武大电气2017自控实验指导书(节选)_看图王

1、自 动 控 制 原 理实 验 指 导 书<节选>武汉大学电气工程学院自动控制原理教学小组编2017 年 9 月由于参加实验的同学较多，为方便大家实验，特申明实验要求：1、 为确保教学质量，请各班学习委员合理沟通与安排，每次实验不能超过 40 人，2人一组。2、 各位同学请按安排好的时间参加实验，时间无法错开的同学最好与其他同学调换，调换需要有对应的同学，不允许自己随意参加。3、 请同学们带纸质实验指导书参加实验，提

2、前预习实验内容。4、 到达实验地点（11 教 11602 室）后，请同学们签到，不允许代签。在提交实验报告时必须注明所在组别和小组成员（每组 2 名同学），否则成绩无效。5、 没有三次签到记录，提交实验报告的同学一律不登记成绩。6、 实验报告需要在 10 月 20 号以前提交纸质版本。7、 实验报告应包括实验接线图，注明实验参数和传递函数，给出实验曲线，分析实验结果，回答实验思考题，每个实验具体要求详见实验指导书。8、 实验时遵照老师要求，爱护实验设备，保

3、持安静整洁，不在实验室进餐，吃零食、闲聊，不乱扔垃圾，垃圾入篓。9、 请各位同学杜绝雷同及抄袭，否则以学术不端处理。实验课安排：第一次实验课内容：实验一、实验二第二次实验课内容：实验五、实验六第三次实验课内容：实验七1目录第一部分实验系统概述 .1第一章硬件的组成及使用.2第二章上位机软件的使用.4第二部分实验指导 .8实验一典型环节的电路模拟.9实验二二阶系统的瞬态响应.17实验五典型环节和系统频率特性的测量.20实验六线性定常系统的串联校正.26实验七单闭环直流调速系统.33附录：实验报告封面 .382第一部分实验系统概述自控原理实验系统采用浙江天煌

4、教仪公司生产的“THKKL-B 型模块化自控原理实验系统”。该实验系统具有实验功能全、资源丰富、使用灵活、操作快捷、维护简单等优点。该实验系统具备平台化。它提供了一个基础实验平台，包括实验模块接口、各种信号源和阻容器件等资源；具备开放性和扩展性，能容纳更多的实验项目。该实验系统具备模块化。由于实验模块接口的标准化，能很方便的增加实验模块。该实验系统由实验平台、实验模块、独立的实验对象和上位机软件组成。实验平台主要由直流稳压电源、阶跃信号发生器、低频函数信号发生器、低频频率计、交/直流数字电压表、电阻测量单元、电位器组、实验模块接口等组成。实验模块包括基础实验模块、微控制器模块、实物对

5、象模块和数据采集模块。数据采集模块，采用 USB2.0 接口，有 4 路单端 A/D 模拟量输入，转换精度为 12 位；2 路 D/A 模拟量输出，转换精度为 12 位；上位机软件使用 Labview 编写，集成了虚拟示波器、信号发生器、Bode 图、Nyquist 图等多种功能。在实验设计上，控制理论既有模拟部分的实验，又有离散部分实验；既有经典控制理论实验，又有现代控制理论实验；计算机控制系统除了常规的实验外，还增加了当前

6、工业上应用广泛、效果卓著的模糊控制、神经元控制、二次型最优控制等实验。1第一章硬件的组成及使用自控实验系统由实验平台、实验模块、数据采集卡组成。一、实验平台1. 直流稳压电源直流稳压电源主要用于控制各实验模块的电源开关。有±5V/0.5A、±15V/0.5A 及+24V/2.0A，它们的开关分别由相应的钮子开关控制，并由发光二极管指示。实验前，启动实验平台的电源总开关。并根据需要将±5V、±15V、+24V 钮子开关拔到“开”的位置。2. 直流可调恒流源输出范围 020mA，使用时把钮子开关拨到开，通过旋

