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自动控制原理实验指导书吴鹏松 编班级 学号 姓名 2012 年 3 月前 言前 言自动控制原理实验是自动化类学科的重要理论课程实验。本科自动控制原理分为经典控制理论和现代控制理论基础两部分，自动控制原理实验主要是针对经典控制理论的实验，采用的运算电路来进行的。现代控制理论实验由于模型比较复杂，采用MATLAB软件进行数字仿真实验。离散控制系统实验与计算机控制系统实验是有很大区别的，不能简单的认为在自动控制原理实验箱上就能进行计算机控制系统实验。自动控制原理实验预习时需要对电路图进行理论分析和综合，可以借助MATLAB软件进行辅助分析和综合。自动控制原理实验指导书不包括实验箱和实验软件的使用说明，相关的内容参考实验软件LABACT软件中的帮助文件。由于作者水平有限，书中错误之处在所难免，恳请广大师生及读者提出宝贵意见及建议。 编 者目 录 目 录 实验一 典型环节的模拟研究 实验二 二阶系统特征参数对系统性能的影响 实验三 典型系统的动态特性与稳定性测试 实验四 开环增益与零极点对系统性能的影响 实验五 典型系统的频率特性测试 实验六 线性系统的串联校正 实验七 A/D与D/A 转换及零界阶保持器 实验八 离散控制系统动态性能和稳定性的混合仿真研究 实验九 非线性系统的相平面法分析 实验十 非线性系统的描述函数法分析 附录1 教学考核方法 附录2 实验课安排时间要求实验一 典型环节的模拟研究 实验一 典型环节的模拟研究 一实验目的 1通过搭建典型环节模拟电路，熟悉并掌握自动控制综合实验台的使用方法。 2熟悉各种典型环节的的阶跃响应。 3研究参数变化对典型环节阶跃响应的影响。 4掌握ACES软件的使用方法。 二实验仪器 1自动控制综合实验箱 2计算机 3LABACT软件三实验内容 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，比例环节的传递函数为： 图1-1 典型比例环节模拟电路(1) 比例系数（放大倍数）选取： A当K=1、K=2、K=5时，分别观测阶跃响应曲线，并记录输入信号输出信号波形； B比例放大倍数 K=R2/R1； (2) 阶跃信号设置：阶跃信号的幅值选择1伏（或5伏） (3) 连接虚拟示波器： A将输入阶跃信号用排题线与示波器通道CH1相连接； B将比例环节输出信号（实验电路A2的“OUT2”）与示波器通道CH2相连接。(4)输入阶跃信号（手动），通过虚拟示波器观测输出阶跃响应曲线并进行记录。2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1-2所示，积分环节的传递函数为： 图1-2 典型积分环节模拟电路(1) 积分时间常数T选取： AT=1秒，T=0.2秒，T=0.1秒； BT=1秒=R1*C1=100K*10F， T=0.2秒= R1*C1=100K*2F，T=0.1秒= R1*C1=100K*1F。(2)输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测输出阶跃响应曲线并进行记录。（注：在每次触发阶跃开关后，须要上下拨动函数发生器区的函数启动停止开关一次，以释放电容C1中的电量，保证积分环节模拟电路对下一次的阶跃信号产生正确响应。） （3） “重复运算”：第一步：输入信号0伏，观察示波器输入信号在0伏准备位置；第二步：将函数启动停止开关由“函数停止”位置拨到“函数启动”位置，电容开始放电（须等510秒），然后再把开关拨到“函数停止”位置；第三步：输入1伏阶跃信号（按黄按钮一次），示波器上即可看到输入波形变化； 3观察比例积分环节的阶跃响应曲线比例积分环节的传递函数为：当K=1时，分别观察T=1，T=0.2, T=0.1的阶跃响应曲线。注意： 在开环状态下，如果典型环节中有积分环节，就要放电。可参考积分环节（3）（4）的具体方法，进行重复观察！ 4观察微分环节的阶跃响应曲线典型微分环节模拟电路如图1-3所示，微分环节的传递函数为： 图1-3 典型微分环节模拟电路(1) 微分时间常数 T=1秒，T=0.2秒，T=0.1秒； (2) R1=0, C1 和 R2 根据 T 确定5观察比例微分环节的阶跃响应曲线比例微分环节的传递函数为： 参数：K=1，T=1；K=1，T=0.2; K=2，T=1 。6观察比例微分积分环节的阶跃响应曲线比例微分积分环节的传递函数为：参数：(1) Kp =1，Ti = 1, Td =1；(2) Kp =1，Ti =0.2, Td =1；(3) Kp =1，Ti =0.1, Td=1。