自动化控制实验报告

1、 6 - - 73 -本科生实验报告告实验课程 自自动控制原理理 学院名称 专业名称 电气工工程及其自动动化 学生姓名 学生学号 20013 指导教师 实验地点 6C9011 实验成绩 二一五年四月月二一五年五五月线性系统的时域域分析实验一（3.11.1）典型型环节的模拟拟研究一. 实验目的的了解和掌握各典典型环节模拟拟电路的构成成方法、传递递函数表达式式及输出时域域函数表达式式观察和分析各典典型环节的阶阶跃响应曲线线，了解各项项电路参数对对典型环节动动态特性的影影响二典型环节的的结构图及传传递函数方 框 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

2、（PPID） 三实验内内容及步骤观察和分析各典典型环节的阶阶跃响应曲线线，了解各项项电路参数对对典型环节动动态特性的影影响.。改变被测环节的的各项电路参参数，画出模模拟电路图，阶跃响应曲曲线，观测结结果，填入实验报报告运行LABACCT程序，选选择自动控制制菜单下的线性性系统的时域域分析下的典型环节节的模拟研究究中的相应实验验项目，就会弹出虚虚拟示波器的的界面，点击击开始即可使用用本实验机配配套的虚拟示示波器（B33）单元的CCH1测孔测测量波形。具具体用法参见见用户手册中中的示波器部部分。1)观察比例例环节的阶跃跃响应曲线典型比例环节模模拟电路如图图3-1-11所示。图3-1-1 典型比比例

3、环节模拟拟电路传递函数： ； 单单位阶跃响应应： 实验步骤：注：S ST用短路套短短接！（1）将函数发发生器（B55）所产生的的周期性矩形形波信号（OOUT），作作为系统的信信号输入（UUi）；该信信号为零输出出时，将自动动对模拟电路路锁零。 在显示与功功能选择（DD1）单元中中，通过波形形选择按键选选中矩形波（矩形波指指示灯亮）。 量程选择开开关S2置下档，调节节“设定电位器器1”，使之矩形形波宽度11秒（D1单元左显示）。 调节B5单单元的“矩形波调幅幅”电位器使矩矩形波输出电电压= 4V（D1单元右显示）。（2）构造模拟拟电路：按图图3-1-11安置短路套套及测孔联线线，表如下。（a）安

4、置短路路套 （b）测孔联线线模块号跨接座号1A5S4，S122B5S-ST1信号输入（Uii）B5（OUT）A5（H1）2示波器联接1档A6（OUT）B3（CH11）3B5（OUT）B3（CH2）（3）运行、观观察、记录： 打开虚拟示波波器的界面，点点击开始，按下信号发发生器（B11）阶跃信号号按钮（0+4V阶跃跃），观测AA5B输出端端（Uo）的的实际响应曲曲线Uo（tt）。实验报告要求：改变被测系系统比例系数数，观测结果果，填入实验报报告。实验结果：.比例环节阶跃跃响应200K,1000K,4VV200K,2000K,4VV50K,1000K,2V50K,2000K,1VR0R1输入Ui比

5、例系数K计算值测量值200K100K4V0.50.47200K4V10.9950K100K2V22.00200K1V43.992)观察惯性性环节的阶跃跃响应曲线典型惯性环节模模拟电路如图图3-1-44所示。图3-1-4 典型型惯性环节模模拟电路传递函数： 单单位阶跃响应应：实验步骤：注：S ST用短路套短短接！（1）将函数发发生器（B55）所产生的的周期性矩形形波信号（OOUT），作作为系统的信信号输入（UUi）；该信信号为零输出出时，将自动动对模拟电路路锁零。 在显示与功功能选择（DD1）单元中中，通过波形形选择按键选选中矩形波（矩形波指指示灯亮）。 量程选择开开关S2置下下档，调节“设定电

6、位器器1”，使之矩形形波宽度11秒（D1单元左显示）。 调节B5单单元的“矩形波调幅幅”电位器使矩矩形波输出电电压= 4V（D1单元右显示）。（2）构造模拟拟电路：按图图3-1-44安置短路套套及测孔联线线，表如下。1信号输入（Uii）B5（OUT）A5（H1）2示波器联接1档A5B（OUTTB）B3（CH11）3B5（OUT）B3（CH2）（a）安置短路路套 （bb）测孔联线线模块号跨接座号1A5S4，S6，SS102B5S-ST（3）运行、观观察、记录： 打开虚拟示波波器的界面，点点击开始，按下信号发发生器（B11）阶跃信号号按钮时（00+4V阶跃跃），等待完完整波形出来来后，移动虚虚拟示

7、波器横横游标到输出出稳态值0.6322处，得到到与输出曲线线的交点，再再移动虚拟示示波器两根纵纵游标，从阶阶跃开始到输输出曲线的交交点，量得惯惯性环节模拟拟电路时间常常数T。A55B输出端响响应曲线Uoo(t）见图图3-1-33。示波器的的截图详见虚虚拟示波器的的使用。实验报告要求：改变被测系系统时间常数数及比例系数数，观测结果果，填入实验报报告。实验结果：惯性环节阶跃响响应200K,2000K,1uu,4V200K,2000K,2uu,4V50K,1000K,1u,2V50K,2000K,1u,1VR0R1C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200K200K1u4V11.0

