自動控制原理實驗指導(dǎo)書(五個實驗)

1、自動控制原理實驗指導(dǎo)書電力學(xué)院自動控制原理實驗室二八年三月目 錄實驗一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真2實驗二 線性定常系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)7實驗三 線性系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的研究9實驗四 系統(tǒng)頻率特性的測量12實驗五 線性定常系統(tǒng)的串聯(lián)校正14附： THBDC-1控制理論·計算機(jī)控制技術(shù)實驗平臺簡介17實驗一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真一、實驗?zāi)康?熟悉并掌握THBDC-1型控制理論·計算機(jī)控制技術(shù)實驗平臺及上位機(jī)軟件的使用方法。2熟悉各典型環(huán)節(jié)的電路傳遞函數(shù)及其特性，掌握典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究。3測量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，并了解參數(shù)變化對其動態(tài)特性的影響。二、實驗設(shè)備1

2、THBDC-1型控制理論·計算機(jī)控制技術(shù)實驗平臺2PC機(jī)1臺(含上位機(jī)軟件) USB數(shù)據(jù)采集卡 37針通信線1根 16芯數(shù)據(jù)排線 USB接口線3雙蹤慢掃描示波器1臺(可選)4萬用表1只三、實驗內(nèi)容1設(shè)計并組建各典型環(huán)節(jié)的模擬電路；2測量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)，并研究參數(shù)變化對其輸出響應(yīng)的影響；3在上位機(jī)界面上，填入各典型環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型的實際參數(shù)，據(jù)此完成它們對階躍響應(yīng)的軟件仿真，并與模擬電路測試的結(jié)果相比較。四、實驗原理自控系統(tǒng)是由比例、積分、微分、慣性等典型環(huán)節(jié)按一定的關(guān)系連接而成。熟悉這些環(huán)節(jié)對階躍輸入的響應(yīng)，對分析線性系統(tǒng)將是十分有益的。在附錄中介紹了典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、理論的階躍

3、響應(yīng)曲線和環(huán)節(jié)的模擬電路圖。五、實驗步驟1熟悉實驗臺，利用實驗臺上的各電路單元，構(gòu)建所設(shè)計比例環(huán)節(jié)(可參考本實驗附錄)的模擬電路并連接好實驗電路；待檢查電路接線無誤后，接通實驗臺的電源總開關(guān)，并開啟±5V，±15V直流穩(wěn)壓電源。2把采集卡接口單元的輸出端DA1、輸入端AD2與電路的輸入端Ui相連，電路的輸出端Uo則與采集卡接口單元中的輸入端AD1相連。連接好采集卡接口單元與PC上位機(jī)的通信線。待接線完成并檢查無誤后，操作“THBDC-1”軟件。具體操作步驟如下；1）打開PC機(jī)，運行軟件“THBDC-1”。2）運行“系統(tǒng)”“通道設(shè)置”命令，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集通道(如雙通道，通

4、道1-2)，然后點擊“開始采集”按鈕，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。3）運行“窗口”“虛擬示波器”命令。在左邊選擇X-t顯示模式，在右邊選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示通道，同時點擊相應(yīng)的“顯示”按鈕；然后點擊“虛擬示波器”左邊的“開始”按鈕開始采集實驗數(shù)據(jù)。3）運行“窗口”“信號發(fā)生器”命令，在信號波形類型中選擇“周期階躍信號”；信號幅度為“1V”；信號占空比為“100%”，其它選項的不變。4）改變虛擬示波器的顯示量程(S/div或ms/div)及輸入波形的放大系數(shù)，以便更清晰地觀測波形(一般選擇128ms/d)。5）點擊“虛擬示波器”上的“暫?！奔啊按鎯Α卑粹o，保存實驗波形。3參照本實驗步驟1、2，依次構(gòu)建相應(yīng)的積分環(huán)

