自动控制原理实验报告成都理工大学

1、本科生实验报告实验课程 自动控制原理 学院名称 核技术与自动化工程学院 专业名称 电气工程及其自动化 学生姓名 学生学号 指导教师 实验地点 6c901 实验成绩 二一六年 4月 二一六年 5 月目 录 3.1 线性系统的时域分析3.1.1 典型环节的模拟研究3.1.2 二阶系统瞬态响应和稳定性3.2 线性控制系统的频域分析3.2.1 频率特性测试3.2.1 一阶惯性环节的频率特性曲线3.3 线性系统的校正与状态反馈3.3.1 频域法串联超前校正3.1 线性系统的时域分析3.1.1典型环节的模拟研究一. 实验目的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

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二典型环节的结构图及传递函数方 框 图传递函数比例（P）积分（I）比例积分（PI）比例微分（PD）惯性环节（T）比例积分微分（PID） 三实验内容及步骤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.。改变被测环节的各项电路参数，画出模拟电路图，阶跃响应曲线，观测结果，填入实验报告运行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

3、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3-1-1所示。图3-1-1 典型比例环节模拟电路传递函数： ； 单位阶跃响应： 实验步骤：注：S ST用短路套短接！（1）将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），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（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= 4V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图3-

4、1-1安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号1A5S4，S122B5S-ST1信号输入（Ui）B5（OUT）A5（H1）2示波器联接1档A6（OUT）B3（CH1）3B5（OUT）B3（CH2）（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+4V阶跃），观测A5B输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）见图3-1-2。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。 图3-1-2 比例环节阶跃响应曲线图 实验报告要求：按下表改变图3-1-1所示的被测系统比例系数，观测结果，填入实验报告。按照实验步骤之后，得如下图： R0R

5、1输入Ui比例系数K计算值测量值200K100K4V0.50.6200K4V11.150K100K2V21.9200K1V43.8 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3-1-4所示。图3-1-4 典型惯性环节模拟电路传递函数： 单位阶跃响应：实验步骤：注：S ST用短路套短接！（1）将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），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（D1单元左显示）。 调节

6、B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 4V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图3-1-4安置短路套及测孔联线，表如下。1信号输入（Ui）B5（OUT）A5（H1）2示波器联接1档A5B（OUTB）B3（CH1）3B5（OUT）B3（CH2）（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号1A5S4，S6，S102B5S-ST（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输出稳态值0.632处，得到与输出曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到输出曲线的交点，

7、量得惯性环节模拟电路时间常数T。A5B输出端响应曲线Uo(t）见图3-1-3。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。 图3-1-3 惯性环节阶跃响应曲线按照实验步骤，得如下图： 实验报告要求：按下表改变图3-1-4所示的被测系统时间常数及比例系数，观测结果，填入实验报告。R0R1C输入Ui比例系数K惯性常数T计算值测量值计算值测量值200K200K1u4V11.20.20.232u11.10.40.4250K100K1u2V22.10.10.11200K1V43.90.20.213)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3-1-5所示。图3-1-5 典型积分环节模拟电路传递函数： 单

8、位阶跃响应： 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（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3-1-5安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线1信号输入（Ui）B5

9、（OUT）A5（H1）2示波器联接1档A5B（OUTB）B3（CH1）3B5（OUT）B3（CH2）模块号跨接座号1A5S4，S102B5S-ST（3）运行、观察、记录： 打开虚拟示波器的界面，点击开始，等待完整波形出来后，点击停止，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，得到与输出曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到输出曲线的交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。A5B 输出响应曲线Uo(t)见图3-1-6。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。 图3-1-6 积分环节响应曲线 实验报告要求：按下表改变图3-1-5所示的被测系统时间常数，观测

10、结果，填入实验报告。按照实验步骤，得如下图： R0C输入Ui积分常数Ti计算值测量值200K1u1V0.20.222u0.40.43100K1u0.10.112u0.20.194)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3-1-8所示.。图3-1-8 典型比例积分环节模拟电路传递函数： 单位阶跃响应：实验步骤：注：S ST用短路套短接！（1）将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），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

