自控实验指导书2009完整

1、目 录实验须知 1实验一 典型环节的模拟研究 3实验二线性系统的稳定性研究 3实验三 线性控制系统的频域分析实验四 线性系统校正实验五 采样控制系统分析实验须知一预习实验者应事先预习，以免因准备不充分而影响实验顺利进行。预习内容一般包括：1. 本次实验所用设备、仪器的使用方法。2. 实验指导书中与本次实验有关的章节。3. 与本次实验有关的原理、计算方法及操作要领等。4. 实验者应在预习的基础上完成本次实验的预习报告。其主要内容应该包括： 1) 根据实验内容提供的方块图绘制模拟电路图，实验设计，并确定各有关元件的参数。2) 根据实验要求拟订出可行的实验步骤。3) 估计到实验中可能遇到的问题，并考

2、虑好解决的措施。4) 进行必要的理论分析和计算。5) 设计好实验数据记录表格。二实验中注意事项1. 实验前将预习报告交给指导老师审阅，经提问通过后，方可参与实验。2. 遵守实验室规章制度，注意人身、设备安全，不得在仪器设备上乱放导线或其他零物，以免意外短路造成事故。3. 照图接线，经指导老师检查无误后再通电实验。4. 实验中如发生仪器设备损坏，应立即断电并报告指导老师。5. 实验结束后，将数据、曲线经指导老师检查后方可拆除实验线路。6. 照原样整理好实验仪器和设备。三实验报告实验者应认真完成实验报告，报告格式作如下规定：1. 幅面16K纸张，加封面装订成册。2. 封面上包括实验名称、系、班级、

3、本人姓名、同组人姓名，实验日期及完成报告日期。3. 正文包括实验名称、实验目的、实验内容及简要步骤；实验设计；包括方框图、模拟电路图及电路参数；包括实验数据、现象记录与讨论；实验曲线、图表及获取条件；还应包括思考题的解答。4. 实验者应对实验结果做归纳总结，进行必要的数据处理和误差分析及问题讨论。实验一典型环节的模拟研究一实验目的：1. 研究典型环节的特性，学习典型环节的电模拟方法。2. 熟悉实验设备的性能和操作。二各典型环节的方块图及传函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）三实验内容及步骤观察和分析各典型环节的阶跃

4、响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响。改变被测环节的各项电路参数，画出模拟电路图，阶跃响应曲线，观测结果，填入实验报告运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。具体用法参见用户手册中的示波器部分。1)观察比例环节的阶跃响应曲线典型比例环节模拟电路如图1-1所示。图1-1 典型比例环节模拟电路传递函数： ； 单位阶跃响应： 实验步骤：注：S ST用短路套短接！（1）将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），作为系

5、统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒（D1单元左显示）。 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 4V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图1-1安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号A5S4，S12B5S-ST信号输入（Ui）B5（OUT）A5（H1）示波器联接×1档A5（OUTB）B3（CH1）B5（OUT）B3（CH2）（3）运行、观察、记录： 打开虚

6、拟示波器的界面，点击开始，观测A5B输出端（Uo）的实际响应曲线。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。实验报告要求：按下表改变图1-1所示的被测系统比例系数，观测结果，填入实验报告。必做参数R0R1输入Ui比例系数K计算值测量值200K100K4V0.5200K4V1自定参数2)观察惯性环节的阶跃响应曲线典型惯性环节模拟电路如图1-2所示。图1-2 典型惯性环节模拟电路传递函数： 单位阶跃响应：实验步骤：注：S ST用短路套短接！（1）将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），作为系统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择（D1）单元中，通过

7、波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒（D1单元左显示）。 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 4V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图1-2安置短路套及测孔联线，表如下。信号输入（Ui）B5（OUT）A5（H1）示波器联接×1档A5（OUTB）B3（CH1）B5（OUT）B3（CH2）（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号A5S4，S6，S10B5S-ST（3）运行、观察、记录： 打开虚拟示波器的界面，点击开始，观测A5B输出端（Uo）响应曲线，等待完整波形出来后，移动虚拟示波器

