1、目 录一自动控制理论实验指导概 述2实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真研究 5实验二 典型系统动态性能和稳定性分析11实验三 典型环节（或系统）的频率特性测量15实验四 线性系统串联校正19实验五 典型非线性环节的静态特性23实验六 非线性系统相平面法28实验七 非线性系统描述函数法34实验八 极点配置全状态反馈控制38实验九 采样控制系统动态性能和稳定性分析的混合仿真研究44实验十 采样控制系统串联校正的混合仿真研究48二自动控制理论对象实验指导实验一 直流电机转速控制实验52实验二 温度控制实验55实验三 水箱液位控制实验57三自动控制理论软件说明概 述 59安装指南及系统要求63功能使
2、用说明64使用实例72概 述一实验系统功能特点 1系统可以按教学需要组合，满足“自动控制原理”课程初级与高级实验的需要。配备ACCC-I 实验台、上位机（包含相应软件）及 USB2.0 通讯线就能完成与软件仿真、混合仿真有关的实验必须配备。2ACCC-I 实验台内含有实验必要的电源、非线性与高阶电模拟单元以及几物理对象，可根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节与系统。此外，ACCT-01A 面板内还可含有数据处理单元，用于数据采集、输出以及和上位机的通讯。3配备 PC 微机作操作台时，将高效率支持“自动控制原理 ”的教学实验。系统提供界面友好、功能丰富的上位机软件。PC 微机在实验中，
3、除了满足软件仿真需要外，又可成为测试所需的虚拟仪器、测试信号发生器以及具有很强柔性的数字控制器。4系统的硬件、软件设计，充分考虑了开放型、研究型实验的需要。除了指导书所提供的 13个实验外，还可自行设计实验。二系统构成实验系统由上位 PC 微机（含实验系统上位机软件） 、ACCC-I 实验台、USB2.0 通讯线等组成。ACCC-I 实验台内装有以 C8051F060 芯片（含数据处理系统软件）为核心构成的数据处理卡，通过USB 口与 PC 微机连接。1ACCC-I 实验台简介ACCC-I 控制理论实验台主要由 ACCT-01A 自动控制理论和计算机控制技术、ACCT-02 物理对象电机转速与
4、温度控制、ACCT-03 物理对象液位控制等 3 个部分组成。其中 ACCT-01A 自动控制理论和计算机控制技术由电源部分 U1 单元、元器件单元 U2、数据处理单元 U3、非线性单元 U5U7 以及模拟电路单元 U8U16 等共 15 个单元组成。(1)电源单元 U1包括电源开关、保险丝、5V 、5V 、15V、15V、0V 以及 1.3V15V 可调电压的输出，它们提供了实验设备所需的所有工作电源。（2）元器件单元 U2单元提供了实验所需的电容、电阻与电位器，另提供插接电路供放置自己选定大小的元器件。（3）数据处理单元 U3内含以 C8051F060 为核心组成的数据处理卡（含软件） ，
