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控制理论：实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真1. 比例（P）环节1.1 实验电路图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。1.2 实验设备阶跃信号发生器(单位阶跃输入)；电路单元U6，U12；直流数字电压表(测输入电压)；“THBDC-1”软件1.3实验数据及实验响应曲线R1=100K，R2=200K(K=2)，R0=200K时红色曲线为输入ui，蓝色曲线为输出uo。注：为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件上的分频系数(一般调至刻度2)和“” 按钮(时基自动)，以下实验同样。2. 积分（I）环节2.1 实验电路图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。2.2 实验设备阶跃信号发生器(单位阶跃输入)，电路单元U6，U12，直流数字电压表(测输入电压)， “THBDC-1”软件2.3实验数据及实验响应曲线R=100K，C=10 uF，R0=200K ，(T=RC=100K10uF=1)时, 红色曲线为输入ui，蓝色曲线为输出uo。注：当实验电路中有积分环节时，实验前一定要用锁零单元进行锁零。3. 比例积分(PI)环节3.1 实验电路图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。3.2实验设备阶跃信号发生器(单位阶跃输入)，电路单元U6，U12，直流数字电压表(测输入电压)， “THBDC-1”软件3.3实验数据及实验响应曲线R1=100K，R2=100K，C=10uF ，R0=200K ，(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K10uF=1)时红色曲线为输入ui，蓝色曲线为输出uo。4. 比例微分(PD)环节4.1 实验电路 图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。4.2实验设备阶跃信号发生器(单位阶跃输入)，电路单元U6，U12，U2直流数字电压表(测输入电压)， “THBDC-1”软件4.3实验数据及实验响应曲线R1=100K，R2=200K，C=1uF，R0=200K ，(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K10uF=1)采样频率为150k时红色曲线为输入ui，蓝色曲线为输出uo。注：观测曲线时可适当调节虚拟示波器的分频系数滑动块，并适时将工具栏上的“时基自动”按钮选择为时基固定。5. 比例积分微分(PID)环节5.1 实验电路 图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。5.2实验设备阶跃信号发生器(单位阶跃输入)，电路单元U6，U12直流数字电压表(测输入电压)， “THBDC-1”软件5.3实验数据及实验响应曲线R1=100K，R2=100K，C1=1uF、C2=1uF (K= (R1 C1+ R2 C2)/ R1 C2=2,TI=R1C2=100K1uF=0.1，TD=R2C1=100K1uF=0.1)时.红色曲线为输入ui，蓝色曲线为输出uo。注：观测曲线时可适当调节虚拟示波器的分频系数滑动块，并适时将工具栏上的“时基自动”按钮选择为时基固定。6. 惯性环节6.1 实验电路图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。6.2 实验设备阶跃信号发生器(单位阶跃输入)，电路单元U6，U12直流数字电压表(测输入电压)， “THBDC-1”软件6.3 实验数据及实验响应曲线 R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K1uF=0.1)时；红色曲线为输入ui，蓝色曲线为输出uo。实验二 二阶系统的瞬态响应1 、实验电路二阶系统的模拟电路图图中后一个单元为反相器，Rx阻值可调范围为0470K。