《自动控制原理》实验指导书.doc

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1、自动控制原理实验指导书山东理工大学电气与电子工程学院自动化系目 录实验一 典型环节阶跃响应的动态测试.1实验二 典型系统时域响应的测试.7实验三 频率响应测试.10实验四 控制系统的串联校正.13实验五 采样系统性能分析与研究.17实验六 采样系统串联校正.20实验七 典型非线性环节分析与研究.23实验八 非线性系统相平面法研究.28实验九 非线性系统描述函数法研究.32实验十 极点配置全状态反馈控制的研究.35自动控制原理实验指导书实验一 典型环节阶跃响应的动态测试一实验目的1通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。2通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟和软件仿

2、真研究方法。二实验内容1设计各种典型环节的模拟电路。2完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。3在上位机界面上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。三实验步骤1熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录设计并连接各种典型环节（包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。注意实验接线前必须先将实验箱上电，以对运放仔细调零。然后断电，再接线。接线时要注意不同环节、不同测试信号对运放锁零的要求。在输入阶跃信号时，除比例环节运放可不锁零（G可接-15

3、V）也可锁零外，其余环节都需要考虑运放锁零。2利用实验设备完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。无上位机时，利用实验箱上的信号源单元U2所输出的周期阶跃信号作为环节输入，即连接箱上U2的“阶跃”与环节的输入端（例如对比例环节即图1.1.2的Ui），同时连接U2的“锁零（G）”与运放的锁零G。然后用示波器观测该环节的输入与输出（例如对比例环节即测试图1.1.2的Ui和Uo）。注意调节U2的周期阶跃信号的“频率”电位器RP5与“幅值”电位器RP2，以保证观测到完整的阶跃响应过程。有上位机时，必须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

4、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。仍以比例环节为例，此时将Ui连到实验箱 U3单元的O1（D/A通道的输出端），将Uo连到实验箱 U3单元的I1（A/D通道的输入端），将运放的锁零G连到实验箱 U3单元的G1（与O1同步），并连好U3单元至上位机的并口通信线。接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。界面上的操作步骤如下：按通道接线情况完成“通道设置”:在界面左下方“通道设置”框内，“信号发生通道”选择“通道O1”，“采样通道X”选择“通道I1”，“采样通道Y”选择“不采集”。进行“系统连接”（见界面左下角

5、），如连接正常即可按动态状态框内的提示（在界面正下方）“进入实验模式”；如连接失败，检查并口连线和实验箱电源后再连接，如再失败则请求指导教师帮助。进入实验模式后，先对显示进行设置：选择“显示模式”（在主界面左上角）为“X-t”；选择“量程”（在“显示模式”下方）为100ms/div；并在界面右方选择“显示”“系统输入信号”和“采样通道X”。完成实验设置，先选择“实验类别”（在主界面右上角）为“时域”，然后点击“实验参数设置”，在弹出的“系统测试信号设置”框内，选择“输入波形类别”为“周期阶跃信号”，选择“输入波形占空比”为50%，选择“输入波形周期”为“1000ms”，选择“输入持续时间”为“

6、1000ms”，选择波形不“连续”, 选择“输入波形幅值”为“1V”，将零位偏移设为“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，对其它环节和系统都必须考虑环节或系统的时间常数，如仍选择“输入波形占空比”为50%，那么“输入波形周期”至少是环节或系统中最大时间常数的68倍。这样，实验中才能观测到阶跃响应的整个过程。以上设置完成后，按“实验启动”启动实验，动态波形得到显示，直至“持续时间”结束，实验也自动结束，如上述参数设置合理就可以在主界面中间得到环节的“阶跃响应”。利用“红线数值显示”功能（详见软件使用说明书）观测实验结果；改变实验箱上环节参

7、数，重复的操作；如发现实验参数设置不当，看不到“阶跃响应”全过程，可重复、的操作。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。3利用上位机完成环节阶跃特性软件仿真的操作，前步骤与2相同，其后操作步骤如下：进入实验模式后，先对显示进行设置：选择“显示模式”（在主界面左上角）为“X-t”；选择“量程”（在“显示模式”下方）为100ms/div；并在界面右方选择“显示”“系统仿真”。在上位机界面右上角“实验类别”中选择“软件仿真”。然后点击“实验参数设置”，在弹出的“仿真设置”框内，先作“系统仿真输入信号设定”，选择“输入波形类别”为“周期阶跃信号”，选择“输入波形幅值”为