8、20.20.2102u11.010.40.40050K100K1u2V22.010.10.1200K1V44.020.20.13)观察积分分环节的阶跃跃响应曲线 典型积分分环节模拟电电路如图3-1-5所示示。图3-1-5 典型型积分环节模模拟电路传递函数： 单单位阶跃响应应： 实验步骤：注：S ST用短路套短短接！（1）为了避免免积分饱和，将将函数发生器器（B5）所所产生的周期期性矩形波信信号（OUTT），代替信信号发生器（BB1）中的人人工阶跃输出出作为系统的的信号输入（UUi）；该信信号为零输出出时，将自动动对模拟电路路锁零。 在显示与功功能选择（DD1）单元中中，通过波形形选择按键选选中

9、矩形波（矩形波指指示灯亮）。 量程选择开开关S2置下下档，调节“设定电位器器1”，使之矩形形波宽度11秒（D1单元左显示）。 调节B5单单元的“矩形波调幅幅”电位器使矩矩形波输出电电压= 1V（D1单元右显示）。（2）构造模拟拟电路：按图图3-1-55安置短路套套及测孔联线线，表如下。（a）安置短路路套 （b）测孔联线线1信号输入（Uii）B5（OUT）A5（H1）2示波器联接1档A5B（OUTTB）B3（CH11）3B5（OUT）B3（CH2）模块号跨接座号1A5S4，S102B5S-ST（3）运行、观观察、记录： 打开虚拟示波波器的界面，点点击开始，等待完整波波形出来后，点点击停止，移动虚

10、拟示示波器横游标标到0V处，再再移动另一根根横游标到V=1V（与与输入相等）处处，得到与输输出曲线的交交点，再移动动虚拟示波器器两根纵游标标，从阶跃开开始到输出曲曲线的交点，量量得积分环节节模拟电路时时间常数Tii。A5B 输出响应曲曲线Uo(tt)。实验报告要求：改变被测系系统时间常数数，观测结果果，填入实验报报告。实验结果：积分环节阶跃响响应200K,1uu200K,2uu100K,1uu100K,2uuR0C输入Ui积分常数Ti计算值测量值200K1u1V0.20.22u0.40.4100K1u0.10.12u0.20.24)观察比例例积分环节的的阶跃响应曲曲线 典型比比例积分环节节模拟

11、电路如如图3-1-8所示.。图3-1-8 典型比例积积分环节模拟拟电路传递函数： 单位阶阶跃响应：实验步骤：注：S ST用短路套短短接！（1）将函数发发生器（B55）所产生的的周期性矩形形波信号（OOUT），作作为系统的信信号输入（UUi）；该信信号为零输出出时将自动对对模拟电路锁锁零。 在显示与功功能选择（DD1）单元中中，通过波形形选择按键选选中矩形波（矩形波指指示灯亮）。量程选择开关关S2置下档，调节节“设定电位器器1”，使之矩形形波宽度11秒（D1单元左显示）。（注：为了使在在积分电容上上积分的电荷荷充分放掉，锁锁零时间应足足够大，即矩矩形波的零输输出宽度时间间足够长！ “量程选择”开

12、关置于下下档时，其零零输出宽度恒恒保持为2秒秒！） 调节B5单单元的“矩形波调幅幅”电位器使矩矩形波输出电电压 = 11V（D1单元右显示）。（2）构造模拟拟电路：按图图3-1-88安置短路套套及测孔联线线，表如下。（a）安置短路路套 （b）测孔联线模块号跨接座号1A5S4，S82B5S-ST1信号输入（Uii）B5（OUT）A5（H1）2示波器联接1档A5B（OUTTB）B3（CH11）3B5（OUT）B3（CH2）（3）运行、观观察、记录： 打开虚拟示波波器的界面，点点击开始，等待完整波波形出来后，点点击停止。移动虚拟示示波器横游标标到输入电压压比例系数KK处，再移动动另一根横游游标到（输

13、入入电压比例系数KK2）处，得得到与积分曲曲线的两个交交点。再分别移动示波波器两根纵游游标到积分曲曲线的两个交交点，量得积积分环节模拟拟电路时间常常数Ti。典典型比例积分分环节模拟电电路A5B输输出响应曲线线Uo(t)见图3-11-7 。示示波器的截图图详见虚拟示示波器的使用用。实验报告要求：改变被测系系统时间常数数及比例系数数，观测结果果，填入实验报报告。实验结果：比例积分环节阶阶跃响应200K,1uu200K,2uu100K,1uu100K,2uuR0R1C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200K200K1u1V11.020.20.192u11.060.40.4100

14、K1u21.990.20.192u22.070.40.45)观察比例例微分环节的的阶跃响应曲曲线为了便于观察比比例微分的阶阶跃响应曲线线，本实验增增加了一个小小惯性环节，其其模拟电路如如图3-1-9所示。图3-1-9 典型型比例微分环环节模拟电路路比例微分环节+惯性环节的传递函函数： 微分时间常数： 惯性时间常数数： 单位阶阶跃响应：实验步骤：注：S ST用短路套短短接!（1）将函数发发生器（B55）单元的矩矩形波输出作作为系统输入入R。（连续续的正输出宽宽度足够大的的阶跃信号) 在显示与功功能选择（DD1）单元中中，通过波形形选择按键选选中矩形波（矩形波指指示灯亮）。 量程选择开开关S2置下