5、節(jié)、比例積分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)、比例積分微分環(huán)節(jié)及慣性環(huán)節(jié)；并觀察各個環(huán)節(jié)實驗波形及參數(shù)。注意：凡是帶積分環(huán)節(jié)的，都需要在實驗前按下“鎖零按鈕”對電路的積分電容放電；實驗時再次按下“鎖零按鈕”取消鎖零。4點擊“仿真平臺”按鈕，根據(jù)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，在“傳遞函數(shù)”欄中填入該環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)，如比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：則在“傳遞函數(shù)”欄的分子中填入“0.1，1”， 分母中填入“0.1，0”即可，然后點擊“仿真”按鈕，即可觀測到該環(huán)節(jié)的仿真曲線，并可與實驗觀察到的波形相比較。注意：仿真實驗只針對傳遞函數(shù)的分子階數(shù)小于等于分母階數(shù)的情況，若分子階數(shù)大于分母階數(shù)（如含有微分項的傳遞函數(shù)），則不能進(jìn)行仿真實

6、驗，否則出錯。5根據(jù)實驗時存儲的波形及記錄的實驗數(shù)據(jù)完成實驗報告。六、實驗報告要求1畫出各典型環(huán)節(jié)的實驗電路圖，并注明參數(shù)。2寫出各典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。3根據(jù)測得的典型環(huán)節(jié)單位階躍響應(yīng)曲線，分析參數(shù)變化對動態(tài)特性的影響。七、實驗思考題1用運放模擬典型環(huán)節(jié)時，其傳遞函數(shù)是在什么假設(shè)條件下近似導(dǎo)出的？2積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差別是什么？在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為積分環(huán)節(jié)？而又在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為比例環(huán)節(jié)？3在積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)實驗中，如何根據(jù)單位階躍響應(yīng)曲線的波形，確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)？八、附錄1比例（P）環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為 其模擬電路（后級

7、為反相器）和單位階躍響應(yīng)曲線分別如圖1-1所示。其中；這里取 R1=100K，R2=200K，R0=200K。通過改變電路中R1、R2的阻值，可改變放大系數(shù)。 圖1-1 比例環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線實驗臺上的參考單元：U10、U52積分(I)環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖1-2所示。 圖1-2 積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線其中 T=RC，這里取 C=10uF，R=100K，R0=200K。通過改變R、C的值可改變響應(yīng)曲線的上升斜率。實驗臺上的參考單元：U7、U53比例積分(PI)環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為 其模擬電路和單位階躍

8、響應(yīng)分別如圖1-3所示。其中，T=R1C，這里取C=10uF， R1=100K，R2=100K，R0=200K。通過改變R2、R1、C的值可改變比例積分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和積分時間常數(shù)T。圖1-3 比例積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線實驗臺上的參考單元：U12、U54比例微分(PD)環(huán)節(jié)比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為： 其中 其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖1-4所示圖1-4 比例微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線這里取 C=10uF， R1=100K，R2=200K，R0=200K。通過改變R2、R1、C的值可改變比例微分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和微分時間常數(shù)T。實驗臺上的參考單元：U

9、10、U55比例積分微分(PID)環(huán)節(jié)比例積分微分(PID)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為 其中， （當(dāng)KP=2，Ti =0.1，Td =0.1時）其模擬電路和單位階躍響應(yīng)曲線分別如圖1-5所示。圖1-5 比例積分微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線其中C1=1uF，C2=1uF，R1=100K，R2=100K， R0=200K。通過改變R2、R1、C1、C2的值可改變比例積分微分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K、微分時間常數(shù)Td和積分時間常數(shù)Ti。實驗臺上的參考單元：U12、U5 6慣性環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為其模擬電路和單位階躍響應(yīng)曲線分別如圖1-6所示。其中，T=R2C，這里取C=1uF，R

