自动控制理论实验指导书

而间接地研究这些系统，这是一种相当实用的。课堂内容的理解，提高分析和解决问题的能力，可以提高学习并获得成就感。 实验守则 实验 典型环节及二阶系统阶跃响 （一）比例环节的阶跃响应 （二）积分环节的阶跃响 （三）惯性环节的阶跃响应 11（四）比例积分微分环节的阶跃响 13（五）二阶系统的阶跃响 14实验二控制系统稳定性分 20附录一THKKL-5型实验箱使用简 25附录二“THKKL-5软件”虚拟示波器的使 31实验一典型环节及二阶系统阶跃响一验目二验仪THKKL-5THKKL-5三验原理和电ZfR、C、LGsUosZ

Uis 画出ZUis Uos（一）比例（P）环节的阶跃响1.2180°均连接成反相放大器的形式。图1.2的传递函数为GsKp Kp

11RiRfKp输入ui为正阶跃信号（2VRiRf，观察uo1.1头插到实验箱，有USB的插头插到USB卡，不得反接！另外，USB卡上的16线灰色USBUSB卡上，另一端为扁插头，插到计算机前面板左侧USB插口上。XPUSBWinXP桌面上的“THKKL-5KK1200200u u 2100(200//200K2003200100⑥出现“登录 THKKL-5软件的“虚拟示波器”工作窗口，单击右上角“最大化”使窗口满（E”波形一般将窗口的纵轴刻度设定为+10V~0~-10V。若刻度与此不符，应重新设定，方法是单“√，同时出“幅值设置框点击对应窗口右”波形口”区中的AD1对应屏显蓝色波形，AD2对应红色波波形：不选。略过 图21Y10V线（横轴）重合。Y2基准：对应红色波形。设置同Y1Y1Y20V0V15V1.21.1中是由两只200K（20V（20V（蓝键15V2.00VA01的输入处。对应红波形A01的输入侧（ui）和输出侧（uo1.1①单击虚拟示波器中“开始窗口中出现蓝色水平线为ui红色水平线为uo，0V位。ui0Vuo0V③单击“停止波形定格不动。这时一次即完毕，以下为波形的电压部状态栏中的Y、X中。具体操作方法如下：按一般的使用习惯，拖动线的交点

ui

，uo

K4.12862.068 （二）分环节的阶跃响1.41其传递函数为：Gs 。其中，积分时间常数Ti11单位阶跃响应为：uot 1

（1V改变RiC，观测uo1.221Cui、uo1u 210±15V，等到积分器饱和时斜线在+10V处出现平台后，右手点击“停止波形被点击中“x轴放大”键（左起第11位，开启波形横向放大功能，便于（E（三）惯性环节的阶跃响1.5C

传递函数Gs

1

fKf

，TRf tuotK1eT Cui、uo1100ui 210010（四）比例积分微分环节（PID调节器）的阶跃1.6PIDR1A 11s12s 传递函数为：Gs KP TDs式中，1R1C1，2R2C2T

12C1R2 积分时间常数TI12R1C1微分时间常数

1

RCR 1 2PIDutK1tTtT TI式中：t为单位脉冲函数120（最大值（五）二阶系统的阶跃响A06A 1AW ui

11Ts11T2W1.7为典型二阶系统的电路图及方框图。电路形式是一个双闭环系统，其中内环是由A101Gs

11

T2s1 TT

Gs 12

s22ss2

1 s 1式中：n 1

W构成的分压比

由此可知，二阶系统的动态特性就可由和n（＊

1个积分器的时间常数相同，即TT，这样可得出1

，所以观察T T1察，而C1、C2（由1F变为2FC1uiuoM(R1uiu 2(R1按图搭出电路，选择第一组参数C1C21F220。0.000十字线波形的参数：MP、tS、n取数据。注意：每改变一次值后，要断开阶跃、积分器清零、开始、施加阶跃、停改变C1C22F，重复上述实验。测取相同值处的波形及参数，以便进2FA06、A10中的1F和外加的1F电容器并联而成。思考题（二阶系统的和n实验制一验目二验仪三验原理及说稳定的充要条件是其特征方程式的根全部位于S平面的左方。应用判据就可以判别闭S平面上的具体分布，从而确定系统是否稳定。使用的三阶系统的电路图和方框图。该系统是由三个惯性环节串联后，再经分压器构成Gs