15、下档，调节“设定电位器器1”，使之矩形形波宽度1秒秒左右（D11单元左显示）。 调节B5单单元的“矩形波调幅幅”电位器使矩矩形波输出电电压 = 0.5VV（D1单元右显示）。（2）构造模拟拟电路：按图图3-1-99安置短路套套及测孔联线线，表如下。（a）安置短路路套 （b）测孔联线线模块号跨接座号1A4S4，S92A6S2，S63B5S-ST1信号输入(Uii)B5（OUT）A4（H1）2运放级联A4（OUT）A6（H1）3示波器联接1档A6（OUT）B3（CH1）4B5（OUT）B3（CH2）（3）运行、观观察、记录：虚拟示波器器的时间量程程选4档。 打开虚拟拟示波器的界界面，点击开开始，用

16、示波器观观测系统的AA6输出端（UUo），响应应曲线见图33-1-100。等待完整整波形出来后后，把最高端端电压（4.77V）减减去稳态输出出电压（0.5V），然然后乘以0.632，得得到V=2.77V。 移动虚拟示示波器两根横横游标，从最最高端开始到到V=2.77V处为止，得得到与微分的的指数曲线的的交点，再移移动虚拟示波波器两根纵游游标，从阶跃跃开始到曲线线的交点，量量得=t=0.0048S。 已知KD=10，则图图3-1-99的比例微分分环节模拟电电路微分时间间常数：实验结果：比例微分环节阶阶跃响应6)观察PIID（比例积积分微分）环环节的响应曲曲线PID（比例积积分微分）环环节模拟电路

17、路如图3-11-11所示示。图3-1-111 PIID（比例积积分微分）环环节模拟电路路典型比例积分环环节的传递函函数： 惯惯性时间常数数： 单位阶跃响应： 实验步骤：注：S ST用短路套短短接！（1）为了避免免积分饱和，将将函数发生器器（B5）所所产生的周期期性矩形波信信号（OUTT），代替信信号发生器（BB1）中的人人工阶跃输出出作为系统的的信号输入（UUi）；该信信号为零输出出时将自动对对模拟电路锁锁零。 在显示与功功能选择（DD1）单元中中，通过波形形选择按键选选中矩形波（矩形波指指示灯亮）。 量程选择开开关S2置下下档，调节“设定电位器器1”，使之矩形形波宽度0.4秒左右（D1单元左

18、显示）。 调节B5单单元的“矩形波调幅幅”电位器使矩矩形波输出电电压= 0.3VV（D1单元右显示）。（2）构造模拟拟电路：按图图3-1-111安置短路路套及测孔联联线，表如下下。（a）安置短路路套 （b）测孔联线线模块号跨接座号1A2S4，S82B5S-ST1信号输入（Uii）B5（OUT）A2（H1）2示波器联接1档A2B（OUTTB）B3（CH11）3B5（OUT）B3（CH2）（3）运行、观观察、记录：打开虚拟示波器器的界面，点点击开始，用示波器观观测A2B输输出端（Uoo）。等待完整波形出出来后，点击击停止，移动虚拟示示波器两根横横游标使之V=Kp输入电压，得得到与积分的的曲线的两个

19、个交点。再分别移动示波波器两根纵游游标到积分的的曲线的两个个交点，量得得积分环节模模拟电路时间间常数Ti，见见图（a）。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。将A2单元的SS9短路套套套上，点击开开始，用示波器观观测系统的AA2B输出端端（Uo），响响应曲线见图图（b）。等等待完整波形形出来后，点点击停止，把最高端电电压（3.559V）减去去稳态输出电电压（0.66V=Kp*Ui），然然后乘以0.632，得得到V=1.888V。移动虚拟示波器器两根横游标标，从最高端端开始到V=1.888V处为止止，得到与微微分的指数曲曲线的交点，再再移动虚拟示示波器两根纵纵游标，从阶阶跃开始到曲曲线的交点，量量得

20、=t=0.001S已知KD=6，则比例例微分环节模模拟电路微分分时间常数：。实验结果：图（a） 比例例积分微分环环节响应曲线线图（b） 比比例微分环节节响应曲线实验二（3.11.2） 二二阶系统瞬态态响应和稳定定性一实验目的了解和掌握典型型二阶系统模模拟电路的构构成方法及型二阶闭环环系统的传递递函数标准式式。研究型二阶闭闭环系统的结结构参数无阻尼振荡荡频率n、阻尼比比对过渡过程程的影响。掌握欠阻尼型型二阶闭环系系统在阶跃信信号输入时的的动态性能指指标Mp、ttp、ts的计算。观察和分析型型二阶闭环系系统在欠阻尼尼，临界阻尼尼，过阻尼的的瞬态响应曲曲线，及在阶阶跃信号输入入时的动态性性能指标Mp

21、p、tp值，并与与理论计算值值作比对。二实验原理及及说明图3-1-133是典型型二阶单位位反馈闭环系系统。图3-1-133 典型型型二阶单位位反馈闭环系系统型二阶系统的的开环传递函函数： （3-11-1）型二阶系统的的闭环传递函函数标准式： （33-1-2）自然频率（无阻阻尼振荡频率率）： 阻尼比： （3-1-3）有二阶闭环系统统模拟电路如如图3-1-14所示。它它由积分环节节（A2单元元）和惯性环环节（A3单单元）的构成成，其积分时时间常数Tii=R1*C1=1秒，惯惯性时间常数数 T=R22*C2=0.1秒秒。图3-1-144 型二阶闭环系统模拟拟电路模拟电路的各环环节参数代入入式（3-1

