[工学]自动控制原理实验I指导书.doc

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1、自动控制原理实验(II)指导书自动控制原理实验(I)实验指导书南京大学工程管理学院控制与系统工程系2009-04-01自动控制原理实验(II)指导书目 录前 言III实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真1实验二 二阶系统的瞬态响应6实验三 线性定常系统的稳态误差9实验四 线性定常系统的串联校正13实验五 典型非线性环节的静态特性20实验六 非线性系统的描述函数法24实验七 非线性系统的相平面分析法30实验九 采样控制系统的分析35实验十 采样控制系统的动态校正38THSSC-4型实验箱使用说明书前 言自动控制原理实验（）是配合自动控制原理（）的实验必修基础课，通过实践使学生进一步了解和掌握经典

2、控制理论的基本概念、控制系统的分析和设计方法，巩固自动控制原理（）课程所学的理论知识，锻炼学生的实验能力。自动控制原理实验一般有两种方法：1. 物理仿真方法：利用电子器件组成的电路板进行实验。此方法较为直观，并较全面的保持了物理现象，易于建立自动控制系统的感性认识，但针对不同的对象需要建立不同的物理系统，代价高、不方便，且部分控制系统难以在小规模电路板上构建，仿真能力有限。2. 计算机仿真方法：利用Matlab等工具进行计算机辅助分析与设计。具有较好的图形界面，仿真实现方便、成本低、功能强大。因此为使本实验更好的发挥作用，保障实验水平，我们采用物理仿真与计算机仿真相结合的方法，使其互相补充，丰

3、富实验内容，保障各个实验环节。实验内容主要包括基于Matlab的控制系统仿真实验和基于THSSC-4型控制理论实验箱的动手实验。本实验指导书，由于编写时间仓促，编者水平有限，疏漏谬误之处在所难免，恳请实验指导老师与学生们能提出宝贵意见，谢谢！IV自动控制原理实验(II)指导书实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真一、实验目的1.熟悉THSSC-4型信号与系统控制理论计算机控制技术实验箱及上位机软件的使用；2.熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3.测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。二、实验设备1.THSSC-4型信号与系统控制理论计算机控制技术实验箱；2.PC

4、机一台(含上位机软件)、USB数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB接口线；3.双踪慢扫描示波器一台(可选)；三、实验内容1.设计并组建各典型环节的模拟电路；2.测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响；3.在上位机仿真界面上，填入各典型环节数学模型的实际参数，据此完成它们对阶跃响应的软件仿真，并与模拟电路测试的结果相比较。四、实验原理自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析是十分有益的。本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图如图1-1所示。图中Z1和Z2表示由

5、R、C构成的复数阻抗。1.比例（P）环节 图1-1比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。它的传递函数与方框图分别为：当Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K时的响应曲线如图1-2所示。图1-22.积分（I）环节积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。它的传递函数与方框图分别为：设Ui(S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T时的响应曲线如图1-3所示。图1-33.比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为：其中T=R2C，K=R2/R1设Ui(S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T时的PI输出响应曲线。图1-

6、44.比例微分(PD)环节比例微分环节的传递函数与方框图分别为： 其中设Ui(S)为一单位阶跃信号，图1-5示出了比例系数(K)为2、微分系数为TD时PD的输出响应曲线。图1-55.比例积分微分(PID)环节比例积分微分(PID)环节的传递函数与方框图分别为：其中， 设Ui(S)为一单位阶跃信号，图1-6示出了比例系数(K)为1、微分系数为TD、积分系数为TI时PID的输出。图1-66. 惯性环节惯性环节的传递函数与方框图分别为：当Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且放大系数(K)为1、时间常数为T时响应曲线如图1-7所示。图1-7五、实验步骤1.比例（P）环节根据比例环节的方框图，选择实

