自動控制原理實驗指導書.

1、 自動控制原理實驗指導書（電氣工程及其自動化專業(yè)、熱能與動力工程專業(yè)）樊強編 寫西北農林科技大學水利與建筑工程學院2011 年 12 月目錄第一章labACT自控 / 計控原理實驗機構成及說明. 11.1構成 .11.2說明 .41.2.1A實驗區(qū) .41.2.2B實驗區(qū) .4第二章典型環(huán)節(jié)的模擬研究 .62.1實驗要求 .62.2典型環(huán)節(jié)的方塊圖及傳遞函數.62.3實驗內容及步驟 .62.4實驗報告 .11第三章二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性 .123.1實驗要求 .123.2實驗內容及步驟 .123.2.1二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性.123.2.2三階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性.143.3實驗報告 .

2、15參 考 文 獻 .16第一章labACT 自控 / 計控原理實驗機構成及說明1.1構成labACT 自控 / 計控原理實驗機由以下七個模塊組成：1自動控制原理實驗模塊2計算機控制原理實驗模塊3信號源模塊4控制對象模塊5虛擬示波器模塊6控制對象輸入顯示模塊7 CPU控制模塊各模塊相互交聯(lián)關系框圖見圖1-1 所示：圖 1-1 各模塊相互交聯(lián)關系框圖自動控制原理實驗模塊由六個模擬運算單元及元器件庫組成， 這些模擬運算單元的輸入回路和反饋回路上配有多個各種參數的電阻、 電容， 因此可以完成各種自動控制模擬運算。 利用本實驗機所提供的多種信號源輸入到模擬運算單元中去， 再使用本實驗機提供的虛擬示波器

3、界面可觀察和分析各種自動控制、計算機控制原理實驗的響應曲線。計算機控制原理實驗模塊由模數轉換器，數模轉換器，8253 定時器， 8259 中斷控制器及模擬運算單元組成。在CPU的運算和控制下，可完成數字PID 控制，最少拍控制及大林算法等實驗?？刂茖ο竽K由溫度控制模塊，直流電機模塊和步進電機模塊組成?？蓪崿F(xiàn)溫度閉環(huán)控制實驗，直流電機閉環(huán)調速實驗和步進電機調速實驗。還包括外設接口模塊，可實現(xiàn)擴展外設各種實驗。CPU控制模塊由十六位微機8088 及只讀存儲器27512，隨機存取存儲器62256，時鐘芯片， RS232串口通訊芯片等組成。CPU控制模塊（ ACT88），位于主實驗板的下面，經J1

4、插座與主實驗板相聯(lián)。根據功能本實驗機劃分了各種實驗區(qū)均在主實驗板上。實驗區(qū)組成見表1-1 ：1表 1-1 實驗區(qū)組成有六個模擬運算單元， 每單元由輸入回路 6 組電阻、或電容，模擬運算單元反饋回路 7 組電阻、或電容，1 個運算放大器組成。A1A6A可變阻容元件由電位器 330K 和 22K，直讀式可變電阻 0999.9K ，直讀式實庫可變電容 00.7uF 組成。A7驗阻容元件庫有 10 個電阻， 6 個電容， 2 個二極管， 1 個雙向穩(wěn)壓管。A8區(qū)運算放大器庫有 3 組運算放大器 ,1個整形器A9由手控階躍發(fā)生（ 0/+5v 、-5v/+5v），幅度控制（電位器），信號發(fā)生器非線性輸出組

5、成。B1八位數 / 模轉換，輸出有 0+5v、-5v+5v 、-10v+10v ，三個數模轉換器測孔供選擇。B22 個通道模擬信號輸入， 輸入信號可不衰減輸入， 也可衰減 5虛擬示波器倍后輸入。B3采樣 / 保持器采樣 / 保持器 LF398，單穩(wěn)態(tài)電路 4538B4函數發(fā)生器有單位階躍， 斜坡，拋物線信號輸出， 信號寬度范圍 2ms6s，寬度可調，幅度可調。B5B正弦波發(fā)生器頻率范圍 0.1HZ100HZ 可調，幅度可調。B6實基準電壓單元+Vref （ +5.00v ）， -Vref（ -5.00v ）B7驗8 位模 / 數轉換，其中有 6 個通道為 0+5v 輸入，有 2 個通道區(qū)模數轉