22、1-1），该该电路的开环传传递函数为：模拟电路的开环环传递函数代代入式（3-1-2），该该电路的闭环传传递函数为：模拟电路的各环环节参数代入入式（3-11-3），阻阻尼比和开环环增益K的关关系式为：临界阻尼响应：=1，K=2.5，RR=40k 欠阻尼响应：001，设RR=70k，K=1.43=1.3221 计算欠阻尼二阶阶闭环系统在在阶跃信号输输入时的动态态指标Mp、tp、ts：（K=25、=0.316、=15.8）超调量 ： 峰值值时间： 调节时时间 ：三实验内容及及步骤1型二阶闭闭环系统模拟拟电路见图33-1-144，改变A33单元中输入入电阻R来调调整系统的开环增增益K，从而而改变系统的

23、的结构参数，观观察阻尼比对该系统的过渡过过程的影响。2改变被测系系统的各项电电路参数，计计算和测量被被测对象的临临界阻尼的增增益K，填入入实验报告。3改变被测系系统的各项电电路参数，计计算和测量被被测对象的超超调量Mp，峰峰值时间tpp，填入实验验报告，並画画出阶跃响应应曲线。实验步骤： 注注：S ST用“短路套”短接！将函数发生器（BB5）单元的的矩形波输出出作为系统输输入R。（连连续的正输出出宽度足够大大的阶跃信号号) 在显示与功功能选择（DD1）单元中中，通过波形形选择按键选选中矩形波（矩形波指指示灯亮）。 量程选择开开关S2置下下档，调节“设定电位器器1”，使之矩形形波宽度3秒（D1单

24、元左显示）。 调节B5单单元的“矩形波调幅幅”电位器使矩矩形波输出电电压= 3V（D1单元右显示）。（2）构造模拟拟电路：按图图3-1-114安置短路路套及测孔联联线，表如下下。（a）安置短路路套 （b）测孔联线线模块号跨接座号1A1S4，S82A2S2，S11，SS123A3S8，S104A6S2，S65B5S-ST1信号输入r(tt)B5（OUT） A1（H1）2运放级联A1（OUT）A2（H1）3运放级联A2A（OUTTA）A3（H11）4负反馈A3（OUT）A1（H2）5运放级联A3（OUT）A6（H1）67跨接元件4K、440K、700K元件库A11中中直读式可变变电阻跨接到到A3（

25、H11）和（INN）之间8示波器联接1档A6（OUT）B3（CH1）9B5（OUT）B3（CH22）（3）运行、观观察、记录： 运行LABBACT程序序，选择自动动控制菜单下下的线性系统统的时域分析析下的二阶典型型系统瞬态响响应和稳定性性实验项目，就会弹出虚虚拟示波器的的界面，点击击开始即可使用用本实验机配配套的虚拟示示波器（B33）单元的CCH1测孔测测量波形。也也可选用普通通示波器观测测实验结果。 分别将（AA11）中的的直读式可变变电阻调整到到4K、400K、70KK，等待完整整波形出来后后，点击停止止，用示波器观观察在三种增增益K下，AA6输出端CC(t)的系系统阶跃响应应，得到实际际

26、响应曲线。（a）01过过阻尼阶跃响响应曲线 (70K) 型二阶系统统在三种情况况下的阶跃响响应曲线四实验报告要要求：按下表改变图33-1-133所示的实验验被测系统，画画出系统模拟电路路图。调整输入矩形波波宽度3秒，电压幅幅度 = 3V。 计算和观察察被测对象的的临界阻尼的的增益K，填填入实验报告告。1#0.11#0.21#0.50.5#0.110.2#0.11积分常数Ti惯性常数T增益K计算值10.110.20.50.30.30.50.110.21 画出阶跃响响应曲线，测测量超调量MMp，峰值时时间tp填入入实验报告。（计计算值实验前前必须计算出出）25#0.1#120#0.1#125#0.

27、3#120#0.1#0.520#0.1#0.240#0.1#0.2增益K（A3）惯性常数T（A3）积分常数Ti（A2）自然频率n计算值阻尼比计算值超调量Mp(%)峰值时间tP计算值测量值计算值测量值250.1115.80.316351.37.10.210.220.211.20.22448.53 337.10.29 00.230.39.10.18356.0 559.00.35 00.36200.10.5200.2544.4 335.90.16 00.180.231.60.516.3 661.50.11 00.124044.70.1170.6 664.10.07 00.08注：在另行构建建实验被测

28、系系统时，要仔仔细观察实验验被测系统中中各环节的输输出，不能有有限幅现象（10V输输出幅度10V），防防止产生非线线性失真，影影响实验效果果。例如：在图3-1-14的的型二阶闭环系统模拟拟电路中，把把惯性环节和和积分环节的的位置互换（跨跨接元件4KK），从理论论上说，对系系统输出应没没有影响。实实际上不然，这这是由于在该该被测系统的的惯性环节的的输出100V，而本实实验箱的被测测系统电源电电压为12V，产产生了限幅现现象，影响了了实验效果。线性控制系统的的频域分析实验三（3.22.1） 频频率特性测试试一实验目的1了解线性系系统频率特性性的基本概念念。2了解和掌握握对数幅频曲曲线和相频曲曲线（

29、波德图图）的构造及及绘制方法。二实验原理及及说明 频域分析析法是应用频频率特性研究究线性系统的的一种经典方方法。它以控控制系统的频频率特性作为为数学模型，以以波德图或其其他图表作为为分析工具，来来研究和分析析控制系统的的动态性能与与稳态性能。波德图又称对数数频率特性曲曲线（包括对对数幅频和相相频两条曲线线），由于方方便实用，因因此被广泛地地应用于控制制系统分析时时的作图。对数频率特性曲曲线的横坐标标统一为角频频率，并按十倍倍频程（deec）对数分分度，单位是是弧度/秒rad/ss。对数幅幅频特性曲线线的纵坐标表表示对数幅频频特性的函数数值，为均匀匀分度，单位位是分贝ddB。对数数相频特性曲曲线

