自控实验指导书

1、自动控制原理实 验 指 导 书电气自动化实验中心 编写机械与电气工程系目 录前 言- 2 -THBCC-1型实验平台使用说明书- 3 -实验一 典型环节的电路模拟- 25 -实验二 二阶系统的瞬态响应- 29 -实验三 线性定常系统的稳态误差- 31 -实验四 典型环节和系统频率特性的测量- 34 -实验五 线性定常系统的串联校正- 37 -实验六 采样控制系统的分析- 45 -实验七 采样控制系统的动态校正- 47 -前 言自动控制原理作为自动化专业的主干专业课程在教学中占有重要地位，同时该课程具有很强的实践性。为了使学生更好地理解和深刻地把握这些知识，并在课堂讲授的基础上，训练和培养学生的

2、动手实验技能。设置的实验项目中，有一定数量的设计性实验。各项实验的具体要求在正文中有明确要求。各专业具体选作的实验项目根据课程实验大纲选定。 电气自动化实验中心THBCC-1型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台使用说明书一 系统概述“THBCC-1型信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台”是结合教学和实践的需要而进行精心设计的实验系统。适用于高校的控制原理、计算机控制技术等课程的实验教学。该实验平台具有实验功能全、资源丰富、使用灵活、接线可靠、操作快捷、维护简单等优点。 实验台如图所示：实验台的硬件部分主要由直流稳压电源、低频函数信号发生器、函数信号发生器、阶跃信号发生器、频率计

3、、交/直流数字电压表、数据采集接口单元、直流电机单元、通用单元电路、电位器组等单元组成。上位机软件则集中了虚拟示波器、信号发生器、VBScript和JScript脚本编程器、实验仿真、实验报告生成器等多种功能于一体。其中虚拟示波器可显示各种波形，有X-T、X-Y、Bode图三种显示方式，并具有图形和数据存储、打印的功能，而VBScript和JScript脚本编程器提供了一个开放的编程环境，用户可在上面编写各种算法及控制程序。在实验设计上，控制理论既有模拟部分实验，又有离散部分实验；既有经典理论实验，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，还增加了当前工业上应用广泛、效果卓著的模糊

4、控制、神经元控制、二次型最优控制等实验。数据采集部分则采用实验室或工业上常用的USB数据采集卡。它可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机USB通讯口上，其采样频率为350K；有16路单端A/D模拟量输入，转换精度为14位；4路D/A模拟量输出，转换精度为12位；16路开关量输入，16路开关量输出。二 硬件的组成及使用1. 直流稳压电源 “THBCC-1”实验平台有两个直流稳压电源，主要用于给实验平台提供电源。其中一个直流稳压电源有5V/0.5A、15V/0.5A及+24V/1.0A五路，每路均有短路保护自恢复功能。它们的开关分别由相应的钮子开关控制，并由相应发光二极管指示。如图所示：

5、实验前，启动实验平台左侧的空气开关和实验台上的电源总开关。并根据需要将5V、15V钮子开关拔到“开”的位置。另一个直流稳压电源的功能与前一个相比，是无+24V直流电源。如图所示：实验时，也可将直流电压接到需要的位置。2. 阶跃信号发生器如图所示：“THBCC-1”实验平台有两个阶跃信号发生器，主要提供实验时的给定阶跃信号，其输出电压范围约为-10V+10V，正负档连续可调。使用时根据需要可选择正输出或负输出，具体通过“阶跃信号发生器”单元的钮子开关来实现。当按下复位按钮时，单元的输出端输出一个可调(选择正输出时，调节RP1电位器；选择负输出时，调节RP2电位器)的阶跃信号(当输出电压为1V时，

6、即为单位阶跃信号)，实验开始；当不按复位按钮时，单元的输出端输出电压为0V。注：单元的输出电压可通过实验台上左面板的直流数字电压表来进行测量，同时将阶跃信号接到需要的位置3. 函数信号发生器“THBCC-1”实验平台有两个函数信号发生器，一个为低频函数信号发生器，主要用于低频信号输出。如图所示：另一个为函数信号发生器，主要用于高频输出。如图所示：低频函数信号发生器由单片集成函数信号发生器专用芯片及外围电路组合而成，主要输出有正弦信号、三角波信号、方波信号、斜坡信号和抛物坡信号（其中斜坡、抛物坡信号在f1档输出）。输出频率分为f1、f2、f3三档。其中正弦信号的频率范围分别为0.1Hz3.3Hz