7、钮调节输出信号的大小。3. 阶跃信号发生器阶跃信号发生器：可分别输出 0.5V、1V、2V、3V、4V、5V 的电压信号。使用时先选择电压档位；当按下自锁按钮时，输出端输出阶跃信号，当弹起自锁按钮时，输出端输出电压为0V。阶跃信号发生器：其输出电压范围约为-5V+5V，正负档连续可调。使用时根据需要可选择正输出或负输出，通过该单元的钮子开关选择。当按下自锁按钮时，输出端输出一个可调的阶跃信号(当输出电压为 1V 时，即为单位阶跃信号)；当弹起自锁按钮时，输出端输出电压为 0V。4. 低频函数信号发生器输出正弦波、方波、三角波

8、、斜坡、抛物波五种波形，输出频率范围 0.1Hz10kHz，幅值为 015VP-P 连续可调。5. 低频频率计低频频率计是由单片机 89C2051 和六位共阴极 LED 数码管设计而成的，具有输入阻抗大和灵敏度高的优点。其测频范围为：0.1Hz9.999kHz。低频频率计主要用来测量函数信号发生器或外来周期信号的频率。使用时先将低频频率计的电源钮子开关拔到“开”的位置，然后根据需要将测量钮子开关拔到“外测”(此时通过“输入”和“地”输入端输入外来周期信号)或“内测”(此时测量低频函数信号发生器输出信号的频率)。另外

9、本单元还有一个复位按钮，以对低频频率计进行复位操作。注：将“内测/外测”开关置于“外测”时，而输入接口没接被测信号时，频率计有时会显示一定数据的频率，这是由于频率计的输入阻抗大，灵敏度高，从而感应到一定数值的频率。此现象并不影响内外测频。6.交/直流数字电压表交/直流数字电压表有三个量程，分别为 200mV、2V、20V。通过交直流选择按键选择交流或直流测量功能。交流毫伏表具有频带宽（10Hz400kHz）、精度高（1kHz 时：±5）和真有效值测量的特点，即使测量窄脉冲信号，也能测得其精确的有效值，其适用的波峰因数范围可达到 10。二、实验模块实验模块

10、包括基础实验模块、微控制器模块、实物对象模块。1. 基础实验模块2基础实验模块用于组建实验所需的模拟电路，实验模块是结合实验项目而设计的，实验时要选择相应的实验模块插到实验平台上再进行实验；每个实验所用实验模块具体依实验中所述。实验模块上包含运放、电阻、电容、电位器等器件；有 5 个插脚，提供实验模块所需的±5V、±15V、 GND 等电源信号。实验模块上有“锁零单元”，用于对模拟电路中的积分环节的电容放电。锁零单元有“手动”和“自动”两种控制方式。手动时，当锁零按钮按下后，锁零电路导通对积分电容放电，当锁零按钮弹起后，锁零

11、电路断开并可以开始实验。自动时，通过外接控制信号到“UI”端可以控制锁零电路锁零；本设备每个实验中，使用数据采集卡的“D03”作为自动锁零信号的输出端，实验时用一根 2 号导线连接数据采集卡的 D03 和实验模块锁零单元的 UI，就可以实现使用上位机软件中的“锁零”按钮控制模拟电路的锁零。2. 微控制器模块主要用于计算机控制实验部分。主要由单片机（AT89S52）、AD 采集芯片（AD7366，四路12 位，电压范围：-10V+10V）和 DA 输出芯片（LTC1446，两路 12&#

12、160;位，电压范围：-10V+10V）三部分组成。3. 实物对象模块包括直流电机控制模块、步进电机控制模块和温度控制模块。使用方法详见具体实验。三、数据采集卡数据采集卡的“AO1、AO2”，是单端模拟量输出端口，能输出正弦波、方波、斜波、抛物波等四种波形，频率范围为 0.1HZ50Hz，幅度为 018VP-P 可调。数据采集卡的“AI1、AI2、AI3、AI4”，是单端模拟量输入端口，采样速率为 9kb/s，转换精度 12bit，输入范围为-10V+10V。数据采集卡的“C”是计数器端口（32bit）；“D01D12”是可编程

