控制工程基础实验指导书

1、实验教学指导书 张永胜洪荣晶编机械与动力工程学院 2012年2月目录概述2第一章实验系统构成及说明4第二章控制工程基础实验项目12实验一典型环节的模拟研究12实验二实验系统瞬态响应和稳定性20实验三系统校正26实验四控制系统的频率特性29实验五典型非线性环节31实验六非线性系统一37实验七非线性系统二43实验八状态反馈47概 述“控制工程基础”是自动化、自动控制、电气技术、精密仪器等专业教学中的一门重要专业基础课程。为满足教学需要，我实验室采用性能优越的DVCC-ZK2自动控制教学实验系统。该产品采用模块化结构，可灵活构造出各种形式和阶次的模拟环节和控制系统，具有二次开能力。系统配置的连PC机

2、软件具有许多独到的功能：同时支持汇语言和C语言的调试和运行；本实验系统还配置了功能强大的虚拟示波器，它可以取代常规的交直流数字仪表。主要功能模块：1、核心控制部件：微处理器8088。2、运算放大器共六个单元，可以自由组合成多级放大电路。每个单元由运算放大器、输入回路6组电阻或电容，反馈回路7组电阻或电容组成。3、低频信号发生器（斜波、阶跃、抛物线），信号宽度2MS6S可调，幅值可调。4、正弦波、方波发生器，频率范围0.2HZ400HZ，幅值可调。5、阶跃信号发生器：0V到+5V的跳跃，-5V到+5V的跳跃。和其它单元组合使用，可以产生05V可调的阶跃信号，5V+5V可调的阶跃信号。6、基准电压

3、±5V。7、采样/保持及单稳态电路。8、非线形单元。9、8位一路D/A数模转换器，输出模拟电压0+5V、-5V+5V。10、8路8位A/D模数转换器，其中6路0+5V，2路-5V+5V。11、模拟电压产生单元，0+5V连续可调，5V+5V连续可调。12、步进电机控制与驱动单元电路。13、直流电机测速、调速单元。14、温度测量、控制单元，测温范围0200，电加热器用电热杯。15、虚拟示波器单元：提供2路模拟信号输入，输入信号可以衰减5倍、10倍，也可以不衰减。可以测量各种图形信号，包括各种响应曲线，幅频特性、相频特性曲线和李沙育图形等等。软件特点：1、软件支持WIN9X/2000/XP

4、2、调试软件部分：·彩色关键字编辑源文件。·支持两种语言汇编语言ASM和C语言，便于移植各种基于C语言的自控算法。·编译连接（错误显示定位）下载一步完成，方便操作。·计算机控制综合实验用虚拟示波器观察实验结果，直观清晰，参数调整方便。并且提供C语言源程序。3、虚拟示波器部分：·真正的高速双通道存储虚拟示波器，可切换为单通道提高采样率。·带有实时X-Y示波器：自动同步显示功能。·存储功能：存储/栽入/分析历史波型。·输入模拟电压信号幅值由软件调整，勿需硬件开关切换。·带有幅频/相频特性专用虚拟示波器。可以保

5、存波型文件，图片文件，方便插入在教学课件中。第一章 实验系统构成及说明第一节系统介绍1系统构成DVCC-ZK2自动控制原理实验系统由实验区、CPU系统控制器、机电实验小平台和虚拟示波器构成，见图1-1-1所示。实验系统通过RS232接口与上位机（PC机）实现信息数据的交互。机电平台实验区CPU系统控制器稳压电源图1-1 -1系统构成2DVCC-ZK2实验区DVCC-ZK2实验区包含了实验有关的各种信号源、信号采集和转换电路、运算模拟电路等，其具体功能和使用将在第二节中详细说明。实验区由模块AQ组成，如表1-1-1所示：表1-1-1实验区组成运算放大器一六单元AF绕线变阻器单元JD/A数模转换器

6、P基准电压H信号发生器UA/D模数转换器Q采样/保持电器N阶跃电压信号G非线形单元K正弦波发生器T步进电机单元O直流电机调速单元L温度测控单元M模拟电压产生单元I3机电小平台机电平台包含电子音响电路、步进电机、直流电机及测速机构、温度测量/控制模块，后两者可以作为被控对象，构成闭环控制系统。（1）步进电机步进电机模块的目的是演示步进电机的步距角和自锁等基本概念和不同驱动方式的实现和现象。使用四相步进电机，驱动部分由实验板上模块O单元提供。（2）直流电机及测速机构直流电机及测速机构（模块）包括直流电机和光电测速机构。直流电机驱动由实验区上模块L单元提供, 简易的光电测速机构由光电耦合元件和光栅盘

7、构成，与实验区之间通过4芯电缆线将DMOT插座对应相连接。其原理如下图1-1-2所示：图1-1-2光电耦合当光栅盘上的光孔处于光电耦合器正中时，允许光电耦合器中发光管发出的光线通过，则三极管导通，集电极输出为低电平；当光栅盘将光电耦合器中间挡住时，光电耦合器中发光管发出的光线无法通过，则三极管截止，集电极输出高电平。集电极输出再经过一级74LS14滤去毛刺并反向后送至实验区上模块L中插孔F。当电机转动时，其轴上的光栅盘同步转动，光电耦合器中的三极管反复通断，则插孔F输出一组频率正比于电机转速的脉冲信号。通过测量此脉冲信号的频率就可以测出电机的当前转速。本实验机光栅盘上有12个透光孔，即电机每转