7、、2Hz70Hz、64Hz2.5KHz三档，Vp-p值为14V。使用时先将信号发生器单元的钮子开关拔到“开”的位置，并根据需要选择合适的波形及频率的档位，然后调节“频率调节”和“幅度调节”微调电位器，以得到所需要的频率和幅值，并将其接到需要的位置。而用于高频输出的函数信号发生器主要输出有正弦信号、三角波信号、方波信号，输出频率分为f1、f2、f3三档，其中正弦波频率可达90k左右，Vp-p值为14V。4. 锁零按钮 如图所示：锁零按钮用于实验前运放单元中电容器的放电。当按下按钮时，通用单元中的场效应管处于短路状态，电容器放电，让电容器两端的初始电压为0V；当按钮复位时，单元中的场效应管处于开路

8、状态，此时可以开始实验。注：在实验时，必须用导线将通用单元（U3U14）的G输出端与U0输出端相连时，锁零按钮才有效。5. 通用单元电路通用单元电路具体见实验平台所示U2U19单元、和“无源元件单元”。这些单元主要由运放、电容、电阻、电位器和一些自由布线区等组成。通过不同的连线，可以模拟各种受控对象的数学模型，主要用于比例、积分、微分、惯性等电路环节的构造。一般为反向端输入，其中电阻多为常用阻值51k、100k、200k、510k；电容多在反馈端，容值为0.1uF、1uF、10Uf。6. 非线性单元如图所示： 由两个含有非线性元件的电路组成，一个含有双向稳压管，另一个含有两个单向二极管并且需要

9、外加正负15伏直流电源，可研究非线性环节的静态特性和非线性系统。其中10K、47K电位器由电位器组单元提供。电位器的使用可由2号导线将电位器引出端点接入至相应电路中。但在实验前先断开电位器与电路的连线，用万用表测量好所需R的阻值，然后再接入电路中。7. 数据采集接口单元如图所示：数据采集卡采用THBXD，它可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机USB接口上，其采样频率为350K；有16路单端A/D模拟量输入，转换精度为14位；4路D/A模拟量输出，转换精度为12位；16路开关量输入，16路开关量输出。接口单元则放于实验平台上，用于实验平台与PC上位机的连接与通讯。数据采集卡接口部分包

10、含模拟量输入输出(AI/AO)与开关量输入输出(DI/DO)两部分。其中列出AI有4路，AO有2路，DI/DO各8路。使用虚拟示波器观察一个模拟信号，可以用导线直接连接到接口中 AD端（其中AD3和AD4两输入端有跟随器输入，而AD1和AD2通道没有，用户实验时可根据情况选择使用，但在选择AD3和AD4通道时，两个通道必须同时有电信号输入，不能有悬空）。另外，上位机软件编写的信号发生器，由数据采集卡的DA1输出。8. 交/直流数字电压表如图所示：交/直流数字电压表有三个量程，分别为200mV、2V、20V。当自锁开关不按下时，它作直流电压表使用，这时可用于测量直流电压源，测量范围为：020V；

11、当自锁开关按下时，作交流毫伏表使用，这时可用于测量交流电压源，测量范围为：020V，它具有频带宽（10Hz400kHz）、精度高（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。三 软件使用说明 在桌面上双击快捷方式打开软件界面THBCC-1，或从开始菜单程序处找到THBCC-1单击它。 如果USB采集卡驱动没有装好或者usb线没有连接，启动时都会弹出警告对话框如下图。用户先点击确定，然后检查驱动安装步骤是否正确及usb线的两头是否连上，检查无误再重新启动。如果安装无误，点击THBCC-1则会打开登入窗口，如下图：用户先正确填写自己的姓名，

12、学号，填好后点击“确定”。点击“确定”，进入如下界面：菜单参数与操作区状态区示波器窗口点击放大上图，图中最上面是各类菜单，其下是工具快捷方式。左边栏是示波器显示窗口，右面是参数和操作区，下面是状态显示窗口，用户可以通过菜单，工具快捷按钮，操作区按钮，完成对虚拟示波器的控制。初步了解了软件界面的情况之后，我们就可以开始实验操作了。1. 系统从菜单的系统下面找到开始采集界面如下图：开始采集前如想设置AD采用频率等参数，可以在控制区操作。AD数据缓存设置，可以在“系统”下找到“缓存设置”，弹出如下对话框：Urb数据长度USB每次请求包的长度（最小64，最大2048，要求必须是64的整数倍）。（默认值