7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1-4示，惯性环节的传递函数为：图1-4型惯性环节模拟电路惯性环节时间常数 T=1秒，T=0.2秒，T=0.1秒四实验结果 1. 将实验记录数据记在表1-1中2. 绘出各种典型环节理想的和实测的阶跃响应曲线 表1-1典型环节理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线比例环节K=1K=2 K=5 积分环节T=1T=0.2T=0.1比例积分环节K=1 T=1K=1 T=0.2K=1 T=0.1表1-1 （续1）典型环节理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线微分环节T=1T=0.2 T=0.1比例微分环节K=1T=1K=1 T=0.2K=2 T=0.1比例微分积分环节Kp=1 Ti=1Td=1Kp=1 Ti=0.2Td=1Kp=1 Ti=0.1Td=1表1-1 （续2）典型环节理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线惯性环节T=1T=0.2 T=0.1五、思考题 1. 在图1 中比例放大器A1输入端加入阶跃信号，观测A1输出信号和输入信号相反，若想同方向观测比较输出信号和输入信号应采取什么措施？ 2. 惯性环节什么情况下近似为积分环节？什么情况下近似为比例环节？能否通过实验来验证。3. 用示波器观察时：（1）如何调整所观察波形在显示屏上的位置？根据什么原理？ （2）如何改变信号在Y轴的大小？根据什么原理？ （3）如何在X轴方向展开或压缩所观察的信号？根据什么原理？ 4. 如何通过实验测定惯性环节的时间常数？将测定结果与理论结果比较。 5. 什么情况下函数启动停止开关由“函数停止”位置拨到“函数启动”位置？ 6. 使用自动控制综合实验箱时特别要注意那几个问题？为什么？ 第10 页，共55页实验二 二阶系统特征参数对系统性能的影响实验二 二阶系统特征参数对系统性能的影响 一实验目的1研究二阶系统特征参量（n, ）对系统性能的影响； 2研究斜坡输入作用下二阶系统的静态误差。3. 掌握测试过渡过程的一种测试方法。二实验内容 1观测特征参量 对二阶系统性能的影响2观测特征参量 n对二阶系统性能的影响3观测斜坡输入作用下二阶系统的静态误差三实验步骤1观测特征参量对二阶系统性能的影响 图2-1 二阶系统模拟电路 (n 12.5) 典型二阶系统模拟电路如图2-1所示，二阶振荡环节的传递函数为： 其固有频率n 12.5二阶系统阻尼系数 0.2，选取 R6200K。二阶系统阻尼系数 0.4，选取 R6100K。二阶系统阻尼系数 0.8，选取 R650K。(1) 连接虚拟示波器： 将实验电路A2的“OUT2”（系统输出）与示波器通道CH2相连接。输入信号与示波器通道CH1相连接(2) 输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测不同特征参量 下输出阶跃响应曲线,并记录曲线的超调量% 、峰值时间 tp 以及调节时间 ts。2观测特征参量n对二阶系统性能的影响二阶系统模拟电路如图2-2所示，其阻尼系数 0.4： 图2-2 二阶系统模拟电路( 0.4 )A当R5256K、R6=200K时，则该二阶系统固有频率 n6.25 B当R564K、 R6=100K时，二阶系统固有频率 n12.5C当R516K、 R6=50K 时，二阶系统固有频率 n25 输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测不同特征参量n下输出阶跃响应曲线,并记录曲线的超调量% 、峰值时间 tp以及调节时间 ts。3观测斜坡输入作用下二阶系统的静态误差给定的二阶系统模拟电路如图2-3所示： 图2-3 二阶系统模拟电路(1) 设置函数发生器： A将函数发生器区的选择开关拨至“斜波”； B将函数发生器区的“函数输出”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接； C将函数发生器区的“函数启动停止”开关拨至启动，则“函数输出”端子将周期性的产生斜波信号，调节“调幅”旋钮可改变斜波信号的斜率。