo），调节调宽电位器使宽度从0.3秒开始调到积分输出在虚拟示波器顶端（即积分输出电压接近+5V）为止。等待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到0V处，再移动另一根横游标到V=1V（与输入相等）处，得到与积分的曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）。 改变时间常数，重新观测结果，填入实验报告。4)观察比例积分环节的阶跃响应曲线 典型比例积分环节模拟电路如图1-4所示.。图1-4 典型比例积分环节模拟电路实验步骤：注：S ST用短路套短接！（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒秒左右（D1单元左显示）。 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压 = 1V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图1-4安置短路套及测孔联线， （3）运行、观察、记录： 打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测A6输出端（Uo）。 待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到1V（与输入相等）处，再移动另一根横游标到V=Kp输入电压处，得到与积分曲线的两个交点。 再分别移动示波器两根纵游标到积分曲线的两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。 改变时间常数及比例系数，重新观测结果，填入实验报告。 5)观察比例微分环节的阶跃响应曲线典型比例微分环节模拟电路如图1-5所示。图1-5 典型比例微分环节模拟电路实验步骤：注：S ST用短路套短接!（1）将函数发生器（B5）单元的矩形波输出作为系统输入R。（连续的正输出宽度足够大的阶跃信号) 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒左右（D1单元左显示）。 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压 = 0.5V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图1-5安置短路套及测孔联线，（3）运行、观察、记录：虚拟示波器的时间量程选4档。 打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测系统的A6输出端（Uo），等待完整波形出来后，把输出最高端电压减去稳态输出电压，然后乘以0.632，得到V。 移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到V处为止，得到与微分的指数曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得t。 已知KD=10，则图1-5的比例微分环节模拟电路微分时间常数：6)观察PID（比例积分微分）环节的响应曲线PID（比例积分微分）环节模拟电路如图1-6所示。图1-6 PID（比例积分微分）环节模拟电路实验步骤：注：S ST用短路套短接！（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度0.4秒左右（D1单元左显示）。 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 0.3V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图1-6安置短路套及测孔联线，（3）运行、观察、记录：。 打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测A2B输出端（Uo）。 等待完整波形出来后，点击停止，移动虚拟示波器两根横游标使之V=Kp输入电压，得到与积分的曲线的两个交点。 再分别移动示波器两根纵游标到积分的曲线的两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。 将A2单元的S9短路套套上，点击开始，用示波器观测系统的A2B输出端（Uo），等待完整波形出来后，把最高端电压减去稳态输出电压，然后乘以0.632，得到V。 移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到V处为止，得到与微分的指数曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得。 已知KD，则图1-6的比例微分环节模拟电路微分时间常数：。 改变时间常数及比例系数（分别改变运算模拟单元A2的输入电阻Ro和反馈电阻R1），重新观测结果，填入实验报告。7）继电特性继电特性模拟电路如图1-7所示。实验步骤： CH1、CH2选X1档！（1）将信号发生器（B1）的幅度控制电位器中心Y测孔，作为系统的-5V+5V输入信号（Ui）：B1单元中的电位器左边K3开关拨上（-5V），右边K4开关也拨上（+5V）。 （2）模拟电路产生的继电特性：继电特性模拟电路见图1-7所示。图1-7 继电特性模拟电路 构造模拟电路：按图1-7安置短路套及测孔联线 观察模拟电路产生的继电特性：观察时要用虚拟示波器中的X-Y选项慢慢调节输入电压（即调节信号发生器B1单元的电位器，调节范围-5V+5V），观测并记录示波器上的U0Ui图形。8）饱和特性 实验步骤： CH1、CH2选X1档！（1）将信号发生器（B1）的幅度控制电位器中心Y测孔，作为系统的-5V+5V输入信号（Ui）： B1单元中的电位器左边K3开关拨上（-5V），右边K4开关也拨上（+5V）。（2）模拟电路产生的饱和特性：饱和特性模拟电路见图1-8。1-8 饱和特性模拟电路 构造模拟电路：按图1-8安置短路套及测孔联线， 观察模拟电路产生的饱和特性：观察时要用虚拟示波器中的X-Y选项慢慢调节输入电压（即调节信号发生器B1单元的电位器，调节范围-5V+5V），观测并记录示波器上的U0Ui图形。9）死区特性实验步骤： CH1、CH2选X1档！（1）将信号发生器（B1）的幅度控制电位器中心Y测孔，作为系统的-5V+5V输入信号（Ui）： B1单元中的电位器左边K3开关拨上（-5V），右边K4开关也拨上（+5V）。（2）模拟电路产生的死区特性死区特性模拟电路见图1-9。1-9 死区特性模拟电路 构造模拟电路：按图1-9安置短路套及测孔联线， 观察模拟电路产生的死区特性：观察时要用虚拟示波器中的X-Y选项慢慢调节输入电压（即调节信号发生器B1单元的电位器，调节范围-5V+5V），观测并记录示波器上的U0Ui图形10）间隙特性实验步骤： CH1、CH2选X1档！（1）用信号发生器（B1）的幅度控制电位器和非线性输出 构造输入信号（Ui）： B1单元中的电位器左边K3开关拨上（-5V），右边K4开关也拨上（+5V）。 （2）模拟电路产生的间隙特性间隙特性的模拟电路见图1-10。图1-10 间隙特性的模拟电路 构造模拟电路：按图1-10安置短路套及测孔联线， 观察模拟电路产生的间隙特性：观察时要用虚拟示波器中的X-Y选项慢慢调节输入电压（即调节信号发生器B1单元的电位器，调节范围-5V+5V），观测并记录示波器上的U0Ui图形。注意：在做间隙特性实验时应将Ci和Cf分别放电，即用按住锁零按钮3秒,否则将会导致波形的中心位置不在原点。实验2 二阶系统的性能研究一、 实验目的和要求：（一）、实验目的：1.掌握二阶系统的开环参数K、T，x，wn改变与系统性能之间的关系。2. 掌握系统频率特性测试方法。（二）、实验要求：1、预习要求：(1) 根据实验模拟电路所示相应参数，写出系统的开环，闭环传递函数。（2）学生自行设计实验参数，并求出x、wn、tr、ts、tp、MP、p、B、的理论值，并分别画出理论波形（过阻尼、临界阻尼、欠阻尼及幅频、相频特性波德图）.2实验要求：（1）根据实验原理图构造实验电路，按图2-1中安置短路套及测孔联线分别改变电阻R的值使之满足（1 、=1、01），用时域分析法测量输入与输出的关系和输出的各项暂态指标，并记录数据tr、tp、ts、MP、稳态值、最大值。所测数据填入实验报告。 （2）根据实验原理图构造实验电路，按图2-2中安置短路套及测孔联线 改变电阻R的值，用频率特性测试方法分别观测闭环对数幅频曲线、闭环对数相频曲线上点值(、L、Im、Re、谐振频率r ，谐振峰值Mp等相关数据.二实验内容及步骤1实验内容（1）：时域分析法开环传递函数： 闭环传递函数标准式： 自然频率（无阻尼振荡频率）： ； 阻尼比： 超调量 ： ； 峰值时间： 有二阶闭环系统模拟电路如图2-1所示。它由积分环节（A2）和惯性环节（A3）构成。图2-1 二阶闭环系统模拟电路图2-1的二阶系统模拟电路的各环节参数及系统的传递函数：积分环节（A2单元）的积分时间常数Ti=R1*C1=1S 惯性环节（A3单元）的惯性时间常数 T=R2*C2=0.1S二阶闭环系统模拟电路见图2-1。该环节在A3单元中改变输入电阻R来调整