30、的纵坐标标表示相频特特性的函数值值，为均匀分分度，单位是是度。一阶惯性环节的的传递函数：其幅频特性： 相相频特性：对数幅频特性定定义为： 三实验内容及及步骤被测系统是一阶阶惯性的模拟拟电路图见图图3-2-11，观测被测测系统的幅频频特性和相频频特性，填入实验报报告，並在对对数座标纸上上画出幅频特特性和相频特特性曲线。图3-2-1 被被测系统（一一阶惯性）的的模拟电路图图实验步骤： （1）将函数发发生器（B55）单元的正正弦波输出作作为系统输入入。 在显示与功功能选择（DD1）单元中中，通过波形形选择按键选选中正弦波（正弦波指指示灯亮）。 量程选择开开关S2置下下档，调节“设定电位器器2”，使之

31、正弦弦波频率为88Hz（D11单元右显示）。 调节B5单单元的“正弦波调幅幅”电位器，使使之正弦波振振幅值输出为为2V左右（D1单元左显示）。（2）构造模拟拟电路：按图图3-2-11安置短路套套及测孔联线线，表如下。（a）安置短路路套 （b）测孔联线模块号跨接座号1A3S1，S7，SS92A6S2，S61信号输入B5（SIN）A3（H1）2运放级联A3（OUT）A6（H1）3示波器联接11档B5（SIN）B3（CH11）4A6（OUT）B3（CH2）（3）运行、观观察、记录： 运行LABBACT程序序，在界面的的自动控制菜单下下的线性控制系统统的频率响应应分析实验项项目，选择时域分析，就会会弹

32、出虚拟示示波器的界面面，点击开始始，用示波器器观察波形，应应避免系统进进入非线性状状态。点击停止键后后，可拖动时时间量程（在在运行过程中中，时间量程程无法改变），以以满足观察要要求，频率特特性的时域分分析见图3-2-2，该该图是在输入入的正弦波信信号频率为88Hz，输入为为2V时截出出，其输入和和输出的相位位差为44度度，增益为220lg（33/2.155）=+2.89dB。正弦波信号频率率为8Hz时的响应应曲线示波器的截图详详见虚拟示波波器的使用。四实验报告要要求：输入振幅为2VV，按下表改改变实验被测测系统正弦波波输入频率：观测幅频特性和和相频特性，填入实验报报告。並在对对数座标纸上上画出

33、幅频特特性、相频特特性曲线。20 Hz16 Hz12.5 Hzz9.6 Hz8 Hz6.4 Hz4.5 Hz3.2 Hz1.6 Hz0.5 Hz1 Hz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0.56.0035.973-3.6515.9525.542-7.271.65.8485.862-11.4123.25.3695.057-21.9204.54.8154.526-29.5336.43.8543.723-38.83882.9872.651-45.2449.62.1191.781-50.35612.50.6210.299-57.55716-1.005-1.494-63.56620-2

34、.622-3.075-68.372 思考题：把图3-22-6所示的的二阶闭环系统作为为被测系统，观观测系统的闭环幅幅频特性和相相频特性，填入实验报报告。並画出出系统的闭环幅幅频特性、相相频特性曲线线。注：在另行构建建实验被测系系统时，要求求其系统输出振幅幅不得大于55V。注：在另行构建建实验被测系系统时，要仔仔细观察实验验被测系统中中各环节的输输出，不能有有限幅现象（10V输输出振幅10V），防防止产生非线线性失真，影影响实验效果果。例如：在图3-2-6的型二阶闭环系统模拟拟电路中，把把惯性环节和和积分环节的的位置互换（跨跨接元件4KK），从理论论上说，对系系统输出应没没有影响。实实际上不然。

35、因因为，当被测测系统的正弦弦波输入信号号为1V，在在某个频率时时，在该被测测系统的惯性性环节，系统统输出振幅10V，而而本实验箱的的被测系统电电源电压为12V，产产生了限幅现现象，影响了了实验效果。3.2.2 一一阶惯性环节节的频率特性性曲线一实验目的1了解和掌握握一阶惯性环环节的对数幅频特性性和相频特性性，实频特性性和虚频特性性的计算。2了解和掌握握一阶惯性环环节的转折频频率的计算，及及惯性时间常常数对转折频频率的影响3了解和掌握握对数幅频曲曲线和相频曲曲线（波德图图）、幅相曲曲线（奈奎斯斯特图）的构构造及绘制方方法。二实验原理及及说明 频域分析析法是应用频频率特性研究究线性系统的的一种经典

36、方方法。它以控控制系统的频频率特性作为为数学模型，以以波德图或其其他图表作为为分析工具，来来研究和分析析控制系统的的动态性能与与稳态性能。波德图：波德图又称对数数频率特性曲曲线（包括对对数幅频和相相频两条曲线线），由于方方便实用，因因此被广泛地地应用于控制制系统分析时时的作图。对数频率特性曲曲线的横坐标标统一为角频频率，并按十倍倍频程（deec）对数分分度，单位是是弧度/秒rad/ss。对数幅幅频特性曲线线的纵坐标表表示对数幅频频特性的函数数值，为均匀匀分度，单位位是分贝ddB。对数数相频特性曲曲线的纵坐标标表示相频特特性的函数值值，为均匀分分度，单位是是度。对数幅频特性定定义为： （3-22