8、横游标到输出稳态值×0.632处，得到与输出曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到输出曲线的交点，量得惯性环节模拟电路时间常数T。实验报告要求：按下表改变图1-2所示的被测系统时间常数及比例系数，观测结果，填入实验报告。必做参数R0R1C输入Ui比例系数K惯性常数T计算值测量值计算值测量值200K200K14V10.2210.4自定参数3)观察积分环节的阶跃响应曲线 典型积分环节模拟电路如图1-3所示。图1-3 典型积分环节模拟电路传递函数： 单位阶跃响应： 实验步骤：注：S ST用短路套短接！（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT

9、），代替信号发生器（B1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒（D1单元左显示）。（注：为了使在积分电容上积分的电荷充分放掉，锁零时间应足够大，即矩形波的零输出宽度时间足够长！ “量程选择”开关置于下档时，其零输出宽度恒保持为2秒！） 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 1V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图1-3安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线

10、信号输入（Ui）B5（OUT）A5（H1）示波器联接×1档A5（OUTB）B3（CH1）B5（OUT）B3（CH2）模块号跨接座号A5S4，S10B5S-ST（3）运行、观察、记录： 打开虚拟示波器的界面，点击开始，观测A5B输出端（Uo）响应曲线，等待完整波形出来后，点击停止，移动虚拟示波器横游标到0V处，再移动另一根横游标到V=1V（与输入相等）处，得到与输出曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到输出曲线的交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。实验报告要求：按下表改变图1-3所示的被测系统时间常数，观测结果，填入实验报告。必做参数R0C输入Ui积分常数Ti计算值测

11、量值200K11V2自定参数4)观察比例积分环节的阶跃响应曲线 典型比例积分环节模拟电路如图1-4所示.。图1-4 典型比例积分环节模拟电路传递函数： 单位阶跃响应：实验步骤：注：S ST用短路套短接！（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒（D1单元左显示）。（注：为了使在积分电容上积分的电荷充分放掉，锁零时

12、间应足够大，即矩形波的零输出宽度时间足够长！ “量程选择”开关置于下档时，其零输出宽度恒保持为2秒！） 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压 = 1V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图1-4安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号A5S4，S8B5S-ST信号输入（Ui）B5（OUT）A5（H1）示波器联接×1档A5（OUTB）B3（CH1）B5（OUT）B3（CH2）（3）运行、观察、记录： 打开虚拟示波器的界面，点击开始，观测A5B输出端（Uo）响应曲线，等待完整波形出来后，点击停止。移动虚拟示波器横游标到输入电压

13、15;比例系数K处，再移动另一根横游标到（输入电压×比例系数K×2）处，得到与积分曲线的两个交点。再分别移动示波器两根纵游标到积分曲线的两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。实验报告要求：按下表改变图1-4所示的被测系统时间常数及比例系数，观测结果，填入实验报告。必做参数R0R1C输入Ui比例系数K积分常数Ti计算值测量值计算值测量值200K200K11V1100K22自定参数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拟电路如图1-5所示。图1-5 典型比例微分环节模拟电路比例微分环节+惯性环节的传递函数： 微分时间常数： 惯性时间常数： 单位阶跃响应：实验

14、步骤：注：S ST用短路套短接!（1）将函数发生器（B5）单元的矩形波输出作为系统输入R。（连续的正输出宽度足够大的阶跃信号) 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒左右（D1单元左显示）。 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压 = 0.5V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图1-5安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号A4S4，S9A6S2，S6B5S-ST信号输入(Ui)B5（OUT）A4（H1）运放级联A4（OUT）A6（H

15、1）示波器联接×1档A6（OUT）B3（CH1）B5（OUT）B3（CH2）（3）运行、观察、记录：虚拟示波器的时间量程选4档。 打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测系统的A6输出端（Uo），等待完整波形出来后，把输出最高端电压减去稳态输出电压，然后乘以0.632，得到V。 移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到V处为止，得到与微分的指数曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得t。 已知KD=10，则图1-5的比例微分环节模拟电路微分时间常数：6)观察PID（比例积分微分）环节的响应曲线PID（比例积分微分）环节模拟电路如图1-6所示。图1-6