13、60;I/O 口（与 CMOS、TTL 电平兼容）。注意事项：1每次连接线路前要关闭电源总开关。2按照实验指导书连接好线路后，仔细检查线路是否连接正确、电源有无接反。如确认无误后方可接通电源开始实验。3第二章上位机软件的使用1.打开桌面上的的“自控原理软件”，选择“THKKL-B 型”数据采集卡，进入实验目录界面。实验包含三类实验项目：控制理论实验、计算机控制实验和对象实验。2.点击实验项目后进入相应的实验界面，如点击“典型环节的电路模拟”显示如下：43.点击“实验电路”和“程序分解”可分别看到相关的实验电路和程序模块，如下图所示。4.在“实验测试面板”

14、中，点击以下功能按钮可以完成相应操作（1）点击“开始”，开始采集数据。（2）点击“锁零”，数据采集卡的 DO3 输出锁零信号（用于实验模块的自动锁零）；注意，点击“开始”后“锁零”按钮才起作用；在停止实验之前，请使锁零按钮处于解锁状态。（3）点击“报告”，自动生成实验报告。（4）点击“保存”，保存实验结果的图像。（5）点击“打印”，打印整个实验界面。（6）点击“主页”，返回实验目录界面。（7）点击“输出”，数据采集卡的 AO1 输出设定的电压值。注意，点击“开始”后“输出”按钮才起作用；在停止实验之前，请关闭输出按钮。“线性定常系统的稳态误差实验面板中，

15、 波形选择”框中，选择波形即可输出相应的信号（点5击“开始”后选择波形才有输出；在停止实验之前，请选择波形为无）。5.在“实验窗口”中，实验结果显示方式有：曲线显示、游标显示和采集信号显示，如下图所示。注意：上图中的所示的“输入信号”“输出信号”是针对实验电路或实物对象而言；“输入信号”即实验电路的输入信号，“输出信号”即实验电路的输出信号。上图中，点击“”和“”，可以分别更改曲线的属性，右键点击“曲线可见”可以使曲线显示或不显示。对于 X、Y 轴的显示范围，可以任意更改其最大值和最小值以方便观测实验曲线。如图中X 轴的显示范围为 01000，

16、界面中只能显示 10 秒之内的曲线，若想要显示更长时间内的曲线，可以更改 X 轴的最大值；若想要放大显示某段时间的曲线可以更改 0 和 10 的值；Y 轴的显示范围同样可以修改。拖动游标 0 和游标 1，在图中可以实时显示游标的坐标值，实时显示两游标在 X 轴方向的t 和在 Y 轴方向的。在图中，鼠标右键点击“”和“”可以更改游标的属性。（点击鼠标右键，选择置于中间，游标会自动跳到当前示波器界面的中间位置）。66.在实验测试面

17、板中，参数设定界面如下图：在图中，点击“采集通道”，可以更改数据采集的通道；点击“采集长度”和“采集频率”，可以更改其参数（默认已设置好，不建议更改）。“校零”：开始测量时，如果波形不在零点位置，可以在调零输入框中输入相应的值使波形处于零点位置。7.在实验测试面板中，通道显示界面如下图，图中可以看到实验中用到的输入、输出通道。“8.控制理论实验部分的“典型环节和系统频率特性的测量”实验；在此实验界面的“仿真”面板中，可进行电路的 Bode 图和 Nyquis 图的仿真。Numerator”栏填写分子系数，Denominator”栏填写分母系数；从左到右依

18、次是常数、1 次、2 次和 3 次的系数。78第二部分实验指导实验一典型环节的电路模拟一、实验目的1熟悉 THKKL-B 型模块化自控原理实验系统及“自控原理软件”的使用；2熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。二、实验设备1THKKL-B 型模块化自控原理实验系统实验平台，实验模块 CT01；2PC 机一台(含上位机软件)；3USB 接口线。三、实验内容1设计并组建各典型环节的模拟电路；2测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数

19、变化对其输出响应的影响。四、实验原理自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分有益。本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图如图 1-1 所示。图中 Z1 和Z2 表示由 R、C 构成的复数阻抗。图 1-1 典型环节的原理框图1 比例（P）环节比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。它的传递函数与方框图分别为：G(S) =U O (S)U&#

20、160;i (S)= K当 Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为 K 时的响应曲线如图 1-2 所示。图 1-2 比例环节的响应曲线2积分（I）环节积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。它的传递函数与方框图分别为：9G(s) =U O (S)U i (S)=1Ts设 Ui(S)为一单位阶跃信号，当积分系数为 T 时的响应曲线如图 1-3 所示。图 1-3 积分环节的