7、验箱上的通用单元电路设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。若比例系数K=1时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K。（可选“通用单元电路五”）若比例系数K=2时，电路中的参数取：R1=100K，R2=200K。（可选“通用单元电路九”）问题：K=？当ui为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录相应K值时的实验曲线，并与理论值进行比较。另外R2还可使用可变电位器，以实现比例系数为任意值。注：实验操作前必须先熟悉“THSSC-4 使用说明书”部分。2.积分（I）环节根据积分环节的方框图，选择实验箱上的通用单元电路设计并组建相应的模拟电路，如下图

8、所示。图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。若积分时间常数T=1S时，电路中的参数取：R=100K，C=10uF(T=RC=100K10uF=1)；（可选“通用单元电路六”）若积分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：R=100K，C=1uF(T=RC=100K1uF=0.1)；（可“选通用单元电路六”）当ui为一单位阶跃信号时，用上位机软件观测并记录相应T值时的输出响应曲线，并与理论值进行比较。3.比例积分(PI)环节根据比例积分环节的方框图，选择实验箱上的通用单元电路设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。若取比例系数K=1、积分时间常数T

9、=1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/R1=1,T=R1C=100K10uF=1)；（可选“通用单元电路五”，其中R2 、C可从“无源元件单元”连）若取比例系数K=1、积分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K1uF=0.1S)。（可选“通用单元电路五”，其中R2 、C可从“无源元件单元连”）通过改变R2、R1、C的值可改变比例积分环节的放大系数K和积分时间常数T。当ui为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。4.

10、比例微分(PD)环节根据比例微分环节的方框图，选择实验箱上的通用单元电路设计并组建其模拟电路，如下图所示。图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。若比例系数K=1、微分时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K10uF=1S)；（可选“通用单元电路六”，其中C可从“无源元件单元”连）若比例系数K=0.5、微分时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=200K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=0.5,T=R1C=100K10uF=1S)；（可选“通用单元电路六”，其中C可从“无源元件单元”连

11、）通过改变R2、R1、C的值可改变比例微分环节的放大系数K和微分时间常数T。当ui为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。5.比例积分微分(PID)环节根据比例积分微分环节的方框图，选择实验箱上的通用单元电路设计并组建其相应的模拟电路，如下图所示。图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。若比例系数K=2、积分时间常数TI =0.1S、微分时间常数TD =0.1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C1=1uF、C2=1uF (K= (R1 C1+ R2 C2)/ R1 C2=2,TI=R1C2=100K1uF=0.1，TD=R2

12、C1=100K1uF=0.1)。（可选“通用单元电路九”，其中C1可从“通用单元电路八”连；R2 、C2可从“无源元件单元”连）若比例系数K=1.1、积分时间常数TI =1S、微分时间常数TD =0.1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C1=1uF、C2=10uF (K= (R1 C1+ R2 C2)/ R1 C2=1.1,TI=R1C2=100K10uF=1，TD=R2C1=100K1uF=0.1)。（可选“通用单元电路九”，其中C1可从“通用单元电路八”连；R2 、C2可从“无源元件单元”连）通过改变R2、R1、C1、C2的值可改变比例积分微分环节的放大系数K、积分时间

13、常数TI、微分时间常数TD。当ui为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同K、TI、TD值时的实验曲线，并与理论值进行比较。6.惯性环节根据惯性环节的方框图，选择实验台上的通用单元电路设计并组建其相应的模拟电路，如下图所示。图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。若比例系数K=1、时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K10uF=1)。（可选“通用单元电路六”）若比例系数K=1、时间常数T=2S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=200K，C=10uF(K= R2/ R1=2,T=R2C=200

14、K10uF=2)。（可选“通用单元电路九”）通过改变R2、R1、C的值可改变惯性环节的放大系数K和时间常数T。当ui为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。7.实验仿真点击上位机软件工具栏上的“仿真平台”按钮，在仿真窗口中根据典型环节的实际传递函数，在“传递函数”栏中填入该环节的相关参数，如比例积分环节的传递函数为：则在“传递函数”栏的分子中填入“0.1，1”，分母中填入“0.1，0”，然后点击“仿真”按钮，即可观测到该环节的仿真曲线，并可与实验观察到的波形相比较。注意：仿真实验只针对传递函数的分子阶数小于等于分母阶数的情况。8.根据实验时存储的波