13、是1024）一般不需要设置，在采用频率很低时，该值可以调低到512，256等合适的值，注意：只有系统停止采集状态时才允许缓存设置。缓存数据长度每次送入示波器的数据长度（必须大于等于Urb数据长度，最大819200，要求是偶数）。缓存数据长度将影响示波器的数据刷新快慢，即缓存越长示波器刷新的越慢，反之亦然。默认值是4096，可以适当设置。信号发生器信号发生器能够产生周期正弦波，方波，三角波，锯齿波，在产生波形前选择好“信号类型”,“信号频率”，“信号幅值”，“占空比”,“零电位偏移量”等参数,然后点击“启动”按钮后就可通过采集卡的DA1通道输出波形。频率在20HZ以下. 信号发生器窗口如下图:

14、AD/DA实验数据采集卡采用“THBXD”USB卡，该卡在进行A/D转换实验时，输入电压与二进制的对应关系为：-1010V对应为016383(A/D转换为14位)。其中0V 为8192。其主要数据格式如下表所示(采用双极性模拟输入)： 输入AD原始码(二进制)AD原始码(十六进制)求补后的码(十进制)正满度01 1111 1111 11111FFF16383正满度1LSB01 1111 1111 11101FFE16382中间值（零点）00 0000 0000 000000008192负满度+1LSB10 0000 0000 000120011负满度10 0000 0000 000020000

15、而DA转换时的数据转换关系为：-55V对应为04095(D/A转换为12位)，其数据格式(双极性电压输出时)为： 输入D/A数据编码正满度1111 1111 1111正满度1LSB1111 1111 1110中间值（零点）1000 0000 0000负满度+1LSB0000 0000 0001负满度0000 0000 0000如下图：在做AD转换实验时，输入电压为-10V, AD栏二进制值显示10 0000 0000 0000，十进制显示0；输入0V时，AD栏二进制值显示00 0000 0000 0000，十进制显示8192；输入电压为+10, AD栏二进制值显示01 1111 1111 11

16、11，十进制显示16383。做DA转换试验时，十进制栏输入4095，二进制栏输出1111 1111 1111，波形处于+5V位置。十进制栏输入2048，二进制栏输出1000 0000 0000，波形处于0V位置。十进制栏输入0，二进制栏输出0000 0000 0000，波形处于-5V位置。Bode图实验单击此按钮，可以直接调出做幅频特性的Bode图软件。如下图： Bode图软件如下： 波形保存保存当前整个示波器窗口及波形，以Bitmap文件类型保存。如下图：波形打印如果电脑连了打印机的话，本软件有直接打印的功能，可以直接打印出当前的主界面。在工具快捷栏也有打印机的图标，如下图：退出实验完之后退

17、出当前主界面。 2. 示波器下的按钮功能幅值自动选择(点击一下,同时会出现表示符“”表示已经选上)：调整示波器窗口始终随着波形的幅值满屏显示。取消（在选上的基础上在点击下，同时表示符消失，表示已取消）：取消自动调整，同时弹出对话框，设置最大，最小显示幅值。如下图：时基自动选择：调整示波器窗口始终随着波形的时间满屏显示；取消：取消自动调整。暂停显示选择：暂停显示；取消：取消自动调整。波形同步选择：同步显示波形（注意：只有波形模式在 Plot X，Plot(X1,X2),Plot(X1+X2)三种模式下有效，其它模式不起作用）；取消：取消同步显示。波形模式Chart X 单通道采集时，连续左移方式

18、显示波形，同时在工具快捷方式栏下方中央会显示波形模式,如下图；Plot X 单通道采集时，连续一屏一屏从左到有刷新显示波形，此时波形显示长度就是缓存数据长度；单通道同步显示必须在此模式下,如下图； Chart(X1,X2)双通道时，分别显示。显示原理同 Chart X ；Plot(X1,X2)双通道时，分别显示。显示原理同 PlotX ；Chart(X1X2)双通道时，两波形叠加显示。显示原理同 Chart X ；Plot(X1X2)双通道时，两波形叠加显示。显示原理同 PlotX ；Plot(X1，X2)双通道时，X1数值为时间轴，X2为幅值轴。显示原理同 PlotX ；波形操作XY轴放大