(2) 搭建二阶系统模拟电路： A将实验电路A3的“OUT3”端子与实验电路A1的“IN12”端子相连接，将A1的“OUT1”与A2的“IN21”相连接，将A2的“OUT2”与A3的“IN33”相连接； B按照图1-3-3选择拨动开关：图中：R1=200K、R2=200K、R3=200K、R4=500K、R564K、R6=500K、R7=10K、R8=10K、C1=2.0F、C2=1.0F 将A3的S5、S6、S10，A1的S4、S10，A2的S3、S14拨至开的位置；(3) 连接虚拟示波器：方法同前。(4) 输入斜坡信号，通过虚拟示波器观测响应曲线A调节函数发生器的“调幅”旋钮，使斜坡斜率恒定，分别改变R4、R5、R6的阻值，并根据改变后的电路参数计算出相应的开环增益K值，绘制输出波形，观测并记录稳态误差结果。B保持R4=500K、R564K、R6=500K阻值不变即保持开环增益K不变，调节“调幅”旋钮，使斜波斜率由小增大，绘制不同斜率下输出的波形，观测并记录稳态误差结果。四实验结果1讨论系统特征参量（n，）变化时对系统性能的影响。2根据电路图中的参数计算下表中的理论值，并和实测值一起填入表2-1表2-1二阶系统特征参量值实测阶跃响应曲线超调量%峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值n12.50.20.40.80.4n6.25n12.5n253根据斜坡输入作用下二阶系统的静态误差实验结果填写下表中。开环增益K实测响应曲线稳态误差斜坡斜率 R(t)不变 结论：斜率一定时，若K增大，则稳态误差 斜坡斜率实测响应曲线稳态误差开环增益K不变结论：开环增益一定时，若斜率减小，则稳态误差 五、思考题 1. 输入阶跃信号的幅值应如何考虑为最佳？ 2. 为什么要同时观察输入阶跃信号和系统输出响应信号？ 3. 实验线路中如何确保系统是负反馈？ 4. 图2-1中A1的输出“OUT1”和 “OUT2”有哪些不同？5. 二阶系统改变增益会发生不稳定现象吗？ 6. 如何测量二阶系统的稳态误差？ 7. 放大器A1的输入电阻R1设置为100K时有几种方法？ 第53 页，共55页实验三 典型系统的动态特性与稳定性测试实验三 典型系统的动态特性与稳定性测试 一实验目的1了解掌握典型二阶系统的过阻尼、临界阻尼、欠阻尼状态； 2了解掌握典型三阶系统的稳定状态、临界稳定、不稳定状态； 3研究系统参数变化对系统动态性能和稳定性的影响； 4学习和掌握动态性能的测试方法。二实验内容 1观测典型二阶系统的阶跃响应曲线，并记录阶跃响应曲线的超调量% 、峰值时间tp以及调节时间ts，研究其参数变化对典型二阶系统动态性能和稳定性的影响； 2观测典型三阶系统的阶跃响应曲线，并记录阶跃响应曲线的超调量% 、峰值时间tp以及调节时间ts，研究其参数变化对典型三阶系统动态性能和稳定性的影响。 三实验步骤 1典型二阶系统的响应曲线典型二阶系统模拟电路如图3-1所示，二阶振荡环节的传递函数为： 图3-1 典型二阶系统模拟电路(1) 当R516K时，二阶系统为欠阻尼状态； (2) 当R5160K时，二阶系统为临界状态； (3) 当R5200K时，二阶系统为过阻尼状态。（除上述外，R5也可选用可调电阻，则应将A1的“OUT1”与A2的“IN24” 相连，通过自己调节RW12的阻值大小，就可得到二阶系统的不同状态。） 输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测不同参数下输出阶跃响应曲线,并记录曲线的超调量% 、峰值时间 tp 以及调节时间 ts。2典型三阶系统的响应曲线典型三阶系统模拟电路如图3-2所示 图3-2 典型三阶系统模拟电路输入阶跃信号，仔细调节电位器RW12，可以得到三阶系统处于不稳定、临界稳定和稳定的三种状态时的波形，通过虚拟示波器观测不同参数下阶跃响应曲线,并记录曲线的超调量 % 、峰值时间 tp 以及调节时间 ts。四实验结果 绘出二阶系统和三阶系统不同参数下的阶跃响应曲线，并填写相应的超调量 % 、峰值时间 tp 以及调节时间 ts，见表3-1和表3-2.。五思考题 1. 开环控制和闭环控制的区别及优缺点？ 2. 如何理解系统的稳定性定义？实际系统稳定性又是如何考虑的？ 3. 放大倍数K和与系统稳定性有何关系？ 4. 改变阻尼系数是怎样在实验线路中实现的？ 5. 本实验示波器的参考零位移到哪里观察信号最好？ 表3-1二阶系统状态参数值实测阶跃响应曲线 超调量%峰值时间tp调节时间ts欠阻尼临界阻尼过阻尼表3-2三阶系统状态参数值实测阶跃响应曲线超调量%峰值时间tp调节时间ts不稳定状态临界稳定状态稳定状态实验四 开环增益与零极点对系统性能的影响 实验四 开环增益与零极点对系统性能的影响 一实验目的1研究闭环、开环零极点对系统性能的影响； 2研究开环增益对系统性能的影响。 