5、通过 USB 口与上位 PC 进行通讯。内部包含八路 A/D 采集输入通道和两路 D/A 输出通道。与上位机一起使用时，可同时使用其中两个输入和两个输出通道。结合上位机软件，用以实现虚拟示波器、测试信号发生器以及数字控制器功能。（4）非线性环节单元 U5、U6 和 U7U5，U6，U7 分别用于构成不同的典型非线性环节。单元 U5 可通过拨键 S4 选择具有死区特性或间隙特性的非线性环节模拟电路。单元 U6 为具有继电特性的非线性环节模拟电路。单元 U7 为具有饱和特性的非线性环节模拟电路。（5）模拟电路单元 U8U16U8U16 为由运算放大器与电阻，电容等器件组成的模拟电路单元。其中 U8
6、 为倒相电路，实验时通常用作反号器。U9 U16 的每个单元内，都有用场效应管组成的锁零电路和运放调零电位器。2系统上位机软件的功能与使用方法，详见ACCC-IIB 自动控制理论实验上位机程序使用说明书 。三自动控制理论实验系统实验内容1 典型环节的电路模拟与软件仿真研究；2 典型系统动态性能和稳定性分析；3 典型环节（或系统）的频率特性测量；4 线性系统串联校正；5 典型非线性环节的静态特性；6 非线性系统相平面法；7 非线性系统描述函数法；8 极点配置线性系统全状态反馈控制；9 采样控制系统动态性能和稳定性分析的混合仿真研究；10采样控制系统串联校正的混合仿真研究。要完成上列全部实验，必须
7、配备上位计算机。物理对象实验1直流电机转速控制实验2温度控制实验3液位控制实验四实验注意事项1实验前 U9U16 单元内的运放需要调零。2运算放大器边上的锁零点 G 接线要正确。不需要锁零时（运放构成环节中不含电容或输入信号为正弦波时） ，必须把 G 与-15V 相连；在需要锁零时，必须与其输入信号同步的锁零信号相连。如在采用 PC 产生的经 D/A 通道输出的信号 O1 作为该环节或系统的输入时，运放的锁零信号 G 应连 U3 单元中锁零信号 G1；类似地，如采用 PC 产生的信号 O2 作输入，则锁零信号 G 应连 U3 单元中锁零信号 G2。锁零主要用于对电容充电后需要放电的场合，一般不
8、需要锁零。3在设计和连接被控对象或系统的模拟电路时，要特别注意，实验台上的运放都是反相输入的，因此对于整个系统以及反馈的正负引出点是否正确都需要仔细考虑，必要时接入反号器。4作频率特性实验和采样控制实验时，必须注意只用到其中 1 路 A/D 输入和 1 路 D/A 输出,具体采用“I1 I8”中哪一个通道，决定于控制箱上的实际连线。5上位机软件提供线性系统软件仿真功能。在作软件仿真时，无论是一个环节、或是几个环节组成的被控对象、或是闭环系统，在利用上位机界面作实验时，都必须将开环或闭环的传递函数都转化成下面形式，以便填入参数 ai, bj110.()mnnbssWa其中 ， 。10如出现 的情
9、况，软件仿真就会出错，必须设法避免。如实验一，在作理想比例微分（PD ）环节的软件仿真实验时就会遇到此问题，因为此时 ()1)WsKTss可见该 W(s)分子中 s 的阶高于分母的，直接填入参数仿真，即出现“非法操作”的提示。具体避免方法请参阅该实验附录。6受数据处理单元的数据处理速率限制，作频率特性实验和采样控制实验时，在上位机界面上操作“实验参数设置”必须注意频率点和采样控制频率的选择。对于频率特性实验，应满足12根据 K 求取 Rx。这里的 Rx 可利用模拟电路单元的 220K 电位器，改变 Rx 即可改变 K2，从而改变 K，得到三种不同情况下的实验结果。该系统的阶跃响应如图 2.2.