11、电位器1”，使之矩形波宽度1秒（D1单元左显示）。（注：为了使在积分电容上积分的电荷充分放掉，锁零时间应足够大，即矩形波的零输出宽度时间足够长！ “量程选择”开关置于下档时，其零输出宽度恒保持为2秒！） 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3-1-8安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号1A5S4，S82B5S-ST1信号输入（Ui）B5（OUT）A5（H1）2示波器联接1档A5B（OUTB）B3（CH1）3B5（OUT）B3（CH2）（3）运行、观察、记录： 打开虚拟示波器的界面，点击开

12、始，等待完整波形出来后，点击停止。移动虚拟示波器横游标到输入电压比例系数K处，再移动另一根横游标到（输入电压比例系数K2）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。典型比例积分环节模拟电路A5B输出响应曲线Uo(t)见图3-1-7 。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。 图3-1-7 比例积分环节响应曲线实验报告要求：按下表改变图3-1-8所示的被测系统时间常数及比例系数，观测结果，填入实验报告。按照实验步骤，得如下图： R0R1C输入Ui比例系数K积分常数Ti计算值测量值计算值测量值200K200K1u1V11.10.20.

13、192u11.20.40.38100K1u22.10.20.182u21.90.40.37 5)观察比例微分环节的阶跃响应曲线为了便于观察比例微分的阶跃响应曲线，本实验增加了一个小惯性环节，其模拟电路如图3-1-9所示。图3-1-9 典型比例微分环节模拟电路比例微分环节+惯性环节的传递函数： 微分时间常数： 惯性时间常数： 单位阶跃响应：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

14、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3-1-9安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号1A4S4，S92A6S2，S63B5S-ST1信号输入(Ui)B5（OUT）A4（H1）2运放级联A4（OUT）A6（H1）3示波器联接1档A6（OUT）B3（CH1）4B5（OUT）B3（CH2）（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），响应曲线见图3-1-10。等待完整波形出

15、来后，把最高端电压（4.77V）减去稳态输出电压（0.5V），然后乘以0.632，得到V=2.7V。 移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到V=2.7V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=0.048S。 已知KD=10，则图3-1-9的比例微分环节模拟电路微分时间常数：图3-1-10 比例微分环节模拟电路响应曲线按照实验步骤，得如下图： 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3-1-11所示。图3-1-11 PID（比例积分微分）环节模拟电路典型比例积分环节的传递函数： 惯性时间常数：

16、单位阶跃响应： 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3-1-11安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨

17、接座号1A2S4，S82B5S-ST1信号输入（Ui）B5（OUT）A2（H1）2示波器联接1档A2B（OUTB）B3（CH1）3B5（OUT）B3（CH2）（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，见图3-1-12（a）。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。 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），响应曲线见图3-1-

18、12（b）。等待完整波形出来后，点击停止，把最高端电压（3.59V）减去稳态输出电压（0.6V=Kp*Ui），然后乘以0.632，得到V=1.88V。 移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到V=1.88V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=0.01S 已知KD=6，则图3-1-11的比例微分环节模拟电路微分时间常数：。 图3-1-12（a） 比例积分微分环节响应曲线 图3-1-12（b） 比例微分环节响应曲线按照实验步骤，得如下图： 3.1.2 二阶系统瞬态响应和稳定性一实验目的1. 了解和掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法及型二

19、阶闭环系统的传递函数标准式。2. 研究型二阶闭环系统的结构参数-无阻尼振荡频率n、阻尼比对过渡过程的影响。3. 掌握欠阻尼型二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标Mp、tp、ts的计算。4. 观察和分析型二阶闭环系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼的瞬态响应曲线，及在阶跃信号输入时的动态性能指标Mp、tp值，并与理论计算值作比对。二实验原理及说明图3-1-13是典型型二阶单位反馈闭环系统。图3-1-13 典型型二阶单位反馈闭环系统型二阶系统的开环传递函数： （3-1-1）型二阶系统的闭环传递函数标准式： （3-1-2）自然频率（无阻尼振荡频率）： 阻尼比： （3-1-3）有二阶闭环系统模拟电路如