8、“1V”，选择“输入波形占空比”为50%，选择“输入波形周期”为“1000ms”，选择“输入持续时间”为“1000ms”, 选择波形不“连续”。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，对其它环节和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”至少是环节或系统中最大时间常数的68倍。在“仿真设置”框内的“传递函数”栏目中填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数。完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。在“仿真设置”框内的“其它设置”栏目中选择“时域仿真”。以上设置完成后，按“实

9、验启动”启动实验，动态波形得到显示，直至“持续时间”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环节的“阶跃响应”。利用“红线数值显示”功能（详见软件使用说明书）观测实验结果；在“仿真设置”框内的“传递函数”栏目中改变原填入的环节传递函数参数，重复的操作；如发现“系统仿真输入信号设定”中的实验参数设置不当，看不到“阶跃响应”全过程，可重复、的操作。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。4分析实验结果，完成实验报告。四附录1比例(P)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例环节的传递函数为：其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.1.1、图1.1

10、.2和图1.1.3所示，于是，实验参数取R0100k，R1200k，R=10k。2积分(I)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应积分环节的传递函数为： 其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.2.1、图1.2.2和图1.2.3所示，于是，实验参数取R0100k，C1uF，R=10k。3比例积分(PI)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例积分环节的传递函数为：其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.3.1、图1.3.2和图1.3.3所示，于是，实验参数取R0200k，R1200k，C1uF，R=10k。4比例微分(PD)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例微分环节的

11、传递函数为： 其方块图和模拟电路分别如图1.4.1、图1.4.2所示。其模拟电路是近似的（即实际PD环节），取，则有，实验参数取R010k，R110k，R210k，R3200，C1uF，R=10k。对应理想的和实际的比例微分(PD)环节的阶跃响应分别如图1.4.3a、图1.4.3b所示。实际PD环节的传递函数为： （供软件仿真参考）5惯性环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应惯性环节的传递函数为： 其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.5.1、图1.5.2和图1.5.3所示，其中，实验参数取R0200k，R1200k，C1uF，R=10k。6比例积分微分(PID)环节的传递函数、方块图

12、、模拟电路和阶跃响应比例积分微分环节的传递函数为： 其方块图和模拟电路分别如图1.6.1、图1.6.2所示。其模拟电路是近似的（即实际PID环节），取，将近似上述理想PID环节有，实验参数取R0200k，R1100k，R210k，R31k，C11uF，C210uF，R=10k。对应理想的和实际的比例积分微分(PID)环节的阶跃响应分别如图1.6.3 a、图1.6.3 b所示。实际PID环节的传递函数为：（供软件仿真参考）实验二 典型系统时域响应的测试一实验目的1学习和掌握动态性能指标的测试方法。2研究典型系统参数对系统动态性能和稳定性的影响。二实验内容1观测二阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调

13、节时间，并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。2观测三阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。三实验步骤1熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录中的图2.1.1和图2.1.2，设计并连接由一个积分环节和一个惯性环节组成的二阶闭环系统的模拟电路（如用U9、U15、U11和U8连成）。注意实验接线前必须对运放仔细调零。接线时要注意对运放锁零的要求。2利用实验设备观测该二阶系统模拟电路的阶跃特性，并测出其超调量和调节时间。3改变该二阶系统模拟电路的参数，观测参数对系统动态性能的影响。4利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录中的图2.