19、在此操作模式下，可以任意放大鼠标选定的矩形波形窗口到满屏。此按钮在工具快捷方式栏也有显示，如下图：X轴放大 在此操作模式下，可以任意放大鼠标选定的时间轴区域波形到满屏。如下图：Y轴放大 在此操作模式下，可以任意放大鼠标选定的幅值轴区域波形到满屏。如下图：波形抓取 在此模式下,可以抓取当前实验波形。如下图：十字跟踪 在此操作模式下，示波器会弹出两跟踪线。用户可以用鼠标拖动跟踪线到指定的位置，状态栏会实时显示跟踪线和波形交叉点的坐标位置。如下图：线型/点型改变波形的形状。即线型时连线显示，点型时，点式显示。波形复位复位放大缩小后的波形到原始状态。基准复位复位控制区里的水平，基准按钮到初始状态。波形

20、清除清除当前实验波形，使得示波器窗口为空白，以便重新生成实验波形。波形复制波形拷贝到粘贴板。3. 工具快捷栏其余按钮：如下图所示：“开始”相当于“开始采集”的功能：“暂停” 使当前波形暂时停下来时，以便进行测量观察。要继续使波形移动的话，可以点击“开始”。“停止” 使波形停止下来，重新开始实验。开始“系统”下的“信号发生器”的工具快捷方式如下图：开始“系统”下的“脚本编程”的工具快捷方式如下图：菜单栏“示波器”下“时基自动”的工具快捷方式。如果按钮陷下去，表示已在当前状态。菜单栏“示波器”下“X-t”和“X-Y”的工具快捷方式。如果按钮陷下去，表示已在当前状态。4. 帮助菜单实验指导书本软件直

21、接提供了每个实验的电子文档，用户在做实验时，可以按照实验指导书的步骤进行操作。如下图：实验指导书包括了实验目的，实验设备，实验内容，实验结果等。如下图所示：5. 参数与操作区的一些按钮功能通道选择 选择AD采集的通道（通道1为 USB采集卡的1通道，通道12为USB采集卡的1和2通道，此时双通道采集，每个通道的实际采样频率为设置采样频率的一半）。采样频率设置采集卡的采样频率（注要：单位是K，即最小为1000Hz，最大可以达到250KHz）。采集卡的默认增益系数为1。分频系数波形在Chart模式时，可以任意调节采样频率。该原理是等间隔均匀丢弃数据点。也即相当于降低了采样频率，该功能特点是不需要停

22、止采集，随着滑动按钮的调节，可以马上看到调节结果。主要用在实验时对象信号频率很低，而实验又需要显示整个实验波形过程，这时通过滑动按钮可以调到合理的波形。（值1对应无分频，值20对应每缓存长度数据只显示1点）。6. 状态区的各栏注释状态栏第一格为系统运行状况信息栏，第二栏为当前波形实时分析的频率值（注要：双通道时，是指第一通道波形的频率），第三栏第四栏为十字跟踪时，跟踪线X1与波形相交点的时基坐标值和幅值坐标值。第五栏和第六栏为十字跟踪时，跟踪线X2与波形相交点的时基坐标值和幅值坐标值。第七栏第八栏为跟踪线X2与跟踪线X1的坐标值差，第九栏为|X2-X1|坐标值差的倒数。当X1X2刚好对应一个波

23、形时，该倒数即为该波形的频率。实验一 典型环节的电路模拟实验学时：3实验类型：验证实验要求：必做一、实验目的1. 熟悉THBCC-1型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台及“THBCC-1”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1. THBCC-1型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台；2. PC机一台(含“THBCC-1”软件)、USB数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB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

24、，并研究参数变化对其输出响应的影响；四、实验步骤1. 比例（P）环节根据比例环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元和反相器单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示：图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。电路参考单元为：U8和反相器单元。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，电路中的参数取：R1=100K，R2=200K。当ui为一单位阶跃信号时，用“THBCC-1”软件观测(选择“通道1-2”，其中通道AD1接电路的输出uO；通道AD2接电路的输入ui )并记录相应K值时的实验曲线，并与理论值进行比较。为了更好的观测实验曲线，实验时可适