2、 实验单元阶跃信号发生器(单位阶跃输入)，电路单元U7，U10，U13，U9直流数字电压表(测输入电压)， “THBDC-1”软件3、实验数据及实验响应曲线3.1 C=1uF，R=100K时1）当可调电位器RX=250K时红色曲线为输入ui，蓝色曲线为输出uo。实际超调量约为：50%左右 （理论值为：53%）2）当可调电位器RX=70.7K时红色曲线为输入ui，蓝色曲线为输出uo。实际超调量约为：3.9% (理论值为：4.3%)3）若可调电位器RX=50K时4）若可调电位器RX=25K时3.2 C=10uF，R =100K时1）若可调电位器RX=250K时3.3 C=0.1uF，R=100K时1）若可调电位器RX=250K时实验三 高阶系统的瞬态响应和稳定性分析1 实验电路1） 若K=5时系统稳定，电路中的参数取：RX=100K。.2） 若K=12时系统稳定，电路中的参数取：RX=42.5K。（RX=47K）3） 若K=20时系统稳定，电路中的参数取：RX=25K。实验四 线性定常系统的稳态误差1. 0型二阶系统1.1. 实验电路图中后一个单元为反相器。2、 实验单元阶跃信号发生器(单位阶跃输入)，电路单元U7，U9，U11，U6直流数字电压表(测输入电压)， “THBDC-1”软件1.3实验数据及实验曲线1） 单位阶跃信号时2） 单位斜坡信号时注：单位斜坡信号的产生可通过一个积分环节(时间常数为1S)和一个反相器完成，如下图所示。2. 型二阶系统2.1. 实验电路图中后一个单元为反相器。2.2 实验单元阶跃信号发生器(单位阶跃输入)，电路单元U7，U9，U11，U6直流数字电压表(测输入电压)， “THBDC-1”软件2.3实验数据及实验曲线1） 单位阶跃信号时2） 单位斜坡信号时3. II型二阶系统3.1. 实验电路3.2 实验单元输入信号单元：阶跃信号发生器(单位阶跃输出)电路单元：U7、U9、U10、U7直流数字电压表(测输入电压)上位机软件3.3实验数据及实验曲线1）单位斜坡信号时注：单位斜坡信号的产生可通过一个积分环节(时间常数为1S)和一个反相器完成。2） 单位抛物线信号时实验五 典型环节和系统频率特性的测量1、惯性环节2、二阶系统当RX=100K时当RX=10K时3、无源超前滞后环节实验六 线性定常系统的串联校正1、零极点对消法(时域法)1.1 实验电路校正前校正后1.2实验设备阶跃信号发生器(单位阶跃输入)，电路单元U7，U9，U11，U2，U6直流数字电压表(测输入电压)， “THBDC-1”软件1.3 实验数据及实验曲线校正前红色曲线为输入ui，蓝色曲线为输出uo，稳态时偏差为0。超调量：左右；校正后红色曲线为输入ui，蓝色曲线为输出uo，稳态时偏差为0。超调量：(理论值为左右，这是由于校正环节的各参数取近似值所致)另一种校正，更准（7，9，10，11，6）2、期望特性校正法(频域法)2.1 实验电路校正前校正后2.3实验数据及实验曲线校正前（7，9，11，6）红色曲线为输入ui，蓝色曲线为输出uo，稳态时偏差为0.34。校正后（7，9，11，12，6）实验七 典型非线性环节的静态特性1. 继电器型非线性环节1.1 实验电路1.2实验设电路单元U5， “THBDC-1”软件1.3实验数据及实验曲线(X轴为输入信号ui，Y轴为输出信号uo)1） 当47K可调电位器调节至约1.8K(M=1)时；实测值M=1.12） 当47K可调电位器调节至约3. 6K(M=2)时；实测值M=2.13） 当47K可调电位器调节至约5.4K(M=3)时；实测值M=3.24） 当47K可调电位器调节至约10K时；实测值M=6.162. 饱和型非线性环节2.1 实验电路2.2 实验单元输入信号单元：低频信号发生器(Vp-Vp:16V，频率:10Hz)- Vp-Vp用上位机软件测量；频率用低频频率计测量电路单元：非线性单元直流数字电压表(测电压)上位机软件(X-Y显示方式)2.3实验数据及实验曲线(X轴为输入信号ui，Y轴为输出信号uo) 以下均为前一级运放中的电位器值调至10K1）当后一级运放中的电位器值调至约1.8K(M=1.06; k约为0.18)时；2）当后一级运放中的电位器值调至约3.6K(M=2.17;k约为0.36)时；3）当后一级运放中的电位器值调至约5.4K(M=3.16;k约为0.54)时；4） 当后一级运放中的电位器值调至约10K(M=5.96;k约为1)时；3. 