6、換器為 -5v+5v輸入。B8定時器 / 中斷單有 8253 定時器中的計數器 1，固定時鐘（ 1.229MHz）輸入的OUTO輸出及與 OUTO級聯(lián)的 OUT2輸出。B9元有中斷控制器 8259 中的輸入 IRQ6， IRQ7。步進電機模塊步進電機 35BY48C1C直流電機模塊直流電機 BY25及光電斷續(xù)器測速C2溫控模塊AD590測溫及溫度閉環(huán)控制（0 80）。C3實1 路 420mA或 15v 模擬電壓輸出（ AOUT），驗2 路 420mA或 15v 模擬電壓輸入（ IN-2 、IN-3 ），區(qū)外設接口模塊C44 路開關量輸入和 4 路開關量輸出（ DIN 和 DOUT），1 路測溫

7、傳感器（鉑電阻PT100）輸入（ IN-1 ）。D自帶 CPU （ 89C2051）控制， 10 位 A/D 轉換器 TLC1543。實控制對象輸出3 位八段數碼管，可切換顯示溫度/ 轉速/ 電壓/電流。D驗顯示模塊可當作 -5v+5v 電壓表。區(qū)2主實驗板的布置簡圖見圖1-2 所示。圖 1-2 主實驗板的布置簡圖31.2說明1.2.1 A實驗區(qū)（ 1）模擬運算單元（A1A6）六個模擬運算單元實現(xiàn)原理基本相同，只是運放各輸入回路及各反饋回路引入的電阻、電容的參數和連接方式各不相同。（ 2）可變阻容元件庫（A7）提供 22K 和 330K電位器 , 一組 0999.9K 直讀式可變電阻， 一組

8、00.7uF 直讀式可變電容及標準插孔。（ 3）阻容元件庫（A8）提供各種電阻（10K510K）10 個，各種電容（0.1uF2uf ）6 個，二極管（ 1N4148） 2 個，雙向穩(wěn)壓管（ 4.6v ） 1 組及多個標準插孔。（ 4）運算放大器庫（A9）提供 3 組運算放大器及標準測孔（電源 +12V 和 -12V 已接入放大器） ；1 個整形器， CIN 為輸入插孔，COUT為輸出插孔，供用戶自行接插元器件，為系統(tǒng)提供了足夠的靈活性。1.2.2 B實驗區(qū)（ 1）信號發(fā)生器（B1）信號發(fā)生器由手控階躍發(fā)生器（B1-1 ），幅度控制（ B1-2 ）和非線性輸出（B1-3）組成，其布置圖見圖 1

9、-3 所示：圖 1-3 信號發(fā)生器布置圖手控階躍發(fā)生模塊由按鈕 SB2及 74LS00 組成。 如圖 1-2-2 所示在 B1-1 模塊中，當按鈕 SB2按下時， L9 燈亮，其 0/+5v 測孔將從 0V 階躍成 +5v， -5v/+5v 測孔將從 -5v 階躍成 +5v；當按鈕彈出時， L9 燈滅，其輸出狀態(tài)相反。 （注：該按鈕是一個帶鎖開關，如要改變狀態(tài)必須再按一次）幅度控制模塊由開關K3、開關 K4 和電位器組成。 開關 K3 的上端已連接了 -5V ，下端已連接了GND；開關 K4 的上端已連接了+5V，下端已連接了 0/+5V 階躍信號輸出。B1-2 模塊可以有三種狀態(tài)輸出：（ 1