15、形及记录的实验数据完成实验报告。六、实验报告要求1.根据各典型环节的实验电路图，推导各典型环节的传递函数，并说明各环节中关键参数的由来。2.在matlab中仿真各典型环节。3.根据测得的典型环节单位阶跃响应曲线，分析参数变化对动态特性的影响。七、实验思考题1.用运放模拟典型环节时，其传递函数是在什么假设条件下近似导出的？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？而又在什么条件下，惯性环节可以近似地视为比例环节？3.在积分环节和惯性环节实验中，如何根据单位阶跃响应曲线的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？实验二 二阶系统的瞬态响应一、实验目的1. 通

16、过实验了解参数(阻尼比)、(阻尼自然频率)的变化对二阶系统动态性能的影响；2. 掌握二阶系统动态性能的测试方法。二、实验设备同实验一三、实验内容1. 观测二阶系统的阻尼比分别在01三种情况下的单位阶跃响应曲线；2. 调节二阶系统的开环增益K，使系统的阻尼比，测量此时系统的超调量、调节时间ts(= 0.05)；3. 为一定时，观测系统在不同时的响应曲线。四、实验原理1. 二阶系统的瞬态响应用二阶常微分方程描述的系统，称为二阶系统，其标准形式的闭环传递函数为 (2-1)闭环特征方程：其解 ，针对不同的值，特征根会出现下列三种情况：1）01（欠阻尼），此时，系统的单位阶跃响应呈振荡衰减形式，其曲线如

17、图2-1的(a)所示。它的数学表达式为：式中，。2）（临界阻尼）此时，系统的单位阶跃响应是一条单调上升的指数曲线，如图2-1中的(b)所示。3）（过阻尼），此时系统有二个相异实根，它的单位阶跃响应曲线如图2-1的(c)所示。(a) 欠阻尼(01时，系统的阶跃响应无超调产生，但这种响应的动态过程太缓慢，故控制工程上常采用欠阻尼的二阶系统，一般取=0.60.7，此时系统的动态响应过程不仅快速，而且超调量也小。2. 二阶系统的典型结构典型的二阶系统结构方框图和模拟电路图如2-2、如2-3所示。图2-2 二阶系统的方框图图2-3 二阶系统的模拟电路图图2-3中最后一个单元为反相器。由图2-2可得其开环

18、传递函数为： ，其中：， (，)其闭环传递函数为： 与式2-1相比较，可得 ， 划线部分请大家注意推导过程，合理选择电路参数，以期得到正确的实验结果五、实验步骤根据图2-3，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建模拟电路。1. ，Rx阻值可调范围为0470K。系统输入一单位阶跃信号，在下列几种情况下，用上位软件观测并记录不同值时的实验曲线。（第1个单元可选“通用单元电路十二”；第2个单元可选“通用单元电路十一”；第3个单元可选“通用单元电路六”）1.1当可调电位器使=0.2，系统处于欠阻尼状态，其超调量为53%左右；1.2若可调电位器使=0.707，系统处于欠阻尼状态，其超调量为4.3%左右；1

19、.3若可调电位器使=1，系统处于临界阻尼状态;1.4若可调电位器使=2，系统处于过阻尼状态。2. =0.2，系统输入一单位阶跃信号，在下列几种情况下，用上位软件观测并记录不同值时的实验曲线。2.1若取（第1个单元可选“通用单元电路十二”；第2个单元可选“通用单元电路九”；第3个单元可选“通用单元电路六”）2.2若取（第1个单元可选“通用单元电路十二”；第2个单元可选“通用单元电路十一”，第3个单元可选“通用单元电路九”）六、实验报告要求1. 画出二阶系统线性定常系统的实验电路，并推导出闭环传递函数，表明电路中的各参数；2. 使用MATLAB仿真各个情况下的实验曲线3. 根据测得系统的单位阶跃响