10、3 a、2.2.3b 和 2.2.3c 所示，它们分别对应系统处于不稳定、临界稳定和稳定的三种情况。图 2+20krt-0u-50ku-+Rx1k-c(t)图 2.3a0ctt图 2.3b0ctt图 2.3c0ctt实验三 典型环节（或系统）的频率特性测量一实验目的1学习和掌握测量典型环节（或系统）频率特性曲线的方法和技能。2学习根据实验所得频率特性曲线求取传递函数的方法。二实验内容1用实验方法完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。2用实验方法完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。3根据测得的频率特性曲线求取各自的传递函数。4用软件仿真方法求取一阶惯性环节频率特性和典型二阶系统开环频率特性，并
11、与实验所得结果比较。三实验步骤1熟悉实验设备上的信号源，掌握改变正弦波信号幅值和频率的方法。利用实验设备上的模拟电路单元，参考本实验附录设计并连接“一阶惯性环节”模拟电路（如用 U9+U8 连成）或“两个一阶惯性环节串联”的模拟电路（如用 U9+U11 连成） 。2利用实验设备完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能，以一阶惯性环节为例，此时将 Ui 连到实验台数据处理单元 U3 的 D/A 输出通道 O1 或 O2，将 Uo 连到实验台的数据处理单元 U3 的 A/D 输入
12、端通道I1I8 中的任一通道（假设选择 I1） ，然后再将你选择的 D/A 输出通道测试信号 O1(如果选择的是O1)连接到 A/D 输入端 I2(显示信号源发出的环节输入波形)，然后连接设备与上位机的 USB 通信线。接线完成，经检查无误，再给实验设备上电后，启动上位机程序，进入主界面。界面上的操作步骤如下：完成上面的硬件接线后，检查 USB 连线和实验设备电源，然后打开 LabVIEW 软件上位机界面程序。进入 LabVIEW 实验界面后，根据上面的实验接线选择通道，选择 I1、I2 通道作为输入通道，测试信号 O1 作为输出信号。测试信号 01 的设置， “幅值”为 5（可以根据实验结果
13、波形来调整） ， “测试信号”为正弦波。“偏移”为零完成实验设置后，点击“下载数据”按钮，将设置的测试信号发送到数据采集系统。然后点击实验界面右下角的“Start”按钮来启动频率特性测试。测试程序将会从低频率计算到高频，界面右下角有个测试进度条，它将显示测试的进度。最后测试出来频率特性的 Bode Plot、Nyquist Plot 将在相应的图形控件中显示出来,在同一界面中我们可以同时看到频率特性的两种显示模式:一种是伯德图“Bode Plot”，它包括幅频特性和相频特性；另一种模式就是乃奎斯特图“Nyquist Plot”，又称极坐标图。按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件，操作方法参
14、阅软件使用说明书3利用实验设备完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。具体操作方法参阅步骤 2。4参考附录的提示，根据测得的频率特性曲线（或数据）求取各自的传递函数。6分析实验结果，完成实验报告。四附录1实验用一阶惯性环节传递函数参数、电路设计及其幅相频率特性曲线：对于 的一阶惯性环节，其幅相频率特性曲线是一1)(TsKG个半圆，见图 3.1。取 代入，得js)(1)(jerTjK在实验所得特性曲线上，从半园的直径 ，可得到环节的(0)r放大倍数 K，K 。在特性曲线上取一点 ，可以确定环节(0)rk的时间常数 T， 。ktg实验用一阶惯性环节传递函数为 ，其中参数为12.0)(sGR0=20