16、PID（比例积分微分）环节模拟电路典型比例积分环节的传递函数： 惯性时间常数： 单位阶跃响应： 实验步骤：注：S ST用短路套短接！（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度0.4秒左右（D1单元左显示）。 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 0.3V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图1

17、-6安置短路套及测孔联线，表如下。信号输入（Ui）B5（OUT）A2（H1）示波器联接×1档A2B（OUTB）B3（CH1）B5（OUT）B3（CH2）（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号A2S4，S8B5S-ST（3）运行、观察、记录： 打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测A2B输出端（Uo）。 等待完整波形出来后，点击停止，移动虚拟示波器两根横游标使之V=Kp×输入电压，得到与积分的曲线的两个交点。 再分别移动示波器两根纵游标到积分的曲线的两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。 将A2单元的S9短路套套上，点击开始，用示波器观测系统的A2B输出端

18、（Uo），等待完整波形出来后，把最高端电压减去稳态输出电压，然后乘以0.632，得到V。 移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到V处为止，得到与微分的指数曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得。 已知KD，则图1-6的比例微分环节模拟电路微分时间常数：。实验二线性系统的稳定性研究一实验目的1. 了解和掌握典型三阶系统模拟电路的构成方法及型三阶系统的传递函数表达式。2. 熟悉劳斯（ROUTH）判据使用方法。3. 应用劳斯（ROUTH）判据，观察和分析型三阶系统在阶跃信号输入时，系统的稳定、临界稳定及不稳定三种瞬态响应。二实验内容本实验用于观察和分析三阶系统瞬态响应

19、和稳定性。典型型三阶单位反馈系统原理方块图见图2-1。图2-1 典型三阶闭环系统的方块图型三阶系统的开环传递函数： （2-1）闭环传递函数（单位反馈）： （2-2）型三阶闭环系统模拟电路如图2-2所示。它由积分环节（A2）、惯性环节（A3和A5）构成。图2-2 型三阶闭环系统模拟电路图图2-2的型三阶闭环系统模拟电路的各环节参数及系统的传递函数：积分环节（A2单元）的积分时间常数Ti=R1*C1=1S， 惯性环节（A3单元）的惯性时间常数 T1=R3*C2=0.1S， K1=R3/R2=1惯性环节（A5单元）的惯性时间常数 T2=R4*C3=0.5S，K2=R4/R=500k/R该系统在A5单

20、元中改变输入电阻R来调整增益K，R分别为 30K、41.7K、100K 。模拟电路的各环节参数代入式（2-1），该电路的开环传递函数为： G(S) = 模拟电路的开环传递函数代入式（2-2），该电路的闭环传递函数为：闭环系统的特征方程为： （2-3）特征方程标准式： （2-4）把式（3.1.6）代入式（3.1.7）由Routh稳定判据判断得Routh行列式为：为了保证系统稳定，第一列的系数都为正值，所以由ROUTH 判据，得三实验内容及步骤 型三阶闭环系统模拟电路图见图2-2，分别将（A11）中的直读式可变电阻调整到30K、41.7K、100K，跨接到A5单元（H1）和（IN）之间，改变系统开

21、环增益进行实验。注：S-ST不能用“短路套”短接！（1）用信号发生器（B1）的阶跃信号输出和幅度控制电位器构造输入信号（Ui）：B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。阶跃信号输出（Y测孔）调整为2V（调节方法：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y测孔）。（2）构造模拟电路：按图2-2安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号1A1S4，S82A2S2，S11，S123A3S4，S8，S104A5S7，S105A6S2，S61信号输入r(t)B1（Y） A1（H1）2运放级联A1（O

22、UT）A2（H1）3运放级联A2（OUTA）A3（H1）4运放级联A3（OUT）A5（H1）5运放级联A5（OUTA）A6（H1）6负反馈A6（OUT）A1（H2）7跨接元件30K (41.7K or 100K)元件库A11中直读式可变电阻跨接到A5（H1）和（IN）之间（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端CH1接到A5单元信号输出端OUT（C(t)）。注：CH1选X1档。（4）运行、观察、记录： 运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的三阶典型系统瞬态响应和稳定性实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测