20、应曲线，分析开环增益K和时间常数T对系统的动态性能的影响。七、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. 在电路模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈？3. 为什么本实验中二阶系统对阶跃输入信号的稳态误差为零？实验三 线性定常系统的稳态误差一、实验目的1. 通过本实验，理解系统的跟踪误差与其结构、参数与输入信号的形式、幅值大小之间的关系；2. 研究系统的开环增益K对稳态误差的影响。二、实验设备同实验一。三、实验内容1. 观测0型二阶系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应，并实测它们的稳态误差；2. 观测I型二阶系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应，并实测它们的稳态误差；3.

21、 观测II型二阶系统的单位斜坡响应和单位抛物坡，并实测它们的稳态误差。四、实验原理通常控制系统的方框图如图4-1所示。其中G(S)为系统前向通道的传递函数，H(S)为其反馈通道的传递函数。图4-1由图4-1求得（1）由上式可知，系统的误差E(S)不仅与其结构和参数有关，而且也与输入信号R(S)的形式和大小有关。如果系统稳定，且误差的终值存在，则可用下列的终值定理求取系统的稳态误差：（2）本实验就是研究系统的稳态误差与上述因素间的关系。下面叙述0型、I型、II型系统对三种不同输入信号所产生的稳态误差。10型二阶系统设0型二阶系统的方框图如图4-2所示。根据式（2），可以计算出该系统对阶跃和斜坡输

22、入时的稳态误差：图4-2 0型二阶系统的方框图1） 单位阶跃输入（）2） 单位斜坡输入（）上述结果表明0型系统只能跟踪阶跃输入，但有稳态误差存在，其计算公式为：其中，R0为阶跃信号的幅值。由实验观测到的图4-3(a)和图4-3(b)所示的波形可知，系统实际的稳态误差符合理论计算的结果。图4-3(a) 图4-3(b)2I型二阶系统设图4-4为I型二阶系统的方框图。图4-41） 单位阶跃输入2） 单位斜坡输入这表明I型系统的输出信号完全能跟踪阶跃输入信号，在稳态时其误差为零。对于单位斜坡信号输入，该系统的输出也能跟踪输入信号的变化，且在稳态时两者的速度相等（即），但有位置误差存在，其值为，其中，为

23、斜坡信号对时间的变化率。3II型二阶系统设图4-5为II型二阶系统的方框图。图4-5 II型二阶系统的方框图同理可证明这种类型的系统输出均无稳态误差地跟踪单位阶跃输入和单位斜坡输入。当输入信号，即时，其稳态误差为：五、实验步骤1. 0型二阶系统当输入ur为一单位阶跃信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。当输入ur为一单位斜坡信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。注：单位斜坡信号的产生最好通过一个积分环节(时间常数为1S)和一个反相器完成。2. 型二阶系统当输入ur为一单位阶跃信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与

24、理论偏差值进行比较。当输入ur为一单位斜坡信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。3. II型二阶系统当输入ur为一单位斜坡(或单位阶跃)信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。当输入ur为一单位单位抛物波信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。注： 单位抛物波信号的产生最好通过两个积分环节(时间常数均为1S)和一个反相器完成。 本实验中不主张用示波器直接测量给定信号与响应信号的曲线，因它们在时间上有一定的响应误差； 在实验中为了提高偏差e的响应带宽，可在二阶系统中的第一个积分环节并一个510K的普

25、通电阻。六、实验报告要求1. 推导各型系统的传递函数，设计电路框图。并使用MATLAB仿真各个实验曲线内容。2. 画出0型二阶系统的方框图和模拟电路图，并由实验测得系统在单位阶跃和单位斜坡信号输入时的稳态误差。3. 画出型二阶系统的方框图和模拟电路图，并由实验测得系统在单位阶跃和单位斜坡信号输入时的稳态误差。4. 画出型二阶系统的方框图和模拟电路图，并由实验测得系统在单位斜坡和单位抛物线函数作用下的稳态误差。5. 观察由改变输入阶跃信号的幅值，斜坡信号的速度，对二阶系统稳态误差的影响。并分析其产生的原因。七、实验思考题1. 为什么0型系统不能跟踪斜坡输入信号？2. 为什么0型系统在阶跃信号输入