10、1=100K，R2=100K，R0=200K。通過改變R2、R1、C的值可改變慣性環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和時間常數(shù)T。圖1-6慣性環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線實驗臺上的參考單元：U7、U5實驗二 線性定常系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)一、實驗?zāi)康?掌握線性定常系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的測試方法。2研究線性定常系統(tǒng)的參數(shù)對其動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。二、實驗設(shè)備 同實驗一。三、實驗內(nèi)容1觀測二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，并測出其超調(diào)量和調(diào)整時間。2調(diào)節(jié)二階系統(tǒng)的開環(huán)增益K，使系統(tǒng)的阻尼比=，測出此時系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)整時間。3調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益K，可使系統(tǒng)的阻尼比分別為：0<<1，1和>1三種。在實驗中觀測這三種情

11、況下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。四、實驗步驟1利用實驗平臺上的通用電路單元，設(shè)計一個由積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)組成的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路(具體可參考本實驗附錄的圖1-2)。待檢查電路接線無誤后，接通實驗平臺的電源總開關(guān)，并開啟±5V，±15V直流穩(wěn)壓電源。注意：凡是帶積分環(huán)節(jié)的，都需要在實驗前按下“鎖零按鈕”對電路的積分電容放電；實驗時再次按下“鎖零按鈕”取消鎖零。2把采集卡接口單元的輸出端DA1、輸入端AD2與電路的輸入端相連，電路的輸出端則與采集卡接口單元中的輸入端AD1相連。連接好采集卡接口單元與PC上位機(jī)的通信線。待接線完成并檢查無誤后，在PC機(jī)上啟動“THBDC-1

12、”軟件。具體操作步驟如下；1）打開PC機(jī)，運行軟件“THBDC-1”。2）運行“系統(tǒng)”“通道設(shè)置”命令，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集通道(如雙通道，通道1-2)，然后點擊“開始采集”按鈕，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。3）運行“窗口”“虛擬示波器”命令。在左邊選擇X-t顯示模式，在右邊選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示通道，同時點擊相應(yīng)的“顯示”按鈕；然后點擊“虛擬示波器”左邊的“開始”按鈕開始采集實驗數(shù)據(jù)。4）運行“窗口”“信號發(fā)生器”命令，在信號波形類型中選擇“周期階躍信號”；信號幅度為“1V”；信號占空比為“100%”，其它選項的不變，點擊信號發(fā)生器“開始”。5）改變虛擬示波器的顯示量程(S/div或ms/div)及輸入波形的放

13、大系數(shù)，以便更清晰地觀測波形(一般選擇128ms/d)。6）點擊“虛擬示波器”上的“暫?！奔啊按鎯Α卑粹o，保存實驗波形。3觀察二階系統(tǒng)模擬電路的階躍響應(yīng)曲線，記錄時間及與其對應(yīng)的輸出幅值，并測出其超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間。 序號參數(shù)12345678tC(t)4改變二階系統(tǒng)模擬電路的開環(huán)增益K(改變圖1-2所示電路中Rx的阻值，具體數(shù)值參考本實驗附錄)，觀測當(dāng)阻尼比為不同值時系統(tǒng)的動態(tài)性能。5根據(jù)計算機(jī)保存的實驗參數(shù)及波形，完成實驗報告。五、實驗報告要求1根據(jù)圖1-1的實驗電路圖，寫出其閉環(huán)傳遞函數(shù)。2根據(jù)測得參數(shù)畫出系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，并求出超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間，分析阻尼比對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。六、附

14、錄典型二階系統(tǒng)的方框圖為 圖2-1 二階系統(tǒng)的方框圖 ，系統(tǒng)的模擬電路如圖2-2所示（實驗臺上的參考單元：U6、U7、U10、U5）圖2-2 二階系統(tǒng)的模擬電路圖其中C1=1uF，C2=10uF，R1=100K，R2=100K，R0=200K，Rx阻值可調(diào)范圍為0100K。改變圖2-2中電位器Rx的大小，就能看到系統(tǒng)在不同阻尼比時的時域響應(yīng)特性，其中 Rx=10K時 0<<1 Rx=47K時 >1 實驗三 線性系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的研究一、實驗?zāi)康?了解不同典型輸入信號對于同一個系統(tǒng)所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差。2了解一個典型輸入信號對不同類型系統(tǒng)所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差。3研究系統(tǒng)的開環(huán)增益K對穩(wěn)態(tài)誤