8、一圈产生12个脉冲信号，可得：电机转速（圈/分钟）= 脉冲频率（/秒）× 60 ÷12（3）温度测量/控制模块本模块板包括加热机构和温度传感器组成（需要外配），温度传感器采用热电耦，加热部件采用普通电热杯。相应的放大电路由实验区上模块M单元提供，由VT插孔输出05V直流电压。4CPU系统控制器CPU系统控制器（S）包含一个8088小系统及通讯、中断等外围接口电路。8088有1兆寻址空间，本实验系统提供给用户使用空间：00000H-07FFFH。其中00500H-00FFFH是实验机提供的数据RAM空间，可供用户系统存放实验程序执行过程中中间数据。其资源分配空间，如表1-1-

9、2所示。监控占用00000H-00013H作为单步、断点、无条件暂停中断矢量区。另外，00100H-004FFH为监控数据区或堆栈区，在实验程序加载时，起始地址要大于00500H，一般以01000H作为起始地址也就是这个道理。F0000H-FFFFFH为实验机提供的64KEPROM地址空间，存放实验机监控程序，用户不可占用。表1-1-2中断矢量区00000H000FFH系统数据区和系统栈区00100H004FFH用户数据区00500H00FFFH用户程序和用户栈区或用户数据01000H07FFFH实验系统固定使用的I/O地址空间划分如表1-1-3所示，用户可以对各寄存器、数据口地址编程操作。表

10、1-1-3用户实验地址空间名称标识寄存器名称编址数模转换0832Y000H中断控制8259CS8259命令寄存器20H控制寄存器21H定时/计数器8253CS8253计数器048H计数器149H计数器24AH控制寄存器4BH扩展并行输出273Y770H模数转换0809Y6通道0760H67H第二节实验板功能模块说明1运算放大器单元AD电原理图图1-2-1 AD电原理图四个单元实现原理基本相同，只是运放各输入端引入电阻及各反馈引入的电阻电容的参数和连接各不相同。各输入、反馈使用短路套连接即可，直观方便。四个单元模块的各参数经过合理设计，组合使用可以满足大部分实验的要求，而无需外接电阻或电容，有效

11、的简化了实验操作。同时各信号接入点均引出标准插孔与小插孔座，供接线或外接电阻电容。2运算放大器单元E、F电原理图该单元各安装了空的插孔座H2H3和H4H5，供用户自行接插电阻、电容等元器件，为系统提供了足够的灵活性。3绕线变阻器单元（J）提供4只电位器WHA51WHA54，分为22K和330K两档阻值。用户可接入各运放单元，提供可变的电阻参数。4采样/保持单元（N）采用LF398实现采样保持，输入、输出电平范围为+12V。IN为输入端；OU为输出端；PU为采样控制端，高电平采样，低电平保持。5阶跃电压信号单元（G）本单元的阶跃信号有两输出口，0V到+5V的跳跃，-5V到+5V的跳跃。本单元和单

12、元I组合使用，可以产生05V可调的阶跃信号。6D/A数模转换单元（P）图1-2-3数摸转换电原理图数模转换采用NS的ADC0832，可实现8bit数字输入，OUT1输出05V模拟量。再经过转换电路便可产生OUT2输出5v+5v模拟量。0832的口地址为00H。7A/D模数转换单元（Q）图1-2-4模数转换电原理图采用0809（口地址为60H67H）。其中IN0端已接510欧姆对地电阻，并引出至专用接线端子，供用户外接电烤箱使用。IN1IN5的模拟量输入范围为0V+5V。IN6IN7的模拟量输入范围为-5V+5V。8非线性电路单元(K)供死区非线性和间隙非线性模拟电路接插电阻使用。图1-2-5

13、K单元的原理图9信号发生器单元（U）三段波动开关KD1切换波形类型，左阶跃，中斜坡，右抛物线；三段波动开关KD2分三档切换信号的周期范围，左260ms，中20ms0.6s，右0.2s6s。使用调幅和调频旋钮可调节信号的幅度和频率大小。为了使运算放大器为零初始状态并且积分漂移不致累加增多，设置了锁零电路。其原理是各运放所接的反馈阻抗短路，此时场效应管的D、S端导通。U单元的S端为555定时器的输出端，S和ST短接（即TB41短接）时有锁零操作，此时B4OUT端可产生3种信号；当将G和G1连接（即TD2短接），此时无锁零信号单元的运放处于工作状态，B4OUT端无信号输出。10正弦波发生器单元（T）