20、图3-1-14所示。它由积分环节（A2单元）和惯性环节（A3单元）的构成，其积分时间常数Ti=R1*C1=1秒，惯性时间常数 T=R2*C2=0.1秒。图3-1-14 型二阶闭环系统模拟电路模拟电路的各环节参数代入式（3-1-1），该电路的开环传递函数为：模拟电路的开环传递函数代入式（3-1-2），该电路的闭环传递函数为：模拟电路的各环节参数代入式（3-1-3），阻尼比和开环增益K的关系式为：临界阻尼响应：=1，K=2.5，R=40k 欠阻尼响应：01，设R=70k，K=1.43=1.321 计算欠阻尼二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态指标Mp、tp、ts：（K=25、=0.316、=15.8

21、）超调量 ： 峰值时间： 调节时间 ：三实验内容及步骤1型二阶闭环系统模拟电路见图3-1-14，改变A3单元中输入电阻R来调整系统的开环增益K，从而改变系统的结构参数，观察阻尼比对该系统的过渡过程的影响。2改变被测系统的各项电路参数，计算和测量被测对象的临界阻尼的增益K，填入实验报告。3改变被测系统的各项电路参数，计算和测量被测对象的超调量Mp，峰值时间tp，填入实验报告，並画出阶跃响应曲线。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

22、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3秒（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= 3V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图3-1-14安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号1A1S4，S82A2S2，S11，S123A3S8，S104A6S2，S65B5S-ST1信号输入r(t)B5（OUT） A1（H1）2运放级联A1（OUT）A2（H1）3运放级联A2A（OUTA）A3（H1）4负反馈A3（OUT）A1（H2）5运放级联A3（OUT）A6（H1）67跨接元件4K、40K、

23、70K元件库A11中直读式可变电阻跨接到A3（H1）和（IN）之间8示波器联接1档A6（OUT）B3（CH1）9B5（OUT）B3（CH2）（3）运行、观察、记录： 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二阶典型系统瞬态响应和稳定性实验项目，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。也可选用普通示波器观测实验结果。 分别将（A11）中的直读式可变电阻调整到4K、40K、70K，等待完整波形出来后，点击停止，用示波器观察在三种增益K下，A6输出端C(t)的系统阶跃响应，其实际响应曲线见图3-1-15.。（a）01

24、过阻尼阶跃响应曲线图3-1-15 型二阶系统在三种情况下的阶跃响应曲线示波器的截图详见虚拟示波器的使用。四实验报告要求：按下表改变图3-1-13所示的实验被测系统，画出系统模拟电路图。调整输入矩形波宽度3秒，电压幅度 = 3V。 计算和观察被测对象的临界阻尼的增益K，填入实验报告。根据实验步骤，得如下图：4K40K70K积分常数Ti惯性常数T增益K计算值10.12.50.21.250.35/60.50.11.250.20.5 画出阶跃响应曲线，测量超调量Mp，峰值时间tp填入实验报告。（计算值实验前必计算出）： 阻尼比： 超调： 峰值时间：增益K（A3）惯性常数T（A3）积分常数Ti（A2）自

25、然频率n计算值阻尼比计算值超调量Mp(%)峰值时间tP计算值测量值计算值测量值250.11根号250根号1/100.2根号125根号1/200.3根号250/3根号1/30200.10.5200.250.2根号1000根号0.02540根号2000根号0.01253.2 线性控制系统的频域分析3.2.1 频率特性测试一实验目的1了解线性系统频率特性的基本概念。2了解和掌握对数幅频曲线和相频曲线（波德图）的构造及绘制方法。二实验原理及说明 频域分析法是应用频率特性研究线性系统的一种经典方法。它以控制系统的频率特性作为数学模型，以波德图或其他图表作为分析工具，来研究和分析控制系统的动态性能与稳态性