10、）K3開關撥下， K4開關撥上，在電位器的Y 測孔可得到 0+5v連續(xù)可調電壓輸出。（ 2）K3開關撥上， K3開關也撥上，在電位器的Y 測孔可得到 -5v+5v 連續(xù)可調電壓輸出。（ 3）K3開關撥下， K3開關也撥下，在電位器的Y 測孔將得到手控連續(xù)可調 0-+5V 階躍信號。非線性發(fā)生模塊是利用二極管的非線性特性形成非線性輸出，IN 為輸入測孔， OUT為輸出測孔。（ 2）函數發(fā)生器（B5）將產生單位階躍，斜坡，拋物線信號，其信號寬度范圍為2ms6s，幅度可調，在其OUT測孔輸出。S 測孔是方波輸出，N測孔用于構造尖脈沖干擾，NC是干擾輸出， /ST 測孔是 S，ST短路套套上后的 S

11、測孔的反相輸出。三位撥動開關S1 切換波形類型，上階躍，中斜坡，下拋物線；4三位撥動開關S2 切換信號的周期, 周期范圍 : 上 2-60ms，中 20ms-0.6s ，下 0.2s-6s 。使用調幅和調寬旋鈕可調節(jié)信號的幅度和頻率大小。為了使運算放大器為零初始狀態(tài)并且積分漂移不致累加增多，設置了鎖零電路。其原理：當鎖零功能啟動后，使模擬運算單元（A1A6）中的場效應管的D、 S端處于短路狀態(tài)，也就是說，使各運放所接的反饋阻抗短路。啟動鎖零功能有兩個辦法：（ 1）按住 B5 單元中的放電按鈕，啟動鎖零功能。（ 2）把 B5 單元中的S-ST 用短路套套住，則當B5 單元的 OUT輸出為零時，啟

12、動自動鎖零功能。（ 3）正弦波發(fā)生器（B6）本單元可產生0.1Hz100Hz 頻率范圍（使用撥動開關S3 分三檔切換）的正弦波和方波。正弦波最大峰峰值± 3V。使用調頻、調幅電位器可以輸出波形的頻率和幅值。正弦波信號引出為SIN測孔。方波信號引出為SQU測孔 ,幅值為 0/+5V 。（ 4）數模轉換器（B2）本實驗機采用ADC0832作為數 / 模轉換，可實現(xiàn)8bit數字輸入轉換為模擬量。數字00FFH輸入，經數 / 模轉換后OUT1測孔輸出為0+5v 模擬量。經運放處理后，在OUT2測孔輸出為 -5v +5v，在 OUT3測孔輸出為 -10v +10v 。（ 5）采樣 / 保持器（

13、 B4）采用 LF398 實現(xiàn)保持，輸入、輸出電平范圍為±12V。IN 為輸入端； PU為采樣控制端，高電平采樣，低電平保持。單穩(wěn)態(tài)電路4538，完成脈沖整形。（ 6）基準電壓單元（B7）本單元可提供 +Vref （ +5.00V ）和 -Vref （ -5.00V ）兩種基準電壓。可以通過調整該單元中的W9電位器來調整基準電壓。 （在出廠時已調整好）注意：該單元的測孔不可隨意插線，以免損壞基準源。（ 7）模數轉換器（B8）本實驗機采用DAC0809作為模 / 數轉換，可實現(xiàn) 8bit數字輸出。 其中 IN0IN5 通道為 0+5V 模擬量輸入， IN6 和 IN7 通道為 -5V+

14、5V 模擬量輸入。 IN-0IN-3已在實驗機內連線，其中IN-0 用作 C實驗區(qū)溫控模塊（ C3）測溫輸入， IN-1 、IN-2 用作 C 實驗區(qū)外設接口（C4）模擬量輸入，IN-3 用作外設接口測溫傳感器輸入。IN-4IN-7由測孔引出。（ 8）虛擬示波器（B3）提供兩通道模擬信號輸入CH1和 CH2，配合上位機軟件的示波器窗口，可以實現(xiàn)波形的顯示、存儲，可以有效的觀察實驗中各點信號的波形。虛擬示波器每個輸入通道都配有量程開關，當量程開關撥到×1 位置，表示輸入不衰減，輸入范圍-5V+5V，如果超出此范圍，應把量程開關撥到×5 位置，此時輸入信號將被衰減5 倍。5第二

