1、 - 1 -一、 组成和使用1实验箱的供电实验箱的后方设有带保险丝管（1A）的 220V 单相交流电源三芯插座，另配有三芯插头电源线一根。箱内设有四只降压变压器，为实验板提供多组低压交流电源。2一块大型（435mm325mm）单面敷铜印刷线路板，正面印有清晰的各部件及元器件的图形、线条和字符，并焊有实验所需的元器件。该实验板包含着以下各部分内容：（1）正面左下方装有电源总开关一只，控制总电源。（2）100 多个高可靠的自锁紧式、防转、叠插式插座。它们与固定器件、线路的连接已设计在印刷线路板上。这类锁紧式插件，其插头与插座之间的导电接触面很大，接触电阻极其微小（接触电阻0.003，使用寿命100
2、00 次以上） ，在插头插入时略加旋转后，即可获得极大的轴向锁紧力，拔出时，只要沿反方向略加旋转即可轻松地拔出，无需任何工具便可快捷插拔，同时插头与插头之间可以叠插，从而可形成一个立体步线空间，使用起来极为方便。（3）扫频电源采 用 可 编 程 器 件 ispLSI1032 和 单 片 机 AT89C51 设 计 而 成 ， 可 在15Hz80KHz 的全程范围内进行扫频输出，提供 11 档扫速，亦可选定点频输出。此外还有频标指示，亦可显示输出频率等。扫频电源的使用见实验指导书附录。（4）直流稳压电源提供一路15V 和5V 直流稳压电源，在电源总开关打开的前提下，只要打开信号源开关，就会有相应
3、的电压输出。（5）信号源本实验箱的信号源包括两部分：阶跃信号发生器和函数信号发生器。阶跃信号发生器：阶跃信号发生器主要为本实验箱提供单位阶跃信号而设计的。当按下白色按钮时,输出一负的阶跃信号,其幅值约 (-0.9V-2.45V)之间可调。- 2 -函数信号发生器：函数信号发生器主要是为本实验箱中所需的超低频信号而专门设计的。它由单片集成函数信号发生器 ICL8038 及外围电路组合而成。其输出频率范围为 0.25Hz1.55KHz，输出幅度峰峰值为 010V P-P。使用时只要开启“函数信号发生器”开关，此信号源即进入工作状态。两个电位器旋钮用于输出信号的“幅度调节” （左）和“频率调节” （
4、右） 。将上面一个短路帽放在 1、2 两脚处，输出信号为正弦波；将其置于 3、4两脚处，则输出信号为三角波；将其置于 4、5 两脚处，则为方波输出。将下面一个短路帽放在 1、2 两脚（即“f1”处） ，调节右边一个电位器旋钮（“频率调节” ）则输出信号的频率范围为 0.25Hz14KHz；将其置于 2、3两脚（即“f2”处） ，调节“频率调节”旋钮，则输出信号的频率范围为2.7Hz155Hz；将其置于 4、5 脚（即“f3”处）则输出信号的频率范围为26Hz1.55KHz。（6）频率计该系统在作频率特性测试实验时，需要用到超低频信号，若用示波器去读，显然很不方便。为了能直观地读出超低频信号的频
5、率，我们采用了一个频率计。它采用单片机编程，能精确、直观地显示小数点后两位。本频率计是由单片机 89C2051 和六位共阴极 LED 数码管设计而成的，测频范围为 0.1Hz10KHz。只要开启“函数信号发生器”处开关，频率计即进入待测状态。将频率计处开关（内测/外测）置于“内测” ，即可测量“函数信号发生器”本身的信号输出频率。将开关置于“外测” ，则频率计显示由“输入”插口输入的被测信号的频率。在使用过程中，如遇瞬时强干扰，频率计可能出现死锁，此时只要按一下复位“RES”键，即可自动恢复正常工作。（8）直流数字电压表直流数字电压表有三个档位。满度为 2V 量程,20V 量程,200V 量程