26、能。波德图又称对数频率特性曲线（包括对数幅频和相频两条曲线），由于方便实用，因此被广泛地应用于控制系统分析时的作图。对数频率特性曲线的横坐标统一为角频率，并按十倍频程（dec）对数分度，单位是弧度/秒rad/s。对数幅频特性曲线的纵坐标表示对数幅频特性的函数值，为均匀分度，单位是分贝dB。对数相频特性曲线的纵坐标表示相频特性的函数值，为均匀分度，单位是度。一阶惯性环节的传递函数：其幅频特性： 相频特性：对数幅频特性定义为： 三实验内容及步骤被测系统是一阶惯性的模拟电路图见图3-2-1，观测被测系统的幅频特性和相频特性，填入实验报告，並在对数座标纸上画出幅频特性和相频特性曲线。图3-2-1 被测

27、系统（一阶惯性）的模拟电路图实验步骤： （1）将函数发生器（B5）单元的正弦波输出作为系统输入。 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中正弦波（正弦波指示灯亮）。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器2”，使之正弦波频率为8Hz（D1单元右显示）。 调节B5单元的“正弦波调幅”电位器，使之正弦波振幅值输出为2V左右（D1单元左显示）。（2）构造模拟电路：按图3-2-1安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号1A3S1，S7，S92A6S2，S61信号输入B5（SIN）A3（H1）2运放级联A3（OUT）A6（H1）3示波器联接1档B5（SI

28、N）B3（CH1）4A6（OUT）B3（CH2）（3）运行、观察、记录： 运行LABACT程序，在界面的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，选择时域分析，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观察波形，应避免系统进入非线性状态。点击停止键后，可拖动时间量程（在运行过程中，时间量程无法改变），以满足观察要求，频率特性的时域分析见图3-2-2，该图是在输入的正弦波信号频率为8Hz，输入为2V时截出，其输入和输出的相位差为44度，增益为20lg（3/2.15）=+2.89dB。图3-2-2 正弦波信号频率为8Hz时的响应曲线示波器的截图详见虚拟示波器的使用。四实验报告要求：输入

29、振幅为2V，按下表改变实验被测系统正弦波输入频率：观测幅频特性和相频特性，填入实验报告。並在对数座标纸上画出幅频特性、相频特性曲线。根据实验要求及步骤，得到下列图组： 0.5HZ0.96HZ 1.58HZ3.25HZ4.49HZ7.5HZ10.13HZ13.3HZ16.7HZ20HZ输入频率Hz幅频特性相频特性计算值测量值计算值测量值0.55.605.950.650.965.605.931.1121.585.605.731.8113.255.605.003.7264.495.594.645.2287.55.582.928.55410.135.571.4211.55513.35.540.5914

30、.97216.75.49-1.8918.575205.39-2.6321.8723.3 线性系统的校正与状态反馈控制系统的校正与状态反馈就是在被控对象已确定，在给定性能指标的前提下，要求设计者选择控制器（校正网络）的结构和参数，使控制器和被控对象组成一个性能满足指标要求的系统。3.3.1 频域法串联超前校正频域法校正主要是通过对被控对象的开环对数幅频特性和相频特性（波德图）观察和分析实现的。一实验目的1了解和掌握超前校正的原理。2了解和掌握利用闭环和开环的对数幅频特性和相频特性完成超前校正网络的参数的计算。3掌握在被控系统中如何串入超前校正网络，构建一个性能满足指标要求的新系统的方法。 二实验

31、原理及说明超前校正的原理是利用超前校正网络的相角超前特性，使中频段斜率由-40dB/dec变为-20 dB /dec并占据较大的频率范围，从而使系统相角裕度增大，动态过程超调量下降；并使系统开环截止频率增大，从而使闭环系统带宽也增大，响应速度也加快。超前校正网络的电路图及伯德图见图3-3-1。 图3-3-1 超前校正网络的电路图及伯德图超前校正网络传递函数为： （3-3-1）网络的参数为： ， （3-3-2）在设计超前校正网络时，应使网络的最大超前相位角尽可能出现在校正后的系统的幅值穿越频率c处，即m=c。 网络的最大超前相位角为： 或为： （3-3-3）处的对数幅频值为： （3-3-4）网络