15、章典型環(huán)節(jié)的模擬研究2.1實驗要求（ 1）了解和掌握各典型環(huán)節(jié)模擬電路的構成方法、傳遞函數表達式及輸出時域函數表達式；（ 2）觀察和分析各典型環(huán)節(jié)的階躍響應曲線，了解各項電路參數對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響。2.2典型環(huán)節(jié)的方塊圖及傳遞函數典型環(huán)節(jié)方塊圖傳遞函數名稱比例G(S)UO(S)K（ P）U i (S)積分G(S)U O(S)1（ I）U i (S)TS比例積分G(S)UO(S)K ( 11 )（ PI）U i (S)TS比例微分G(S)UO(S)K(1 TS)（ PD）U i (S)慣性環(huán)節(jié)UO(S)KG(S)1 TS（ T）U i (S)比例積分G(S)U O(S)U i (S)微分K

16、 p（PID）K pK pTd STi S2.3實驗內容及步驟在實驗中欲觀測實驗結果時， 可用普通示波器， 也可選用本實驗機配套的虛擬示波器。 如果選用虛擬示波器，只要運行 LABACT 程序，選擇自動控制菜單下的線性系統(tǒng)的時域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬6研究實驗項目，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始即可使用本實驗機配套的虛擬示波器（B3）單元的 CH1 測孔測量波形。（ 1）觀察比例環(huán)節(jié)的階躍響應曲線典型比例環(huán)節(jié)模擬電路如圖2-1 所示。圖 2-1 典型比例環(huán)節(jié)模擬電路典型比例環(huán)節(jié)的傳遞函數：單位階躍響應：實驗步驟：G(S)U O(S)R1KKU i (S)R0U ( t )K（ 1） 用信號

17、發(fā)生器（B1 ）的 Y測孔輸出 作為比例環(huán)節(jié)輸入信號。將B1 單元中電位器的左邊K3 開關撥下（ GND ），右邊 K4 開關撥下（ 0/+5V 階躍）。按下信號發(fā)生器（B1 ）階躍信號按鈕SB2，L9 燈亮，調節(jié)電位器，用萬用表測量Y 測孔，電壓調整為1V 。（ 2） 構造模擬電路：按圖 2-1安置短路套及測孔聯(lián)線。（ 3） 虛擬示波器（ B3）的聯(lián)接： B3虛擬示波器輸入端 CH1 接到 A6 單元信號輸出端 OUT （ Uo ）。（ 4） 運行、觀察、記錄：進入自動控制菜單下的線性系統(tǒng)的時域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究實驗項目，點擊開始，按下SB2按鈕（ 0+1V 階躍），用示波器觀測 A

18、6 輸出端（ Uo）的實際響應曲線 Uo （ t）。然后點擊 停止 , 移動標尺 , 測量數據。改變比例系數（改變運算模擬單元A1 的反饋電阻 R1），觀測結果，填入實驗數據表。實驗數據表：輸入電阻反饋電阻輸入電壓比例系數RoR1Ui理論 K響應曲線實測 K100K0.5200K200K1V1.0500K2.5（ 2）觀察慣性環(huán)節(jié)的階躍響應曲線典型慣性環(huán)節(jié)模擬電路如圖2-2 所示。圖 2-2 典型慣性環(huán)節(jié)模擬電路典型慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數： G(S)UO(S)K,KR1,TR1CU i (S)1 TSR07t單位階躍響應：U 0 (t)K (1e T )實驗步驟：（ 1）用信號發(fā)生器（B1）的 Y