21、响应曲线3比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为：G(s) =UO (S)Ui (S)=R2CS +1R1CS=R2R1+1R1CS=R2R1(1+1R2CS)其中 T=R2C，K=R2/R1设 Ui(S)为一单位阶跃信号，图 1-4 示出了比例系数(K)为 1、积分系数为 T 时的 PI 输出响应曲线。图 1-4 比例积分环节的响应曲线4比例微分(PD)环节比例微分环节的传递函数与方框图分别为：G(s) = 

22、;K(1 + TS ) =R2R1(1 + R1CS)其中 K = R2 / R1,T = R1C设 Ui(S)为一单位阶跃信号，图 1-5 示出了比例系数(K)为 2、微分系数为 T 时 PD 的输出响应曲线。图 1-5 比例微分环节的响应曲线105比例积分微分(PID)环节比例积分微分(PID)环节的传递函数与方框图分别为：G(s) = Kp&

23、#160;+1TI S+ TD SR C  + R2C2其中 Kp =11R1C2， TI = R1C2 ，TD = R2C1=(R2C2S + 1)(R1C1S + 1)R1C2S=R2C2 + R1C1R1C2+1  + R2C1SR1C2S设 Ui(S)为一单位阶跃信号，图 1-6 示出了比例系数(K)为 1、微

24、分系数为 TD、积分系数为TI 时 PID 的输出。图 1-6 PID 环节的响应曲线6惯性环节惯性环节的传递函数与方框图分别为：G(s) =U O (S)U i (S)=KTS + 1当 Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且放大系数(K)为 1、时间常数为 T 时响应曲线如图 1-7 所示。图 1-7 惯性环节的响应曲线五、实验步骤1比例（P）环节根据比例环节的方框图，电

25、路图，用 CT01 实验模块组建相应的模拟电路，如图 1-8 所示。图 1-8 比例环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中 R0=200k。11C=10uF 时C=1uF 时数据采集卡的 AO1CT01 的 P1数据采集卡的 AO1CT01 的 P1CT01 的 P2CT01 的 P6CT01 的 P3CT01 的 P6CT01 的 P7数据采

26、集卡的 AI1CT01 的 P7数据采集卡的 AI1数据采集卡的 GNDCT01 的 GND数据采集卡的 GNDCT01 的 GND数据采集卡的 DO3（自动锁零时连接，手动不连接）CT01 的 UI数据采集卡的 DO3 自动（自动锁零时连接，手动不连接）CT01 的 UIR2=100k 时R2=200k 时数据采集卡的 AO1CT01 的 P1数据采集卡的 AO1C

27、T01 的 P1CT01 的 P5CT01 的 P6CT01 的 P4CT01 的 P6CT01 的 P7数据采集卡的 AI1CT01 的 P7数据采集卡的 AI1数据采集卡的 GNDCT01 的 GND数据采集卡的 GNDCT01 的 GND若比例系数 K=1 时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k。若比例系数 K=2 时，

28、电路中的参数取：R1=100k，R2=200k。接线表如下：打开上位机软件的“典型环节的电路模拟”界面。实验时，在“电压设定”框中输入电压值，点击“开始”按钮，点击“输出”按钮；在虚拟示波器界面中观察实验波形；点击“停止”按钮；完成实验。（以下不含锁零单元的电路操作方法相同）当 ui 为一单位阶跃信号时，用上位机软件观测并记录相应 K 值时的实验曲线，并与理论值进行比较。另外 R2 还可使用可变电位器，以实现比例系数为任意的设定值。注：为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件上的时间轴刻度，以下实验相同。2积分（I）环节根据积分环

29、节的方框图，用 CT01 实验模块组建相应的模拟电路，如图 1-9 所示。图 1-9 积分环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中 R0=200k。若积分时间常数 T=1s 时，电路中的参数取：R=100k，C=10uF(T=RC=100k×10uF=1s)；若积分时间常数 T=0.1s 时，电路中的参数取：R=100k，C=1uF(T=RC=100k×1uF=0.1s)；接线表如下：（注：由于实验电路中有积分环节，实验前一定要用“锁零单元”对积分电容进行锁零。&