23、孔测量波形。也可选用普通示波器观测实验结果。 分别将（A11）中的直读式可变电阻调整到30K、41.7K、100K，按下B1按钮，用示波器观察A5单元信号输出端C（t）的系统阶跃响应，并将参数及各项指标填入下表。R（K）K输出波形稳定性 改变时间常数（分别改变运算模拟单元A3的反馈电容C2），重新观测结果，填入实验报告。 （在下表中填上测量值和临界稳定时的计算值）反馈电容C2（A3）反馈电容C3（A5）A5单元的输入电阻R（A11阻容元件库中的可变电阻）稳定（衰减振荡）临界稳定（等幅振荡）计算值1u1u2u1u 在做该实验时，如果发现有积分饱和现象产生时，即构成积分的模拟电路处于饱和状态，波形

24、不出来，请人工放电。放电操作如下：输入端Ui为零，把B5函数发生器的SB4“锁零按钮”按住3秒左右，进行放电。或者关闭阶跃信号后（Ui为零），用短接块短接S-ST放电。注意：为了精确得到理想的“稳定（衰减振荡）、临界振荡（等幅振荡）、不稳定（发散振荡）”的波形，可适当调整可变元件库（A11）中的可变电阻进行实验。 四实验报告1. 画出系统模拟运算电路图，及系统传递函数方框图，并标出各种参数的取值。2. 计算R的取值范围，并将实验中所获取的稳定（衰减振荡）、临界振荡（等幅振荡）、不稳定（发散振荡）”的波形截取下来。3. 填写实验数据表格。五实验设备TDNAC/ACS型电子模拟机一台。PC微机一台

25、。数字式万用表一块。六实验思考1. 在实验线路中如何确保系统实现负反馈？如果方框回路中有偶数个运算放大器，则构成什么反馈?2. 有那些措施能增加系统的稳定度？它们对系统的性能还有什么影响？3. 实验中的阶跃输入信号的幅值范围应如何考虑？4. 改变时间常数T1会怎样影响系统的稳定性？实验三 线性控制系统的频域分析3. 1 频率特性测试一实验目的1了解线性系统频率特性的基本概念。2了解和掌握对数幅频曲线和相频曲线（波德图）的构造及绘制方法。二实验内容及步骤被测系统是一阶惯性的模拟电路图见图3-1，观测被测系统的幅频特性和相频特性，填入实验报告，並在对数座标纸上画出幅频特性和相频特性曲线。本实验将正

26、弦波发生器（B4）单元的正弦波加于被测系统的输入端，用虚拟示波器观测被测系统的幅频特性和相频特性，了解各种正弦波输入频率的被测系统的幅频特性和相频特性。图3-1 被测系统的模拟电路图实验步骤： （1）将函数发生器（B5）单元的正弦波输出作为系统输入。 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中正弦波（正弦波指示灯亮）。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器2”，使之正弦波频率为8Hz（D1单元右显示）。 调节B5单元的“正弦波调幅”电位器，使之正弦波振幅值输出为2V左右（D1单元左显示）。（2）构造模拟电路：按图3-1安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线

27、模块号跨接座号1A3S1，S7，S92A6S2，S61信号输入B5（SIN）A3（H1）2运放级联A3（OUT）A6（H1）3示波器联接×1档B5（SIN）B3（CH1）4A6（OUT）B3（CH2）（3）运行、观察、记录： 运行LABACT程序，在界面的自动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析实验项目，选择时域分析，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观察波形，应避免系统进入非线性状态。点击停止键后，可拖动时间量程（在运行过程中，时间量程无法改变），以满足观察要求。 示波器的截图详见虚拟示波器的使用。三实验报告要求：按下表改变实验被测系统正弦波输入频率（输入振幅为2V）。

