控制工程实验

1、控制工程实验指导书（机电工程专用书）阎红娟北方工业大学机械系2008年12月目 录实验一 低阶系统的模拟及动态测试-2实验二 典型环节频率特性的测试-7附录 1 ELVIS 简介-14附录 2 放大器使用说明-23实验一 低阶系统的阶跃响应测试一、实验目的1学习利用运算放大器上建立动态模型的方法。2学习采用NI ELVIS进行阶跃响应测试的方法。3了解一、二阶系统阶跃响应的测试方法。二、实验设备 NI ELVIS套件、计算机。三、实验运算电路1、比例环节传递函数： 图1-1 比例环节2、一阶惯性环节传递函数：其中 图1-2 一阶惯性环节3、二阶振荡环节传递函数：式中：若取，则：图1-3 二阶振

2、荡环节四、实验步骤1比例环节响应测试1）断电，按图1-1所示比例环节的运算电路接线，取，选取使K为1；2）放大器输入端接ELVIS信号发生器输出端，输入接ELVIS数字示波器输入端；3）接线准确无误后，接通面包板电源；4）运行ELVIS，单击示波器并打开双通道，同时观测输入输出信号；单击信号发生器，选择方波，然后单击运行即可在示波器上观察到输入信号（蓝色）和输出信号（绿色）。波形正确后，单击single键将波形锁定，单击保存图标保存波形数据，读取所需的参数；5）改变R，使K分别为2，5，重复步骤1）、2）、3）、4）。2一阶惯性环节响应测试建立一阶惯性环节模型，观测不同时间常数T下的阶跃响应曲

3、线，并检验性能指标t。1）断电，按图1-2所示一阶惯性环节的运算电路接线，在实验板R1C1插口上连接电阻R=10K和C=0.1uF的电容，选配R，使得T=0.001s。2）放大器输入端接ELVIS信号发生器输出端，输入端接ELVIS数字示波器输入端；3）接线准确无误后，接通面包板电源；4）运行ELVIS，单击示波器并打开双通道，同时观测输入输出信号；单击信号发生器选择方波，并将信号频率设置在10赫兹。单击运行，观察输入输出波形，波形正确后，在示波器面板上单击single键锁定波形，单击保存图标保存波形数据。打开CURSORS可直接读出性能指标（5误差带），并将其填入表1-1中，并与理论值进行比

4、较；5）改变R值，使T为0.002s，重复步骤1）、2）3）、4）。表1-1 一阶系统数据表格T（s）R2（）ts（ms）理论实测0.0010.0023二阶振荡环节响应测试建立二阶振荡环节模型，观察不同阻尼比时的阶跃响应，分析二阶系统在单位阶跃信号作用下的动特性及系统结构参数变化对阶跃响应的影响，并检验性能指标 t，。1）断电，按图1-3所示二阶振荡环节的运算电路接线。其中R=R=10K，C=C=0.1F,，选配R值，使=0.25；2）放大器输入端接ELVIS信号发生器输出端，输入端接ELVIS数字示波器输入端；3）接线准确无误后，接通面包板电源；4）运行ELVIS，单击示波器并打开双通道，同

5、时观测输入输出信号；单击信号发生器选择方波，并将信号频率设置在10赫兹。单击运行，观察输入输出波形，波形正确后，在示波器面板上单击single键锁定波形，单击保存图标保存波形数据。打开CURSORS可直接读出性能指标（5误差带）t、，并将其填入表1-2中，并与理论值进行比较；5）改变R3值，使分别为0.7及2，重复以上操作。表1-2二阶系统数据表格R3（）Mp（%）ts（ms）理论实测理论实测0.250.72五、预习要求1熟悉各类环节运算电路，并推导传递函数。2明确各类环节的性能指标，并选取试验所需参数。六、实验报告要求1写明班级、姓名、学号、实验名称、实验目的。2画出各类环节的模拟运算电路，