15、差的影響。二、實驗設(shè)備同實驗一。三、實驗內(nèi)容1觀測0型二階系統(tǒng)的單位階躍和斜坡響應(yīng)，并測出它們的穩(wěn)態(tài)誤差。2觀測型二階系統(tǒng)的單位階躍和斜坡響應(yīng)，并測出它們的穩(wěn)態(tài)誤差。3觀測型二階系統(tǒng)的單位斜坡和拋物線響應(yīng)，并測出它們的穩(wěn)態(tài)誤差。四、實驗原理下圖為控制系統(tǒng)的方框圖：該系統(tǒng)誤差E(S)的表達(dá)式為：式中G(S)和H(S)分別為系統(tǒng)前向通道和反饋通道中的傳遞函數(shù)。由上式可知，系統(tǒng)的誤差不僅與其結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，而且也與其輸入信號R(S)的大小有關(guān)。本實驗就是研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與上述因素間的關(guān)系。有關(guān)0型、型和型系統(tǒng)跟蹤不同的輸入信號時穩(wěn)態(tài)誤差的理論計算及其實驗參考模擬電路，請參見附錄。五、實驗步驟1利用實

16、驗平臺上的通用電路單元，設(shè)計(具體可參考本實驗附錄中的圖3-2)一個由兩個慣性環(huán)節(jié)組成的0型二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。待檢查電路接線無誤后，接通實驗平臺的電源總開關(guān)，并開啟±5V，±15V直流穩(wěn)壓電源。2把采集卡接口單元的輸出端DA1、輸入端AD2與電路的輸入端相連，電路的輸出端則與采集卡接口單元中的輸入端AD1相連。連接好采集卡接口單元與PC上位機(jī)的通信線。待接線完成并檢查無誤后，在PC機(jī)上啟動“THBDC-1”軟件。觀測0型二階模擬電路的階躍特性，保存實驗曲線并測出其穩(wěn)態(tài)誤差。3參考實驗步驟2觀測0型二階模擬電路的斜坡響應(yīng)曲線，并保存實驗曲線，據(jù)此確定其穩(wěn)態(tài)誤差。4參考實

17、驗步驟1、2、3，設(shè)計(具體可參考本實驗附錄中的圖3-4)一個由一個積分環(huán)節(jié)（積分環(huán)節(jié)鎖零端的使用請參考實驗一的相關(guān)步驟）和一個慣性環(huán)節(jié)組成的型二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。并用上位機(jī)軟件“THBDC-1”觀測該系統(tǒng)的階躍特性和斜坡特性，保存實驗曲線并分別測出其穩(wěn)態(tài)誤差。5參考實驗步驟1、2、3，設(shè)計(具體可參考本實驗附錄中的圖3-6)一個由兩個積分環(huán)節(jié)和一個比例微分環(huán)節(jié)組成的型二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。并用上位機(jī)軟件“THBDC-1”觀測該系統(tǒng)的斜坡特性和拋物線特性，保存實驗曲線并分別測出其穩(wěn)態(tài)誤差。注意：1、以上實驗步驟2、3、4、5中的具體操作方法，請參閱“實驗一”中的實驗步驟2。6本實驗所用的