14、2.1和图2.2.2，设计并连接由一个积分环节和两个惯性环节组成的三阶闭环系统的模拟电路（如用U9、U15、U11、U10和U8连成）。5利用实验设备观测该三阶系统模拟电路的阶跃特性，并测出其超调量和调节时间。6改变该三阶系统模拟电路的参数，观测参数对系统稳定性与动态指标的影响。7利用上位机界面提供的软件仿真功能，完成上述两个典型系统的动态性能研究，并与模拟电路的研究结果相比较。8分析实验结果，完成实验报告。注意：以上实验步骤中的2、3与5、6的具体操作方法，请参阅“实验一”的实验步骤2；实验步骤7的具体操作方法，请参阅“实验一”的实验步骤3，这里不再赘述。四附录1典型二阶系统典型二阶系统的方

15、块结构图如图2.1.1所示：其开环传递函数为， 其闭环传递函数为，其中， 取二阶系统的模拟电路如图2.1.2所示：该系统的阶跃响应如图2.1.3所示：Rx接U4单元的220K电位器，改变元件参数Rx大小，研究不同参数特征下的时域响应。2.1.3a，2.1.3b，2.1.3c分别对应二阶系统在过阻尼，临界阻尼，欠阻尼三种情况下的阶跃响应曲线：2典型三阶系统典型三阶系统的方块结构图如图2.2.1所示：其开环传递函数为，其中，取三阶系统的模拟电路如图2.2.2所示：该系统开环传递函数为，,Rx的单位为KW。系统特征方程为，根据劳斯判据得到：系统稳定0K12根据K求取Rx。这里的Rx可利用模拟电路单元

16、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2.2.3 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。实验三 频率响应测试一、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用数字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，并与实验所得结果比较。三、实

17、验步骤1熟悉实验设备中的正弦信号发生电路，掌握改变信号幅值和频率的方法；2利用实验设备完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试；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；4根据测得的频率特性曲线求取各自的传递函数；5调用上位机软件仿真程序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，并与实验所得结果比较。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：图3.1对于的一阶惯性环节，其幅相频率特性曲线是一个半圆，见图3.1。取代入，得在实验所得特性曲线上，从半园的直径，可得到环节的放大倍数K，K。在特性曲线上取一点，可以确定环节的时

18、间常数T，。实验用一阶惯性环节传递函数为，其中参数为R0=200，R1200，C1uF，其模拟电路设计参阅图1.5.2。 2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：对于二阶环节，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。图3.2.1对于，可在实验所得特性曲线上取一点，由 与 可以确定该二阶环节的时间常数 T以及放大系数K。实验用典型二阶系统开环传递函数为， 其电路设计参阅图3.2.2。图3.2.23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

19、和对数相频特性：图3.3.1图3.3.2注意：此时横轴w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。实验四 控制系统的串联校正一实验目的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

20、：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5.1.1和图5.1.2，利用实验箱上的U9、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5.4.4，利用实验箱上的U9、U14、U11、U15和U8单元连成通过对该系

21、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。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利用上位机软件提供的软件仿真功能，完成线性系统串联校正的软件仿真研究，并对电路模拟与软件仿真结果进行比较研究。如何利用上位机软件提供的软件仿真功能，完成线性系统的软件仿真，其具体操作方法请参阅“实验一”的实验步骤3。6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：其开环传递函数为：其闭环传

22、递函数为：式中 ，故未加校正时系统超调量为 ，调节时间为 s，静态速度误差系数KV等于该I型系统的开环增益 1/s，2串联校正的目标要求加串联校正装置后系统满足以下性能指标：（1）超调量（2）调节时间（过渡过程时间）s（3）校正后系统开环增益（静态速度误差系数） 1/s3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 。由 s 可以得到 。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。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递函数 图4.4.1这样，加校

23、正后系统的闭环传递函数为 对校正后二阶系统进行分析，可以得到 图4.4.2综合考虑校正后的要求，取 T=0.05s ,此时 1/s,，它们都能满足校正目标要求。最后得到校正环节的传递函数为 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，见图4.4.1。根据未加校正系统的开环传递函数，可画出其相应的对数频率特性，如图4.4.2所示。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幅频特性，可以得到串联校正装置的对数幅频特性，见图4.4.

