1、实 验 报 告实验课程： 自动控制理论 学生姓名： 学 号： 专业班级： 2013 年 12 月 20 日南 昌 大 学 实 验 报 告学生姓名： 学 号： 专业班级： 实验类型： 验证 综合 设计 创新 实验日期： 实验成绩： 典型环节的模拟研究一、实验要求：1了解和掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式2观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响二、主要仪器设备及耗材：1计算机一台（Windows XP 操作系统）2AEDK-labACT 自动控制理论教学实验系统一套3LabACT6_08 软件一套三、实验内容和步骤：选用虚拟
2、示波器，只要运行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3-1-1所示。图 3-1-1 典型比例环节模拟电路实验步骤： 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（B1的Y测孔）调
3、整为4V（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3-1-1安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线（3）运行、观察、记录：（注：CH1选1档。时间量程选1档） 打开虚拟示波器的界面，点击开始，按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮（0+4V阶跃） ，用示波器观测A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t） 。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3-1-4所示。图 3-1-4 典型惯性环节模拟电路（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
4、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（B1的 Y 测孔）调整为4V（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：按图接线 （3）运行、观察、记录：（注：CH1选1档。时间量程选 1档）打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测A6 输出端（Uo ） ，按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮时（0+4V阶跃） ，等待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到4V（输入）0.632处， ，得到与惯性的曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得惯性环节
5、模拟电路时间常数T。A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t ） 。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3-1-5 所示。图 3-1-5 典型积分环节模拟电路（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
6、出电压= 1V（D1单元右显示） 。（2）构造模拟电路：按图接线（3）运行、观察、记录：（注：CH1 选1 档。时间量程选1 档）打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测 A6 输出端（Uo ） ，调节调宽电位器使宽度从 0.3 秒开始调到积分输出在虚拟示波器顶端（即积分输出电压接近+5V）为止。等待完整波形出来后，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，得到与积分的曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得积分环节模拟电路时间常数 Ti。A6 输出端（Uo）的实际响应曲线 Uo（t） 。4)观察比例积分环节的阶跃响应曲线
7、典型比例积分环节模拟电路如图3-1-8所示.。图3-1-8 典型比例积分环节模拟电路（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= 1V（D1 单元右显示） 。（2）构造模拟电路：按图接线（3）运行、观察、记录：（
8、注：CH1选1档。时间量程调选 1档）打开虚拟示波器的单迹界面，点击开始，用示波器观测A6 输出端（Uo ） 。待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到1V （与输入相等）处，再移动另一根横游标到V=Kp输入电压处，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。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 3-1-9 所示。图 3-1-9 典型比例微分环节模拟电路（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
9、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） 。（构造模拟电路：按图接线（3）运行、观察、记录： CH1 选1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 ） ，响应曲线见图 3-1-10。等待完整波形出来后，把最高端电压（4.77V ）减去稳态输出电压（0.5V） ，然后乘以 0.632，得到 V=2.7V。 移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到 V=2.7V 处为止，得到与微分的指数曲
10、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=0.048S。 已知 KD=10，则图 3-1-9 的比例微分环节模拟电路微分时间常数：0.48StKTD四、 思考、讨论或体会或对改进实验的建议：在进入实验室之前，我们从课本上面基本上掌握了各种典型环节模拟电路、传递函数表达式和对仪器基本的了解。本次实验当中由于没有认真看实验指导书，实验没有完成的很好，直接忽略了改变系数再一次的实验。以后的实验当中尽量实验前做到认真预习。通过这次实验，使我学到了不少实用的知识，加深了对课本上知识的理解，受益匪浅南 昌 大 学 实 验 报 告学生姓名： 学 号： 专业班级： 实验类型： 验
11、证 综合 设计 创新 实验日期： 实验成绩： 二阶系统瞬态响应和稳定性一、实验要求1、了解和掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法及型二阶闭环系统的传递函数标准式。2、研究型二阶闭环系统的结构参数-无阻尼振荡频率 n、阻尼比 对过渡过程的影响。3、掌握欠阻尼型二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标 Mp、tp 、ts的计算。4、观察和分析型二阶闭环系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼的瞬态响应曲线，及在阶跃信号输入时的动态性能指标 Mp、tp、ts 值，并与理论计算值作比对。二、主要仪器设备及耗材1计算机一台（Windows XP 操作系统）2 AEDK-labACT 自动控制理论教学实验系统一套3
12、LabACT6_08 软件一套三、实验内容及步骤本实验用于观察和分析二阶系统瞬态响应和稳定性。图 3-1-8 型二阶闭环系统模拟电路图 3-1-8 的二阶系统模拟电路的各环节参数及系统的传递函数：当 R=100k， K=1 =1.58 1 为过阻尼响应，当 R=40k， K=2.5 =1 为临界阻尼响应，当 R=4k， K=25 =0.316 01 为欠阻尼响应。 欠阻尼二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态指标 Mp、tp 、ts 的计算：（ K=25、 =0.316、 =15.8）n型二阶闭环系统模拟电路见图 3-1-8。该环节在 A3 单元中改变输入电阻 R 来调整衰减时间。（1）用信号发生
13、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（B1 的 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：按图接线（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端 CH1 接到 A6 单元信号输出端OUT（ C(t)） 。（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二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
14、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。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 4K、40K、100K，按下 B1 按钮，用示波器观察在三种增益 K 下，A6 输出端 C(t)的系统阶跃响应。R=4K 时波形图（该图可以观察出 Mp=0.7/2.07100%=33.8% tp =0.240s）改变 R1 的值，使得 R1=200k（C1=1uF 保持不变） ，这时 Ti 改变了，波形图如下：实际值为：Mp=1.05/2.07*1005=50.7% Tp=0.160s Ts=0.28s理论值为：Wn=25 Mp=0.164*100%=16.4% Tp=0.145s Ts=0.24s改变 C2 的值，使得 C2=2uF（R2 保持不变） ，这时 T 的值改变，波形图如下：实际值为：Mp=1.29/2.07*100%=62.3% Tp=0.200 Ts=1.32s理论值为：Wn=25 Mp=0.164*100%=16.4% Tp=0.288s Ts=1.22s