6、，能完成对直流电压的准确测量,测量误差不超过 5。（9）交流毫伏表交流毫伏表有三个档位。满度为 200mV 量程、2V 量程、20V 量程。它具有- 3 -频带较宽（10Hz 400KHz） 、精度高（不超过 5） 、数字显示和“真有效值”的特点、即使测试远离正弦波形状的窄脉冲信号，也能测得精确的有效值大小，其适用的波峰因素范围达到 10。真有效值交流电压表由输入衰减器、阻抗变换器、定值放大器、真有效值AC/DC 转换器、滤波器、A/D 转换器和 LED 显示器组成。输入衰减器用来将大于 2V 的信号衰减，定值放大器用来将小于 200mV 的信号放大。本机 AC/DC 转换由一块宽频带、高精度
7、的真有效值转换器完成，它能将输入的交流信号不论是正弦波、三角波、方波、锯齿波，甚至窄脉冲波，精确地转换成与其有效值大小等价的直流信号，再经滤波器滤波后加到 A/D 转换器，变成相应的数字信号，最后由 LED 显示出来。（10）本实验箱附有充足的长短不一的实验专用连接导线一套。二、 使用注意事项1使用前应先检查各电源是否正常，检查步骤为：（1） 先关闭实验箱的所有电源开关，然后用随箱的三芯电源线接通实验箱的 220V 交流电源。（2） 开启实验箱上的电源总开关，则开关指示灯被点亮。（3）用万用表的直流电压档（或直接用面板上的直流数字电压表）测量面板上的 15V 和5V，看是否有正确的电压输出。（
8、4）开启函数信号发生器开关，则应有信号输出；当频率计打到内测时，应有相应的频率显示。（5）开启交流毫伏表，数码管应被点亮。（6）开启直流数字电压表，数码管应被点亮。2接线前务必熟悉实验线路的原理及实验方法。3实验接线前必须先断开总电源与各分电源开关，严禁带电接线。接线完毕，检查无误后，才可进行实验。4实验自始至终，实验板上要保持整洁，不可随意放置杂物，特别是导电的工具和多余的导线等，以免发生短路等故障。5实验完毕，应及时关闭各电源开关，并及时清理实验板面，整理好连接导线并放置到规定的位置。- 4 -6实验时需用到外部交流供电的仪器，如示波器等，这些仪器的外壳应妥为接地。实验一 控制系统典型环节
9、的模拟一、 实验目的1） 、熟悉超低频扫描示波器的使用方法2） 、掌握用运放组成控制系统典型环节的电子电路3） 、测量典型环节的阶跃响应曲线4） 、通过实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响二、 实验仪器1） 、控制理论电子模拟实验箱一台2） 、超低频慢扫描示波器一台3） 、万用表一只三、 实验原理以运算放大器为核心元件，由其不同的 R-C 输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图 1-1 所示。图中 Z1 和 Z2 为复数阻抗，它们都是由 R、C 构成。基于图中 A 点的电位为虚地，略去流入运放的电流，则由图 1-1 得： 由上式可求得由下列模拟电 路组成的典型环节的传递函数及其
10、单位阶跃响应。1)、比例环节 比例环节的模拟电路如图 1-2 所示： 图 1-1、运放的反馈连接 () )(12ZuSGio2=41082KZ)S(G- 5 -）（ 2 1+= R1+=2121TSKCS/Z)S(G 图 1-2 比例环节 2）惯性环节取参考值 R1=100K，R 2=100K，C=1uF图 1-3、惯性环节3） 、积分环节 取参考值 R=200K，C=1uF 图 1-4、积分环节4） 、比例微分环节（PD） ，其接线图如图及阶跃响应如图 1-5 所示。）（ 3 1 /1)(2TSRCSZSG=积 分 时 间 常 数式 中- 6 -参考值 R1=200K，R 2=410K，C=