30、#160;以下含锁零单元的电路操作方法相同）12锁零单元有“手动”和“自动”两种控制方式。同学们任选一种即可，推荐手动方式。自动时，通过外接控制信号到“UI”端可以控制锁零电路锁零；实验中，使用数据采集卡的“D03”作为自动锁零信号的输出端，实验时用一根 2 号导线连接数据采集卡的 D03 和实验模块锁零单元的 UI，就可以实现使用上位机软件中的“锁零”按钮控制模拟电路的锁零。“自动”时的实验操作如下：把模块底部的手自动钮子开关拨到自动；在“电压设定”框中输入电压值；点击“开始”按钮；点击软件界面上的“解锁”按钮点击“输出”按钮，在虚拟示波器界

31、面中观察实验波形；点击“停止”按钮；完成实验。（实验完成后及时锁零，对积分电容放电，点击软件界面上的“锁零”按钮）手动时，当锁零按钮按下后，锁零电路导通对积分电容放电，当锁零按钮弹起后，锁零电路断开并可以开始实验。“手动”时的实验操作如下：把模块底部的手自动钮子开关拨到手动；在“电压设定”框中输入电压值；点击“开始”按钮；按下硬件模块上的红色“解锁”按钮，使其弹起；点击“输出”按钮，在虚拟示波器界面中观察实验波形；点击“停止”按钮；完成实验。（实验完成后及时锁零，对积分电容放电，按下硬件模块上的红色“解锁”按钮，使其压下。）当 ui 为单位阶跃信号时，用上位机软件观测并记录

32、相应 T 值时的输出响应曲线，并与理论值进行比较。3比例积分(PI)环节根据比例积分环节的方框图，用 CT01 实验模块组建相应的模拟电路，如图 1-10 所示。图 1-10 比例积分环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中 R0=200k。RR，若取比例系数 K=1、积分时间常数 T=1s 时，电路中的参数取： 1=100k， 2=100k C=10uF(K=13C=10uF 时C=1uF 时数据采集卡的 AO1

33、CT01 的 P8数据采集卡的 AO1CT01 的 P8CT01 的 P9CT01 的 P11CT01 的 P10CT01 的 P11CT01 的 P12CT01 的 P15CT01 的 P12CT01 的 P15CT01 的 P16数据采集卡的 AI1CT01 的 P16数据采集卡的 AI1数据采集卡的 GNDCT0

34、1 的 GND数据采集卡的 GNDCT01 的 GND数据采集卡的 DO3（自动锁零时连接，手动不连接）CT01 的 UI数据采集卡的 DO3 自动（自动锁零时连接，手动不连接）CT01 的 UIC=10uF 时C=1uF 时数据采集卡的 AO1CT01 的 P8数据采集卡的 AO1CT01 的 P8CT01 的 P13CT01 的 P15CT01 

35、;的 P14CT01 的 P15CT01 的 P16数据采集卡的 AI1CT01 的 P16数据采集卡的 AI1数据采集卡的 GNDCT01 的 GND数据采集卡的 GNDCT01 的 GND数据采集卡的 DO3（自动锁零时连接，手动不连接）CT01 的 UI数据采集卡的 DO3 自动（自动锁零时连接，手动不连接）CT01 的 UIR2/ R1=1，T=R2C=100

36、k×10uF=1s)；RR，若取比例系数 K=1、积分时间常数 T=0.1s 时，电路中的参数取： 1=100k， 2=100k C=1uF(K=R2/ R1=1，T=R2C=100k×1uF=0.1s)。注：通过改变 R2、R1、C 的值可改变比例积分环节的放大系数 K 和积分时间常数 T。接线表如下：当 ui 为单位阶跃信号时，用上位机软件观测并记录不同 K 及 T 值时的实验曲线，并与理论值

37、进行比较。4比例微分(PD)环节根据比例微分环节的方框图，用 CT01 实验模块组建相应的模拟电路，如图 1-11 所示。图 1-11 比例微分环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中 R0=200k。RR若比例系数 K=1、微分时间常数 T=0.1s 时，电路中的参数取： 1=100k， 2=100k，C=1uF(K=R2/ R1=1，T=R1C=100k×1uF=0.1s)；若比例系数 K=1、微分时间常数 T=1s 时