14、本单元可产生0.2Hz400Hz频率范围（使用波动开关分三档切换）的正弦波和方波。正弦波幅值+5V。使用调频、调幅电位器可以改变输出波形的频率和幅值。方波信号引出为S1测孔。正弦波信号引出为SIN测孔。11虚拟示波器单元提供两通道模拟信号输入，配合上位机软件的虚拟示波器窗口，可以实现波形的显示、存贮，可以有效的观察实验中各点信号的波形。12基准电压单元（H）提供+5V和-5V参考电压，分别经VF+5V和VF-5V插孔引出。13模拟电压产生单元（I）4.7K线绕电位器WKV的两端分别接至两个短路套。通过切换相应的短路套，可使电位器中心抽头的电位在05V或-5V+5V之间变化。中心抽头引出点为KV

15、。14直流电机调速单元（L）系统实验区提供直流电机驱动电路，机电平台上提供直流电机测速模块。图1-2-7直流电机测速原理图0832的输出（送出05V的模拟信号）经运放后从OUT2输出-5V+5V模拟电压，驱动直流电机。改变0832D/A转换输出值，就可以控制直流电机的转速和方向。当D/A转换器输出OUT2为+5V时，直流电机以最大速度正向转动；当D/A转换器输出OUT2逐步减少时，功放输出逐渐减小，直流电机转速减小；当D/A转换器输出OUT2为0V时，直流电机（理论上）停转；当D/A转换器输出从0V往-5V方向继续减少，功放输出负电压，直流电机开始反向转动，并逐渐增加转速，直到以最大速度反向转

16、动为止。直流电机光电测速机构输出的脉冲经过一级74LS14滤去毛刺并反向后送至模块中插孔F。直流电机的主要技术参数及要求见下表：编号项目技术要求1额定电压DC 6V2电压使用范围DC 4.2V7.5V3额定力矩8g.CM4额定电流140Ma5额定转速2400g±40r/min6空载电流50mA15步进电机单元（O）步进电机驱动电路原理如下图所示，其中采用一片74LS273（8位D触发器）的低4位输出Q1-Q4来锁存步进码值;一片ULN2003AN（7位OC门驱动器）来驱动步进电机。同时驱动四只LED发光管显示各相状态。图1-2-8步进电机控制原理图ULN2003NA提供7路反相电流驱

17、动，由于采用的步进电机驱动电压5V，所以2003的CPU+5脚接5V。用户编程控制步进电机时，应考虑到2003的反相效果。由于步进电机某相长时间通电流将引起电机发热（如自锁时），用户在电机空闲时应注意将各相电流断开。本实验机采用了20BY0步进电机，其参数如下：步距角15度相位4驱动电压5V额定电流0.21A点保持转距50g·cm启动力矩10g·cm16温度测控模块单元（M）提供温度测量/控制模块的控制信号和测温放大电路。加热控制信号由74LS273（8位D触发器）的输出Q5控制，高电平为加热，低电平为停止加热，加热时M单元的LED灯亮。图1-2-9温度模块原理图测温放大电

18、路输出电压经放大送至本单元的插孔VT。使用A/D转换器采样VT的值，以表格的形式列出温度与输出电压对应关系。调节精密可调电位器WC31的值可以实现调零。第二章 控制工程基础实验项目实验一 典型环节的模拟研究一. 实验要求了解和掌握各典型环节的传递函数及模拟电路图，观察和分析各典型环节的响应曲线。二实验原理 (典型环节的方块图及传递函数)典型环节名称方 块 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）三实验内容及步骤在实验中欲观测实验结果时，可用普通示波器，也可选用本实验机配套的虚拟示波器。如果选用虚拟示波器，只要运行WAVE程序即可，WA

19、VE程序的详细使用说明见WAVE软件的帮助文本。1观察比例环节的阶跃响应曲线典型比例环节模似电路如图2-1-1所示，该环节用A和C单元构建；在A单元中分别选取R1=100K和R1=200K的反馈阻值。图2-1-1 典型比例环节模似电路实验步骤：（1）将信号发生器（U）的插针TD2用“短路套”短接，使模拟电路中的场效应管夹断，这时运放处于工作状态。注：TB41不能用“短路套”短接！（2）构造05V阶跃信号：I单元中的电位器右上边用短路套短接GND，G单元中的OV/5V测孔连线到I单元的RN1测孔，按下G单元中的按键，在I单元中的电位器中心KV测孔可得到阶跃信号输出，其值为OV5V可调。（3）反馈

20、阻值R1=100K时，A单元中的TA15和TA112用“短路套”短接，C单元中的TA36和TA313用“短路套”短接；反馈阻值R1=200K时，A单元中的TA15和TA111用“短路套”短接，C单元中的TA36和TA313用“短路套”短接。（4）把A单元的AOUT1测孔连线到C单元的1H3测孔；将模拟电路输入端Ui（1H1）与阶跃信号的输出KV相联接；模拟电路的输出端Uo（AOUT3）接至示波器。（5）按下G单元中按钮时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo（t）,且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果, 它们的理想曲线和实际响应曲线见表2-1-1。2观察惯性环节的阶跃响应曲线典型惯性环节模