二实验内容1、观测原始系统响应波形，记录超调量%、峰值时间 tp和调节时间 ts； 2、分别给原始系统在闭环和开环两种情况下加入不同零极点，观测加入后的系统响应波形，记录超调量%和调节时间 ts； 3、改变开环增益K，取值1，2，4，5，10，20等，观测系统在不同开环增益下的响应波形，记录超调量%和调节时间 ts。三实验步骤 1原始二阶系统 原始二阶系统模拟电路如图4-1所示，系统开环传递函数为：， 图4-1 原始二阶系统模拟电路(1) 连接虚拟示波器： 将实验电路A2的“OUT2”与示波器通道CH2相连接。(2) 输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测原始二阶系统输出响应曲线，记录超调量%、峰值时间 tp和调节时间 ts。2闭环极点对原始二阶系统的影响给原始二阶系统加入闭环极点后的模拟电路如图4-2所示图4-2 加入闭环极点的二阶系统模拟电路请分别将下表中的极点环节加入到原始二阶系统中，记录阶跃响应曲线。 极点环节极点传递函数参数值选择拨动开关R9=200K R10=200K C3=5.0F 将A4的S5、S14拨至开的位置R9=500K R10=500K C3=1.0F 将A5的S4、S11拨至开的位置R9=200K R10=200K C3=1.0F 将A4的S5、S13拨至开的位置R9=100K R10=100K C3=1.0F 将A5的S5、S13拨至开的位置R9=50K R10=50K C3=1.0F 将A6的S4、S15拨至开的位置R9=200K R10=200K C3=0.1F 将A4的S5、S15拨至开的位置 3闭环零点对原始二阶系统的影响原始二阶系统加入闭环零点后的模拟电路如图4-3所示图4-3 加入闭环零点的二阶系统模拟电路请分别将下表中的零点环节加入到原始二阶系统中，记录阶跃响应曲线。零点环节零点传递函数参数值选择拨动开关R9=30K R10=470K R11=470K C3=1.0F 将A4的S3、S10拨至开的位置R9=1.0K R10=200K R11=200K C3=1.0F 将A4的S4、S11拨至开的位置R9=1.0K R10=100K R11=100K C3=1.0F 将A5的S2、S9拨至开的位置R9=8.0K R10=41K R11=41K C3=1.0F 将A6的S1、S8拨至开的位置R9=1.0K R10=100K R11=100K C3=0.2F 将A5的S3、S9拨至开的位置 4开环极点对原始二阶系统的影响给原始二阶系统加入开环极点后的模拟电路如图4-4所示。 图4-4 加入开环极点的二阶系统模拟电路请分别将下表中的极点环节加入到原始二阶系统中极点环节极点传递函数参数值选择拨动开关R9=200K R10=200K C3=0.1F 将A4的S5、S15拨至开的位置5开环零点对原始二阶系统的影响原始二阶系统加入开环零点后的模拟电路如图4-5所示。 (1) 设置阶跃信号源： A将阶跃信号区的选择开关拨至“05V”； B将阶跃信号区的“05V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接； C按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“05V”端子产生阶跃信号。(2) 搭建加入开环零点的二阶系统模拟电路： A按照步骤1中的（1）、（2）搭建原始二阶系统； 图4-5 加入开环零点的二阶系统模拟电路请分别将下表中的零点环节加入到原始二阶系统中，记录阶跃响应曲线。零点环节零点传递函数参数值选择拨动开关R9=30K R10=470K R11=470K C3=1.0F 将A4的S3、S10拨至开的位置R9=1.0K R10=200K R11=200K C3=1.0F 将A4的S4、S11拨至开的位置R9=1.0K R10=100K R11=100K C3=1.0F 将A5的S2、S9拨至开的位置R9=8.0K R10=41K R11=41K C3=1.0F 将A6的S1、S8拨至开的位置R9=1.0K R10=100K R11=100K C3=0.2F 将A5的S3、S9拨至开的位置6开环增益K对二阶系统的影响 二阶系统模拟电路如图4-6所示，系统开环传递函数为：，KR6/R5 ，当R5=100K时闭环传递函数为：，K1，=0.5，n=10。