26、时一定有误差存在，决定误差的因素有哪些？3. 为使系统的稳态误差减小，系统的开环增益应取大些还是小些？4. 解释系统的动态性能和稳态精度对开环增益K的要求是相矛盾的，在控制工程中应如何解决这对矛盾？实验四 线性定常系统的串联校正一、实验目的1. 通过实验，理解所加校正装置的结构、特性和对系统性能的影响；2. 掌握串联校正几种常用的设计方法和对系统的实时调试技术。二、实验设备同实验一。三、实验内容 1. 观测未加校正装置时系统的动、静态性能；2. 按动态性能的要求，分别用时域法或频域法（期望特性）设计串联校正装置；3. 观测引入校正装置后系统的动、静态性能，并予以实时调试，使之动、静态性能均满足

27、设计要求；4. 利用上位机软件，分别对校正前和校正后的系统进行仿真，并与上述模拟系统实验的结果相比较。四、实验原理图6-1为一加串联校正后系统的方框图。图中校正装置Gc(S)是与被控对象Go(S)串联连接。图6-1 加串联校正后系统的方框图串联校正有以下三种形式：1) 超前校正，这种校正是利用超前校正装置的相位超前特性来改善系统的动态性能。2) 滞后校正，这种校正是利用滞后校正装置的高频幅值衰减特性，使系统在满足稳态性能的前提下又能满足其动态性能的要求。3) 滞后超前校正，由于这种校正既有超前校正的特点，又有滞后校正的优点。因而它适用系统需要同时改善稳态和动态性能的场合。校正装置有无源和有源二

28、种。基于后者与被控对象相连接时，不存在着负载效应，故得到广泛地应用。下面介绍两种常用的校正方法：零极点对消法（时域法；采用超前校正）和期望特性校正法（采用滞后校正）。1. 零极点对消法(时域法)所谓零极点对消法就是使校正变量Gc(S)中的零点抵消被控对象Go(S)中不希望的极点，以使系统的动、静态性能均能满足设计要求。设校正前系统的方框图如图6-2所示。图6-2 二阶闭环系统的方框图1.1 性能要求静态速度误差系数：KV=25 1/S，超调量：；上升时间：。1.2 校正前系统的性能分析校正前系统的开环传递函数为：系统的速度误差系数为：，刚好满足稳态的要求。根据系统的闭环传递函数求得，代入二阶系

29、统超调量的计算公式，即可确定该系统的超调量，即，这表明当系统满足稳态性能指标KV的要求后，其动态性能距设计要求甚远。为此，必须在系统中加一合适的校正装置，以使校正后系统的性能同时满足稳态和动态性能指标的要求。1.3 校正装置的设计根据对校正后系统的性能指标要求，确定系统的和。即由，求得，解得根据零极点对消法则，令校正装置的传递函数则校正后系统的开环传递函数为：相应的闭环传递函数于是有：，为使校正后系统的超调量，这里取 ， 则 ，。这样所求校正装置的传递函数为：设校正装置GC(S)的模拟电路如图6-3所示。其中 时 图6-3校正装置的电路图则有图6-4(a)、(b)分别为二阶系统校正前、后系统的

30、单位阶跃响应的示意曲线。 (a) (约为63%) (b) (约为16.3%)图6-4 加校正装置前后二阶系统的阶跃响应曲线2. 期望特性校正法根据图6-1和给定的性能指标，确定期望的开环对数幅频特性L()，并令它等于校正装置的对数幅频特性Lc()和未校正系统开环对数幅频特性Lo()之和，即L()= Lc()+ Lo()当知道期望开环对数幅频特性L()和未校正系统的开环幅频特性L0()，就可以从Bode图上求出校正装置的对数幅频特性Lc()= L()-Lo()据此，可确定校正装置的传递函数，具体说明如下：设校正前系统为图6-5所示，这是一个0型二阶系统。图6-5二阶系统的方框图其开环传递函数为：