18、階躍信號、斜坡信號可由實驗平臺的“函數(shù)信號發(fā)生器”、上位機(jī)軟件的“信號發(fā)生器”或VBS腳本編輯器編程產(chǎn)生，但拋物線信號必須由上位機(jī)軟件的“信號發(fā)生器”或VBS腳本編輯器編程產(chǎn)生。六、實驗報告要求1畫出0型二階系統(tǒng)的方框圖和模擬電路圖，并由實驗測得系統(tǒng)在單位階躍和單位斜坡信號輸入時的穩(wěn)態(tài)誤差。2畫出型二階系統(tǒng)的方框圖和模擬電路圖，并由實驗測得系統(tǒng)在單位階躍和單位斜坡信號輸入時的穩(wěn)態(tài)誤差。3畫出型二階系統(tǒng)的方框圖和模擬電路圖，并由實驗測得系統(tǒng)在單位斜坡和單位拋物線函數(shù)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差。七、實驗思考題1為什么0型系統(tǒng)不能跟蹤斜坡輸入信號？2為什么0型系統(tǒng)在階躍信號輸入時一定有誤差存在？3為使系統(tǒng)的穩(wěn)

19、態(tài)誤差減小，系統(tǒng)的開環(huán)增益應(yīng)取大些還是小些？4解釋系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度對開環(huán)增益K的要求是相矛盾的，如何解決這對矛盾？八、附錄10型二階系統(tǒng)0型二階系統(tǒng)的方框圖和模擬電路圖分別為圖3-1和圖3-2所示。圖3-1 0型二階系統(tǒng)的方框圖 圖3-2 0型二階系統(tǒng)的模擬電路圖2型二階系統(tǒng)圖3-4和圖3-5分別為型二階系統(tǒng)的方框圖和模擬電路圖。圖3-4 型二階系統(tǒng)的方框圖圖3-5 型二階系統(tǒng)的模擬電路圖實驗臺上的參考單元：U6、U7、U103型二階系統(tǒng)圖3-6和圖3-7分別為型二階系統(tǒng)的方框圖和模擬電路圖。圖3-6 型二階系統(tǒng)的方框圖 圖3-7 型二階系統(tǒng)的模擬電路圖實驗臺上的參考單元：U6、U13

20、、U7、U8、U5實驗四 系統(tǒng)頻率特性的測量一、實驗?zāi)康?了解典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的頻率特性曲線的測試方法。2根據(jù)實驗求得的頻率特性曲線求取傳遞函數(shù)。二、實驗設(shè)備同實驗一。三、實驗內(nèi)容1慣性環(huán)節(jié)的頻率特性測試。2二階系統(tǒng)頻率特性測試。 4由實驗測得的頻率特性曲線，求取相應(yīng)的傳遞函數(shù)。四、實驗原理設(shè)G(S)為一最小相位系統(tǒng)（環(huán)節(jié)）的傳遞函數(shù)。如在它的輸入端施加一幅值為Xm、頻率為的正弦信號，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出為 由式得出系統(tǒng)輸出，輸入信號的幅值比 顯然，是輸入X(t)頻率的函數(shù)，故稱其為幅頻特性。如用db（分貝）表示幅頻值的大小，則式可改寫為 在實驗時，只需改變輸入信號頻率的大?。ǚ挡蛔儯?，就能測得相

21、應(yīng)輸出信號的幅值Ym，代入上式，就可計算出該頻率下的對數(shù)幅頻值。 關(guān)于被測環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的模擬電路圖，請參見附錄。五、實驗步驟1利用實驗平臺上的通用電路單元，設(shè)計一個慣性環(huán)節(jié)（可參考本實驗附錄的圖4-4）的模擬電路。待檢查電路接線無誤后，接通實驗平臺的電源總開關(guān)，并開啟±5V，±15V直流穩(wěn)壓電源。2把采集卡接口單元的輸出端DA1、輸入端AD2與電路的輸入端相連，電路的輸出端則與采集卡接口單元中的輸入端AD1相連。連接好采集卡接口單元與PC上位機(jī)的通信線。待接線完成并檢查無誤后，在PC機(jī)上啟動“THBDC-1”軟件。具體操作步驟如下： 點擊“通道設(shè)置”按鈕，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集通