15、0 ，R 1200 ， C0.1uF，其模拟电路设计参阅图 1.5.2。K2实验用典型二阶系统开环传递函数参数、电路设计及其幅相频率特性曲线：对于由两个惯性环节组成的二阶系统，其开环传递函数为12)1()(21 TsKsTsG)(令上式中 ，可以得到对应的频率特性j)(21)( jerTjj 二阶系统开环传递函数的幅相频率特性曲线，如图 3.2.1所示。根据上述幅相频率特性表达式，有（31）)0(rKkkktgT21)(其中 tk图 3.21Im0Re图 3.1Im0Re故有 （32）kktgT212（33）kktrT2)(0如已测得二阶环节的幅相频率特性，则 、 、 和 均可从实验曲线得到，
16、于是可(0)rk()kr按式（31） 、 （32）和（33）计算 K、 T、 ，并可根据计算所得 T、 求取 T1和 T21(T22实验用典型二阶系统开环传递函数为: 13.02.)1.0(2.)( sssHG其电路设计参阅图 3.2.2。3对数幅频特性和对数相频特性上述幅相频率特性也可表达为对数幅频特性和对数相频特性，图 3.3.1 和图 3.3.2 分别给出上述一阶惯性环节和二阶环节的对数幅频特性和对数相频特性：图 3.3.1图 3.2+R0kr(t)-C1-0k+Rc(t).u注意：此时横轴采用了以 10 为底的对数坐标，纵轴则分别以分贝和度为单位。图 3.3.2实验四 线性系统串联校正
17、一实验目的1熟悉串联校正装置对线性系统稳定性和动态特性的影响。2掌握串联校正装置的设计方法和参数调试技术。二实验内容1观测未校正系统的稳定性和动态特性。2按动态特性要求设计串联校正装置。3观测加串联校正装置后系统的稳定性和动态特性，并观测校正装置参数改变对系统性能的影响。4对线性系统串联校正进行计算机仿真研究，并对电路模拟与数字仿真结果进行比较研究。三实验步骤1利用实验设备，设计并连接一未加校正的二阶闭环系统的模拟电路，完成该系统的稳定性和动态特性观测。提示：设计并连接一未加校正的二阶闭环系统的模拟电路，可参阅本实验附录的图 4.1.1 和图4.1.2，利用实验台上的 U9、U11、U15 和
18、 U8 单元连成。通过对该系统阶跃响应的观察，来完成对其稳定性和动态特性的研究，如何利用实验设备观测阶跃特性的具体操作方法，可参阅实验一的实验步骤 2。2参阅本实验的附录，按校正目标要求设计串联校正装置传递函数和模拟电路。3利用实验设备，设计并连接一加串联校正后的二阶闭环系统的模拟电路，完成该系统的稳定性和动态特性观测。提示：设计并连接一加串联校正后的二阶闭环系统的模拟电路，可参阅本实验附录的图 4.4.4，利用实验台上的 U9、U14、U11、U15 和 U8 单元连成通过对该系统阶跃响应的观察，来完成对其稳定性和动态特性的研究，如何利用实验设备观测阶跃特性的具体操作方法，可参阅“实验一”的
19、实验步骤 2。4改变串联校正装置的参数，对加校正后的二阶闭环系统进行调试，使其性能指标满足预定要求。提示：5分析实验结果，完成实验报告。四附录1方块图和模拟电路实验用未加校正二阶闭环系统的方块图和模拟电路，分别如图 4.1.1 和图 4.1.2 所示：E(s)R()图 4.1025s+C()其开环传递函数为： ()5250.2(1)(0.)GsSs其闭环传递函数为： 22()1()5nWSsss式中 ， ，507.n10.4n故未加校正时系统超调量为 ，21.63%pMe调节时间为 s，4snt静态速度误差系数 KV等于该 I 型系统的开环增益1/s，25vK2串联校正的目标要求加串联校正装置
20、后系统满足以下性能指标：（1）超调量 25%pM（2）调节时间（过渡过程时间） s1t（3）校正后系统开环增益（静态速度误差系数） 1/s25Kv3串联校正装置的时域设计从对超调量要求可以得到 % ，于是有 。21pe0.4由 s 可以得到 。41snt4n因为要求 1/s，故令校正后开环传递函数仍包含一个积分环节，且放大系数为 25。25Kv设串联校正装置的传递函数为 D(s),则加串联校正后系统的开环传递函数为c(t)50k1u+-20kr(t)-RC图 42-+R-25()()0.1)DsGs采用相消法，令 （其中 T 为待确定参数） ，可以得到加串联校正后的开环传T递函数 0.5125