6、推导传递函数。3推导各类环节性能指标表达式及选配的参数值。4以表格形式列出实验结果及相应理论值。5实验结果分析及理论值的比较。6思考题的解答。7体会。七、思考题1一、二阶系统改变增益是否会出现不稳定现象？2二阶系统试验线路中如何确保实现负反馈？实验二 低阶系统的频率特性测试一、实验目的学习使用采集和分析软件及计算机测量系统或环节的频率特性的方法。二、实验设备NI ELVIS，计算机。三、实验运算电路1一阶系统图2-1 一阶系统传递函数 2二阶系统图2-2 二阶系统传递函数 式中。取，则：，四、实验原理1系统的幅频特性系统的幅频特性是指输出信号与输入信号的幅值之比随频率变化的情况。因此可根据频率

7、变化时，幅值比的变化绘制出系统的幅频特性图。实验过程中改变信号频率，使用ELVIS采集输入和输出的波形，从分析软件中读取信号的幅值大小，求出幅值比，绘制对数幅频特性图。2系统的相频特性系统的相频特性图表示出输出信号和输入信号的相位差随频率变化的情况。由于系统输入输出信号相位差无法直接从示波器中读出，可利用周期与角度的关系换算出相位差。图2-3为输入输出信号波形图，信号周期T（信号周期T换算成相位角为360）和两个信号的时间差T均可从图中读出。式2-1为相位角和周期的关系式，其中只有是未知数，因此通过式2-2计算出值，就得到所需的相位差。 （2-1）TT （2-2）图2-3五、实验步骤1 一阶系

8、统1）断电，按图2-1所示一阶系统的运算电路接线。其中R= 10K，C=0.1F,，选配R值，使T=0.001s；2）放大器输入端接ELVIS信号发生器输出端，输入端接ELVIS数字示波器输入端；3）接线准确无误后，接通面包板电源；4）运行ELVIS，单击示波器并打开双通道，同时观测输入输出信号；单击信号发生器选择正弦波，将输入波形幅值设为1V（有效幅值为0.707V）。单击运行，观察输入输出波形，寻找输出波形幅值最大点（该点频率即为转折频率）。波形正确后，在示波器面板上单击single键锁定波形，单击保存图标保存波形数据。打开CURSORS可直接读出信号的幅值和时间差，记入表2-1中；表2-

9、1一阶系统频率AiAoTT5）改变信号频率（要求在转折频率附近选择10个不同的信号频率），观察图形变化情况，记录不同频率下的相角滞后时间T和输入和输出的幅值比（CH B的RMS/CH A的RMS）。计算出幅频比和相位差，并手绘波德图；6）打开NI ELVIS的波德分析（Bode Analyzer）。设定起始频率1赫兹，终止频率1000赫兹，步长30，然后单击运行。系统开始采样绘制博德图。2二阶系统1）断电，按图2-2所示二阶振荡环节的运算电路接线。其中R=R=10K，C=C=0.1F,，选配R值，使=0.5。2）放大器输入端接ELVIS信号发生器输出端，输入端接ELVIS数字示波器输入端。3）

10、接线准确无误后，接通面包板电源。4）运行ELVIS，单击示波器并打开双通道，同时观测输入输出信号；单击信号发生器选择正弦波，将输入波形幅值设为1V。单击运行，观察输入输出波形，寻找输出波形幅值最大点（该点频率即为转折频率）。波形正确后，在示波器面板上单击single键锁定波形，单击保存图标保存波形数据。打开CURSORS可直接读出信号的幅值和时间差，记如表2-2。改变信号频率，记录下一组数据。然后利用NI ELVIS的波德分析（Bode Analyzer）绘制博德图，比较计算机绘图与手工绘图有什么区别。改变值，观察博德图有何变化。表2-2二阶系统数据频率AiAoTT六、预习要求1熟悉模型线路及