22、道（雙通道），然后點擊“開始采集”按鈕，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 點擊“虛擬示波器”按鈕，選擇“Bode”圖顯示模式，然后點擊 “開始”按鈕。 點擊“信號發(fā)生器”按鈕，選擇“正弦波信號”，并設(shè)置好信號幅值，然后點擊“變頻輸出（頻率范圍為0.130Hz）”及“開始”按鈕，即可觀測環(huán)節(jié)的幅頻特性。注：與操作順序不可顛倒。 點擊“暫停”及“存儲”按鈕”，保存實驗波形。3利用實驗平臺上的通用電路單元，設(shè)計一個二階閉環(huán)系統(tǒng)（可參考本實驗附錄的圖4-7）的模擬電路。完成二階系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性曲線的測試，并求取其傳遞函數(shù)。具體操作步驟請參考本實驗步驟2。4根據(jù)實驗時存儲的波形完成實驗報告。六、實驗報告要求1寫出被測環(huán)節(jié)

23、和系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并畫出相應(yīng)的模擬電路圖。2把實驗測得數(shù)據(jù)列表，繪出它們的Bode圖，并分析實測的Bode圖產(chǎn)生誤差的原因。3根據(jù)由實驗測得二階閉環(huán)頻率特性曲線，寫出該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。七、實驗思考題1在實驗中如何選擇輸入正弦信號的幅值？2用示波器測試相頻特性時，若把信號發(fā)生器的正弦信號送入Y軸，被測系統(tǒng)的輸出信號送至X軸，則根據(jù)橢圓光點的轉(zhuǎn)動方向，如何確定相位的超前和滯后？3根據(jù)上位機(jī)測得的Bode圖的幅頻特性，就能確定系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的相頻特性，試問這在什么系統(tǒng)時才能實現(xiàn)？ 八、 附錄1慣性環(huán)節(jié) 電路圖為：圖4-1 慣性環(huán)節(jié)的電路圖 圖4-2 典型二階系統(tǒng)的方框圖其中 C=1uF，R1=100

24、K，R2=100K，R0=200K其幅頻特性為實驗臺上的參考單元：U7、U53二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)和方框圖為： 其模擬電路圖為 圖4-3 典型二階系統(tǒng)的電路圖其中Rx可調(diào)。這里可取100K、10K兩個典型值。實驗臺上的參考單元：U6、U10、U5實驗五 線性定常系統(tǒng)的串聯(lián)校正在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，引入某些參數(shù)可以根據(jù)需要而改變的輔助裝置，來改善系統(tǒng)的性能，這里所用的輔助裝置又叫校正裝置。一般來說，原始系統(tǒng)除放大器增益可調(diào)外，其結(jié)構(gòu)參數(shù)不能隨意改變，有的地方將這些部分稱之為“不可變部分”。這樣的系統(tǒng)常常不能滿足要求。如為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能可考慮提高增益，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性常常受到破壞，甚至有可能造成不穩(wěn)

25、定。為此，人們常常在 系統(tǒng)中引入一些特殊的環(huán)節(jié)校正裝置，以改善其性能指標(biāo)。在試驗應(yīng)用中，如何根據(jù)試驗條件和要求來正確選擇校正裝置是我們必須掌握的技能。本實驗為設(shè)計性實驗，對給定系統(tǒng)串聯(lián)超前校正進(jìn)行研究，以知道我們合理設(shè)計與選用校正裝置。一、實驗?zāi)康?熟悉串聯(lián)校正裝置的結(jié)構(gòu)和特性；2掌握串聯(lián)校正裝置的設(shè)計方法和系統(tǒng)的實時調(diào)試技術(shù)。二、實驗設(shè)備同實驗一。三、實驗內(nèi)容1觀測未加校正裝置時系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能。2按動態(tài)性能的要求，分別用時域法或頻域法（期望特性）設(shè)計串聯(lián)校正裝置。3觀測引入校正裝置后系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，并予以實時調(diào)試，使之動、靜態(tài)性能均滿足設(shè)計要求。4利用上位機(jī)軟件，分別對校正前和校正后