19、 測孔輸出 作為比例環(huán)節(jié)輸入信號。將B1 單元中電位器的左邊K3 開關撥下（ GND ），右邊 K4 開關撥下（ 0/ +5V 階躍）。按下信號發(fā)生器（B1 ）階躍信號按鈕SB2， L9燈亮，調節(jié)電位器，用萬用表測量Y 測孔，電壓調整為2V 。（ 2）構造模擬電路：按圖 2-2安置短路套及測孔聯(lián)線。（ 3）虛擬示波器（ B3）的聯(lián)接： B3虛擬示波器輸入端 CH1 接到 A6 單元信號輸出端 OUT （Uo ）。（ 4）運行、觀察、記錄：進入自動控制菜單下的線性系統(tǒng)的時域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究實驗項目，點擊開始，按下SB2按鈕時（ 0 +2V 階躍），用示波器觀測 A6 輸出端（ Uo ）

20、的實際響應曲線 Uo（ t ）。然后點擊 停止 , 移動標尺 , 測量數據。改變時間常數及比例系數（分別改變運算模擬單元 A1 的反饋電阻 R1 和反饋電容 C），觀測結果，填入實驗數據表。實驗數據表：輸入電阻反饋電阻反饋電容輸入電壓比例系數時間常數響應曲線RoR1CUi理論 K實測 K理論 T實測 T100K2u0.50.21u0.50.1200K2V2u1.00.4200K1u1.00.2（ 3）觀察積分環(huán)節(jié)的階躍響應曲線典型積分環(huán)節(jié)模擬電路如圖2-3 所示。圖 2-3 典型積分環(huán)節(jié)模擬電路典型積分環(huán)節(jié)的傳遞函數：UO(S)1,T R0CG(S)TSU i (S)單位階躍響應： U 0 (

21、t )1 tT實驗步驟：注： S ST用短路套短接?。?1）為了避免積分飽和， 將函數發(fā)生器 （ B5）所產生的周期性方波信號 （OUT ），代替信號發(fā)生器 （B1 ）中的人工階躍輸出作為系統(tǒng)的信號輸入（Ui ）；該信號為零輸出時，將自動對模擬電路鎖零。將函數發(fā)生器（ B5 ）中 S1撥動開關置于最上檔（階躍信號）， S2撥動開關置于 0.2S6S檔。用示波器觀測信號輸入（ Ui ），調節(jié) “調寬 ”旋鈕，使 OUT 輸出方波寬度在 1秒左右；調節(jié) “調幅 ”旋鈕，使OUT 輸出方波幅值為1V 。（ 2）構造模擬電路：按圖 2-3安置短路套及測孔聯(lián)線； B5單元 S-ST用短路套短接！（ 3）

22、虛擬示波器（ B3）的聯(lián)接： B3虛擬示波器輸入端 CH1 接到 A6 單元信號輸出端 OUT （Uo ）。（ 4）運行、觀察、記錄：8進入自動控制菜單的線性系統(tǒng)的時域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究實驗項目，點擊開始。用示波器觀測 A6輸出端（ Uo）的實際響應曲線 Uo（ t ）。然后點擊停止 , 移動標尺 , 測量數據。改變參數（分別改變運算模擬單元A1的輸入電阻 Ro和反饋電容 C），觀測結果，填入實驗數據表。實驗數據表：輸入電阻反饋電容輸入電壓積分常數RoCUi理論 Ti響應曲線實測 Ti100K2u0.21u0.11V2u0.4200K1u0.2（ 4）觀察比例積分環(huán)節(jié)的階躍響應曲線典型

23、比例積分環(huán)節(jié)模擬電路如圖2-4 所示 .。圖 2-4 典型比例積分環(huán)節(jié)模擬電路U O(S)1KR1,TR1C典型比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數： G(S)K(1),R0U i (S)TS單位階躍響應：U O ( t ) K（11 t）T實驗步驟：注： S ST用短路套短接！（ 1）用信號發(fā)生器（ B1）的 階躍信號輸出 和 幅度控制電位器 構造輸入信號（ Ui ）：將函數發(fā)生器（ B5 ）中 S1撥動開關置于最上檔（階躍信號）， S2撥動開關置于 0.2S6S檔。用示波器觀測信號輸入（ Ui ），調節(jié) “調寬 ”旋鈕，使 OUT 輸出方波寬度在 1秒左右；調節(jié) “調幅 ”旋鈕，使OUT 輸出方波幅值在