28、观测幅频特性和相频特性，填入实验报告。并画出幅频特性、相频特性曲线。输入频率Hz幅频特性相频特性计算值测量值计算值测量值0.511.63.24.56.489.612.516203.2 一阶惯性环节的频率特性曲线一实验目的1了解和掌握一阶惯性环节的对数幅频特性和相频特性，实频特性和虚频特性的计算。2了解和掌握一阶惯性环节的转折频率的计算，及惯性时间常数对转折频率的影响。3了解和掌握对数幅频曲线和相频曲线（波德图）、幅相曲线（奈奎斯特图）的构造及绘制方法。二实验内容及步骤1了解和掌握对数幅频曲线和相频曲线（波德图）、幅相曲线（奈奎斯特图）的构造及绘制方法。2惯性环节的频率特性测试电路见图3-2，改

29、变被测系统的各项电路参数，画出其系统模拟电路图，及频率特性曲线，並计算和测量其转折频率，填入实验报告。图3-2 惯性环节的频率特性测试电路实验步骤： （1）将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入。（2）构造模拟电路：按图3-2安置短路套及测孔联线，表如下。1信号输入B2（OUT2）A3（H1）2运放级联A3（OUT）A6（H1）3相位测量A6（OUT） A8（CIN1）4A8（COUT1）B8（IRQ6）5幅值测量A6（OUT） B7（IN4）（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号1A3S1，S7，S92A6S2，S6（3）运行、观察、记录： 运行LABACT程序，选择自

30、动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析实验项目，选择一阶系统，就会弹出频率特性扫描点设置表，在该表中用户可根据自己的需要填入各个扫描点（本实验机选取的频率值f，以0.1Hz为分辨率），如需在特性曲线上直接标注某个扫描点的角频率、幅频特性L()或相频特性()，则可在该表的扫描点上小框内点击一下（打）。确认后将弹出虚拟示波器的频率特性界面，点击开始，即可按频率特性扫描点设置表，实现频率特性测试。 测试结束后(约十分钟），可点击界面下方的“频率特性”选择框中的任意一项进行切换，将显示被测系统的对数幅频、相频曲线(伯德图)和幅相曲线(奈奎斯特图)。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。显示该系统用户点取

31、的频率点的、L、Im、Re实验机在测试频率特性结束后，将提示用户用鼠标直接在幅频或相频特性曲线的界面上点击所需增加的频率点（为了教育上的方便，本实验机选取的频率值f，以0.1Hz为分辨率），实验机将会把鼠标点取的频率点的频率信号送入到被测对象的输入端，然后检测该频率的频率特性。检测完成后在界面上方显示该频率点的f、L、Im、Re相关数据，同时在曲线上打十字标记。三实验报告要求：按下表改变图3-2所示的实验被测系统：改变惯性时间常数 T（改变模拟单元A3的反馈电容C）。在报告空白处填上转折频率（=45°）测量值和计算值。惯性时间常数 T转折频率实测值计算值0.10.20.33. 3 二

32、阶闭环系统的频率特性曲线一实验目的1 了解和掌握二阶闭环系统中的对数幅频特性和相频特性，实频特性和虚频特性的计算。2 了解和掌握欠阻尼二阶闭环系统中的自然频率n、阻尼比对谐振频率r和谐振峰值L(r)的影响及r和L(r) 的计算。3 观察和分析欠阻尼二阶开环系统的谐振频率r、谐振峰值L(r)，并与理论计算值作比对。4 改变被测系统的电路参数，画出闭环频率特性曲线，观测谐振频率和谐振峰值，填入实验报告。二实验内容及步骤1被测系统模拟电路图的构成如图3-3所示，观测二阶闭环系统的频率特性曲线，测试其谐振频率、谐振峰值。2改变被测系统的各项电路参数，画出其系统模拟电路图，及闭环频率特性曲线，並计算和测

33、量系统的谐振频率及谐振峰值，填入实验报告。图3-3 二阶闭环系统频率特性测试电路 实验步骤： （1）将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入。（2）构造模拟电路：按图3-3安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号1A1S4，S82A2S2，S11，S123A3S8，S95A6S2，S61信号输入B2（OUT2） A1（H1）2运放级联A1（OUT）A2（H1）3运放级联A3（OUT）A6（H1）4负反馈A3（OUT）A1（H2）6相位测量A6（OUT） A8（CIN1）7A8（COUT1） B8（IRQ6）8幅值测量A6（OUT） B7（IN4）