在开环零点、极点保持不变的情况下，改变开环增益K，系统的阻尼系数和固有频率n也将发生变化，系统的特性从而改变。 图4-6 二阶系统模拟电路KR6/R5，调节R5的阻值，使K分别取值：1，2，4，5，10，20 四实验结果 根据实验结果填写下表表4.1 闭环极点对原始二阶系统的影响极点传递函数实测响应曲线 超调量%峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值表4.2 闭环零点对原始二阶系统的影响零点传递函数实测响应曲线 超调量%峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值表4.3 开环极点对原始二阶系统的影响极点传递函数实测响应曲线 超调量%峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值表4.4 开环零点对原始二阶系统的影响零点传递函数实测响应曲线 超调量%峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值表4.5 开环增益K对二阶系统的影响开环增益K 实测响应曲线 超调量%峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值K=1K=2 K=4 K=5 K=10 K=20 五思考题 1. 开环放大倍数K对系统性能有无影响？ 2. 若系统超调量很大，可采取什么方法改善它？对其它指标有何影响？ 3. 同时减小%、tp、ts应采取什么措施？ 4. 闭环极点对闭环系统性能有何影响？ 5. 闭环零点对闭环系统性能有何影响？ 6. 开环极点对闭环系统性能有何影响？ 实验五 典型系统的频率特性测试 实验五 典型系统的频率特性测试 一实验目的 1掌握测量典型一阶系统和二阶系统频率特性曲线的方法； 2通过本实验进一步理解频率特性的物理意义。 二实验内容 1一阶惯性环节的频率特性2二阶环节的频率特性曲线3测试二阶系统n=12.5，=0.4频率特性的特征点 4观测输入正弦信号大小变化对二阶系统n=12.5，=0.4频率特性曲线的影响三实验步骤1一阶惯性环节的频率特性 一阶惯性环节模拟电路如图5-1所示，惯性环节的传递函数为：图5-1一阶惯性环节模拟电路(1) 连接虚拟示波器：将正弦波端子与示波器通道CH1相连接，实验电路A2的“OUT2”与示波器通道CH2相连接。 (2) 输入正弦波信号，通过虚拟示波器观测输入输出正弦波曲线并调节正弦波频率和幅值，绘制该一阶惯性环节的幅频曲线和相频曲线。 2二阶环节的频率特性曲线 二阶振荡环节模拟电路如图5-2所示，二阶环节的传递函数为： 其中 n=12.5， =0.4图5-2 二阶环节模拟电路输入正弦波信号，通过虚拟示波器观测输入输出正弦波曲线并调节正弦波频率和幅值，绘制该二阶环节的幅频曲线和相频曲线。 运行软件仿真二阶环节频率特性曲线，记录理想幅频曲线和相频曲线，并与实验结果相比较。 3测试二阶系统n=12.5， =0.4频率特性的特征点 实验数据记录表5.3中。 4观测输入正弦信号大小变化对二阶系统n=12.5， =0.4频率特性曲线的影响 实验数据记录表5.4中。 四实验结果 1根据一阶环节的理论计算，选择频率测试点，填写下表5.1中。 表5.1f（Hz）20logUi(db)20logUo(db)20log Uo / Ui2根据实验结果绘制一阶环节的频率特性曲线 3根据二阶环节的理论计算，选择频率测试点，填写下表5.2中。 表5.2f（Hz）20logUi(db)20logUo(db)20log Uo / Ui4根据实验结果绘制二阶环节的频率特性曲线 5二阶系统n=12.5， =0.4频率特性的特征点 表5.3f(Hz)20log Uo / Ui峰值点-3db-905观测输入信号大小变化对二阶系统n=12.5， =0.4频率特性曲线的影响 表5.4f(Hz)f（Hz）= （固定值）Ui20logUi(db)20log Uo / Ui五思考题 1. 系统频率特性的含义是什么？ 2. 测系统频率特性时，输入正弦波信号幅值范围如何选择？ 3. 测系统频率特性时，输入正弦波信号频率范围和频率间隔应如何选取？ 4. 如何测量系统内非周期环节的频率特性？ 5. 二阶系统对数频率特性在交接频率处，其幅值与有什么关系？ 6. 传递函数的概念适合于什么样系统？ 实验六 线性系统的校正 实验六 线性系统的校正 一实验目的 1掌握线性系统的串联校正方法； 2研究串联校正装置对系统性能的影响； 3. 