24、1V 。（ 2）構造模擬電路：按圖2-4安置短路套及測孔聯(lián)線；B5單元 S ST 用短路套短接?。?3）虛擬示波器（ B3）的聯(lián)接： B3虛擬示波器輸入端 CH1 接到 A6 單元信號輸出端 OUT （Uo ）。（ 4）運行、觀察、記錄：進入自動控制菜單的線性系統(tǒng)的時域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究實驗項目，點擊開始。用示波器觀測 A6 輸出端（ Uo）的實際響應曲線 Uo（ t）。然后點擊 停止 , 移動標尺 , 測量數據。改變時間常數及比例系數（分別改變運算模擬單元A5 的輸入電阻 Ro 和反饋電容 C），重新觀測結果，填入實驗數據表。實驗數據表：輸入電阻反饋電阻反饋電容輸入電壓比例系數積分常

25、數RoR1CUi理論 K實測 K理論 T響應曲線實測 T200K2u1.00.41u1.00.2200K1V2u2.00.4100K1u2.00.2（ 5）觀察比例微分環(huán)節(jié)的階躍響應曲線9典型比例微分環(huán)節(jié)模擬電路如圖2-5 所示。圖 2-5 典型比例微分環(huán)節(jié)模擬電路典型比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數：G(S)UO(S)1TS)K (1SU i (S)R1 R2R3 )C,R3C,KR1R2,TT (R0K DR1 R2單位階躍響應： U 0 (t) KT(t)K實驗步驟：注： S ST用短路套短接 !（ 1）用信號發(fā)生器（B1）的 階躍信號輸出 和 幅度控制電位器構造輸入信號（ Ui ）：B1 單元中

26、電位器的左邊 K3 開關撥下 （ GND ），右邊 K4 開關撥下 （ 0/ +5V 階躍） 。階躍信號輸出 （B1的 Y 測孔）調整為1V （調節(jié)方法：按下信號發(fā)生器（B1）階躍信號按鈕，L9 燈亮，調節(jié)電位器，用萬用表測量 Y 測孔）。（ 2）構造模擬電路：按圖 2-5安置短路套及測孔聯(lián)線。（ 3）虛擬示波器（ B3）的聯(lián)接： B3虛擬示波器輸入端 CH1 接到 A6 單元信號輸出端 OUT （Uo ）。（ 4）運行、觀察、記錄：進入線性系統(tǒng)的時域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究實驗項目，點擊開始， 用示波器觀測系統(tǒng)的信號輸入（ Ui ），調節(jié) “調寬 ”旋鈕，正輸出寬度在 70ms左右，調節(jié)

27、“調幅 ”旋鈕，幅度在 400mv 左右。 用示波器觀測 A6 輸出端（ Uo）響應曲線。 改變時間常數及比例系數（分別改變運算模擬單元A2 的輸入電阻 Ro 和反饋電阻 R1），重新觀測結果，填入實驗數據表。實驗數據表：輸入電阻反饋電阻輸入電壓比例系數微分常數RoR1Ui理論 K實測 K理論 T響應曲線實測 T10K10K20K20K10K1V20K30K20K（ 6）觀察 PID （比例積分微分）環(huán)節(jié)的響應曲線PID （比例積分微分）環(huán)節(jié)模擬電路如圖2-6 所示。10圖 2-6 PID （比例積分微分）環(huán)節(jié)模擬電路典型比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數：G(S)U O(S)K PK P TdSK PT