11、0.1uF图 1-5 比例微分环节5） 、比例积分环节，其接线图单位阶跃响应如图 1-6 所示。参考值 R1=100K R2=200K C=0.1uF图 1-6 比例积分环节四、实验内容与步骤 1、分别画出比例、惯性、积分、和微分环节的电子电路图。2、按下列各典型环节的传递函数，调节相应的模拟电路的参数。观察并=T ,K (4) +1 =1D12212)S(RC/Z)S(G其 中 =T,K (5) 1+ 1+ =1=1221221)S(SR(RC)/Z)S(G式 中- 7 -记录其单位阶跃响应波形。1） 、比例环节 G1(S)=1 和 G2(S)=22） 、积分环节 G1(S)=1/S 和 G
12、2(S)=1/（0.5S）3） 、比例微分环节 G1(S)=2+S 和 G2(S)=1+2S4） 、惯性环节 G1(S)=1/(S+1)和 G2(S)=1/(0.5S+1)5） 、比例积分环节（PI）G（S）=1+1/S 和 G（S）=2（1+1/2S）五、注意事项1） 、输入的单位阶跃信号取自实验箱中的函数信号发生器。2） 、电子电路中的电阻取千欧，电容为微法。六、实验报告要求1） 、画出典型环节的实验电路图，并注明相应的参数。2） 、画出各典型环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影响。3） 、写出实验心得与体会。七、实验思考题1） 、用运放模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设
13、条件下近似导出的？2） 、积分环节和惯性环节主要差别是什么?在什么条件下,惯性环节可以近似地视为积分环节? 在什么条件下，又可以视为比例环节？3） 、如何根据阶跃响应的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？实验二 一阶系统的时域响应及参数测定一、实验目的1） 、观察一阶系统在单位阶跃和斜坡输入信号作用下的瞬态响应。2） 、根据一阶系统的单位阶跃响应曲线确定一阶系统的时间常数。二、实验仪器1） 、控制理论电子模拟实验箱一台。2） 、双踪低频慢扫描示波器一台。3） 、万用表一只。三、实验原理- 8 -图 2-1 为一阶系统的模拟电路图。由该图可知 io=i1-i2根据上式，画出图 2-2 所示的
14、方框图，其中 T=R0C。由图 图 2-1 一阶系统模拟电路图2-2 得： 图 2-3 为一阶系统的单位阶跃响应曲线。当 t = T 时，C（T ）=1 e-=0.632。这表示当 C（ t）上升到稳定值的 63.2%时，对应的时间就是一阶系统的时间常数 T，根据这个原理，由图 2-3 可测得一阶系统的时间常数 T。由上式（1）可知，系统的稳态值为 1，因而该系统的跟踪阶跃输入的稳态误差 ess = 0。这表明一阶系统能跟踪斜坡信号输入，但有稳态误差存在。其误差的大小为系统的时间常数 T。四、实验内容与步骤1、根据图 2-1 所示的模拟电路，调整 R0 和 C 的值，使时间常数 T=1S 和T
15、=0.1S。2、u I(t)=1V 时，观察并记录一阶系统的时间常数 T 分别为 1S 和 0.1S 时的单位阶跃响应曲线,并标注时间坐标轴。3、当 uI(t)=t 时，观察并记录一阶系统时间常数 T 为 1S 和 0.1S 时的响应曲线，其中斜坡信号可以通过实验箱中的三角波信号获得，或者把单位阶跃信号通过一个积分器获得。五、实验报告1、 根据实验，画出一阶系统的时间常数 T=1S 时的单位阶跃响应曲线，S/u/R1-= 00i即T1-Oi0(t) ,1+-=(S) 1t,=u tiiUT/S),/(T)(U得取 拉 氏 反 变 换 则 系 统 的 输 出 为即令 图 2-2 一阶系统原理框图