11、典型环节的频率特性。2弄清信号频率与系统转折频率的关系。七、实验报告要求1写明班级、姓名、学号、实验名称、实验目的2测试方法原理。3实验数据的记录与整理。4根据实验数据和理论计算数据整理列表，在单位数坐标纸上绘制博德图并与理论图形比较，分析产生误差的原因。5根据二阶系统的闭环频率特性，估算该系统的时域性能指标，并与理论计算值进行比较。6回答思考题。7体会八、思考题1一、二阶系统中最后一个运放的作用。2什么样的系统可以由幅频特性确定其传递函数？为什么？幅频特性相频特性是否总是唯一对应？附录1ELVIS 简 介一 虚拟仪器概述虚拟仪器（virtual instrument）是基于计算机的仪器。计算

12、机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。图-1虚拟仪器方案虚拟仪器的主要特点有：1尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。2可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。3用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。虚拟仪

13、器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。二 LabVIEW简介LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能

14、强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、U

15、NIX、Linux、Macintosh的多种版本。三 ELVIS简介NI ELVIS基于NI LabVIEW图形化开发环境，并将理论/仿真与低成本、动手上机的设计/原型平台集成起来（如图-2）。这一教学平台结合了12种不同的集成仪器，在降低实验室设备成本的同时，帮助学生们在上机操作过程中巩固理论知识。在同一个平台上，学生们可以接触到各种仪器，例如示波器、数字万用表、函数发生器、电源和波特分析仪，每一种仪器都配备有用于单击式配置的Express VI。ELVIS主要由三部分组成：1一套多功能数据采集设备，即DAQ 装置，如图-2中所示。基于PCI 总线的数据采集卡，PCI 6251，具有2路16

16、位模拟输出（2.8 M/s）；24条数字I/O线；32位计数器。 2一个用户可自定义的工作台，工作台上有一块原型实验面包板。工作台上的控制面板上有示波器、数字万用表、可变电源等基本仪器，图-2中所示。3一个安装在计算机上的软面板仪器（SFP）这些软面板仪器都是检测技术实验中典型的和必须的通用电子仪器的虚拟仪器，主要包括示波器、函数发生器、数字万用表、可编程控制的电源以及伯德分析器、动态信号分析仪与任意波形发生器。 四 ELVIS操作双击桌面上“NI ELVIS”图标，打开ELVIS软件（如图-3），在本课程实验中主要用到ELVIS软件的万用表（Digital Multimeter）、示波器（O

17、scilloscope）、信号发生器（Function Generator）和博德分析（Bode Analyzer）模块，如图-4所示。图-2 NI ELVIS组成1示波器单击ELVIS面板上的“Oscilloscope”按钮，系统弹出如图-5所示的“NI ELVIS - Oscilloscope”操作面板。操作面板主要由以下几部分组成：1）信号显示区域：左上方区域为信号显示区域，在该区域显示信号的波形，在显示区下方显示两通道信号的坐标值、时间差、信号的有效值、频率和Vp-p值等信息。图-3 NI ELVIS界面2）控制区域：左下方区域右侧为信号显示控制区域，用户在此单击“RUN”按钮显示波形

18、，单击“Single”按钮可以锁定波形，单击“Log”按钮保存波形数据。3）波形显示控制：右上方区域控制通道A、B的波形显示与否，“VERTICAL”区域控制波形的纵坐标显示位置和刻度大小。4）TIMEBASE：控制横坐标时间轴的显示精度。5）CURSORS：“CURSORS”处于“ON”状态时，在示波区域显示两个坐标指针，通过该指针可以示波区域选取波形上点坐标。图-4 ELVIS操作界面图-5示波器面板2信号发生器单击ELVIS面板上的“Function Generator”按钮，系统弹出如图-6所示的“NI ELVIS-Function Generator”操作面板。操作面板主要由以下几部分组成：1）“ON”按钮：控制信号发生器运行与否。2）“Frequency”区域：在该区域选择所产生信号的频率。3）“Waveforms”区域：在该区域选择所产生波形的形式和幅值