28、i SU i (S)R1R2R3 )C2, Ti( R1R2 )C1R1 R2Td (R2, K PR0R1單位階躍響應：U 0 ( t ) K pTD( t ) K PK p tT實驗步驟：注： S ST用短路套短接！（ 1）用信號發(fā)生器（B1）的 階躍信號輸出 和 幅度控制電位器構造輸入信號（Ui ）：B1 單元中電位器的左邊K3 開關撥下 （ GND ），右邊 K4 開關撥下 （ 0/ +5V 階躍） 。階躍信號輸出 （B1的 Y 測孔）調整為 1V （調節(jié)方法：按下信號發(fā)生器（ B1）階躍信號按鈕， L9 燈亮，調節(jié)電位器，用萬用表測量 Y 測孔）。（ 2）構造模擬電路：按圖 2-6安

29、置短路套及測孔聯(lián)線。（ 3）虛擬示波器（ B3）的聯(lián)接：示波器輸入端CH1接到 A6 單元信號輸出端。注： CH1 選 ×1檔。時間量程選 4檔。（ 4）運行、觀察、記錄：進入線性系統(tǒng)的時域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究實驗項目，點擊開始， 用示波器觀測系統(tǒng)的信號輸入（ Ui ），調節(jié) “調寬 ”旋鈕（正輸出寬度在0.1秒左右）。 用示波器觀測A6 輸出端（ Uo），調節(jié) “調幅 ”旋鈕，輸入信號幅值從0V開始，慢慢增加，直到積分輸出接近 5V為止（不能超過 5V）。如用 TEK數字示波器觀察，輸入信號幅值可大些。注意：該實驗由于微分的時間太短，如果用虛擬示波器（B3）觀察，必須把波形擴

30、展到最大（/ 4檔），但有時仍無法顯示微分信號。因此，建議用一般的示波器觀察。 改變時間常數及比例系數（分別改變運算模擬單元A2的輸入電阻 Ro和反饋電阻 R1），重新觀測結果，填入實驗數據表。實驗數據表：輸入電阻反饋電阻輸入電壓比例系數微分常數積分常數響應RoR1Ui理論 K實測 K理論 T實測 T理論 Ti實測 Ti曲線10K10K20K1V10K20K20K2.4實驗報告（ 1）實驗模擬電路，實驗所測波形、數據。（ 2）理論參數的計算過程。（ 3）對實驗現(xiàn)象進行準確描述與分析。11第三章二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性3.1實驗要求（ 1）了解和掌握典型二階、三階系統(tǒng)模擬電路的構成方法及傳遞函數

31、表達式推導。（ 2）觀察和分析典型二階閉環(huán)系統(tǒng)在欠阻尼，臨界阻尼，過阻尼的瞬態(tài)響應曲線，欠阻尼二階閉環(huán)系統(tǒng)在階躍信號輸入時的動態(tài)性能指標%、 tp、 ts 值，并與理論計算值作比對。（ 3）熟悉勞斯（ ROUTH ）判據使用方法。（ 4）應用勞斯（ ROUTH ）判據，觀察和分析型三階系統(tǒng)在階躍信號輸入時，系統(tǒng)的穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定及不穩(wěn)定三種瞬態(tài)響應。3.2實驗內容及步驟3.2.1二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性圖 3-1 是典型的型二階單位反饋系統(tǒng)原理方塊圖。圖 3-1 典型二階閉環(huán)系統(tǒng)原理方塊圖型二階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數：G(S)KTiS(TS1)G(S)2型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數標準式：(s)nG(S

32、)22n S21Sn自然頻率（無阻尼振蕩頻率）： nK阻尼比：1TiKT2TiT12t p超調量 ：% e100%峰值時間：n123調節(jié)時間： t sn二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路如圖3-2 所示。它由積分環(huán)節(jié)（A2 ）和慣性環(huán)節(jié)（A3 ）構成。圖 3-2 型二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路圖 3-2 的二階系統(tǒng)模擬電路的各環(huán)節(jié)參數及系統(tǒng)的傳遞函數：積分環(huán)節(jié)（ A2 單元）的積分時間常數Ti=R 1*C 1=1S慣性環(huán)節(jié)（ A3 單元）的慣性時間常數T=R 2*C 2=0.1S實驗步驟：注： S ST不能用“短路套”短接?。?1）用信號發(fā)生器（B1）的 Y 測孔輸出 作為二階系統(tǒng)輸入的階躍信號。12將 B1 單元