32、的最大超前角频率为： （3-3-5）从式（3-3-1）可知，接入超前校正网络后被校正系统的开环增益要下降a倍，因此为了保持与系统未校正前的开环增益相一致，接入超前校正网络后，必须另行提高系统的开环增益a倍来补偿。三实验内容及步骤 1观测被控系统的开环对数幅频特性和相频特性，幅值穿越频率c，相位裕度，按“校正后系统的相位裕度”要求,设计校正参数，构建校正后系统。2观测校正前、后的时域特性曲线，並测量校正后系统的相位裕度、超调量Mp、峰值时间tP。3改变 “校正后系统的相位裕度”要求,设计校正参数，构建校正后系统，画出其系统模拟电路图和阶跃响应曲线，观测校正后相位裕度、超调量Mp、峰值时间tP填入

33、实验报告。注：在进行本实验前应熟练掌握使用本实验机的二阶系统开环对数幅频特性和相频特性的测试方法。1未校正系统的时域特性的测试未校正系统模拟电路图见图3-3-2。本实验将函数发生器（B5）单元作为信号发生器， OUT输出施加于被测系统的输入端Ui，观察OUT从0V阶跃+2.5V时被测系统的时域特性。图3-3-2 未校正系统模拟电路图图3-3-2未校正系统的开环传递函数为：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

34、择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度3秒（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= 2.5V（D1单元右显示）。（2） 构造模拟电路：按图3-3-2安置短路套及测孔联线，表如下。1信号输入r(t)B5（OUT）A1（H1）2运放级联A1（OUT）A2（H1）3运放级联A2A（OUTA）A6（H1）4负反馈A6（OUT）A1（H2）5运放级联A6（OUT）A3（H1）6示波器联接1档A3（OUT）B3（CH1）7B5（OUT）B3（CH2）（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号1A1S4，S82A2S3，S113A3S1，S64A6S4，

35、S8，S95B5S-ST（3）运行、观察、记录： 运行LABACT程序，在自动控制菜单下的“线性系统的校正和状态反馈” -实验项目，选中“线性系统的校正”项，弹出线性系统的校正的界面，点击开始，用虚拟示波器CH1观察系统输出信号。 观察OUT从0V阶跃+2.5V时被测系统的时域特性，被测系统输出的时域特性曲线见图3-3-3，等待一个完整的波形出来后，点击停止，然后移动游标测量其超调量、峰值时间及调节时间。图3-3-3 未校正系统的时域特性曲线在未校正系统的时域特性特性曲线上可测得时域特性：超调量Mp=56.4 % 峰值时间tp= 0.32秒 调节时间ts=1.8S(=5时)示波器的截图详见虚拟

36、示波器的使用。按照实验步骤，得出如下图： 2未校正系统的频域特性的测试本实验将数/模转换器（B2）单元作为信号发生器，实验开始后，将按频率特性扫描点设置表规定的频率值，按序自动产生多种频率信号，OUT2输出施加于被测系统的输入端r(t)，然后分别测量被测系统的输出信号的开环对数幅值和相位，数据经相关运算后在虚拟示波器中显示。未校正系统频域特性测试的模拟电路图见图3-3-4。图3-3-4 未校正系统频域特性测试的模拟电路图 实验步骤： （1）将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入。（2）构造模拟电路：按图3-3-4安置短路套及测孔联线表如下。 （a）安置短路套 （b）测孔联线模块号

37、跨接座号1A1S4，S82A2S3，S113A3S1，S64A6S4，S8，S95B5S-ST1信号输入r(t)B2（OUT2）A1（H1）2运放级联A1（OUT）A2（H1）3运放级联A2A（OUTA）A6（H1）4负反馈A6（OUT）A1（H2）5运放级联A6（OUT）A3（H1）6幅值测量A3（OUT） B7（IN4）7相位测量A3（OUT） A8（CIN1）8A8（COUT1） B8（IRQ6）（3）运行、观察、记录：将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入，运行LABACT程序，在界面的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，选择二阶系统，就会弹出虚拟示波器的