25、当调节软件上的分频系数(一般调至刻度2)和选择“”按钮(时基自动)，并选择菜单中的示波器选项波形模式Chart(X1,X2)。以下实验相同。2. 积分（I）环节根据积分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元和反相器单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示：图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。电路参考单元为：U8和反相器单元。若积分时间常数T=1S时，电路中的参数取：R=100K，C=10uF(T=RC=100K10uF=1)；若积分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：R=100K，C=1uF(T=RC=100K1uF=0.1)；当ui为单位阶跃信号时，用“THBCC-1”软件观测

26、并记录相应T值时的输出响应曲线，并与理论值进行比较。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。3. 比例积分(PI)环节根据比例积分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元和反相器单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示：图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。电路参考单元为：U4和反相器单元。若取比例系数K=1、积分时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K10uF=1S)；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：R1=100K，R2=100K，C

27、=1uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K1uF=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。当ui为单位阶跃信号时，用“THBCC-1”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。4. 比例微分(PD)环节根据比例微分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元和反相器单元设计并组建其模拟电路，如下图所示：图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。电路参考单元为：U4和反相器单元。若比例系数K=1、微分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=

28、100K1uF=0.1S)；若比例系数K=1、微分时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K10uF=1S)。当ui为一单位阶跃信号时，用“THBCC-1”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。5. 比例积分微分(PID)环节根据比例积分微分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元和反相器单元设计并组建其相应的模拟电路，如下图所示：图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。电路参考单元为：U4和反相器单元。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

29、路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C1=1uF、C2=1uF (K= (R1 C1+ R2 C2)/ R1 C2=2,TI=R1C2=100K1uF=0.1S，TD=R2C1=100K1uF=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=100K10uF=1S，TD=R2C1=100K1uF=0.1S)。当ui为一单位阶跃信号时，用“THBCC-1”软件观测并记录不同K、TI、TD值时

30、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，选择实验台上的通用电路单元和反相器单元设计并组建其相应的模拟电路，如下图所示：图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。电路参考单元为：U8和反相器单元。若比例系数K=1、时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K10uF=1)。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=100K1uF=0.1)。通过改变R2、R1、C的值可改变惯性环节的放大系数K

31、和时间常数T。当ui为一单位阶跃信号时，用“THBCC-1”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。五、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，分析参数变化对动态特性的影响。六、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

32、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？实验二 二阶系统的瞬态响应实验学时：3实验类型：设计实验要求：必做一、实验目的1. 通过实验了解参数(阻尼比)、(阻尼自然频率)的变化对二阶系统动态性能的影响；2. 掌握二阶系统动态性能的测试方法。二、实验设备1. THBCC-1型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台；2. PC机一台(含“THBCC-1”软件)、USB数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB接口线；三、实验内容1. 观测二阶系统的阻尼比分别在01三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，测量此时系统的超调量、调

33、节时间ts(= 0.05)；3. 为一定时，观测系统在不同时的响应曲线。四、实验步骤根据方框图2-1，选择实验台上的通用电路单元和反相器单元设计并组建模拟电路，如图2-2所示：图2-1 二阶系统的方框图图2-2 二阶系统的模拟电路图电路参考单元为：U3、U5、U11、反相器单元。1. 值一定时，图2-3中取C=1uF，R=100K(此时)，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“THBCC-1”软件观测并记录不同值时的实验曲线。1.1当可调电位器RX=250K时，=0.2，系统处于欠阻尼状态，其超调量为53%左右；1.2若可调电位器RX=70.7K时，=0.