34、9跨接元件（4K）元件库A11中可变电阻跨接到A2A（OUTA）和A3（IN）之间（3）运行、观察、记录： 将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入，运行LABACT程序，在界面的自动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析实验项目，选择二阶系统，就会弹出频率特性扫描点设置表。在该表中用户可根据自己的需要填入各个扫描点频率（本实验机选取的频率值f，以0.1Hz为分辨率），如需在特性曲线上标注显示某个扫描点的角频率、幅频特性L()或相频特性()，则可在该表的扫描点上方小框内点击一下（打）。设置完后，点击确认后将弹出虚拟示波器的频率特性界面，点击开始，即可按频率特性扫描点设置表规定的频率

35、值，实现频率特性测试。 测试结束后（约十分钟），可点击界面下方的“频率特性”选择框中的任意一项进行切换，将显示被测系统的闭环对数幅频、相频特性曲线（伯德图）和幅相曲线（奈奎斯特图）。 显示该系统用户点取的频率点的、L、Im、Re实验机在测试频率特性结束后，将提示用户用鼠标直接在幅频或相频特性曲线的界面上点击所需增加的频率点（为了教育上的方便，本实验机选取的频率值f，以0.1Hz为分辨率，例如所选择的信号频率f值为4.19Hz，则被认为4.1 Hz送入到被测对象的输入端），实验机将会把鼠标点取的频率点的频率信号送入到被测对象的输入端，然后检测该频率的频率特性。检测完成后在界面上方显示该频率点的f

36、、L、Im、Re相关数据，同时在曲线上打十字标记。如果增添的频率点足够多，则特性曲线将成为近似光滑的曲线。鼠标在界面上移动时，在界面的左下角将会同步显示鼠标位置所选取的角频率值及幅值或相位值。 谐振频率和谐振峰值的测试：在闭环对数幅频曲线中用鼠标在曲线峰值处点击一下，待检测完成后就可以根据十字标记测得该系统的谐振频率r ，谐振峰值L(r)。谐振频率r谐振峰值L(r)图3-4 被测二阶闭环系统的对数幅频曲线三实验报告要求： 按下表改变图3-3所示的实验被测系统。改变开环增益K（A3）、惯性时间常数T（A3）、积分常数Ti（A2），画出其系统模拟电路图，及开环频率特性曲线，並计算和测量系统的谐振频

37、率及谐振峰值，填入实验报告。开环增益K（A3）惯性常数T（A3）积分常数Ti（A2）谐振频率（rad）谐振峰值（dB）计算值测量值计算值测量值250.110.20.3200.10.50.23. 4 二阶开环系统的频率特性曲线一实验目的1了解和掌握型二阶开环系统中的对数幅频特性和相频特性，实频特性 和虚频特性的计算。2了解和掌握欠阻尼型二阶闭环系统中的自然频率、阻尼比对开环参数幅值穿越频率和相位裕度的影响，及幅值穿越频率和相位裕度的计算。3研究表征系统稳定程度的相位裕度和幅值穿越频率对系统的影响。4了解和掌握型二阶开环系统对数幅频曲线、相频曲线、和幅相曲线的构造及绘制方法二实验内容及步骤1被测系

38、统模拟电路图的构成如图3-3所示（同型二阶闭环系统频率特性测试构成），测试其幅值穿越频率、相位裕度。2改变被测系统的各项电路参数，画出其系统模拟电路图，及开环频率特性曲线，並计算和测量其幅值穿越频率、相位裕度，填入实验报告。实验步骤： （1）将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入。（2）构造模拟电路：安置短路套及测孔联线表同笫3.2 节二阶闭环系统的频率特性曲线测试。（3）运行、观察、记录： 将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入，运行LABACT程序，在界面的自动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析实验项目，选择二阶系统，就会弹出频率特性扫描点设置表，在该表中用