掌握二阶线性系统的反馈校正和三阶线性系统的滞后超前校正； 4. 研究反馈校正装置对系统性能的影响 二实验内容 1待校正线性系统 待校正线性系统模拟电路如图6-1所示，系统开环传递函数为：，增益K100，相角裕度0=280。 图6-1 待校正线性系统模拟电路(0=280)(1) 连接虚拟示波器： 将实验电路A4的“OUT4”与示波器通道CH1相连接。(2) 输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测待校正线性系统的输出响应曲线,并记录曲线的超调量% 和调节时间ts。2串联滞后校正 实验中所用到的功能区域： 阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A3、实验电路A4、实验电路A5。加入串联滞后校正的线性系统模拟电路如图6-2所示，校正后系统的相角裕度0=50.50，滞后校正函数为：。图6-2 串联滞后校正线性系统模拟电路(0=50.50)3串联超前校正 加入串联超前校正的线性系统模拟电路如图6-3所示，校正后系统的相角裕度，0=50.50，超前校正函数为：。图6-3 串联超前校正线性系统模拟电路(0=50.50)4串联PD校正 加入串联PD校正的线性系统模拟电路如图6-4所示 图6-4 串联PD校正线性系统模拟电路5.待校正二阶线性系统 待校正二阶线性系统模拟电路如图6-5所示，系统开环传递函数为：，K = 3.125，闭环传递函数：，。图6-5 待校正二阶线性系统模拟电路6反馈校正二阶线性系统 反馈校正二阶线性系统模拟电路如图6-6所示，反馈校正网络：图6-6 反馈校正二阶线性系统模拟电路7待校正三阶线性系统 待校正三阶线性系统模拟电路如图6-7所示，系统开环传递函数为： ，K=50图6-7 待校正三阶线性系统模拟电路8超前滞后校正三阶线性系统 超前滞后校正三阶线性系统模拟电路如图6-8所示，超前滞后校正函数：，其中实验电路A6搭建超前环节，A3搭建滞后环节图6-8 超前滞后校正三阶线性系统模拟电路三实验结果 1.根据实验结果填写下表，表6.1 理想响应曲线实测响应曲线超调量%调节时间ts 理想值实测值理想值 实测值待校正滞后校正 超前校正 PD校正 2.根据实验结果计算实测值与绘制曲线，见下表6.2 理想响应曲线实测响应曲线超调量%调节时间ts 理想值实测值理想值 实测值待校正二阶系统反馈校正二阶系统待校正三阶系统超前反馈校正三阶系统四思考题 1. 串联校正和并联校正有什么本质的区别？ 2. PD校正的实质是什么？ 3. 超前校正对待校正二阶系统有哪些影响？ 4. 什么情况下加入滞后校正效果较好？ 5. 在图6-4中、/A4是什么意思？ 6. 反馈校正的优缺点？ 实验七 A/D与D/A 转换及零阶保持器 实验七 A/D与D/A 转换及零阶保持器 一实验目的 1掌握A/D与D/A 转换，运用软件控制A/D采集，控制D/A输出波形； 2掌握零阶采样保持器，观测输入输出波形。 二实验内容 1运行仿真软件，根据软件中A/D与D/A模块要求搭建电路，并完成实验记录； 2搭建零阶采样保持电路，观测输入输出波形，并记录加以比较。三实验步骤 1 A/D与D/A转换根据软件中A/D与D/A模块要求搭建电路，观测输入输出波形并对比记录。 2 零阶采样保持 零阶采样保持电路示意图如图7-1所示【注】：LM555为振荡器，用以产生方波触发信号；CD4538为单稳态延迟电路，用以产生采样控制信号；LF398为采样保持芯片图7-1 零阶采样保持模拟电路(1) 搭建零阶采样保持模拟电路： 将函数发生器的“初始信号”端子与采样保持器的“触发信号1”相连接，采样保持器的“控制信号1”与“采样控制”端子相连接，信号源的“正弦波”端子与采样保持器的“输入信号”相连接； (2) 连接虚拟示波器： 将信号源的“正弦波”端子与示波器的通道“CH1” 相连接，采样保持器的“输出信号”与示波器的通道“CH2” 相连 (3) 通过虚拟示波器观测采样保持后的正弦波形，并与原始波形进行比较（可调节函数发生器区的调频旋钮改变采样频率）。四实验结果 根据实验结果绘制下列图形，见表7.1、表7.2 。表7.1系统实际观测的正弦波曲线A/D输入的正弦波D/A输出的正弦波表7.2系统实际观测的正弦波曲线原始输出的正弦波 采样输出的正弦波 五思考题1. A/D和D/A的本质区别？它们的原理是什么？ 2. 采样频率和系统输出信号之间的关系如何？ 3. 采样频率的范围应如何选择？