37、-1）2极坐标图：极坐标图又称幅幅相频率特性性曲线（简称称幅相曲线），还还称奈奎斯特特图。其特点点是把频率看看成参变量，当当从0时将频率率特性的幅频频和相频特性性或实频和虚虚频特性同时时表示在复数数平面上。实频特性定义为为： （33-2-2）虚频特性定义为为： （33-2-3）三实验内容及及步骤惯性环节的频率率特性测试电电路见图3-2-3，改改变被测系统统的各项电路路参数，画出出其系统模拟电路路图，及频率率特性曲线，並並计算和测量量其转折频率率，填入实验验报告。图3-2-3 惯惯性环节的频频率特性测试试电路图3-2-3电电路的增益KK=2，惯性性时间常数 T=0.002秒，转折折频率=1/T=

38、50 raad/s。 实验步骤： （1）将数/模模转换器（BB2）输出OOUT2作为为被测系统的的输入。（2）构造模拟拟电路：按图图3-2-33安置短路套套及测孔联线线，表如下。（a）安置短路路套 （b）测孔联线模块号跨接座号1A3S1，S7，SS92A6S2，S61信号输入B2（OUT22）A3（H11）2运放级联A3（OUT）A6（H1）3相位测量A6（OUT） A8（CIN1）4A8（COUTT1）B8（IRRQ6）5幅值测量A6（OUT） B7（IN4）（3）运行、观观察、记录： 运行LABBACT程序序，选择自动动控制菜单下下的线性控制系统统的频率响应应分析实验项项目，选择一阶系统统

39、，就会弹出频率特性扫扫描点设置表，见图33-2-7，在在该表中用户户可根据自己己的需要填入入各个扫描点点（本实验机机选取的频率率值f，以00.1Hz为为分辨率），如如需在特性曲曲线上直接标标注某个扫描描点的角频率率、幅频特性性L()或相频特特性()，则可在在该表的扫描描点上小框内内点击一下（打打）。确认后将弹出虚虚拟示波器的的频率特性界界面，点击开开始，即可按频率特性扫扫描点设置表，实现频频率特性测试试。 测试结束后后（约十分钟钟），可点击击界面下方的的“频率特性”选择框中的的任意一项进进行切换，将将显示被测系系统的对数幅幅频、相频曲曲线(伯德图图)和幅相曲曲线(奈奎斯斯特图)，见见图3-2-

40、4。示波器器的截图详见见虚拟示波器器的使用。显示该系统用用户点取的频频率点的、L、Imm、Re实验机在测试频频率特性结束束后，将提示用户用用鼠标直接在在幅频或相频频特性曲线的的界面上点击击所需增加的的频率点（为为了教育上的的方便，本实实验机选取的的频率值f，以以0.1Hzz为分辨率），实实验机将会把把鼠标点取的的频率点的频频率信号送入入到被测对象象的输入端，然然后检测该频频率的频率特特性。检测完完成后在界面面上方显示该该频率点的ff、L、Imm、Re相关关数据，同时时在曲线上打打十字标记。(a)对数幅频频曲线（Boode图）转折频率转折频率=1/T（b）对数相频频曲线（Boode图）（c） 幅

41、相曲曲线（Nyqquist曲曲线） 被测系统的的开环对数幅幅频曲线、相相频曲线及幅幅相曲线示波器的截图详详见虚拟示波波器的使用。四实验报告要要求：按下表改变图33-2-3所所示的实验被被测系统：改改变惯性时间间常数 T（改改变模拟单元元A3的反馈馈电容C）。画出其系统模拟拟电路图，在在实验报告空白白处填上转折折频率（）测量值和计计算值。T=0.1对数数幅频曲线（BBode图）转折频率转折频率=1/TT=0.1对数数相频曲线（BBode图）T=0.2对数数幅频曲线（BBode图）T=0.2对数数相频曲线（BBode图）T=0.3对数数幅频曲线（BBode图）T=0.3对数数相频曲线（BBode图

42、）惯性时间常数 T转折频率实测值计算值0.19.7400.24.350.34.23.3注：在另行构建建实验被测系系统时，要求求其系统输出振幅幅不得大于55V。3.3 线性系系统的校正与与状态反馈控制系统的校正正与状态反馈馈就是在被控控对象已确定定，在给定性性能指标的前前提下，要求求设计者选择择控制器（校校正网络）的的结构和参数数，使控制器器和被控对象象组成一个性性能满足指标标要求的系统。3.3.1 频频域法串联超超前校正频域法校正主要要是通过对被被控对象的开开环对数幅频特性性和相频特性性（波德图）观观察和分析实实现的。一实验目的1了解和掌握握超前校正的原理。2了解和掌握握利用闭环和和开环的对数

43、数幅频特性和和相频特性完完成超前校正正网络的参数数的计算。3掌握在被控控系统中如何何串入超前校正网网络，构建一个性能能满足指标要要求的新系统的方法。 二实验原理及及说明超前校正的原理理是利用超前前校正网络的的相角超前特特性，使中频频段斜率由-40dB/dec变为为-20 ddB /deec并占据较较大的频率范范围，从而使使系统相角裕裕度增大，动动态过程超调调量下降；并并使系统开环环截止频率增增大，从而使使闭环系统带带宽也增大，响响应速度也加加快。超前校校正网络的电电路图及伯德德图见图3-3-1。 图3-3-1 超前校正正网络的电路路图及伯德图图超前校正网络传传递函数为： （33-3-1）网络的