26、的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并與上述模擬系統(tǒng)實驗的結(jié)果相比較。四、實驗原理下圖是一串聯(lián)校正系統(tǒng)的方塊圖：圖中校正裝置Gc（S）與實驗電路G0（S）是串聯(lián)相連接。串聯(lián)校正裝置有兩種：一種是超前校正，它是利用超前校正裝置的相位超前特性來改善系統(tǒng)的動態(tài)性能；另一種是滯后校正，它是利用滯后校正裝置的高頻幅值衰減特性，使系統(tǒng)在滿足靜態(tài)性能的前提下又能滿足其動態(tài)性能的要求。本實驗采用串聯(lián)超前校正，使校正后的系統(tǒng)同時能滿足動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能的要求。有關(guān)串聯(lián)校正裝置的設(shè)計和實驗系統(tǒng)的模擬電路，請參看附錄。五、實驗步驟1利用實驗臺上的各通用單元，組建所設(shè)計二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路圖（參考本實驗附錄中的圖5-1），并連接好實驗電路

27、；當(dāng)檢查接線無誤后，接通實驗臺的電源總開關(guān)，并開啟±5V，±15V直流穩(wěn)壓電源。2把采集卡接口單元的輸出端DA1、輸入端AD2與電路的輸入端相連，電路的輸出端則與采集卡接口單元中的輸入端AD1相連。連接好采集卡接口單元與PC上位機(jī)的通信線。待接線完成并檢查無誤后，在PC機(jī)上啟動“THBDC-1”軟件。在系統(tǒng)的輸入端輸入一階躍信號，觀測該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能指標(biāo)。具體步驟參考實驗一的步驟2。3參閱本實驗的附錄，按對系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求設(shè)計串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)和相應(yīng)的模擬電路。4利用實驗平臺，根據(jù)步驟3設(shè)計校正裝置的模擬電路(具體可參考本實驗附錄的圖5-3)，并把校正裝置串接

28、到步驟1所設(shè)計的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路中（圖5-4）。然后輸入一階躍信號，觀測該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能指標(biāo)。5改變串聯(lián)校正裝置的相關(guān)參數(shù)，使系統(tǒng)的性能指標(biāo)均滿足預(yù)定的設(shè)計要求。6利用上位機(jī)軟件提供的軟件仿真功能，完成線性系統(tǒng)串聯(lián)校正的軟件仿真研究，并對電路模擬與軟件仿真結(jié)果進(jìn)行相比較。利用上位機(jī)軟件提供的軟件仿真功能完成線性系統(tǒng)軟件仿真的具體操作方法請參閱“實驗一”中的實驗步驟4。7根據(jù)實驗時存儲的波形完成實驗報告。六、實驗報告要求1根據(jù)對系統(tǒng)性能的要求，設(shè)計系統(tǒng)的串聯(lián)校正裝置，并畫出它的電路圖。2根據(jù)實驗結(jié)果，畫出校正前系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線及相應(yīng)的動態(tài)性能指標(biāo)。3觀測引入校正裝置后系統(tǒng)的階躍響

29、應(yīng)曲線，并對實驗所得的性能指標(biāo)與理論計算值作比較。4實時調(diào)整校正裝置的相關(guān)參數(shù)，使系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能均滿足設(shè)計要求，并分析相應(yīng)參數(shù)的改變對系統(tǒng)性能的影響。七、實驗思考題1加入超前校正裝置后，為什么系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)會變快？2什么是超前校正裝置和滯后校正裝置，它們各利用校正裝置的什么特性對系統(tǒng)進(jìn)行校正？3實驗時所獲得的性能指標(biāo)為何與設(shè)計時確定的性能指標(biāo)有偏差？八、附錄 1時域校正法加校正前系統(tǒng)的方框圖和模擬電路分別如圖5-1和圖5-2所示。圖5-1二階閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖圖5-2 二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路圖實驗臺上的參考單元：U6、U7、U10、U52期望特性校正法根據(jù)給定的性能指標(biāo)，確定期望的開環(huán)對數(shù)幅