21、似电路如图2-1-2所示，该环节用D，C单元构建；在D单元中分别选取C=1uf和C=2uf的反馈值。图2-1-2 典型惯性环节模似电路实验步骤： （1）信号发生器（U）的插针TD2用“短路套”短接，使模拟电路中的场效应管夹断，这时运放处于工作状态。注：TB41不能用“短路套”短接！（2）构造05V阶跃信号：I单元中的电位器右上边用短路套短接GND，G单元中的OV/5V测孔连线到I单元的RN1测孔，按下G单元中的按键，在I单元中的电位器中心KV测孔可得到阶跃信号输出，其值为OV5V可调。 （3）反馈值C=1uf时，D单元中的TA43、TA412和TA49用“短路套”短接，C单元中的TA36和TA

22、313用“短路套”短接。反馈值C=2uf时，D单元中的TA43、TA412和TA48用“短路套”短接，C单元中的TA36和TA313用“短路套”短接。（4）把D单元的AOUT4测孔连线到C单元的1H3测孔；将模拟电路输入端（Ui）1H4与阶跃信号的输出KV相连接；模拟电路的输出端（Uo）AOUT3接至示波器。（5）按下G单元中按钮时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo（t）,且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果, 它们的理想曲线和实际响应曲线见表2-1-1。3观察积分环节的阶跃响应曲线典型积分环节模似电路如图1-1-3所示，该环节用D，C单元构建；在D单元中分别选取C=1uf和C=2uf

23、的反馈值。图1-1-3 典型积分环节模似电路实验步骤： （1）将信号发生器（U）的插针TD2用“短路套”短接，使模拟电路中的场效应管夹断，这时运放处于工作状态。注：TB41不能用“短路套”短接！（2）构造05V阶跃信号：I单元中的电位器右上边用短路套短接GND，G单元中的OV/5V测孔连线到I单元的RN1插孔，按下G单元中的按键，在I单元中的电位器中心KV测孔可得到阶跃信号输出，其值为OV5V可调。 （3）反馈值C=1uf时，D单元中的TA43和TA49用“短路套”短接，C单元中的TA36和TA313用“短路套”短接。 反馈值C=2uf时，D单元中的TA43和TA48用“短路套”短接，C单元中

24、的TA36和TA313用“短路套”短接。（4）把D单元的AOUT4测孔连线到C单元的1H3测孔，将模拟电路输入端（Ui）1H4与阶跃信号的输出KV相连接；模拟电路的输出端（Uo）AOUT3接至示波器。（5）按下G单元中按钮时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo（t）,且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果, 它们的理想曲线和实际响应曲线见表2-1-1。在作该实验时很容易积分饱和，所以有时需要放电。原则上是做一次放一次。放电操作:U单元中TB41和TD2用短路套短接，将KD1的波段开关置于最左端（阶跃档），等待几秒钟后放电完成，然后将TB41的短路套拔下。以后实验若再用到放电，方法同上。4观

25、察比例积分环节的阶跃响应曲线典型比例积分环节模似电路如图2-1-4所示，该环节用B，D单元构建；在B或D单元中分别选取C=1uf和C=2uf的反馈值.。图2-1-4 典型比例积分环节模似电路实验步骤：（1）将信号发生器（U）的插针TD2用“短路套”短接，使模拟电路中的场效应管夹断，这时运放处于工作状态。注：TB41不能用“短路套”短接！ （2）构造05V阶跃信号：I单元中的电位器右上边用短路套短接GND，G单元中的OV/5V测孔连线到I单元的RN1插孔，按下G单元中的按键，在I单元中的电位器中心KV测孔可得到阶跃信号输出，其值为OV5V可调。 （3）反馈值C=1uf时，B单元中的TA24和TA

26、210用“短路套”短接，D单元中的TA45和TA413用“短路套”短接；把B单元的AOUT2测孔连线到D单元的1H4测孔。反馈值C=2uf时，D单元中的TA43和TA410用“短路套”短接，B单元中的TA26和TA213用“短路套”短接；把D单元的AOUT4测孔连线到B单元的1H2测孔。（4）将模拟电路输入端（Ui）1H2/1H4与阶跃信号的输出KV相联接；模拟电路的输出端（U0）AOT4/AOUT2接至示波器。（5）按下G单元中按钮时，用示波器观测输出端的实际响应曲线U0（t）,且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果, 它们的理想曲线和实际响应曲线见表11。在作该实验时很容易积分饱和，所以

27、有时需要放电，放电方法同上。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似电路如图2-1-5所示，该环节用C，A单元构建；在A单元中选取R1=20K的反馈阻值.。图2-1-5 典型比例微分环节模似电路实验步骤：。（1）将信号发生器（U）的插针TD2用“短路套”短接，使模拟电路中的场效应管夹断，这时运放处于工作状态。注：TB41不能用“短路套”短接！（2）构造05V阶跃信号：I单元中的电位器右上边用短路套短接GND，G单元中的OV/5V测孔连线到I单元的RN1插孔，按下G单元中的按键，在I单元中的电位器中心KV测孔可得到阶跃信号输出，其值为OV5V可调。 （3）反馈阻值R1=20K时，A单