实验八 离散控制系统动态性能和稳定性的混合仿真研究 实验八 离散控制系统动态性能和稳定性的混合仿真研究 一实验目的1掌握用混合仿真方法研究采样控制系统； 2研究参数变化对采样控制系统的动态性能和稳定性的影响。 二实验内容1搭建原始二阶系统；观测其阶跃响应曲线； 2向原始二阶系统加入离散控制环节，改变数字控制器的采样控制频率和放大系数，观测不同参数下的阶跃响应曲线。三实验步骤 1原始二阶系统 原始二阶系统模拟电路如图1-13-1所示，其开环传递函数为图1-13-1 原始二阶系统模拟电路(1) 设置阶跃信号源： A将阶跃信号区的选择开关拨至“05V”； B将阶跃信号区的“05V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接； C按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“05V”端子产生阶跃信号。(2) 搭建原始二阶系统模拟电路： A将实验电路A3的“OUT3”端子与实验电路A5的“IN53”端子相连接，A5的“OUT5”与A2的“IN23”相连接，A2的“OUT2”与A3的“IN33”相连接； B按照图1-13-1选择拨动开关： 图中：R1=200K、R2=100K、R3=200K、R4100K、R5=100K、R6=500K、R7=10K、R8=10K、C1=2.0F、C2=1.0F。 将A3的S5、S6、S10，A5的S7、S10，A2的S7、S8、S14拨至开位置； (3) 连接虚拟示波器： 将实验电路A2的“OUT2”与示波器通道CH1相连接。(4) 输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测原始二阶系统的阶跃响应曲线。2离散控制二阶系统 离散控制二阶系统模拟电路如图1-13-2所示， 图1-13-2 离散控制二阶系统模拟电路(1) 设置阶跃信号源： A将阶跃信号区的选择开关拨至“05V”； B将阶跃信号区的“05V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接； C按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“05V”端子产生阶跃信号。(2) 搭建离散控制二阶系统模拟电路： A将实验电路A3的“OUT3”端子与采样保持器区的“输入信号”端子相连接，将采样保持器区的“输出信号”端子与A5的“IN53”端子相连接，A5的“OUT5”与A2的“IN23”相连接，A2的“OUT2”与A3的“IN33”相连接，将函数发生器区的“初始信号”与采样保持器区的“触发信号1”相连接，将采样保持器区的“控制信号1” 与“采样控制”端子相连接； B按照图1-13-2选择拨动开关： 图中：R1=200K、R2=100K、R3=200K、R4100K、R5=100K、 R6=500K、R7=10K、R8=10K、C1=2.0F、C2=1.0F。将A3的S5、S6、S10，A5的S7、S10，A2的S7、S8、S14拨至开位置； (3) 连接虚拟示波器： 将实验电路A2的“OUT2”与示波器通道CH1相连接。(4) 输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测离散控制二阶系统的阶跃响应曲线（可调节函数发生器区的调频旋钮改变采样频率）。 四实验结果 根据实验结果绘制图形，并给出结论。 实测阶跃响应曲线 超调量%峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值原二阶系统离散控制二阶系统T0.1TT五、思考题1、离散系统分析和连续系统分析的相同点和不同点？2、离散系统分析的数学工具是什么？3、采样频率大小如何确定？采样频率是手动调节，还是采用其它方法？实验九 非线性系统的相平面法分析 实验九 非线性系统的相平面法分析 一实验目的1掌握相平面法分析非线性系统； 2用相平面法分析非线性二阶系统，并绘制相轨迹图； 3. 了解和掌握典型非线性环节的原理； 4. 分析典型非线性环节的模拟电路，观测典型非线性环节的输出特性。 二实验内容1继电特性继电特性的模拟电路如图7-1所示 图7-1继电特性模拟电路(1) 设置可调电压输出： 将可调电压输出区的“-10V+10V”端子与实验电路A3的“IN33”端子相连接，调节可调电压输出区的旋钮即可改变输入电压值的大小。