21、()(.)(1)sDsGssA这样，加校正后系统的闭环传递函数为2()() 51TWsss对校正后二阶系统进行分析，可以得到25nT1综合考虑校正后的要求，取 T=0.05s ,此时 1/s, ，它们都能满足校正2.36n0.45目标要求。最后得到校正环节的传递函数为0.51()sD从串联校正装置的传递函数可以设计其模拟电路。有关电路设计与校正效果请参见后面的频域设计。4串联校正装置的频域设计根据对校正后系统的要求，可以得到期望的系统开环传递函数的对数频率特性。根据未加校正系统的开环传递函数，可以得其相应的对数频率特性。从期望的系统开环传递函数的对数幅频特性，减去未加校正系统开环传递函数的对数
22、幅频特性，可以得到串联校正装置的对数幅频特性。从串联校正装置的对数幅频特性，可以得到它的传递函数： 0.51()cSG从串联校正装置的传递函数可以设计其模拟电路。图 4.4.4 给出已加入串联校正装置的系统模拟电路。在图 4.4.4 中，串联校正装置电路的参数可取R1390 ，R 2R 3200 ，R 410 ，C4.7uF 。KK（2）传递函数法期望的系统开环传递函数除以未加校正二阶闭环系统开环传递函数，可以得到串联校正装置的传递函数。同样地，可从串联校正装置的传递函数设计其模拟电路，如图 4.4.4 所示。图 4.20kr(t) +-C-R142320k+05-1uc(t)-1u图 4.5
23、0ctt图 6实验五 典型非线性环节的静态特性一实验目的1了解并掌握典型非线性环节的静态特性。2了解并掌握典型非线性环节的电路模拟研究方法。二实验内容1完成继电型非线性环节静特性的电路模拟研究。2完成饱和型非线性环节静特性的电路模拟研究。3完成具有死区特性的非线性环节静特性的电路模拟研究。4完成具有间隙特性的非线性环节静特性的电路模拟研究。三实验步骤1利用实验设备，设计并连接继电型非线性环节的模拟电路，完成该环节的静态特性测试；并改变参数，观测参数对静态特性的影响。参阅本实验附录 1,从图 5.1.1 和图 5.1.2 可知，利用实验台上的单元 U6 即可获得实验所需继电型非线性环节的模拟电路
24、。单元电路中双向稳压管的稳压值为 5.1V，改变 U6 中的电位器的电阻接入值，即可改变继电特性参数 M，M 随阻值减小而减小。可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的静态特性，下面分两种情况说明测试方法。在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能，接线方式将不同于上述无上位机情况。此时将Ui 连到实验台 U3 单元的 D/A 输出通道 O1 或 O2（假设选择 O1） ，将 Uo 连到实验台的 U3 单元的 A/D输入端通道 I1I8 中的任一通道（假设选择 CH1） ，再将你选择的 D/A 输出通道 O1 连
25、接到 A/D 输入端 I2，然后连接设备与上位机的 USB 通信线。接线完成，经检查无误，再给实验设备上电后，启动上位机程序，进入主界面。界面上的操作步骤如下：完成上面的硬件接线后，检查 USB 连线和实验台电源，然后打开 LabVIEW 软件上位机界面程序。进入 LabVIEW 实验界面后，先对显示进行设置：选择显示模式（在 LabVIEW 图形控件的右边），可先选择“X-t 模式” ，或选择“X-Y 模式” ，或同时显示两种模式.在两种不同显示方式下都观察一下非线性的特性；选择“T/DIV 量程” （在实验界面的右边框里）为 1HZ/1S。在选择显示模式为“X-t 模式”时。测试信号 01