44、参数为： ， （3-3-2）在设计超前校正正网络时，应应使网络的最大超前相相位角尽可能能出现在校正正后的系统的幅值穿越频频率c处，即m=c。 网络的最大超超前相位角为为： 或为： （3-3-3）处的对数幅频值值为： （33-3-4）网络的最大超前前角频率为： （3-3-5）从式（3-3-1）可知，接接入超前校正正网络后被校校正系统的开开环增益要下降aa倍，因此为为了保持与系系统未校正前前的开环增益相相一致，接入入超前校正网网络后，必须须另行提高系系统的开环增益a倍来补偿。三实验内容及及步骤 1观测被控系系统的开环对数幅频特性性和相频特性性，幅值穿越频率率c，相位裕裕度，按“校正后系统的的相位裕

45、度”要求,设计校正参数数，构建校正正后系统。2观测校正前前、后的时域域特性曲线，並並测量校正后系统的的相位裕度、超调量Mp、峰值时时间tP。3改变 “校校正后系统的的相位裕度”要求,设计校正参数数，构建校正正后系统，画出其其系统模拟电路路图和阶跃响响应曲线，观观测校正后相相位裕度、超调量Mp、峰值时时间tP填入实验报报告。注：在进行本实实验前应熟练练掌握使用本本实验机的二阶系统开开环对数幅频特性性和相频特性性的测试方法法。1未校正系统统的时域特性性的测试未校正系统模拟拟电路图见图图3-3-22。本实验将将函数发生器器（B5）单单元作为信号号发生器， OUT输出出施加于被测测系统的输入入端Ui，

46、观察OOUT从0VV阶跃+2.5V时被测测系统的时域域特性。图3-3-2 未校校正系统模拟拟电路图图3-3-2未未校正系统的的开环传递函函数为：实验步骤： 注注：S ST 用“短路套”短接！（1）将函数发发生器（B55）单元的矩矩形波输出作作为系统输入入R。（连续续的正输出宽宽度足够大的的阶跃信号) 在显示与功功能选择（DD1）单元中中，通过波形形选择按键选选中矩形波（矩形波指指示灯亮）。 量程选择开开关S2置下下档，调节“设定电位器器1”，使之矩形形波宽度3秒（D1单元左显示）。 调节B5单单元的“矩形波调幅幅”电位器使矩矩形波输出电电压= 2.5VV（D1单元右显示）。（2）构造模拟拟电路

47、：按图图3-3-22安置短路套套及测孔联线线，表如下。1信号输入r(tt)B5（OUT）A1（H1）2运放级联A1（OUT）A2（H1）3运放级联A2A（OUTTA）A6（H11）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（CH11）7B5（OUT）B3（CH2）（a）安置短路路套 （b）测孔联线线模块号跨接座号1A1S4，S82A2S3，S113A3S1，S64A6S4，S8，SS95B5S-ST（3）运行、观观察、记录： 运行LABBACT程序序，在自动控制菜单下下的“线性系统的的校正和状态态反馈” -实验项目目，选中“线性系统

48、的的校正”项，弹出线线性系统的校校正的界面，点点击开始，用虚拟示波波器CH1观观察系统输出出信号。 观察OUTT从0V阶跃跃+2.5VV时被测系统统的时域特性性，被测系统输出出的时域特性性曲线见图33-3-3，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。 未校正系统的时时域特性曲线线在未校正系统的的时域特性特特性曲线上可可测得时域特性性：超调量Mp=56.4 % 峰值时时间tp= 0.322秒 调节时时间ts=1.8S(=5时)示波器的截图详详见虚拟示波波器的使用。2未校正系统统的频域特性性的测试本实验将数/模模转换器（BB2）单元作作为信号发生生器，实验

49、开开始后，将按按频率特性扫扫描点设置表规定的频频率值，按序序自动产生多多种频率信号号，OUT22输出施加于于被测系统的的输入端r(t)，然然后分别测量量被测系统的的输出信号的的开环对数幅值值和相位，数数据经相关运运算后在虚拟拟示波器中显显示。未校正系统频域域特性测试的的模拟电路图图见图3-33-4。图3-3-4 未校校正系统频域域特性测试的的模拟电路图图 实验步骤： （1）将数/模模转换器（BB2）输出OOUT2作为为被测系统的的输入。（2）构造模拟拟电路：按图图3-3-44安置短路套套及测孔联线线表如下。 （a）安置短路路套 （b）测孔联线线模块号跨接座号1A1S4，S82A2S3，S113

50、A3S1，S64A6S4，S8，SS95B5S-ST1信号输入r(tt)B2（OUT22）A1（H1）2运放级联A1（OUT）A2（H1）3运放级联A2A（OUTTA）A6（H11）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（COUTT1） B8（IIRQ6）（3）运行、观观察、记录：将数/模转换器器（B2）输输出OUT22作为被测系系统的输入，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

51、行频率特性测试。详见第3.2 节线性控制系统的频域分析。图3-3-4的的被测二阶系系统的开环对对数幅频、相相频曲线见图图3-3-55和图3-33-6所示。校正前穿越频率c校正后期望穿越频率c-Lc（m）校正前穿越频率c校正后期望穿越频率c-Lc（m）未校正系统开环环幅频特性曲曲线在未校正系统开开环对数幅频频曲线上，用用鼠标在曲线线处点击一下下，待检测完完成后，就可可以根据十字标记测得系统的幅值穿穿越频率c ，见图33-3-5，其其穿越频率c=9.4 raad/s。再在未校正系统统开环相频特特性曲线上，根根据十字标记测得系统的相相位角，见图图3-3-66。 校正前相位裕度校正前穿越频率c校正前相