(2) 搭建继电特性的模拟电路： A将实验电路A3的“OUT3”端子与实验电路A6的“IN62”端子相连接； B按照图1-8-1选择拨动开关： 图中：R1可调、R2=100K、R3=200K、R4=10K、R5=10K、R6=10K、D1、D2为4.7V稳压管将A3的S7、S10，A6的S5、S11拨至开的位置。(3) 连接虚拟示波器： 将实验电路A3的“OUT3”与示波器通道CH1相连接， A6的“OUT6”与示波器通道CH2相连接，将示波器的显示格式改为“XY”型，显示时间改为“5秒”。(4) 调节可调电压输出区的旋钮，记录在示波器屏幕上显现的继电特性曲线。2饱和特性饱和特性的模拟电路如图1-8-2所示图1-8-1饱和特性模拟电路(1) 设置可调电压输出： 将可调电压输出区的“-10V+10V”端子与实验电路A3的“IN33”端子相连接，调节可调电压输出区的旋钮即可改变输入电压值的大小。(2) 搭建饱和特性的模拟电路： A将实验电路A3的“OUT3”端子与实验电路A6的“IN62”端子相连接； B按照图1-8-2选择拨动开关： 图中：R1可调、R2=100K、R3=200K、R4=50K、R5=100K 、R6=10K、R7=10K、D1、D2为4.7V稳压管将A3的S7、S10，A6的S4、S9、S11拨至开的位置。(3) 连接虚拟示波器： 将实验电路A3的“OUT3”与示波器通道CH1相连接， A6的“OUT6”与示波器通道CH2相连接，将示波器的显示格式改为“XY”型，显示时间改为“5秒”。(4) 调节可调电压输出区的旋钮，记录在示波器屏幕上显现的饱和特性曲线。3继电型非线性二阶系统 继电型非线性二阶系统模拟电路如图7-3所示图7-3继电型非线性二阶系统模拟电路1) 设置阶跃信号源： A将阶跃信号区的选择开关拨至“05V”； B将阶跃信号区的“05V”端子与实验电路A1的“IN11”端子相连接； C按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“05V”端子产生阶跃信号。(2) 搭建继电型非线性二阶系统模拟电路： A将实验电路A1的“OUT1”端子与实验电路A3的“IN31”端子相连接，将A3的“OUT3”与A6的“IN62”端子相连接，A6的“OUT6”与A2的“IN23”端子相连接，A2的“OUT2”与A5的“IN52”相连接，将A5的“OUT5”与A1的“IN13”端子相连接； B按照图1-9-1选择拨动开关： 图中：R1=200K、R2=100K、R3=200K、R4=10K、R510K、R6=10K、R7=100K、R8=500K、R9=500K、C1=1.0F、C2=2.0F、D1、D2为4.7V稳压管。将A1的S3、S6、S13，A3的S1、S15，A6的S5、S11，A2的S7、S8、S14，A5的S4、S10拨至开位置； (3) 连接虚拟示波器： 将A5的“OUT5”与示波器通道CH1相连接， A2的“OUT2”与示波器通道CH2相连接，将示波器的显示格式改为“XY”型，显示时间改为“5秒”。(4) 输入阶跃信号，记录在示波器屏幕上显现的继电型非线性二阶系统的相轨迹曲线。4带速度反馈的继电型非线性二阶系统 带速度反馈的继电型非线性二阶系统模拟电路如图7-4所示图7-4带速度反馈的继电型非线性二阶系统模拟电路(1) 设置阶跃信号源： A将阶跃信号区的选择开关拨至“05V”； B将阶跃信号区的“05V”端子与实验电路A1的“IN11”端子相连接； C按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“05V”端子产生阶跃信号。(2) 搭建带速度反馈的继电型非线性二阶系统模拟电路： A将实验电路A1的“OUT1”端子与实验电路A3的“IN31”端子相连接，将A3的“OUT3”与A6的“IN62”端子相连接，A6的“OUT6”与A2的“IN23” 端子相连接，A2的“OUT2”与A3的“IN33”相连接，A2的“OUT2”与A5的“IN52”相连接，将A5的“OUT5”与A1的“IN13”端子相连接； B按照图1-9-2选择拨动开关： 图中：R1=200K、R2=100K、R3=200K、R4=10K、R510K、R6=10K、R7=100K、R8=500K、R9=500K、R10=100K、C1=1.0F、C2=2.0F、D1、D2为4.7V稳压管。将A1的S3、S6、S13，A3的S1、S7、S15，A6的S5、S11，A2的S7、S8、S14，A5的S4、S10拨至开位置； (3) 连接虚拟示波器： 将A