K1K2TTTs3(TTTTTT)s2(TTT)s(KKK12 1 1 2 12（2-KKK1K2

2222AWT3s

WT1200K10F2sT2200K1F0.2sT3510K1FK200K1， 200K

200K3.92，51K

510K5.1Gs

0.204s31.522s22.71s19.9910.204s31.522s22.71s19.991

00KKKKL19.23L0.962四验方用改变负反馈分压比KKKK（值uo值（值）下的波形变为等幅振荡，该值即为系统临界稳定时的开环增益，就是系统稳定KK值（值（2.4根据根的相应位置用判据判定这四种KK值下的系统是否稳定。五．操单击屏幕右上角“关闭”按钮，屏幕回到WinXP六．实验报思考题实验中阶跃输入信号的幅值变化对uo附录THKKL-5型实验箱使用介，THKKL-5型实验箱是自动控制理论和计算机控制技术二种实验台合二为一的设备。由仪器的面板布局可以看出，第一行左起第一、二、块为计算机控制技术实验用的三大器及电路构成的模拟电路区，可以由用户自由接线组成不同的控制系统模型，进行机箱的右上角为接口，通过DB-37插头和16线排线插头与箱外的THVLW-1型USB卡相连卡又通过USB电缆与计算机相连，这样实验箱中的模拟信号可D/A16线，虚拟示波器：在屏幕上开辟出一个示波器窗口，可作为一台双通道慢扫描长示波器使用，并可具备波形和数据处理的功能。、为模拟电路区、数字电压表接口中的DB-37电缆（A/D部分、±15V直流稳压、图展现在面板上。元件的选择通过插上相应的短路帽来实现，运放之间的连接则采用其位号为A01~A10。另外四个运放A11~A14接成固定的增益为-1的反相放大器。运放均由±15V供电，用直流稳压电源区的±15V开关控制。对于A01~A10，每个运放上配备的元件都不相同，这样在用运放构成特定的电路A03A01~A10处，为了构成积分电路，每个运放反馈回路中都可以连上电容器。如果电10K0（GND量输出，DI1~DI8是开关量输入，本实验不使用。DB-37AD1~AD44路单AD2，或AD3AD4。其中AD1对应示波器的Y1（通道1，AD2对应Y2（通道2AD1使用蓝色引线，AD2AD1和AD3和AD4（GNDGND连好，用户不必再接。±15V稳压电源：供给模拟电路区的运放及阶跃信号发生器的工作电源。当开这里的“GND”是±15V、24V、±5V共有的。是送电到±5V两个小插口上，供用户使用。本实验不用，恒处于关态。机箱外接220V交流电源的进线开关。需要特别的是，这个开关何时闭合上电是WinXP，出现“蓝天草地”桌面后，在进入“THKKL-5”USB插头拔出后再插上，此时双击“THKKL-5”图标虚拟示波器应用软件窗口，且示波器窗口的各图注意：在实验过程中，当进行搭建电路或更改布线时，应切断±15V电源而不是总交交流总进线开关上电后，该表开始工作，LED屏亮。它也作为交流总进线开关两个输入测量插口中的黑色口是电压表的GND，但它不与直流稳压电源区及阶跃信号区的GND相连，要由用户自己连接。所以，电压表的“+-GND。VP-P=14V。斜波和抛物波为极低频率的缓变波形。低频频率计（本实验不用在特定的运放单元处才能找到特定的元件，请按讲义中指定的运放位号（A03）来选GNDGND都已和±15VGND在箱内连好，用户不用接。布线或改线前应关±15V电源（注意不能关“交流总电源开关无误后才能合上±15V电源。附录THKKL-5软件”虚拟示波器的使虚拟示波器是“THKKL-5软件”的重要组成部分。从计算机启动“THKKL-5软件”后，虚拟示波器的工作窗口，关于如何进行硬件连接及软件启动的具体步骤，在使用，并能和输出波形以及作各种数据处理。对于这台虚拟示波器，其设计思路及使一．主菜单中的“示波器（E（E， “确定”键。由于THVLW-1型USBA/D转换时，输入电压与二进制数的关系为-10V~+10V0~16383（A/D14位， 图±10VUSB卡应能限幅保护并只输出满屏显示。选取快捷中左起第8项也为此功能，可直接使用。暂停显示：暂时不显示波形。此时若按下右栏操作区中的“开始”也无波形。当设为“暂停显示”后，若按下右栏操作区中的“停止，则“暂停显示”被取Plot下述）Chart(X1,X2)，所以这里的“波形同步”不选。[Car(X)]项，当中一项，原来选择即效五种操作快捷键中有相（1）x轴放大：在快捷中为左起第11项。在波形被定格（即按“停止采）（Ｅ（２）ｙ轴放大：在快捷中为左起第12项。纵向放大波形，使用时为上下拖x轴放大用法类似。xy轴放大：在快捷中为左起第13项。在二个方向放大波形，使用波形抓取：在快捷中为左起第14项。用来观察当前屏幕上下左右以外区域的波形。压住左键上下拖动可使屏幕上下滚动，这时可看到纵轴变为+10V和-10V以外的区域，例如+20V或-20V十字：在快捷中为左起第15项。用于精确测量波形各点在纵轴横f(Hz)、X1、Y1、X2、Y2、X、Y、

地，蓝色十字线的位置则由（X2,Y2）X、Y值同时变动。另外，X显示纵线和蓝十字纵线之间的坐标差值，红线在蓝线左侧时为正值，表示超前；反之为负。Y则表示红横线和蓝横线间的坐标差值，红线在蓝线YV]竖线测量波形二点之间的宽度X期时，画面底部的f(z0V刻度重V开始：左起第1项。开始波形，屏上即有显示。相当于右栏中“开始采暂停：左起第2项。使当前波形暂时静止，以便进量观察。解除“暂停”停止：左起第3项。使波形停下来。相当于右栏中的“停止”钮“停 AD参数：USBA/D、D/A12、通道（1-2、通道（3-41即将其选中，对应实验箱中的AD1插口，在此插口插入导线即可作为示波器的探头来测试外界信号，在屏幕上显示蓝色2对应AD2插口，显示红色波形。点击通道（1-212，可作为双线示波器使用。点击通道（3-434，它们AD3AD434加有射极跟随器，带负载能力较强，在做AD3、AD4时，二通道必须同时有电GND。采样频率：设置USB卡的采样频率范围为1~250KHz。单击右侧加减键可Chart模式时，可以任意调节采样频率。该原理是等间隔均匀1~20，等分为191120”对应每缓存长度数据只