26、 的设置，先选择“测试信号”为正弦波，然后设置信号的幅值 5（不是唯一的，可根据实验曲线调整大小） ， “测试信号”也可以为周期斜坡信号，显示模式可以同时用两种显示模式显示非线性静特性，也可以按照需要选择任一种显示模式，如“X-T 模式”或者是“X-Y 模式” 。对“正弦波”：选择“幅值”为“5V” ，选择“偏移”为 0V，选择“T/DIV”为“1HZ/1S” 。对“周期斜坡信号”：选择“幅值”为“10V” ，选择“偏移”为5V，选择“T/DIV”为“1HZ/1S”。以上设置完成后，按照上面的步骤设置好信号后，点击“下载数据”按钮，将设置的测试信号发送到数据采集系统。按“Start”按钮启动实
27、验，动态波形得到显示，直至周期反应过程结束，实验也自动结束，如设置合理就可以在主界面中间得到反映该非线性环节静态特性的波形。注意，采用不同测试信号看到的波形或曲线是不同的。改变环节参数，按“Start”启动实验，动态波形得到显示，直至周期反应过程结束，实验也自动结束，如设置合理就可以在主界面中间得到反映参数改变对该非线性环节静态特性影响的波形。 ，按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件，操作方法参阅软件使用说明书。2利用实验设备，设计并连接饱和型非线性环节的模拟电路，完成该环节的静态特性测试；并改变参数，观测参数对静态特性的影响。参阅本实验附录 2,从图 5.2.1 和图 5.2.2 可知，
28、利用实验台上的单元 U7 即可获得实验所需饱和型非线性环节的模拟电路。单元电路中双向稳压管的稳压值为 2.4V，改变 U7 中的电位器的电阻接入值，即可改变饱和特性参数 K 与 M，K 与 M 随阻值减小而减小。可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的静态特性，具体操作方法请参阅本实验步骤 1，这里不再赘述。3利用实验设备，设计并连接具有死区特性的非线性环节的模拟电路，完成该环节的静态特性测试；并改变参数，观测参数对静态特性的影响。参阅本实验附录 3,从图 5.3.1 和图 5.3.2 可知，利用实验台上的单元 U5，将该单元中的拨键S4 拨向上方即可获得实验所需具有死区特性的非线性环节的模拟
29、电路。改变 U5 中的电阻 Rf 的阻值，即可改变死区特性线性部分斜率 K，K 随 Rf 增大而增大。改变 U5 中的电阻 R1（R2）的阻值，即可改变死区特性死区的宽度 ， 随 R1 增大而增大。可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的静态特性，具体操作方法请参阅本实验步骤 1，这里不再赘述。4利用实验设备，设计并连接具有间隙特性的非线性环节的模拟电路，完成该环节的静态特性测试；并改变参数，观测参数对静态特性的影响。参阅本实验附录 4,从图 5.4.1 和图 5.4.2 可知，利用实验台上的单元 U5，将该单元中的拨键S4 拨向下方即可获得实验所需具有间隙特性的非线性环节的模拟电路。改变 U
30、5 中的电容 Cf 的阻值，即可改变间隙特性线性部分斜率 K，K 随 Cf 增大而减小。改变 U5 中的电阻 R1（R2）的阻值，即可改变死区特性死区的宽度 ， 随 R1 增大而增大。可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的静态特性，具体操作方法请参阅本实验步骤 1，这里不再赘述。请注意，单元 U5 不含运放锁零电路，为避免电容上电荷累积影响实验结果，在每次实验启动前，务必对电容进行短接放电。5分析实验结果，完成实验报告。四附录1具有继电特性的非线性环节具有继电特性非线性环节的静态特性，即理想继电特性如图 5.1.1 所示。该环节的模拟电路如图 5.1.2 所示。继电特性参数 M，由双向稳压管
31、的稳压值与后一级运放放大倍数之积决定。故改变图 5.1.2 中电位器接入电阻的数值即可改变 M。当阻值减小时，M 也随之减小。实验时，可以用周期斜坡或正弦信号作为测试信号进行静态特性观测。注意信号频率的选择应足够低，如 1Hz。通常选用周期斜坡信号作为测试信号时，选择在 X-Y 显示模式下观测；选用正弦信号作为测试信号时，选择在 X-t 显示模式下观测。2具有饱和特性的非线性环节具有饱和特性非线性环节的静态特性，即理想饱和特性如图 5.2.1 所示：该环节的模拟电路如图 5.2.2 所示：0图 5.1uoi图 5.12+0ki-0k1-+uo0图 5.21Muoi10k图 5.2+-10-+u