31、，其中 ，K=K1K2=2。则相应的模拟电路如图6-6所示。图6-6 二阶系统的模拟电路图由于图6-6是一个0型二阶系统，当系统输入端输入一个单位阶跃信号时，系统会有一定的稳态误差，其误差的计算方法请参考实验四“线性定常系统的稳态误差”。2.1 设校正后系统的性能指标如下：系统的超调量：，速度误差系数。后者表示校正后的系统为I型二阶系统，使它跟踪阶跃输入无稳态误差。 2.2 设计步骤2.2.1 绘制未校正系统的开环对数幅频特性曲线，由图6-5可得：其对数幅频特性曲线如图6-7的曲线(虚线) 所示。2.2.2 根据对校正后系统性能指标的要求，取，相应的开环传递函数为：其频率特性为： 据此作出曲线

32、（），如图6-7的曲线L所示。2.2.3 求因为。所以由上式表示校正装置是PI调节器，它的模拟电路图如图6-8所示。图6-7 二阶系统校正前、校正后的幅频特性曲线图6-8 PI校正装置的电路图由于 其中取R1=80K，R2=100K，C=10uF，则s， 校正后系统的方框图如图6-9所示。图6-9 二阶系统校正后的方框图五、实验步骤1. 零极点对消法(时域法)进行串联校正1.1 校正前根据图6-2二阶系统的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图6-10所示。图6-10 二阶闭环系统的模拟电路图(时域法)图6-10中最后一个单元为反相器，第1个单元可选“通用单元电路十二

33、”，第2个单元可选“通用单元电路七”，第3个单元可选“通用单元电路十一”。在r输入端输入一个单位阶跃信号，用上位机软件观测并记录相应的实验曲线，并与理论值进行比较。1.2 校正后在图6-10的基础上加上一个串联校正装置(见图6-3)，如图6-11所示。在系统输入端输入一个单位阶跃信号，用上位机软件观测并记录相应的实验曲线，并与理论值进行比较，观测是否满足设计要求。2. 期望特性校正法2.1 校正前根据图6-5二阶系统的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图6-12所示。图6-12 二阶闭环系统的模拟电路图(频域法)图6-12中最后一个单元为反相器，第1个单元可选“通用

34、单元电路十二”，第2个单元可选“通用单元电路六”，第3个单元可选“通用单元电路十一”。在系统输入端输入一个单位阶跃信号，用上位机软件观测并记录相应的实验曲线，并与理论值进行比较。2.2 校正后在图6-12的基础上加上一个串联校正装置。在系统输入端输入一个单位阶跃信号，用上位机软件观测并记录相应的实验曲线，并与理论值进行比较，观测和是否满足设计要求。六、实验报告要求1. 根据对系统性能的要求，设计系统的串联校正装置，并画出它的电路图；2. 根据实验结果，画出校正前系统的阶跃响应曲线及相应的动态性能指标；3. 观测引入校正装置后系统的阶跃响应曲线，并将由实验测得的性能指标与理论计算值作比较；4.

35、实时调整校正装置的相关参数，使系统的动、静态性能均满足设计要求，并分析相应参数的改变对系统性能的影响。七、实验思考题1. 加入超前校正装置后，为什么系统的瞬态响应会变快？2. 什么是超前校正装置和滞后校正装置，它们各利用校正装置的什么特性对系统进行校正？3. 实验时所获得的性能指标为何与设计确定的性能指标有偏差？实验五 典型非线性环节的静态特性一、实验目的1. 了解典型非线性环节输出输入的静态特性及其相关的特征参数；2. 掌握典型非线性环节用模拟电路实现的方法。二、实验设备同实验一三、实验内容 1. 继电器型非线性环节静特性的电路模拟；2. 饱和型非线性环节静特性的电路模拟；3. 具有死区特性