34、707，系统处于欠阻尼状态，其超调量为4.3%左右；1.3若可调电位器RX=50K时，=1，系统处于临界阻尼状态。 1.4若可调电位器RX=25K时，=2，系统处于过阻尼状态。2. 值一定时，图2-3中取R=100K，RX=250K(此时=0.2)。系统输入一单位阶跃信号，在下列几种情况下，用“THBCC-1”软件观测并记录不同值时的实验曲线。2.1若取C=10uF时，2.2若取C=0.1uF时，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。五、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

35、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。六、实验思考题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？实验三 线性定常系统的稳态误差实验学时：3实验类型：设计实验要求：选做一、实验目的1. 通过本实验，理解系统的跟踪误差与其结构、参数与输入信号的形式、幅值大小之间的关系；2. 研究系统的开环增益K对稳态误差的影响。二、实验设备1. THBCC-1型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台；2. PC机一台(含“THBCC-1”软件)、USB数据采集卡

36、、37针通信线1根、16芯数据排线、USB接口线；三、实验内容1. 观测0型二阶系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应，并实测它们的稳态误差；2. 观测I型二阶系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应，并实测它们的稳态误差；3. 观测II型二阶系统的单位斜坡响应和单位抛物坡，并实测它们的稳态误差。四、实验步骤1. 0型二阶系统根据0型二阶系统的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示：图3-1 0型二阶系统模拟电路图电路参考单元为：U3、U8、U11和反相器单元。当输入ur为一单位阶跃信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。当输入ur为一单位斜坡

37、信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。2. 型二阶系统根据I型二阶系统的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示：图3-2 型二阶系统模拟电路图电路参考单元为：U3、U8、U11和反相器单元。当输入ur为一单位阶跃信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。当输入ur为一单位斜坡信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。3. II型二阶系统根据II型二阶系统的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示：图3-3 II型二阶系统模拟电路图电路参考单

38、元为：U3、U4、U5、U8和反相器单元。当输入ur为一单位斜坡(或单位阶跃)信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。当输入ur为一单位单位抛物波信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。五、实验报告要求1. 画出0型二阶系统的方框图和模拟电路图，并由实验测得系统在单位阶跃和单位斜坡信号输入时的稳态误差。2. 画出型二阶系统的方框图和模拟电路图，并由实验测得系统在单位阶跃和单位斜坡信号输入时的稳态误差。3. 画出型二阶系统的方框图和模拟电路图，并由实验测得系统在单位斜坡和单位抛物线函数作用下的稳态误差。4. 观察由改变输入阶跃信号的

39、幅值，斜坡信号的速度，对二阶系统稳态误差的影响。并分析其产生的原因。六、实验思考题1. 为什么0型系统不能跟踪斜坡输入信号？2. 为什么0型系统在阶跃信号输入时一定有误差存在，决定误差的因素有哪些？3. 为使系统的稳态误差减小，系统的开环增益应取大些还是小些？实验四 典型环节和系统频率特性的测量实验学时：3实验类型：设计实验要求：必做一、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、实验设备1. THBCC-1型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台；2. PC机一台(含“THBCC-1”软件)、USB数据采集卡、37针通信线

40、1根、16芯数据排线、USB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. 无源滞后超前校正网络的频率特性测试；4. 由实验测得的频率特性曲线，求取相应的传递函数。四、实验步骤1. 惯性环节1.1 根据图4-1 惯性环节的电路图，选择实验台上的通用电路单元设计U8和反相器单元组建相应的模拟电路。其中电路的输入端接实验台上信号源的输出端，电路的输出端接数据采集接口单元的AD2输入端；同时将信号源的输出端接数据采集接口单元的AD1输入端。图4-1 惯性环节的电路图1.2点击“BodeChart”软件的“开始采集”；1.3调节“低频函数信号发生器”正弦波输出起始频

41、率至0.2Hz，并用交流电压测得其压电有效值为4V左右，等待到电路输出信号稳定后，点击“手动单采”，等待，软件即会自动完成该频率点的幅值特性，并单点显示在波形窗口上。1.4继续增加并调节正弦波输出频率（如0.3Hz，本实验终至频率5Hz即可），等输出信号稳定后，点击“手动单采”，等待，软件即会自动完成该频率点的幅值特性，并单点显示在波形窗口上。1.5继续第1.2、1.3步骤，一直到关键频率点都完成。1.6点击停止采集，结束硬件采集任务。1.7点击“折线连接”，完成波特图的幅频特性图。注意事项：正弦波的频率在0.2Hz到2Hz的时，采样频率设为1000Hz；正弦波的频率在2Hz到50Hz的时，采