32、o特性饱和部分的饱和值 M 等于稳压管的稳压值与后一级放大倍数的积，特性线性部分的斜率K 等于两级运放放大倍数之积。故改变图 5.2.2 中的电位器接入电阻值时将同时改变 M 和 K，它们随阻值增大而增大。实验时，可以用周期斜坡或正弦信号作为测试信号进行静态特性观测。注意信号频率的选择应足够低，如 1Hz。选用周期斜坡信号作为测试信号时，可在 X-Y 显示模式下观测；选用正弦信号作为测试信号时，可在 X-t 显示模式下观测。3具有死区特性的非线性环节具有死区特性非线性环节的静态特性，即理想死区特性如图 5.3.1 所示：该环节的模拟电路如图 5.3.2 所示：斜率 K 为： 0/fkR死区 ，
33、式中 R2的单位为 ，且 R2R 1（实际死区还要考虑二极管2215().()30vk的压降值） 。实验时，可以用周期斜坡或正弦信号作为测试信号进行静态特性观测。注意信号频率的选择应足够低，如 1Hz。选用周期斜坡信号作为测试信号时，可在 X-Y 显示模式下观测；选用正弦信号作为测试信号时，可在 X-t 显示模式下观测。4具有间隙特性的非线性环节具有间隙特性非线性环节的静态特性，即理想间隙特性如图 5.4.1 所示：该环节的模拟电路如图 5.4.2 所示：图中间隙特性的宽度 ,（实际死区还要考虑二极管的压降值） ，特性2215()0.()3Rv斜率 ，因此改变 R1 与 R2 可改变间隙特性的
34、宽度，改变 可以调节特性斜率。实验时，iftgC ifC可以用正弦信号作为测试信号进行静态特性观测。注意信号频率的选择应足够低，如 1Hz。选用正弦信号作为测试信号时，可在 X-t 显示模式下观测。k0图 5.31uoi 0图 5.32-v3+21-f-uo注意由于元件（二极管、电阻等）参数数值的分散性，造成电路不对称，因而引起电容上电荷累积，影响实验结果，故每次实验启动前，需对电容进行短接放电。 A0图 5.41DEuoCBi图 5.42ui-15v30k+30kR215vuCi-f+1R-uo实验六 非线性系统相平面法一实验目的1学习用相平面法分析非线性系统。2熟悉研究非线性系统的电路模拟
35、研究方法。二实验内容1用相平面法分析继电型非线性系统的阶跃响应和稳态误差。2用相平面法分析带速度负反馈的继电型非线性系统的阶跃响应和稳态误差。3用相平面法分析饱和型非线性系统的阶跃响应和稳态误差。三实验步骤1利用实验设备，设计并连接一未加校正的继电型非线性闭环系统的模拟电路，利用阶跃输入作测试信号，观测和记录系统在（ , ）相平面上的相轨迹，利用该相轨迹分析系统的阶跃响e应和稳态误差，并与测得的系统偏差的阶跃响应作比较。参阅本实验附录 1,从图 6.1.1 和图 6.1.2 可知，利用实验台上的单元 U9、U6、U11、U15 和 U8可连成实验所需未加校正的继电型非线性闭环系统的模拟电路。可
36、利用周期阶跃信号测试该非线性系统的相轨迹和阶跃响应，下面分两种情况说明测试方法。在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能，此时可将系统输入端 r(t)连到实验台 U3 单元的D/A 输出通道 O1 或 O2（假设选择 O1） ，将运放的锁零 G 连到锁零信号 G1，将 X1（即-e）连到实验台的 U3 单元的 A/D 输入端通道 I1，将 X2(即- ） 连到实验台的 U3 单元的 A/D 输入端通道 I2，然e后连接设备与上位机的 USB 通信线。接线完成，经检查无误，再给实验台上电后，启动上位机程序，进入主