39、户可根据自己的需要填入各个扫描点（本实验机选取的频率值f，以0.1Hz为分辨率），如需在特性曲线上直接标注显示某个扫描点的角频率、幅频特性L()或相频特性()，则可在该表的扫描点上小框内点击一下（打）。确认后将弹出虚拟示波器的频率特性界面，点击开始，即可按频率特性扫描点设置表规定的频率值，实现频率特性测试。 待实验机把闭环频率特性测试结束后，再在示波器界面左上角的红色开环或闭环字上双击，将在示波器界面上弹出开环闭环选择框，点击确定后，示波器界面左上角的红字，将变为开环然后再在示波器界面下部频率特性选择框点击（任一项），在示波器上将转为开环频率特性显示界面。可点击界面下方的“频率特性”选择框中的

40、任意一项进行切换，将显示被测系统的开环对数幅频、相频特性曲线（伯德图）和幅相曲线（奈奎斯特图）。在开环频率特性界面上，亦可转为闭环频率特性显示界面，方法同上。在频率特性显示界面的左上角，有红色开环或闭环字表示当前界面的显示状态。图3-3的被测二阶系统的开环对数幅频曲线的实验结果见图3-5所示。 显示该系统用户点取的频率点的、L、Im、Re实验机在测试频率特性结束后，将提示用户用鼠标直接在幅频或相频特性曲线的界面上点击所需增加的频率点（为了教育上的方便，本实验机选取的频率值f，以0.1Hz为分辨率，例如所选择的信号频率f值为4.19Hz，则被认为4.1 Hz送入到被测对象的输入端），实验机将会把

41、鼠标点取的频率点的频率信号送入到被测对象的输入端，然后检测该频率的频率特性。检测完成后在界面上方显示该频率点的f、L、Im、Re相关数据，同时在曲线上打十字标记。如果增添的频率点足够多，则特性曲线将成为近似光滑的曲线。鼠标在界面上移动时，在界面的左下角将会同步显示鼠标位置所选取的角频率值及幅值或相位值。在软件安装目录AedkLabACT两阶频率特性数据表.txt中将列出所有测试到的频率点的开环L、Im、Re等相关数据测量。注：该数据表不能自动更新，只能用关闭后再打开的办法更新。 幅值穿越频率c ，相位裕度的测试：在开环对数幅频曲线中，用鼠标在曲线L()=0 处点击一下，待检测完成后，就可以根据

42、十字标记测得系统的幅值穿越频率c ，见图3-5；同时还可在开环对数相频曲线上根据十字标记测得该系统的相位裕度。实验结果可与式（3-3）和（3-4）的理论计算值进行比对。注1：用户用鼠标只能在幅频或相频特性曲线的界面上点击所需增加的频率点，无法在幅相曲线的界面上点击所需增加的频率点。穿越频率c图3-5 被测二阶开环系统的对数幅频曲线三实验报告要求：按下表改变图3-4所示的实验被测系统。改变开环增益K（A3）、惯性时间常数T（A3）、积分常数Ti（A2），画出其系统模拟电路图，及开环频率特性曲线（对数幅频曲线、相频曲线和幅相曲线），並计算和测量系统的穿越频率及相位裕度，填入实验报告。开环增益K（A

43、3）惯性常数T（A3）积分常数Ti（A2）穿越频率相位裕度计算值测量值计算值测量值250.11250.2150.3200.10.2100.5实验四 线性系统的校正线性控制系统的校正与状态反馈就是在被控对象已确定，在给定性能指标的前提下，要求设计者选择控制器（校正网络）的结构和参数，使控制器和被控对象组成一个性能满足指标要求的系统。频域法校正主要是通过对被控对象的开环对数幅频特性和相频特性（波德图）观察和分析实现的。一实验目的1了解和掌握超前校正的原理。2了解和掌握利用开环的对数幅频特性和相频特性完成超前校正网络的参数的计算。3掌握在被控系统中如何串入超前校正网络，构建一个性能满足指标要求的新系