42、样频率设为5000Hz。1.7保存波形到画图板。2. 二阶系统根据图4-2所示二阶系统的电路图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图3-6所示。图4-2 典型二阶系统的电路图电路参考单元为：U3、U4和反相器单元。2.1 当时 具体步骤请参考惯性环节的相关操作，最后的终至频率2Hz即可。2.2当时具体步骤请参考惯性环节的相关操作，最后的终至频率5Hz即可。五、实验报告要求1. 写出被测环节和系统的传递函数，并画出相应的模拟电路图；2. 把实验测得的数据和理论计算数据列表，绘出它们的Bode图，并分析实测的Bode图产生误差的原因；3. 用上位机实验时，根据由实验测得二阶系统

43、闭环幅频特性曲线，据此写出该系统的传递函数，并把计算所得的谐振峰值和谐振频率与实验结果相比较；4. 绘出被测环节和系统的幅频特性。六、实验思考题1. 在实验中如何选择输入正弦信号的幅值？2. 根据上位机测得的Bode图的幅频特性，就能确定系统（或环节）的相频特性，试问这在什么系统时才能实现？ 实验五 线性定常系统的串联校正实验学时：3实验类型：验证实验要求：必做一、实验目的1. 通过实验，理解所加校正装置的结构、特性和对系统性能的影响；2. 掌握串联校正几种常用的设计方法和对系统的实时调试技术。二、实验设备1. THBCC-1型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台；2. PC机一台(含

44、“THBCC-1”软件)、USB数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB接口线。三、实验内容 1. 观测未加校正装置时系统的动、静态性能；2. 按动态性能的要求，分别用时域法或频域法（期望特性）设计串联校正装置；3. 观测引入校正装置后系统的动、静态性能，并予以实时调试，使之动、静态性能均满足设计要求。四、实验原理图5-1为一加串联校正后系统的方框图。图中校正装置Gc(S)是与被控对象Go(S)串联连接。图5-1 加串联校正后系统的方框图串联校正有以下三种形式： 1) 超前校正，这种校正是利用超前校正装置的相位超前特性来改善系统的动态性能。2) 滞后校正，这种校正是利用滞后校正装置

45、的高频幅值衰减特性，使系统在满足稳态性能的前提下又能满足其动态性能的要求。3) 滞后超前校正，由于这种校正既有超前校正的特点，又有滞后校正的优点。因而它适用系统需要同时改善稳态和动态性能的场合。校正装置有无源和有源二种。基于后者与被控对象相连接时，不存在着负载效应，故得到广泛地应用。下面介绍两种常用的校正方法：零极点对消法（时域法；采用超前校正）和期望特性校正法（采用滞后校正）。1. 零极点对消法(时域法)所谓零极点对消法就是使校正变量Gc(S)中的零点抵消被控对象Go(S)中不希望的极点，以使系统的动、静态性能均能满足设计要求。设校正前系统的方框图如图5-2所示：图5-2 二阶闭环系统的方框

46、图1.1 性能要求静态速度误差系数：KV=25 1/S，超调量：；上升时间：。1.2 校正前系统的性能分析校正前系统的开环传递函数为：系统的速度误差系数为：，刚好满足稳态的要求。根据系统的闭环传递函数求得，代入二阶系统超调量的计算公式，即可确定该系统的超调量，即，这表明当系统满足稳态性能指标KV的要求后，其动态性能距设计要求甚远。为此，必须在系统中加一合适的校正装置，以使校正后系统的性能同时满足稳态和动态性能指标的要求。1.3 校正装置的设计根据对校正后系统的性能指标要求，确定系统的和。即由，求得，解得根据零极点对消法则，令校正装置的传递函数则校正后系统的开环传递函数为：相应的闭环传递函数于是

47、有：，为使校正后系统的超调量，这里取 ， 则 ，。这样所求校正装置的传递函数为：设校正装置GC(S)的模拟电路如图5-3或图5-4(实验时可选其中一种)所示：图5-3 校正装置的电路图1 图5-4 校正装置的电路图2其中图4-3中 时 则有而图4-4中，时有图5-5 (a)、(b)分别为二阶系统校正前、后系统的单位阶跃响应的示意曲线。 (a) (约为63%) (b) (约为16.3%)图5-5 加校正装置前后二阶系统的阶跃响应曲线2. 期望特性校正法根据图5-1和给定的性能指标，确定期望的开环对数幅频特性L()，并令它等于校正装置的对数幅频特性Lc()和未校正系统开环对数幅频特性Lo()之和，