36、非线性环节静特性的电路模拟；4. 具有间隙特性非线性环节静特性的电路模拟。四、实验原理控制系统中的非线性环节有很多种，最常见的有饱和特性、死区特性、继电器特性和间隙特性。基于这些特性对系统的影响是各不相同的，因而了解它们输出输入的静态特性将有助于对非线性系统的分析研究。1. 继电型非线性环节图7-1为继电器型非线性特性的模拟电路和静态特性。 图7-1 继电器型非线性环节模拟电路及其静态特性继电器特性参数M是由双向稳压管的稳压值(4.96V)和后级运放的放大倍数(RX/R1)决定的，调节可变电位器RX的阻值，就能很方便的改变M值的大小。输入ui信号用正弦信号或周期性的斜坡信号（频率一般均小于10

37、Hz）作为测试信号。实验时，用示波器的X-Y显示模式进行观测。2. 饱和型非线性环节图7-2为饱和型非线性环节的模拟电路及其静态特性。图7-2 饱和型非线性环节模拟电路及其静态特性图中饱和型非线性特性的饱和值M等于稳压管的稳压值(4.96V)与后一级放大倍数的乘积。线性部分斜率k等于两级运放增益之积。在实验时若改变前一级运放中电位器的阻值可改变k值的大小，而改变后一级运放中电位器的阻值则可同时改变M和k值的大小。实验时，可以用周期性的斜坡或正弦信号作为测试信号，注意信号频率的选择应足够低（一般小于10Hz）。实验时，用示波器的X-Y显示模式进行观测。3. 具有死区特性的非线性环节图7-3为死区

38、特性非线性环节的模拟电路及其静态特性。图7-3 死区特性非线性环节的模拟电路及其静态特性图中后一运放为反相器。由图中输入端的限幅电路可知，当二极管D1（或D2）导通时的临界电压Uio为 (在临界状态时: ) (7-1)其中，。当时，二极管D1（或D2）导通，此时电路的输出电压为 令，则上式变为 (7-2)反之，当时，二极管D1（或D2）均不导通，电路的输出电压为零。显然，该非线性电路的特征参数为和。只要调节，就能实现改变和的大小。实验时，可以用周期性的斜坡或正弦信号作为测试信号，注意信号频率的选择应足够低（一般小于10Hz）。实验时，用示波器的X-Y显示模式进行观测。4. 具有间隙特性的非线性

39、环节间隙特性非线性环节的模拟电路图及静态特性如图7-4所示。由图7-4可知，当时，二极管D1和D2均不导通，电容C1上没有电压，即UC（C1两端的电压）=0，u0=0；当时，二极管D2导通，ui向C1充电，其电压为 令，则上式变为 图7-4 间隙特性非线性环节的模拟电路及其静态特性当时，开始减小，由于D1和D2都处于截止状态，电容C1端电压保持不变，此时C1上的端电压和电路的输出电压分别为 当时，二极管D1处于临界导通状态，若继续减小，则二极管D1导通，此时C1放电，UC和U0都将随着减小而下降，即 当时，电容C1放电完毕，输出电压。同理，可分析当向负方向变化时的情况。在实验中，主要改变值，就

40、可改变和的值。实验时，可以用周期性的斜坡或正弦信号作为测试信号，注意信号频率的选择。实验时，用示波器的X-Y显示模式进行观测。五、实验步骤1. 继电器型非线性环节图7-5 继电型非线性环节模拟电路图7-5中第1个单元可选“通用单元电路八”；第2个单元可选“通用单元电路九”。在ui输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的Vp-Vp值为16V，频率为10Hz。在下列几种情况下用示波器的X-Y显示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)测量静态特性M值的大小并记录。1.1 当47K可调电位器调节至约1.8K(M=1)时；1.2 当47K可调电位器调节至约3. 6K(M=2)时；1.3 当47K可调电位器调节至约5.4K(M=3)时；1.4 当47K可调电位器调