33、中電位器的左邊K3 開關撥下（ GND ），右邊 K4 開關撥下（ 0/ +5V 階躍）。按下信號發(fā)生器（ B1）階躍信號按鈕SB2， L9 燈亮，調節(jié)電位器，用萬用表測量Y 測孔，電壓調整為1V 。（ 2）構造模擬電路：按圖 3-2安置短路套及測孔聯(lián)線。（ 3）虛擬示波器（ B3）的聯(lián)接： B3虛擬示波器輸入端 CH1 接到 A6 單元信號輸出端 OUT （C(t) ）。（ 4）運行、觀察、記錄： 運行 LABACT 程序，選擇自動控制菜單下的線性系統(tǒng)的時域分析下的二階典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性實驗項目，再選擇開始實驗。也可選用普通示波器觀測實驗結果。 分別將（ A7 ）中的直讀式可變電阻調整

34、到 100K 、 40K 、 10K 、 4K 、 2K ，點擊開始，按下 SB2按鈕 (加階躍信號 )，用示波器觀察在不同增益K 下， A6 輸出端 C(t) 的系統(tǒng)階躍響應曲線，按下停止，用標尺測量、超調量 %，峰值時間 tp和調節(jié)時間 ts等動態(tài)性能指標參數，記錄于實驗數據表1。 改變慣性時間常數T ，重新觀測結果，記錄動態(tài)性能參數于實驗數據表2。 改變積分時間常數Ti ，重新觀測結果，記錄動態(tài)性能參數于實驗數據表3。注：在作該實驗時，如果發(fā)現(xiàn)有積分飽和現(xiàn)象產生時，即構成積分的模擬電路處于飽和狀態(tài)，波形不出來， 請人工放電。 放電操作如下： 輸入端 Ui 為零， 把 B5 函數發(fā)生器的S

35、B4“放電按鈕 ”按住 3 秒左右，進行放電。實驗數據表1：改變慣性環(huán)節(jié)增益（C1=2u， C2=1u，改變可變電阻 R）參數增益自然頻率阻尼比超調量 %峰值時間 tP調節(jié)時間 tS輸入電阻KWn項目R（A3 ）測量值測量值測量值（計算值 )（計算值 ) （計算值 )計算值計算值計算值 >1100K過阻尼 =140K臨界阻尼10K0<<14K欠阻尼2K實驗數據表2：改變慣性環(huán)節(jié)時間常數（C1=2u，R=4K ，改變 C2）參數反饋電容慣性環(huán)節(jié)自然頻率阻尼比超調量 %峰值時間 tP調節(jié)時間 tSC2 增加時間常數Wn項目（A3 ）測量值測量值測量值T（計算值 )（ 減小）（計算

36、值 )計算值計算值計算值1u0<<12u欠阻尼3u13實驗數據表3：改變積分環(huán)節(jié)時間常數（R=4K ， C2=1u，改變 C1）參數反饋電容超調量 %ttC1 減小積分環(huán)節(jié)自然頻率阻尼比峰值時間 P調節(jié)時間 S時間常數Wn項目（A2）測量值測量值測量值Ti（計算值 )（ 減?。ㄓ嬎阒?)計算值計算值計算值0<<12u欠阻尼1u3.2.2三階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性典型型三階單位反饋系統(tǒng)原理方塊圖見圖3-3。圖 3-3 典型三階閉環(huán)系統(tǒng)的方塊圖型三階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數：G(S)K1K2S 1)(T 2S1)TiS (T1閉環(huán)傳遞函數（單位反饋） ：G(S)K1K2(S)TiS (T1