52、位裕度校正前穿越频率c未校正系统的开开环相频特性性曲线穿越频率c=9.4 rrad/s ， 相位裕度度= 188.9 示波器的截图图详见虚拟示示波器的使用用。3超前校正网网络的设计 在未校正系系统模拟电路路的开环相频特性性曲线（图33-3-5）上测得未校正系统的相位裕度。 如果设计要要求校正后系系统的相位裕裕度，则网络络的最大超前相相位角必须为： ，。其中为考虑到到时，所需減減的角度，一一般取510。 据式 3-3-3 可计算出网网络的参数： 据式 3-3-4 可计算出网网络的最大超前相相位角处的对对数幅频值为： 在未校正系系统开环对数数幅频曲线上上，用鼠标在在曲线处点击击一下，待检检测完成后

53、，就就可以根据十字标记，可测得系统在时的角频率=14.4 radd/s ，见图3-3-5，该该角频率应是网络络的最大超前角角频率，这亦亦是串联超前前校正后系统统的零分贝频率率。 据式 3-3-5可计计算出计算串联超前前校正网络参参数：， 据式 3-3-2 令 CC=1u， 计算出：R4=1555K， R5=388.7K超前校正网络传传递函数为： （33-3-7）为了补偿接入入超前校正网网络后，被校校正系统的开开环增益要下降aa倍，必须另另行提高系统统的开环增益增增益a倍。因为aa=5，所以以校正后系统另另行串入开环环增益应等于于5的运放AA5。 4、串联超前校校正后系统的的频域特性的的测试串联

54、超前校正后后系统频域特特性测试的模模拟电路图见见图3-3-7。图3-3-7（aa） 串联超超前校正后系系统频域特性性测试的模拟拟电路图图3-3-7（bb）校正网络络（部分）连连线示意图图3-3-7（aa）串联超前前校正后系统统的传递函数为为：实验步骤： （1）将数/模模转换器（BB2）输出OOUT2作为为被测系统的的输入。（2）构造模拟拟电路：按图图3-3-77（a）、图图3-3-77（b）安置置短路套与测测孔联线表如如下。1信号输入r(tt)B2（OUT22）A1（H1）2运放级联A2A（OUTTA）A6（H11）3负反馈A6（OUT）A1（H2）4运放级联A6（OUT）A3（H1）5幅值测

55、量A3（OUT） B7（IN4）6相位测量A3（OUT） A8（CIN1）7A8（COUTT1） B8（IIRQ6）8/9跨接元件（155K）元件库A11中中可变电阻跨跨接到A1（OUT）和和A10（IIN+）之间间校正网络：参见图3-3-7(b)10/11跨接元件（1u）元件库A11中中可变电阻跨跨接到A1（OUT）和和A10（IIN+）之间间12/13跨接元件（38.7K）元件库A11中中可变电阻跨跨接到 A10（INN+）和GNND之间14运放级联A10（OUTT）A5（H11）15运放级联A5B（OUTTB）A2（H11）（a）安置短路路套 （b）测孔联线线模块号跨接座号1A1S4，S

56、82A2S3，S113A3S1，S64A5S3，S75A6S4，S8，SS96B5S-ST7A10S1（3）运行、观观察、记录：运行程序同22未校正系系统的频域特特性的测试。图3-3-7（aa）的串联超超前校正后系系统的开环对对数幅频、相相频曲线。在在校正后系统开环对对数幅频曲线线上，用鼠标标在曲线处点点击一下，待待检测完成后后，就可以根根据十字标记测得系校正后系统的幅值穿越频频率c ，见图33-3-8，其其穿越频率c=14.455 rad/s。再在校校正后系统开环相频频特性曲线上上，根据十字标记测得系统的相相位角，见图图3-3-99，其相位裕裕度。校正后穿越频率校正后穿越频率c图3-3-8

57、串串联超前校正正后系统的开环对对数幅频曲线线校正后相位裕度校正后穿越频率校正后相位裕度校正后穿越频率c图3-3-9 串联联超前校正后后系统的开环对对数相频曲线线在串联超前校正正后的相频特特性曲线上可可测得串联超前前校正后系统统的频域特性性： 穿越频率率c= 114.45 rad/ss， 相相位裕度=54.5 测试结果表明明符合设计要要求。示波器的截图详详见虚拟示波波器的使用。5、串联超前校校正系统的时时域特性的测测试串联超前校正后后系统时域特特性测试的模模拟电路图见见图3-3-10。图3-3-100 串联联超前校正后后系统时域特特性测试的模模拟电路图实验步骤：注：S ST 用“短路套”短接！（

58、1）将函数发发生器（B55）单元的矩矩形波输出作作为系统输入入R。（连续续的正输出宽宽度足够大的的阶跃信号) 在显示与功功能选择（DD1）单元中中，通过波形形选择按键选选中矩形波（矩形波指指示灯亮）。 量程选择开开关S2置下下档，调节“设定电位器器1”，使之矩形形波宽度3秒（D1单元左显示）。 调节B5单单元的“矩形波调幅幅”电位器使矩矩形波输出电电压= 2.5VV（D1单元右显示）。（2）构造模拟拟电路：按图图3-3-110安置短路路套与测孔联联线按下表。（a）安置短路路套 （b）测孔联线线模块号跨接座号1A1S4，S82A2S3，S113A3S1，S64A5S3，S75A6S4，S8，SS96B5S-ST7A10S11信号输入r(t