死区特性非线性环节3.1 实验电路3.2 实验单元输入信号单元：低频信号发生器(Vp-Vp:16V，频率:10Hz)- Vp-Vp用上位机软件测量；频率用低频频率计测量电路单元：非线性单元直流数字电压表(测电压)上位机软件(X-Y显示方式)3.3实验数据及实验曲线(X轴为输入信号ui，Y轴为输出信号uo)1）E值采用15V。调节两个可变电位器，当两个R1=2.0K，R2=8.0K(理论值：;)时；实测值;2） 调节两个可变电位器，当两个R1=2.5K，R2=7.5K(理论值：;)时； 实测值;；E值采用15V。注: 实际测量时的死区电压应是和二极管的导通电压(约0.3V)之和。3） 调节两个可变电位器，当两个R1=3.3K，R2=6.6K(;)时；E值采用15V。实测值：4. 具有间隙特性非线性环节4.1 实验电路4.2 实验单元输入信号单元：低频信号发生器(Vp-Vp:16V，频率:10Hz)- Vp-Vp用上位机软件测量；频率用低频频率计测量电路单元：U4 、U13直流数字电压表(测电压)上位机软件(X-Y显示方式)4.3实验数据及实验曲线(X轴为输入信号ui，Y轴为输出信号uo)1） 调节两个可变电位器，当两个R1=2.0K，R2=8.0K时；2） 调节两个可变电位器，当两个R1=2.5K，R2=7.5K时；4） 调节两个可变电位器，当两个R1=3.3K，R2=6.6K时；注意：1）由于元件（二极管、电阻等）参数数值的分散性，造成电路不对称，因而引起电容上电荷累积，影响实验结果，故每次实验启动前，需对电容进行短接放电。2）本实验的E值也可采用5V。 实验八 非线性系统的描述函数法1. 继电器型非线性三阶系统1.1 实验电路 没有加入继电器型非线性环节时 加入继电器型非线性环节后1.2 实验单元输入信号单元：阶跃信号发生器(单位阶跃输出)电路单元： 加入继电器型非线性环节前 U3、U5、U9、U11 加入继电器型非线性环节后 U3、U5、U9、U11、非线性单元直流数字电压表(测输入电压)上位机软件1.3实验数据及实验曲线（7，9，13，15，5，6）1） 加入继电器型非线性环节前红色曲线为输入ui，绿色曲线为输出uo，稳态时偏差为0。超调量：2） 加入继电器型非线性环节后(自振荡频率：0.5Hz)1)当47K可调电位器调节到1.8K左右(继电型非线性的特性参数M=1)时；红色曲线为输入r=1V(单位阶跃信号)ui，绿色曲线为输出uo，自振荡频率：0.49(理论值0.5)Hz；振荡幅值：0.168V(理论值0.18)2)当47K可调电位器调节到3.6K左右 (继电型非线性的特性参数M=2)时；红色曲线为输入r=1V(单位阶跃信号)ui，绿色曲线为输出uo，自振荡频率：0.49(理论值0.5)Hz；振荡幅值：0.354V(理论值0.36)2. 饱和型非线性三阶系统 2.1 实验电路 没有加入饱和型非线性环节时加入饱和型非线性环节后2.2 实验单元输入信号单元：阶跃信号发生器(单位阶跃输出)电路单元： 加入饱和型型非线性环节前 U3、U5、U9、U11 加入饱和型型非线性环节后 U3、U5、U9、U11、非线性单元直流数字电压表(测输入电压)上位机软件2.3实验数据及实验曲线2.3.1 没有加入饱和型非线性环节1）按照实验指导书上的原图得到如下波形红色曲线为输入r=1V(单位阶跃信号)ui，绿色曲线为输出uo 2.3.2 加入饱和型非线性环节后1） 当非线性环节的第一级470K调至55.6K时(k=1，S=1；M= kS)红色曲线为输入r=1V(单位阶跃信号)ui，绿色曲线为输出uo自振荡频率：0.49(理论值0.5)Hz2）将加入饱和型非线性环节后的电路中第五个运放单元的100K电阻更换为510K电阻后系统自振荡消失，超调量 系统呈稳定运行，稳态偏差为0。2.3.2.2 1）在步骤2.3.2.1的基础上将非线性环节的第一级470K调至20K时，系统自振荡消失，系统呈稳定运行，稳态偏差为0。实验九 非线性系统的相平面分析法1. 未加速度反馈的继电器型非线性闭环系统1.1 实验电路2.2 实验单元（U7、U5、U13、U15、U6）输入信号单元：阶跃信号发生器(单位阶跃输出)电路单元： U3、U9、U13、非线性单元直流数字电压表(测输入电压)上位机软件2.3实验数据及实验曲线1.1 当47K可调电位器调节至约1.8K(M=1)时；注：显示时，X轴()与Y()轴均放大3倍；系统的超调量为35%左右；稳态偏差为0。