44、统的方法。 二实验内容及步骤1观测校正前时域特性曲线，並测量校正前系统的超调量Mp、峰值时间tP。2观测被控系统的开环对数幅频特性和相频特性，幅值穿越频率c，相位裕度，按“校正后系统的相位裕度”要求,设计校正参数，构建校正后系统。3观测校正后的时域特性曲线，並测量校正后系统的超调量Mp、峰值时间tP。4观测校正后系统的频率特性，观测校正后幅值穿越频率c、相位裕度。注：在进行本实验前应熟练掌握使用本实验机的二阶系统开环对数幅频特性和相频特性的测试方法。1）。未校正系统的时域特性的测试未校正系统模拟电路图见图4-1。本实验将函数发生器（B5）单元作为信号发生器， OUT输出施加于被测系统的输入端U

45、i，观察OUT从0V阶跃+2.5V时被测系统的时域特性。图4-1 未校正系统模拟电路图实验步骤： 注：S ST 用“短路套”短接！（1）构造模拟电路：按图4-1安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号1A1S4，S82A2S3，S113A3S1，S64A6S4，S8，S95B5S-ST1信号输入r(t)B5（OUT）A1（H1）2运放级联A1（OUT）A2（H1）3运放级联A2A（OUTA）A6（H1）4负反馈A6（OUT）A1（H2）5运放级联A6（OUT）A3（H1）6示波器联接×1档A3（OUT）B3（CH1）7B5（OUT）B3（CH2）（

46、2）将函数发生器（B5）单元的矩形波输出作为系统输入R。（连续的正输出宽度足够大的阶跃信号) 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。 函数发生器（B5）单元的量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度3秒（D1单元左显示）。 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 2.5V（D1单元右显示）。（3）运行、观察、记录： 运行LABACT程序，在界面自动控制菜单下的“线性系统的校正和状态反馈”实验项目，选中“线性系统的校正”项，弹出线性系统的校正的界面，点击开始，用虚拟示波器CH1观察系统输出信号。 观察OUT从0V阶跃+2.

47、5V时被测系统的时域特性，等待一个完整的波形出来后，点击停止，然后移动游标测量其超调量、峰值时间及调节时间。时域特性超调量Mp(%)峰值时间tp(s)在未校正系统的时域特性特性曲线上可测得时域特性：表4-1 未校正系统的时域特性 2）未校正系统的频域特性的测试本实验将数/模转换器（B2）单元作为信号发生器，实验开始后，将按频率特性扫描点设置表规定的频率值，按序自动产生多种频率信号，OUT2输出施加于被测系统的输入端r(t)，然后分别测量被测系统的输出信号的闭环对数幅值和相位，数据经相关运算后在虚拟示波器中显示。未校正系统频域特性测试的模拟电路图见图4-2。图4-2 未校正系统频域特性测试的模拟

48、电路图 实验步骤： （1）将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入。（2）构造模拟电路：按图4-2安置短路套及测孔联线表如下。 模块号跨接座号1A1S4，S82A2S3，S113A3S1，S64A6S4，S8，S95B5S-ST（a）安置短路套 （b）测孔联线1信号输入r(t)B2（OUT2）A1（H1）2运放级联A1（OUT）A2（H1）3运放级联A2A（OUTA）A6（H1）4负反馈A6（OUT）A1（H2）5运放级联A6（OUT）A3（H1）6幅值测量A3（OUT） B7（IN4）7相位测量A3（OUT） A8（CIN1）8A8（COUT1） B8（IRQ6）（3）运行、观察

49、、记录：将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入，运行LABACT程序，在界面的自动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析实验项目，选择二阶系统，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始，则进行频率特性测试。在未校正系统模拟电路的相频特性曲线上可测得未校正系统频域特性：表4-2 未校正系统频域特性频域特性穿越频率c（rad/s）相位裕度（°） 3）超前校正网络的设计 在未校正系统模拟电路的开环相频特性曲线上测得未校正系统的相位裕度=18.9°。 如果设计要求校正后系统的相位裕度=52°，则网络的最大超前相位角须为： ，。其中为考虑到时，所需減的角度，一般取5°10°。 可计算出网络的参数： 可计算出网络的最大超前相位角处的对数幅频值为： 在系统开环幅频特性曲线上，可测得时的角频率=14.4 rad/s ，该角频率应是网络的最大超前角频率，这亦是串联超前校正后系统的零分