30、頻特性L(w)，并令它等于校正裝置的對數(shù)幅頻特性Lc(w)和未校正系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻特性L0(w)之和，即 L(w)= Lc(w)+ L0(w)當(dāng)知道期望開環(huán)對數(shù)幅頻特性L(w)和未校正系統(tǒng)的開環(huán)幅頻特性L0(w)，就可以求出校正裝置的對數(shù)幅頻特性 Lc(w)= L(w)-L0(w)設(shè)未校正系統(tǒng)如圖5-3所示， 圖5-3 二階系統(tǒng)的方框圖圖中 ，K=K1K2=2則相應(yīng)的模擬電路為圖5-4 二階系統(tǒng)的模擬電路圖實驗臺上的參考單元：U6、U7、U10、U5附： THBDC-1控制理論·計算機(jī)控制技術(shù)實驗平臺簡介THBDC-1型控制理論·計算機(jī)控制技術(shù)實驗平臺主要是針對 “控制理論

31、”及“計算機(jī)控制技術(shù)”這兩門課程而設(shè)計的。在實驗的設(shè)計上用運放來模擬各種受控對象的數(shù)學(xué)模型，另外還增加了實驗中經(jīng)常使用到的低頻信號發(fā)生器、交直流數(shù)字電壓表，便于實驗室其它地方的使用。一、硬件部分1直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源輸出為±5V、±15V及+24V。2低頻信號發(fā)生器見實驗平臺的低頻函數(shù)信號發(fā)生器單元。低頻信號發(fā)生器由單片集成函數(shù)信號發(fā)生器ICL8038及外圍電路組合而成，主要輸出有正弦信號、三角波信號、方波信號、斜坡信號和拋物線信號。輸出頻率分為T1、T2、T3為三檔。每一檔正弦信號的范圍為：0.1Hz3.3Hz，2.5Hz86.4Hz，49.8Hz1.7KHz；Vp-

32、p值為25V，而方波信號輸出幅度的Vp-p值為15V。使用時可根據(jù)需要選擇合適頻率的檔并且調(diào)節(jié)“頻率調(diào)節(jié)”和“幅度調(diào)節(jié)”兩個電位器即可調(diào)節(jié)輸出信號的頻率和幅值。3實驗通用單元電路見實驗平臺的U1U17單元。這些單元主要由運放、電容、電阻、電位器和一些自由布線區(qū)等組成。通過接線和短路帽的選擇，可以模擬各種受控對象的數(shù)學(xué)模型。其中U1為能控性與能觀性單元，U2為無源器件單元，U3為帶調(diào)零端的運放單元，U4為非線性單元，U5反相器單元，U6-U17為通用單元電路主要用于比例、積分、微分、慣性等環(huán)節(jié)電路的構(gòu)造。4USB數(shù)據(jù)采集卡及接口單元數(shù)據(jù)采集卡采用THBXD，它可直接插在IBM-PC/AT 或與之

33、兼容的計算機(jī)內(nèi)，其采樣頻率為250K；有4路單端A/D模擬量輸入，2路D/A模擬量輸出，A/D與D/A轉(zhuǎn)換精度均為12位；16路開關(guān)量輸入，16路開關(guān)量輸出。接口單元則放于實驗平臺內(nèi)，用于實驗平臺與PC上位機(jī)的連接與通訊。數(shù)據(jù)采集卡接口部分包含模擬量輸入輸出(AI/AO)與開關(guān)量輸入輸出(DI/DO)兩部分。其中列出AI有6路，AO有2路，DI/DO各8路。二、上位機(jī)軟件使用說明上位機(jī)軟件集虛擬示波器、VBScript腳本編程器、函數(shù)信號發(fā)生器等于一身。其中虛擬示波器用于顯示實驗波形，并具有圖形和數(shù)據(jù)存儲、打印功能；VBScript腳本編程器則提供了一個開放的編程環(huán)境，用戶可編寫各種算法及控制程序；函數(shù)信