28、元中的TA11和TA17用“短路套”短接，C单元中的TA36和TA313用“短路套”短接；把A单元的AOUT1测孔连线到C单元的1H3测孔。（4）将模拟电路输入端（Ui）1H1与阶跃信号的输出KV相联接；模拟电路的输出端（Uo）AOUT3接至示波器。（5）按下G单元中按钮时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo（t）,且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果.它们的理想曲线和实际响应曲线见表2-1-1.。注：由于虚拟示波器的频率限制，在作比例微分实验时所观察到的现象不明显，需要用普通示波器来观察。调整方法：将R0=200K调整为R0=430K或者R0=330K,以此来延长积分时间,得到明显的效

29、果图。6观察PID（比例积分微分）环节的响应曲线PID（比例积分微分）环节模似电路如图2-1-6所示，该环节用B，D单元构建；在B单元或D单元中分别选取R1=10K和R1=20K的反馈阻值。图2-1-6PID（比例积分微分）环节模似电路实验步骤： （1）将信号发生器（U）的插针TD2用“短路套”短接,TB41用“短路套”短接，将KD1波段开关置于“阶跃信号”档，信号周期由波段开关KD2“调频”旋钮调节，信号幅度由“调幅”旋钮调节，以信号幅值小、信号周期较长比较适宜（频率在6.6HZ左右,幅度在660mV左右）。B4OUT端的输出电压即为阶跃信号电压。（2）反馈阻值R1=10K时，B单元中的TA

30、26和TA28用“短路套”短接，D单元中的TA45和TA413用“短路套”短接；把B单元的AOUT2测孔连线到D单元的1H4测孔。反馈阻值R1=20K时，D单元中的TA45和TA46用“短路套”短接，B单元中的TA26和TA213用“短路套”短接；把D单元的AOUT4测孔连线到B单元的1H2测孔。(3) 将U单元所产生的周期性方波信号B4OUT加到PID环节的输入端（Ui）1H2测控，用示波器观测PID输出端（Uo）AOUT4，改变电路参数，重新观察并记录。（本书中所有实验图形都是由TEK数字示波器观察得到的，仅供参考）。 表2-1-1 典型环节的阶跃响应曲线典型环节传递函数参数与模拟电路参数

31、关系单位阶跃响应实际阶跃响应曲线一、比例二、惯性表2-1-1（续）典型环节传递函数参数与模拟电路参数关系单位阶跃响应实际阶跃响应曲线三、积分C=1UFC=2UF四、比例积分C=1UFC=2UF表2-1-1（续）五、比例微分六、比例微分积分理想：实验二 典型系统瞬态响应和稳定性一实验要求了解和掌握典型二阶和三阶系统的传递函数和模拟电路图。观察和分析典型二阶系统在欠阻尼、临界阻尼、过阻尼的响应曲线及典型三阶系统在发散、等幅振荡、衰减振荡的响应曲线。二实验原理1. 典型二阶系统的方块图及传函数图2-2-1是典型二阶系统原理方块图，其中T0=1S，T1=0.1S，K1分别为10、5、2.5、1。图2-

32、2-1 典型二阶系统原理方块图开环传函：G（S）=K1/S(T1S+1)=K1/S(0.1S+1)闭环传函：表2-2-1列出有关二阶系统在三种情况（欠阻尼，临界阻尼，过阻尼）下具体参数的表达式，以便计算理论值。至于推导过程请参照有关原理书。表2-2-1 二阶系统在三种情况（欠阻尼，临界阻尼，过阻尼）下的表达式 一种情况各参数0<<1=1>1 K12. 典型三阶系统的方块图及传函数典型三阶系统的方块图见图2-2-2。图2-2-2 典型三阶系统的方块图开环传递为：开环传递函数G(S)H(S)=系统的特征方程为由ROUTH 判据，得三实验内容及步骤在实验中欲观测实验结果时，可用普通

33、示波器，也可选用本实验机配套的虚拟示波器。如果选用虚拟示波器，只要运行WAVE程序即可，WAVE程序的详细使用说明见WAVE软件的帮助文本。注：在观察中，如用户按了实验板上的“RST”键，则必须重复上述过程，才可继续观察。1典型二阶系统瞬态性能指标的测试典型二阶系统模似电路见图2-2-3。 该环节用B、D和C单元构建；在C中分别选取输入电阻R=10K、39K和100K。图2-2-3 典型二阶系统模似电路图实验步骤： （1）将信号发生器（U）的插针TD2用“短路套”短接，使模拟电路中的场效应管夹断，这时运放处于工作状态。注：TB41不能用“短路套”短接。（2）构造05V阶跃信号：I单元中的电位器

34、右边用短路套短接GND，G单元中的OV/5V测孔连线到I单元的RN1插孔，按下G单元中的按键，在I单元中的电位器中心KV测孔可得到阶跃信号输出KV，其值为OV5V可调。（3）反馈阻值R1=10K时，B单元中的TA24和TA211用“短路套”短接，D单元中的TA41和TA48用“短路套”短接，C单元中的TA36、TA38和TA314用“短路套”短接；把B单元的AOUT2测孔连线到D单元的1H4测孔；把D单元的AOUT4测孔连线到C单元的1H3测孔；把C单元的F3测孔连线到B单元的1IN2测孔。反馈阻值R1=39K时，只须把C单元中的TA36、TA38和TA314改成TA34、TA38和TA314