16、图 2-3 一阶系统单位阶跃响应- 9 -并由实测的曲线求得时间常数 T。2、 观察并记录一阶系统的斜坡响应曲线，并由图确定跟踪误差 ess，这一误差值与由终值定理求得的值是否相等？分析产生误差的原因。六、实验思考题一阶系统为什么对阶跃输入的稳态误差为零，而对单位斜坡输入的稳态误差为 T？2、一阶系统的单位斜坡响应能否由其单位阶跃响应求得？试说明之。实验三 二阶系统的瞬态响应分析一、实验目的1、熟悉二阶模拟系统的组成。2、研究二阶系统分别工作在=1， 01) 、临界阻尼（=1 ）和欠阻尼（ 0.625， 0 1， 图 3-3 0 1 时的阶跃响应曲线系统处在欠阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为
17、： （2） 、当 K=0.625 时， =1，系统处在临界阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为：如图 3-4 为二阶系统工作临界阻尼时的单位响应曲线。 图 3-4 =1 时的阶跃响应曲线（3） 、当 K 0.625 时， 1，系统工作在过阻尼状态，它的单位阶跃响应曲线和临界阻尼时的单位阶跃响应一样为单调的指数上升曲线，但后者的上升速: (1) +=+= 211221数 为而 二 阶 系 统 标 准 传 递 函 T/KSSTK)S(UiO () 22nS)(G 6250= ,1 ,50=T ,24 , , 11 KS. Tnn则若 令 得和 式对 比 式 线态 下 的 单 位 阶 跃 响 应 曲为
18、 二 阶 系 统 在 欠 阻 尼 状图式 中 3- .1 (3) sin()( 2 212nd dto tgtueetnontu)1()- 11 -度比前者缓慢。 三、实验内容与步骤 1、根据图 3-1，调节相应的参数，使系统的开环传递函数为：2、令 ui(t)=1V，在示波器上观察不同 K（K=10，5，2，0.5）时的单位阶跃响应的波形，并由实验求得相应的 p、tp 和 ts 的值。3、调节开环增益 K，使二阶系统的阻尼比 ，观察并记录70.1此时的单位阶跃响应波形和 p、tp 和 ts 的值。4、用实验箱中的三角波或输入为单位正阶跃信号积分器的输出作为二阶系统的斜坡输入信号。5、观察并记
19、录在不同 K 值时，系统跟踪斜坡信号时的稳态误差。四、实验报告1、画出二阶系统在不同 K 值（10，5，2，0.5）下的 4 条瞬态响应曲线，并注明时间坐标轴。2、 按 图 3-2 所 示 的 二 阶 系 统 ， 计 算 K=0.625， K=1 和 K=0.312 三种情况下和 n 值。据此，求得相应的动态性能指标 p、tp 和 ts，并与实验所得出的结果作一比较。五、实验思考题1、如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？ 2、在电子模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈？3、为什么本实验的模拟系统中要用三只运算放大器？实验四 自动控制系统的动态校正一、实验目的1） 、要求学生根
20、据书上习题的要求，自行设计一校正装置，并用本实验箱构成一模拟系统进行实验校正和实际调试、使学生深刻认识到校正装置在系统中的重要性。2） 、掌握工程中常用的二阶系统和三阶系统的工程设计方法。二、实验仪器)1S.0()S(G+=- 12 -1） 、控制理论电子模拟实验箱一台2） 、慢扫描示波器一台3） 、万用表一只三、实验原理当系统的开环增益满足其稳态性能的要求后，它的动态性能一般都不理想，甚至发生不稳定。为此需在系统中串接一校正装置，既使系统的开环增益不变，又使系统的动态性能满足要求。常用的设计方法有根轨迹法、频率法和工程设计法。本实验要求用工程设计法对系统进行校正。1、二阶系统 图 4-1 为