38、界面，点击开始，则进行频率特性测试。详见第3.2 节线性控制系统的频域分析。图3-3-4的被测二阶系统的开环对数幅频、相频曲线见图3-3-5和图3-3-6所示。校正前穿越频率c校正后期望穿越频率c-Lc（m）图3-3-5 未校正系统开环幅频特性曲线在未校正系统开环对数幅频曲线上，用鼠标在曲线处点击一下，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c ，见图3-3-5，其穿越频率c=9.4 rad/s。再在未校正系统开环相频特性曲线上，根据十字标记测得系统的相位角，见图3-3-6。 校正前相位裕度校正前穿越频率c图3-3-6 未校正系统的开环相频特性曲线穿越频率c=9.4 rad/s

39、， 相位裕度= 18.9 根据实验步骤，截得如下图：幅频特性相频特性3超前校正网络的设计 在未校正系统模拟电路的开环相频特性曲线（图3-3-5）上测得未校正系统的相位裕度。 如果设计要求校正后系统的相位裕度，则网络的最大超前相位角必须为： ，。其中为考虑到时，所需減的角度，一般取510。 据式 3-3-3 可计算出网络的参数： 据式 3-3-4 可计算出网络的最大超前相位角处的对数幅频值为： 在未校正系统开环对数幅频曲线上，用鼠标在曲线处点击一下，待检测完成后，就可以根据十字标记，可测得系统在时的角频率=14.4 rad/s ，见图3-3-5，该角频率应是网络的最大超前角频率，这亦是串联超前校

40、正后系统的零分贝频率。 据式 3-3-5可计算出计算串联超前校正网络参数：， 据式 3-3-2 令 C=1u， 计算出：R4=155K， R5=38.7K超前校正网络传递函数为： （3-3-7）为了补偿接入超前校正网络后，被校正系统的开环增益要下降a倍，必须另行提高系统的开环增益增益a倍。因为a=5，所以校正后系统另行串入开环增益应等于5的运放A5。 4、串联超前校正后系统的频域特性的测试串联超前校正后系统频域特性测试的模拟电路图见图3-3-7。图3-3-7（a） 串联超前校正后系统频域特性测试的模拟电路图图3-3-7（b）校正网络（部分）连线示意图图3-3-7（a）串联超前校正后系统的传递函

41、数为：实验步骤： （1）将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入。（2）构造模拟电路：按图3-3-7（a）、图3-3-7（b）安置短路套与测孔联线表如下。1信号输入r(t)B2（OUT2）A1（H1）2运放级联A2A（OUTA）A6（H1）3负反馈A6（OUT）A1（H2）4运放级联A6（OUT）A3（H1）5幅值测量A3（OUT） B7（IN4）6相位测量A3（OUT） A8（CIN1）7A8（COUT1） B8（IRQ6）8/9跨接元件（155K）元件库A11中可变电阻跨接到A1（OUT）和A10（IN+）之间校正网络：参见图3-3-7(b)10/11跨接元件（1u）元件库A1

42、1中可变电阻跨接到A1（OUT）和A10（IN+）之间12/13跨接元件（38.7K）元件库A11中可变电阻跨接到 A10（IN+）和GND之间14运放级联A10（OUT）A5（H1）15运放级联A5B（OUTB）A2（H1）（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号1A1S4，S82A2S3，S113A3S1，S64A5S3，S75A6S4，S8，S96B5S-ST7A10S1（3）运行、观察、记录：运行程序同2未校正系统的频域特性的测试。图3-3-7（a）的串联超前校正后系统的开环对数幅频、相频曲线。在校正后系统开环对数幅频曲线上，用鼠标在曲线处点击一下，待检测完成后，就可以根据十字标记测得系校正后系统的幅值穿越频率c ，见图3-3-8，其穿越频率c=14.45 rad/s。再在校正后系统开环相频特性曲线上，根据十字标记测得系统的相位角，见图3-3-9，其相位裕度。校正后穿越频率c图3-3-8 串联超前校正后系统的开环对数幅频曲线校正后相位裕度校正后穿越频率c图3-3-9 串联超前校正后系统的开环对数相频