35、用“短路套”短接。反馈阻值R1=100K时，只须把C单元中的TA36、TA38和TA314改成TA33、TA38和TA314用“短路套”短接。（4）将模拟电路输入端（Ui）1H2测孔与阶跃信号的输出KV相联接；模拟电路的输出端（Uo）AOUT3接至示波器。（5）按下G中按钮时，用示波器观察在三种情况下的系统阶跃响应C（t），并记录超调量MP，峰值时间tp和调节时间ts。并将测量值和计算值（实验前必须按公式计算出）进行比较。参数取值及响应曲线，详见表2-2-2。注意：在作欠阻尼阶跃响应实验时，如果无法很明显的观察到正确的衰减振荡图形，此时可适当调节参数。调节方法：减小R=10K的阻值，延长衰减时

36、间（参考参数：R=2K）。表2-2-2二阶系统在三种情况（欠阻尼，临界阻尼，过阻尼）下的阶跃相应曲线参数项目R()K(1/S)Wn(1/S)MP(%)tp(S)ts(S)实测阶跃相应曲线测量值 计算值测量值 计算值测量值计算值0<<1欠阻尼阶跃响应为衰减振荡1010101.2120 250.4 0.360.75 0.8=1临界阻尼阶跃响应为单调指数曲线40255111.15>1过阻尼响应为单调指数曲线100111515.6注意：为图形统一，所以提供的图形都是向上振荡的但该实验实际情况是当阶跃信号键按下时向下振荡，按键抬起时向上振荡。2典型三阶系统的性能典型三阶系统模拟电路图见

37、图2-2-4。该环节用B、D、C、A、E单元构建；在A单元中分别选取输入电阻R=30K、43K和100K，改变系统开环增益。图2-2-4 典型三阶系统模拟电路图实验步骤： （1）将信号发生器（U）的插针TD2用“短路套”短接，使模拟电路中的场效应管夹断，这时运放处于工作状态。注：TB41不能用“短路套”短接！ （2）构造05V阶跃信号：I单元中的电位器右边用短路套短接GND，G单元中的OV/5V测孔连线到I单元的RN1插孔，按下G单元中的按键，在I单元中的电位器中心KV测孔可得到阶跃信号输出，其值为OV5V可调。（3）输入电阻R=30K时，B单元中的TA24和TA211用“短路套”短接，D单元

38、中的TA41和TA48用“短路套”短接，C单元中的TA33和TA38用“短路套”短接，A单元中的TA12、TA110和TA19用“短路套”短接；把B单元的AOUT2测孔连线到D单元的1H4测孔，把D单元的AOUT4测孔连线到C单元的1H3测孔，把C单元的AOUT3测孔连线到A单元的1H1测孔。输入电阻R=43K时，只须把A单元中的TA12、TA110和TA19改成TA13、TA110和TA19用“短路套”短接。输入电阻R=100K时，只须把A单元中的TA12、TA110和TA19改成TA14、TA110和TA19用“短路套”短接。 取一只10K电阻跨接在E单元的AOUT5和1IN5测孔之间，取

39、一只10K电阻跨接在E单元的1IN5和A单元的AOUT1测孔之间；取一只200K电阻跨接在E单元的AOUT5和B单元的1IN2测孔上。（4）将模拟电路输入端（Ui）与阶跃信号的输出KV相联接；模拟电路的输出端（Uo）接至示波器。（5）按下G中按钮时，用示波器观察系统阶跃响应C（t）,测量并记录超调量MP，峰值时间tp和调节时间ts。响应曲线波形详见表2-2-3中。注意：为了精确得到表2-2-3中“不稳定（发散）、临界振荡（等幅振荡）、稳定（衰减振荡）”的波形，可用J单元中电位器WHA52（330K）替代A单元的输入电阻R，然后仔细调整WHA52值即可。 替代方法：把跨接在A单元1H1和1IN1

40、之间的短路套TA12取去，WHA52的两端测孔分别连线到A单元的1H1和1IN1测孔上。表2-2-3 R值和系统的阶跃响应曲R()K输出波形稳定性3017不稳定（发散）42.611.96临界稳定（等幅振荡）1005.1稳定（衰减振荡）实验三 系统校正一实验要求了解和掌握校正的理论和意义，观察和分析校正系统和非校正系统的响应曲线。二实验原理1. 未校正系统的原理方块图：见图1-3-1所示：图2-3-1 未校正系统的原理方块图由闭环传函要求设计串联校正装置，使系统满足下述性能指标：由理论推导得到（可参照有关自控原理书），校正网络的传递函数为：2校正后系统的原理方块图：如图2-3-2所示：图2-3-