37、界面。界面上的操作步骤如下：按通道接线情况: 选择第 1 路 A/D 输入 I1 作为环节中的采样信号 X 的输入端, 选择第 2 路A/D 输入 I2 作为环节中的采样信号 Y 的输入端,选择第 1 路 D/A 输出 O1 作为环节的输入端。不同的通道,图形显示控件中波形的颜色将不同。按上述说明硬件接线完成后，检查 USB 口通讯连线是否接好和实验台电源后运行上位机程序，如有问题则请求指导教师帮助。进入实验界面后，先对显示进行设置：选择“X-Y 模式”和“X-t 模式”同时显示，X-t 模式主要为了观测系统误差 e(t)的阶跃响应。选择“T/DIV”为 0.1HZ/10s；并在界面右方对采样
38、通道 X(AD1)选择“-1”(即反相)，对采样通道 Y(AD2)也选择“-1”(即反相)。进入实验设置：首先对实验参数进行设置，选择“测试信号”为“周期阶跃信号” ，选择“占空比”为 50%，选择“T/DIV”为“0.4HZ/2.5S” ，选择“幅值”为“6V”(根据实验曲线调整大小)，设置“偏移”为“0” 。以上除必须选择“周期阶跃信号”外，其余的选择都不是唯一的。要特别注意，除单个比例环节外，对其它环节或系统都必须考虑环节和系统的时间常数，如仍选择“输入波形占空比”为 50%，那么“输入波形周期”至少是环节或系统的最大时间常数的 68 倍。所有必要的设置完成后，按照上面的步骤设置好信号后
39、，点击“下载数据”按钮，将设置的测试信号发送到数据采集系统。按界面右下角的“Start”启动实验，相平面上的相轨迹得到显示，直至周期过程反应结束，实验也自动结束，如设置合理就可以在主界面中间得到系统（ , ）的相轨迹。e按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件，操作方法参阅软件使用说明书。2利用实验设备，设计并连接一带速度负反馈的继电型非线性闭环系统的模拟电路，利用阶跃输入作测试信号，观测和记录系统在（ , ）相平面上的相轨迹，利用该相轨迹分析系统的阶e跃响应和稳态误差，并与测得的系统偏差的阶跃响应作比较。再将此实验结果与未加校正的继电型非线性闭环系统的相比较。参阅本实验附录 2,从图 6.2
40、.1 和图 6.2.2 可知，利用实验设备上的单元U9、U10、U6、U13、U11、U15 和 U8 可连成实验所需带速度负反馈的继电型非线性闭环系统的模拟电路。可利用周期阶跃信号测试该非线性系统（ , ）的相轨迹和阶跃响应，具体测试方法请参e阅本实验步骤 1，这里不再赘述。3利用实验设备，设计并连接一饱和型非线性闭环系统的模拟电路，利用阶跃输入作测试信号，观测和记录系统在（ , ）相平面上的相轨迹，利用该相轨迹分析系统的阶跃响应和稳态误e差，并与测得的系统偏差的阶跃响应作比较。参阅本实验附录 3,从图 6.3.1 和图 6.3.2 可知，利用实验设备上的单元 U9、U7、U11、U15 和
41、U8 可连成实验所需饱和型非线性闭环系统的模拟电路。可利用周期阶跃信号测试该非线性系统的（ , ）相轨迹和阶跃响应，具体测试方法请参阅本实验步骤 1，这里不再赘述。e4分析实验结果，完成实验报告。四附录1未加校正的继电型非线性闭环系统未加校正的继电型非线性闭环系统的原理方块图如图 6.1.1 所示：其模拟电路图如图 6.1.2 所示：MR(s)图 6.1s05+1C(s)A0图 6.13BDeCE图 6.1.1 所示系统可用以下方程描述： 0TcKMe（61）式中 T 为时间常数（T0.5） ，K 为线性部分开环增益，M 为继电器特性幅值，采用 e与 为相平面坐标，以及考虑e（62）rc（63）1()Rt则（61）变为0TeKe（64）M该系统的相轨迹曲线如图 6.1.3 所示：观察 X1 即为 ，X2 即为 ，取 X1X2 坐标下，即为相轨迹（ , ） ，进行坐标倒 e相变换可得（ , ）坐标。e2带速度负反馈的继电型非线性闭环系统带速度负反馈的继电型非线性闭环系统的原理方块图如图 6.2.1 所示：X32+R3图 .r(t)20k10k-5u0k2C+-10k10k+-1u-c(t)RR(s)图 6.21ks05+C(s)