48、即 L()= Lc()+ Lo()当知道期望开环对数幅频特性L()和未校正系统的开环幅频特性L0()，就可以从Bode图上求出校正装置的对数幅频特性 Lc()= L()-Lo()据此，可确定校正装置的传递函数，具体说明如下：设校正前系统为图5-6所示，这是一个0型二阶系统。图5-6二阶系统的方框图其开环传递函数为：其中 ，K=K1K2=2。则相应的模拟电路如图5-7所示：图5-7 二阶系统的模拟电路图2.1 设校正后系统的性能指标如下：系统的超调量：，速度误差系数。后者表示校正后的系统为I型二阶系统，使它跟踪阶跃输入无稳态误差。 2.2 设计步骤 绘制未校正系统的开环对数幅频特性曲线，由图5-

49、6可得：其对数幅频特性曲线如图5-8的曲线(虚线) 所示。 根据对校正后系统性能指标的要求，取，相应的开环传递函数为：，其频率特性为： 据此作出曲线（），如图5-8的曲线L所示。 求因为。所以由上式表示校正装置是PI调节器，它的模拟电路图如图5-9所示。图5-8 二阶系统校正前、校正后的幅频特性曲线图5-9 PI校正装置的电路图由于 其中取R1=80K（实际电路中取82K），R2=100K，C=10uF，则s， 校正后系统的方框图如图5-10所示。图5-10 二阶系统校正后的方框图图5-11 (a)、(b)分别为二阶系统校正前、后系统的单位阶跃响应的示意曲线。 (a) (稳态误差为0.33)

50、(b) (约为4.3%)图5-11 加校正装置前后二阶系统的阶跃响应曲线五、实验步骤1. 零极点对消法(时域法)进行串联校正1.1 校正前根据图5-2二阶系统的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图5-12所示。图5-12 二阶闭环系统的模拟电路图(时域法)电路参考单元为：U3、U5、U4和反相器单元。在r输入端输入一个单位阶跃信号，用上位机软件观测并记录相应的实验曲线，并与理论值进行比较。1.2 校正后 在图5-12的基础上加上一个串联校正装置(见图5-3)，如图5-13所示：图5-13二阶闭环系统校正后的模拟电路图(时域法)电路参考单元为：U3、U7、U5、U4、

51、反相器单元。 其中。在系统输入端输入一个单位阶跃信号，用上位机软件观测并记录相应的实验曲线，并与理论值进行比较，观测是否满足设计要求。2. 期望特性校正法2.1 校正前根据图5-6二阶系统的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图5-14所示。图5-14 二阶闭环系统的模拟电路图(频域法)电路参考单元为：U3、U5、U8、反相器单元。在系统输入端输入一个单位阶跃信号，用上位机软件观测并记录相应的实验曲线，并与理论值进行比较。2.2 校正后在图5-14的基础上加上一个串联校正装置(见图5-9)，校正后的系统如图5-15所示：图5-15二阶闭环系统校正后的模拟电路图(频域法

52、)注：80K电阻在实际电路中阻值可取82K。电路参考单元为：U3、U4、U5、U8、反相器单元。在系统输入端输入一个单位阶跃信号，用上位机软件观测并记录相应的实验曲线，并与理论值进行比较，观测和是否满足设计要求。六、实验报告要求1. 根据对系统性能的要求，设计系统的串联校正装置，并画出它的电路图；2. 根据实验结果，画出校正前系统的阶跃响应曲线及相应的动态性能指标；3. 观测引入校正装置后系统的阶跃响应曲线，并将由实验测得的性能指标与理论计算值作比较；4. 实时调整校正装置的相关参数，使系统的动、静态性能均满足设计要求，并分析相应参数的改变对系统性能的影响。七、实验思考题1. 加入超前校正装置后，为什么系统的瞬态响应会变快？2. 什么是超前校正装置和滞后校正装置，它们各利用校正装置的什么特性对系统进行校正？3. 实验时所获得的性能指标为何与设计确定的性能指标有偏差？实验六 采样控制系统的分析实验学时：3实验类型：设计实验要求：选做一、实验目的2. 熟悉用LF398组成的采样控制系统；3. 通过本实验进一步理解香农定理和零阶保持器ZOH的原理及其实现方法；3. 观察系统在阶跃作用下的稳态误差。研究开环增