21、 二阶系统的标准形式，它的开环传递函数为：）（ ）（ ）（）（ 1+2=2nnSG（1） 图 4-1 二阶系统的标准形式 图 4-2 所示二阶系统的原理框图图 4-2 二阶系统的原理框图图 4-3 二阶系统的模拟电路图其开环传递函数为- 13 -（2）（）（）（ 1+=1TSKSG式中 ，比较式（1）和式（2）得K（3）（ nT（4）2=1n如要求 ，则 ，nnT21=TKn21=21当 时，二阶系统标准形式的闭环传递函数为21，把 代入上式得22+=nSST）（ Wn21=（5） 12T）（式（5）就是二阶系统的最优闭环传递函数，理论证明，只要二阶系统的闭环传递函数如式（3）所示的形式，则该
22、系统的阻尼比=1/ =0.707，对阶跃2响应的超调量 p 只有 4.3，调整时间 ts 为 8Ts（=0.05） ，相位裕量=63。三阶系统图 4-4 为三阶控制系统的模拟电路图，图 6-5 为其方框图。图 4-4 三阶系统的模拟电路图- 14 -图 4-5 三阶系统的方框图Ti = R1C1， 1 =R2C1，Ks=R4/R3，Ts= R4C2，Tsi=R5C3由图 6-5 求得该系统的开环与闭环传递函数分别为（6）（ ）（）（ 1+2SSGssi（7） KSTKTsssisi=123）（）（其中 。由理论证明，当 ， 时，is sT4i2si8三阶系统具有下列理想的性能指标：超调量 p=
23、43，调整时间 ts=18Ts， 相位裕量=36.8。此时，式（7）可以改写为（8） 1+48+=23STSTsss）（显然，上式的性能指标比二阶系统要差，这主要是由三阶系统闭环传递函数的分子多项式引起的，为此，需在系统的输入端串接一个给定的滤波器，它的传递函数为（9） 1+4=STGsF）（于是系统的闭环传递函数为 （10） 14823SSTsss）（在阶跃信号作用下，上述三阶系统具有下列的性能指标：超调量 p = 8上升时间 tr = 7.6Ts调整时间 ts = 16.4Ts加入输入滤波器后系统的方框图为图 4-6 所示，图 4-7 为给定滤波器的模拟电路图。- 15 -图 4-6 三阶
24、系统的方框图右图为给定滤波器的模拟电路图，其中 R7/R6=1， R7C4=4TS四、实验内容1、按二阶系统的工程设计方法，设计下列系统的校正装置。1） 、对象由两个大惯性环节组成，如图 4-8 所示。图 4-8 两个大惯性环节对象2） 、对象有三个大惯性环节组成，如图 4-9 所示。图 4-9 三个大惯性环节对象3） 、对象由一个积分环节和一个惯性环节组成，如图 4-10 所示。图 4-10 一个积分环节与一个惯性环节对象2、按三阶系统工程设计方法，设计下列系统的校正装置。1） 、对象由两个大惯性环节和一个积分环节组成，其方框图如图 4-11 所示。图 4-7 给定滤波器的模拟电路图- 16
25、 -图 4-11 两个大惯性环节与一个积分环节对象2） 、对象由两个惯性环节组成，其方框图如图 4-12 所示。图 4-12 两个惯性环节对象五、实验报告1、按实验内容的要求，确定各系统所引入校正装置的传递函数，并画出它们的电路图。2、画出各实验系统的电路图，并令输入 r（t）=1V，测试系统的阶跃响应曲线。3、由实验所得的波形，确定系统的性能指标，并与二阶、三阶系统的理想性能指标作一比较。4、根据习题要求设计校正装置，并用本实验箱构成的系统进行验证，如果实测的性能指标达不到设计要求，应如何调试，并分析原因。六、实验思考题1、二阶系统与三阶系统的工程设计依据是什么？2、在三阶工程设计中，为什么要在系统的输入端串接一滤波器？3、 按二阶系统和三阶系统的工程设计，系统对阶跃输入的稳态误差为什么都为零？但对斜坡信号输入，为什么二阶系统有稳态误差，而三阶系统的稳态误差为零？