41、2 校正后系统的方块图三实验内容及步骤在实验中欲观测实验结果时，可用普通示波器，也可选用本实验机配套的虚拟示波器。如果选用虚拟示波器，只要运行WAVE程序即可，WAVE程序的详细使用说明见WAVE软件的帮助文本。注：在观察中，如用户按了实验板上的“RST”键，则必须重复上述过程，才可继续观察。1测量未校正系统的性能指标未校正系统的模拟电路图见图2-3-3。该环节用D、A、B和E单元构建。图2-3-3 未校正系统的模拟电路图实验步骤： （1）将信号发生器（U）的插针TD2用“短路套”短接，使模拟电路中的场效应管夹断，这时运放处于工作状态。注：TB41不能用“短路套”短接！（2）构造05V阶跃信号

42、：I单元中的电位器右边用短路套短接GND，G单元中的OV/5V测孔连线到I单元的RN1插孔，按下G单元中的按键，在I单元中的电位器中心KV测孔可得到阶跃信号输出，其值为OV5V可调。（详见附录）（3）D单元中的TA43和TA412用“短路套”短接，A单元中的TA14、TA110和TA19用“短路套”短接，B单元中的TA23和TA29用“短路套”短接；把D单元的AOUT4测孔连线到A单元的1H1测孔，把A单元的AOUT1测孔连线到B单元的1H2测孔。取一只200K电阻跨接在B单元的AOUT2测孔和D单元的1IN4测孔上。（4）将模拟电路输入端（Ui）1H4与阶跃信号的输出KV相联接；模拟电路的输

43、出端（Uo）AOUT2测孔接至示波器。（5）按下G中按钮时，用示波器观察系统阶跃响应C（t）,测量并记录超调量MP，峰值时间tp和调节时间ts。响应曲线波形详见表2-3-1中。2测量校正系统的性能指标校正后系统模拟电路见图2-3-4。该环节用D、C、A、B、E单元构建。图2-3-4 校正后系统模拟电路实验步骤： （1）将信号发生器（U）的插针TD2用“短路套”短接，使模拟电路中的场效应管夹断，这时运放处于工作状态。注：TB41不能用“短路套”短接！（2）构造阶跃信号：I单元中的电位器右边用短路套短接GND，G单元中的OV/5V测孔连线到I单元的RN1插孔，按下G单元中的按键，在I单元中的电位器

44、中心KV测孔可得到阶跃信号输出，其值为OV5V可调。（3）D单元中的TA43和TA412用“短路套”短接，C单元中的TA32和TA37用“短路套”短接，A单元中的TA14、TA110和TA19用“短路套”短接，B单元中的TA23和TA29用“短路套”短接；把D单元的AOUT4测孔连线到C单元的1H3测孔，把C单元的AOUT3测孔连线到A单元的1H1测孔，把A单元的AOUT1测孔连线到B单元的1H2测孔。取一只10K电阻跨接在E单元的1IN5测孔和B单元的AOUT2测孔之间，取一只10K电阻跨接在E单元的1IN5和AOUT5测孔之间；取一只200K电阻跨接在E单元的AOUT5测孔和D单元的1IN

45、4测孔之间。（4）将模拟电路输入端（Ui）1H4与阶跃信号的输出KV相联接；模拟电路的输出端（U0）AOUT2接至示波器。（5）按下G中按钮时，用示波器观察系统阶跃响应C（t）,测量并记录超调量MP,峰值时间tp和调节时间ts。响应曲线波形详见表2-3-1中。3具体参数及响应曲线具体参数及响应曲线参见表2-3-1。表2-3-1具体参数及响应曲线 参数项目MP（%）ts(S)响 应 曲 线未校正0.64校正后0.20.8注意：为图形统一，所以提供的图形都是向上振荡的，但该实验实际情况是在未校正时，按键按下时向下振荡，按键抬起时向上振荡。在校正后与提供的图形一致。实验四 控制系统的频率特性一. 实

46、验要求了解和掌握控制系统的频率特性，学会测量开环对数幅频曲线和相频曲线。二实验原理被测系统的方块图见图2-4-1。图2-4-1 被测系统方块图系统（环节）的频率特性G（jw）是一个复变量，可以表示成以角频率为参数的幅值和相角：G（j）=| G（j）|/G(j) (2-4-1)本实验应用频率特性测试仪测量系统或环节的频率特性。图1-4-1所示系统的开环频率特性为： （2-4-2）(2-4-3)采用对数幅频特性和相频特性表示，则式（1-4-2）表示为：（2-4-4）将频率特性测试仪内信号发生器产生的超低频正弦信号的频率从低到高变化，并施加于被测系统的输入端r（t），然后分别测量相应的反馈信号b（t

47、）和误差信号E（t）的对数幅值和相位。频率特性测试仪测试数据经相关器运算后在显示器中显示。根据式（2-4-3）和式（2-4-4）分另计算出各个频率下的开环对数值和相位，在半对数座标纸上作出实验曲线：开环对数幅频曲线和相频曲线。根据实验开环对数幅频曲线画出开环对数幅频曲线的渐近线，再根据渐近线的斜率和转角频确定频率特性（或传递函数）。所确定的频率特性（或传递函数）的正确性可以由测量的相频曲线来检验，对最小相位系统而言，实际测量所得的相频曲线必须与由确定的频率特性（或传递函数）所画的理论相频曲线在一定成度上相符。如果测量所得的相位在高频（相对于转角频率）时不等于-900C（q-p）式中p和q分别表