1.2 当47K可调电位器调节至约3. 6K(M=2)时；注：显示时，X轴()与Y()轴均放大3倍；系统的超调量为48.6%左右；稳态偏差为0。1.3 当47K可调电位器调节至约5.4K(M=3)时；注：显示时，X轴()与Y()轴均放大3倍；系统的超调量为51.7%左右；稳态偏差为0。2. 带有速度负反馈的继电器型非线性闭环控制系统2.1 实验电路2.2 实验单元（ U7、U9、U5、U13、U15、U16、U6）输入信号单元：阶跃信号发生器(单位阶跃输出)电路单元： U7、U、U9、U12、U13、非线性单元直流数字电压表(测输入电压)上位机软件2.3实验数据及实验曲线(M=1时)1） R1=500K，R2=100K()时；注：系统的超调量为24.3%左右；稳态偏差为0。2）R1=200K，R2=100K()时；2.4实验数据及实验曲线(M=2时)1） R1=500K，R2=100K()时；2） R1=200K，R2=100K()时；3. 饱和型非线性控制系统3.1 实验电路3.2 实验单元(U7、U5、U13、U15、U6)输入信号单元：阶跃信号发生器(单位阶跃输出)电路单元： U3、U9、U13、非线性单元直流数字电压表(测输入电压)上位机软件3.3实验数据及实验曲线(K=1时)1） 当后一技运放中的电位器值调至约1.8K(M=1)时；注：显示时，X轴()与Y()轴均放大3倍；无超调量；稳态偏差为0。2）当后一级运放中的电位器值调至约3.6K(M=2)时；注：显示时，X轴()与Y()轴均放大3倍；超调量约为18.8%；稳态偏差为0。3.3.3 当后一级运放中的电位器值调至约5.4K(M=3)时；实验十 系统能控性和能观性分析1. 实验电路2. 实验单元输入信号单元：阶跃信号发生器电路单元：系统的能控性和能观性单元直流数字电压表(测输入电压)上位机软件3. 实验数据及实验曲线1) 当R1/R2R3/R4时，通过测量a、b、c、d四点电压可知，系统既不能控又不能观；2) 当R1/R2=R3/R4时，通过测量a、b、c、d四点电压可知，系统既能控又能观；实验十一 控制系统极点的任意配置1. 典型二阶系统1.1 实验电路引入状态反馈前引入状态反馈后1.2 实验单元(U7、U13、U15、U6)输入信号单元：阶跃信号发生器(单位阶跃输出)电路单元： U3、U9、U11直流数字电压表(测输入电压)上位机软件1.3 实验数据及实验曲线引入状态反馈前白色曲线为输入ui，黄色曲线为输出uo，系统处于欠阻尼状态，稳态时偏差为0。实际超调量为46%(理论值48)引入状态反馈后白色曲线为输入ui，黄色曲线为输出uo。稳态偏差为0.772(理论计算值为0.75), 系统动态特性明显改善2. 典型三阶系统2.1 实验电路引入状态反馈前引入状态反馈后2.2 实验单元(U7、U9、U13、U15、U6)输入信号单元：阶跃信号发生器(单位阶跃输出)电路单元：U3、U5、U9、U11直流数字电压表(测输入电压)上位机软件2.3实验数据及实验曲线引入状态反馈前白色曲线为输入ui，黄色曲线为输出uo。超调量约为13%，稳态偏差为0。引入状态反馈后白色曲线为输入ui，黄色曲线为输出uo。系统动态特性明显改善，稳态偏差为0.86V(理论计算值为0.85)。实验十二 具有内部模型的状态反馈控制系统1 实验电路 极点配置前系统引入极点配置 加内模控制后2 实验单元(U7、U8、U9、U11、U13 、U14、 U6)输入信号单元：阶跃信号发生器(单位阶跃输出)电路单元极点配置前：U3、U5、U7、U9 系统引入极点配置：U3、U4、U5、U7、U9 、U9 加内模控制后：U10、U11、U12、U13、U14 直流数字电压表(测输入电压)上位机软件 3实验数据及实验曲线极点配置前白色曲线为输入ui，黄色曲线为输出uo，稳态偏差为0.75V(理论计算值为0.75)。超调量为50%左右(理论值约为50%)。引入极点配置后引入内部模型后 U7、U9，U13、U15、U16 、U6实验十三 状态观测器及其应用1 实验电路 2 实验单元输入信号单元：阶跃信号发生器(单位阶跃输出)电路单元： U7、U9、U11、U13 、U15、U16、U14、U12、U10、U8、U6直流数字电压表(测输入电压)、上位机软件3