38、，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C=10uF(K=R2/ R1=1，T=R1C=100k×10uF=1s)；接线表如下：当 ui 为一单位阶跃信号时，用上位机软件观测并记录不同 K 及 T 值时的实验曲线，并与理论值进行比较。14C=1uF 时C=10uF 时数据采集卡的 AO1CT01 的 P8数据采集卡的 AO1CT01 的 P8CT01 的 P10CT01 的 P11CT0

39、1 的 P10CT01 的 P11CT01 的 P14CT01 的 P15CT01 的 P13CT01 的 P16数据采集卡的 AI1CT01 的 P16数据采集卡的 AI1数据采集卡的 GNDCT01 的 GND数据采集卡的 GNDCT01 的 GND数据采集卡的 DO3（自动锁零时连接，手动不连接）CT01 的 UI数据采集卡的 DO

40、3 自动（自动锁零时连接，手动不连接）CT01 的 UI5比例积分微分(PID)环节根据比例积分微分环节的方框图，用 CT01 实验模块组建相应的模拟电路，如图 1-12 所示。图 1-12 比例积分微分环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中 R0=200k。若比例系数 K=2、积分时间常数 TI =0.1s、微分时间常数 TD =0.1s 时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C1=1uF、C2=1uF (

41、K= (R1 C1+ R2 C2)/ R1 C2=2，TI=R1C2=100k×1uF=0.1s，TD=R2C1=100k×1uF=0.1s)；若比例系数 K=1.1、积分时间常数 TI =1s、微分时间常数 TD =0.1s 时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C1=1uF、C2=10uF (K= (R1 C1+ R2 C2)/ R1 C2=1.1，TI=R1C2=10

42、0k×10uF=1s，TD=R2C1=100k×1uF=0.1s)；接线表如下：当 ui 为一单位阶跃信号时，用上位机软件观测并记录不同 K、TI、TD 值时的实验曲线，并与理论值进行比较。6惯性环节根据惯性环节的方框图，用 CT01 实验模块组建相应的模拟电路，如图 1-13 所示。图 1-13 惯性环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中 R0=200k。若比例系数 K=1、时间常数 T=1s 时，电路中的参数取：R1=100k，

43、R2=100k，C=10uF(K= R2/R1=1，T=R2C=100k×10uF=1s)。若比例系数 K=1、时间常数 T=0.1s 时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C=1uF(K= R2/R1=1，T=R2C=100k×1uF=0.1s)。15C=10uF 时C=1uF 时数据采集卡的 AO1CT01 的 P1数据采集卡的 AO1CT01 的 P1CT01 的 P2CT01 的 P6

44、CT01 的 P3CT01 的 P6CT01 的 P5CT01 的 P6CT01 的 P5CT01 的 P6CT01 的 P7数据采集卡的 AI1CT01 的 P7数据采集卡的 AI1数据采集卡的 GNDCT01 的 GND数据采集卡的 GNDCT01 的 GND数据采集卡的 DO3（自动锁零时连接，手动不连接）CT01 的 U

45、I数据采集卡的 DO3 自动（自动锁零时连接，手动不连接）CT01 的 UI通过改变 R2、R1、C 的值可改变惯性环节的放大系数 K 和时间常数 T。接线表如下：当 ui 为一单位阶跃信号时，用上位机软件观测并记录不同 K 及 T 值时的实验曲线，并与理论值进行比较。7根据实验时存储的波形及记录的实验数据完成实验报告。六、实验报告要求1画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。2写出各典型环节的传递函数。3根据测得的典型环节单位阶跃响应曲线，分析

46、参数变化对动态特性的影响。七、实验思考题1用运放模拟典型环节时，其传递函数是在什么假设条件下近似导出的？2积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节？而又在什么条件下，惯性环节可以近似地视为比例环节？3在积分环节和惯性环节实验中，如何根据单位阶跃响应曲线的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？4为什么实验中实际曲线与理论曲线有一定误差？5为什么 PD 实验在稳定状态时曲线有小范围的振荡？16实验二二阶系统的瞬态响应一、实验目的1通过实验了解参数z (阻尼比)、wn (阻尼自然频率)的变化对二阶系统动态性能的影响；2掌