48、示传递函数分子和分母的阶次，那么，频率特性（或传递函数）必定是一个非最小相位系统的频率特性。三实验内容及步骤在实验中欲观测实验结果时，可用普通示波器，也可选用本实验机配套的虚拟示波器。如果选用虚拟示波器，只要运行WAVE程序即可，WAVE程序的详细使用说明见WAVE软件的帮助文本。注：在观察中，如用户按了实验板上的“RST”键，则必须重复上述过程，才可继续观察。1测量系统的开环对数幅频曲线和相频曲线。被测系统的模拟电路图见图2-4-2。该环节用A、B和P（数模转换）单元构建。图2-4-2 被测系统的模拟电路图实验步骤：（1）信号发生器（U）的插针TD2插针用“短路套”短接，使运算放大器反馈网络

49、上的场效应管夹断，这时运放处于工作状态。注：TB41不能用“短路套”短接！（2）A单元中的TA11和TA113用“短路套”短接，B单元中的TA25、TA29和TA212用“短路套”短接，把A单元的AOUT1测孔连线到B单元的1H2测孔。（3）将P数模转换单元的OUT1接A单元的输入端1H1测孔，并接虚拟示波器的通道1。（4）B单元中的AOUT2接虚拟示波器的通道2。（用示波器观察系统各环节波形，避免系统进入非线性状态）（5）在DVCCZK2实验软件环境下，运行文件8SIN.C，然后，关闭DVCCZK2软件窗口。（6）再运行WAVE程序。（7）存储波型。方法是从前面直线位置开始点击存储，即开始存

50、储波型，直到后面又出现直线时点击开关按钮，结束存储。（8）点击右键菜单中显示幅频相频特性曲线，即在示波器窗口中显示幅频相频特性曲线。（9）测量系统误差信号e（t）的幅值（对数幅值，单位为分贝）和相位（度），并记录测量结果。（10）测量反馈信号b（t）的幅值（分贝）和相位（度）增量反馈信号b（t）的幅值（分贝）和相位（度）。2实验数据处理及绘制被测系统的开环对数幅频曲线和相频曲线实验中，由于传函是经拉氏变换推导出的，而拉氏变换是一种线性积分运算，因此它适用于线性定常系统工程，所以必须用示波器观察系统各环节波形，避免系统进入非线性状态。 根据曲线，求出系统的传函：其中系统开环传函为实验中，由于系统

51、误差和A/D转换的误差，所以每次所得的结果会有一点偏差，如果想得到理想的效果可以用T部分的正弦波做为信号源，调节调频调幅旋钮来产生不同频率的正弦波，然后用示波器比较输出和输入信号的幅度和相位的差异，自行绘出幅频相频曲线。实验五 典型非线性环节一实验要求了解和掌握典型非线性环节的原理，观察和分析典型非线性环节的输出特性。二实验原理实验以运算放大器为基本元件，在输入端和反馈网络中设置相应元件（稳压管、二极管、电阻和电容）组成各种典型非线性的模拟电路。1继电特性理想继电特性如图2-5-1所示，图中M值等于双向稳压管的稳压值。图2-5-1 理想继电特性2饱和特性理想饱和特性见图2-5-2所示，图中M值

52、等于双向稳压管的稳压值，斜率K等于前一级反馈电阻值与输入电阻值之比，即： K=Rt/R图2-5-2 理想饱和特性3死区特性死区特性如图2-5-3所示，图中特性的斜率K为：死区式中R2的单位K，且R2=R1。（实际还应考虑二极管的压降值）图2-5-3 死区特性4间隙特性间隙特性如图2-5-4所示，图中空间特性的宽度（OA）为： （2-5-1） 式中R2的单位为K，（R2=R1）。特性斜率tg为： (2-5-2)根据式（2-5-1）和（2-5-2）可知道，改变R2和R1可改变空回特性的宽度；改变或值可调节特性斜率（tg）。图2-5-4 间隙特性三实验步骤及内容在实验中欲观测实验结果时，可用普通示波

53、器，也可选用本实验机配套的虚拟示波器。如果选用虚拟示波器，只要运行WAVE程序即可，WAVE程序的详细使用说明见WAVE软件的帮助文本。注：在观察中，如用户按了实验板上的“RST”键，则必须重复上述过程，才可继续观察。1测量继电特性继电特性模拟电路见图2-5-5。该环节用A、A、A和单元构建。图2-5-5 继电特性模拟电路实验步骤：（1）将信号发生器（U）的插针TD2用“短路套”短接，使模拟电路中的场效应管夹断，这时运放处于工作状态。注：TB41 不能用“短路套”短接！（2）搭接-5V+5V输入信号：I单元中的电位器左边用短路套短接VF+5V，右边用短路套短接VF-5V，在I单元中的电位器中心KV测孔可得到-5V +5V可调信号输出。（3）A单元中的TA15和TA110用“短路套”短接，C单元中的TA36和TA39用“短路套”短接，D单元中的TA45和TA413用“短路套”短接；把A单元的AOUT1测孔连线到C