47、握二阶系统动态性能的测试方法。二、实验设备1THKKL-B 型模块化自控原理实验系统实验平台，实验模块 CT02；2PC 机一台(含上位机软件)；3USB 接口线。三、实验内容1观测二阶系统的阻尼比分别在 0< z <1，z =1 和 z >1 三种情况下的单位阶跃响应曲线；2调节二阶系统的开环增益 K，使系统的阻尼比z = 1 ，测量此时系统的超调量d p 、调2节时间 ts 

48、(= ±0.05)；3 z 为一定时，观测系统在不同wn 时的响应曲线。四、实验原理1二阶系统的瞬态响应用二阶常微分方程描述的系统，称为二阶系统，其标准形式的闭环传递函数为wnS   + 2zwn S +wnC ( S )R(S)2=                   

49、;            (2-1)2 22闭环特征方程： S 2 + 2zw n S + wn = 0其解 S1,2 = -zw n ± wn z2- 1 ，针对不同的z 值，特征根会出现下列三种情况：1）0<z <1（欠阻尼），

50、60;S1,2 = -zw n ± jwn 1 - z2此时，系统的单位阶跃响应呈振荡衰减形式，其曲线如图 2-1 的(a)所示。它的数学表达式为：C(t) = 1 -11 - z2e-zwnt Sin(wd t + b )式中wd  =wn   1 -z2 ，b= tg -1  

51、;  1 -z2z。2） z = 1 （临界阻尼） S1,2 = -wn此时，系统的单位阶跃响应是一条单调上升的指数曲线，如图 2-1 中的(b)所示。3） z > 1 （过阻尼）， S1,2 = -zw n ± wn z 2 - 1此时系统有二个相异实根，它的单位阶跃响应曲线如图 2-1 的(c)所示

52、。17(a) 欠阻尼(0< z <1)(b)临界阻尼(z = 1)(c)过阻尼(z > 1 )图 2-1 二阶系统的动态响应曲线虽然当 z =1 或 z >1 时，系统的阶跃响应无超调产生，但这种响应的动态过程太缓慢，故控制工程上常采用欠阻尼的二阶系统，一般取 z =0.60.7，此时系统的动态响应过程不仅快速，而且超调量也小。2二阶系统的典型结构典型的二阶系统结构方框图和模拟电路图如

53、0;2-2、如 2-3 所示。图 2-2 二阶系统的方框图图 2-3 二阶系统的模拟电路图电路参考单元为：通用单元 1、通用单元 2、通用单元 3、反相器单元、电位器组由图 2-2 可得其开环传递函数为：，其中： K =1 ，  k1 =G(s) =KS(T1S + 1)kT2RXR( T1 = R X C ， T2 

54、= RC )K其闭环传递函数为：W (S) =S 2 +T11T1S +KT1与式 2-1 相比较，可得wn =k1T1T2=1RC， z =1 T22 k1T1=R2RX五、实验步骤根据图 2-3，用 CT02 实验模块组建相应的模拟电路。接线表如下：C=1uF 时C=10uF 时数据采集卡的 AO1CT02 的 P1数据采集卡的 AO1CT02 的

55、60;P1CT02 的 P6CT02 的 P9CT02 的 P5CT02 的 P918CT02 的 P4可调电阻CT02 的 P9可调电阻CT02 的 P9CT02 的 P16CT02 的 P17CT02 的 P20CT02 的 P20CT02 的 P2CT01 的 P21数据采集卡的 AI1数据采集卡的 GNDCT0

56、1 的 GND数据采集卡的 DO3 自动（自动锁零时连接，手动不连接）CT01 的 UICT02 的 P4可调电阻CT02 的 P9可调电阻CT02 的 P9CT02 的 P16CT02 的 P18CT02 的 P20CT02 的 P20CT02 的 P2CT01 的 P21数据采集卡的 AI1数据采集卡的 GNDCT01 的&

57、#160;GND数据采集卡的 DO3（自动锁零时连接，手动不连接）CT01 的 UI打开上位机软件的“二阶系统的瞬态响应”界面。1wn 值一定时，图 2-3 中取 C=1uF，R=100k(此时 wn = 10 )，Rx 阻值可调范围为 0470k。系统输入一单位阶跃信号，在下列几种情况下，用上位机软件观测并记录不同 z 值时的实验曲线。(1) 当可调电位器 RX=250k 时， z =0.2，系

58、统处于欠阻尼状态，其超调量为 53%左右；(2)若可调电位器 RX=70.7k 时， z =0.707，系统处于欠阻尼状态，其超调量为 4.3%左右；(3)若可调电位器 RX=50k 时， z =1，系统处于临界阻尼状态；(4)若可调电位器 RX=25k 时， z =2，系统处于过阻尼状态。2 z 值一定时，图 2-3 中取 R=100k，RX=250k(此时 z =0.2)。系统输入一

59、单位阶跃信号，在下列几种情况下，用上位机软件观测并记录不同 wn 值时的实验曲线。(1)若取 C=10uF 时， wn = 1(2)若取 C=1uF 时， wn = 10注：由于实验电路中有积分环节，实验前一定要用“锁零单元”对积分电容进行锁零。六、实验报告要求1画出二阶系统线性定常系统的实验电路，并写出闭环传递函数，表明电路中的各参数；2根据测得系统的单位阶跃响应曲线，分析开环增益 K 和时间常数 T 对系统的动态性能的影响。七、实验

60、思考题1如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？2在电路模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈？3为什么本实验中二阶系统对阶跃输入信号的稳态误差为零？19Ym           = G( jw   )X m G( jw   )实验五典型环节和系统频率特性的测量一、实验目的1了解典型环节和系统的频率特性曲线的测试方法；2根据实验求得的频率特性曲线求取传递函数。二、实

61、验设备1THKKL-B 型模块化自控原理实验系统实验平台，实验模块 CT05；2PC 机一台(含上位机软件)；3USB 接口线。三、实验内容1惯性环节的频率特性测试；2二阶系统频率特性测试；3由实验测得的频率特性曲线，求取相应的传递函数；四、实验原理1系统（环节）的频率特性设 G(S)为一最小相位系统（环节）的传递函数。如在它的输入端施加一幅值为 X m 、频率为 w 的正弦信号，则系统的稳态输出为y = Ym sin(wt + j) 

62、= X m G( jw) sin(wt + j)由上式得出系统输出，输入信号的幅值比相位差=(幅频特性)X mX mf(w) = ÐG( jw)(相频特性)式中 G( jw) 和 f(w) 都是输入信号 w 的函数。2频率特性的测试方法2.1 李沙育图形法测试2.1.1 幅频特性的测试由于G( jw) =YmX m=2Ym2X m改变输入

63、信号的频率，即可测出相应的幅值比，并计算L(w) = 20log A(w) = 20log其测试框图如下所示：2Ym2X m（dB）20图 5-1 幅频特性的测试图(李沙育图形法)注：示波器同一时刻只输入一个通道，即系统（环节）的输入或输出。2.1.2 相频特性的测试图 5-2 幅频特性的测试图(李沙育图形法)令系统（环节）的输入信号为： X (t) = X m sinwt(5-1)则其输出为Y (t) =

64、 Ym sin(wt +f)(5-2)对应的李沙育图形如图 5-2 所示。若以 t 为参变量，则 X(t) 与 Y(t) 所确定点的轨迹将在示波器的屏幕上形成一条封闭的曲线(通常为椭圆)，当 t=0 时， X(0) = 0 由式(5-2)得Y (0) = Ym sin(f)于是有f (w ) = sin-1Y ( 0 )Ym= sin-12Y ( 0 )2Ym(5-3)同理可得f (w ) = sin-12X ( 0)2X m(5-4)其中2Y (0) 为椭圆与 Y 轴相交点间的长度；2X (0) 为椭圆与 X 轴相交点间的长度。式(5-3)、(5-4)适用于椭圆的长轴在一、三象限；当椭圆的长轴在二、四时相位 f 的计算公式变为：或f (w ) =&