24、3。从串联校正装置的对数幅频特性，可以得到它的传递函数：图4.4.3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，R2R3200，R410，C4.7uF。校正前后系统的阶跃响应曲线如图4.4.5、4.4.6所示:（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。实验五 采样控制系统动态性能分析与研究一、实验目的1学习用混合仿真方法研究采样控制系统。2深入理解和掌握采

25、样控制的基本理论。二、实验内容1利用实验设备设计并实现已知被控对象为典型二阶连续环节的采样控制混合仿真系统。2改变数字控制器的采样控制周期和放大系数，研究参数变化对采样控制系统的动态性能和稳定性的影响。三、实验步骤1采样控制系统的混合仿真研究方法（1）利用实验箱面板上的电模拟单元电路，设计并连接已知传递函数的连续被控对象的模拟电路；（2）将实验箱面板上的数据采集系统模拟量输出端口（O1或 O2）与被控对象的模拟电路的输入端相连，同时将该面板上的数据采集系统模拟量输入端口（I1I6中任选一个）与被控对象的模拟电路的输出端相连；（3）在上位机界面上，选择周期阶跃作为测试信号，启动实验，观察阶跃响应

26、，对被控对象的模拟电路进行调试，直至满足实验要求；（4）在上位机界面上，调用“采样控制”，选定数字控制器（比例控制）参数（放大系数，采样控制周期），采用采样通道x作为A/D输入，启动实验，观察闭环控制下的阶跃响应，然后停止实验。2采样控制系统的动态性能和稳定性研究（1）在上位机界面上，重新调用“采样控制”，固定采样控制周期，改变数字控制器的放大系数，观测放大系数变化对采样控制系统的动态性能和稳定性的影响；（2）在上位机界面上，重新调用“采样控制”，固定放大系数，改变数字控制器的采样控制周期，观测采样控制周期变化对采样控制系统的动态性能和稳定性的影响；3对以上实验结果进行分析研究，完成实验报告。

27、四、附录1采样控制系统的混合仿真研究方法（1）已知的连续被控对象传递函数及其电路模拟 已知连续被控对象系统结构框图如图5.1.1所示：图5.1.1此系统传递函数为： （51）此连续被控对象可用图5.1.2所示电路模拟：图5.1.2（2）采样控制系统的结构方块图及其实现图5.2.1图5.2.2微机运算，包括测试信号产生，比较器，比例控制器Kp，保持器等采样控制系统的结构方块图如图5.2.1所示。图中虚线框内部分，包括测试信号、比较器、采样开关、数字控制器和零阶保持器等，由上位机和数据采集系统实现；而框外部分，即连续被控对象则采用电路模拟实现。因为该仿真系统，既有模拟部分，又有数字部分，故称之为“

28、混合仿真系统”。用混合仿真系统研究采样控制系统，比用电路模拟系统或全数字仿真系统都优越，因为它更接近实际系统。其电路连接图如图5.2.2所示：2采样控制系统的动态性能和稳定性分析（1）采样控制系统的稳定性判断对于图5.2.1所示采样控制系统，在采样周期和放大系数确定后，可以用离散控制的基本理论来判断闭环控制的稳定性。先将模拟对象离散化，图5.2.1所示闭环采样系统的开环脉冲传递函数为： （52）闭环脉冲传递函数为： （53）得到闭环特征方程 （54）从闭环极点分布判断稳定性，如果极点在单位圆内，则系统是稳定的。（2）数字控制器放大系数对动态性能和稳定性的影响对于图5.2.1所示采样控制系统，当

29、采样周期保持不变时，可以利用离散系统的稳定判据，求保证系统稳定的临界放大系数。可以看出，不同于二阶连续系统，放大系数太大只是使系统的动态性能变差，而不致于不稳定；而对于离散系统，则当放大系数太大时，系统将变不稳定。（3）采样周期对动态性能和稳定性的影响类似地，可以分析当放大系数保持不变时，增大采样周期将使系统的动态性能变差，直至不稳定。实验六 采样控制系统串联校正一、实验目的1熟悉并掌握用混合仿真方法研究采样控制系统。2了解采样控制系统基本的串联校正方法。二、实验内容1根据已知的被控对象的连续传递函数，按串联校正要求设计串联校正数字控制算法。2利用实验设备设计并实现已知被控对象为典型二阶连续环

30、节的具有串联校正数字控制器的采样控制混合仿真系统。3改变该数字控制器的参数，观测参数变化对采样控制系统的动态性能的影响。 三、实验步骤1设计串联校正数字控制算法（1）根据已知的被控对象的连续传递函数，按连续系统串联校正要求设计串联校正装置，得到它的连续传递函数；（方法参见实验4附录）（2）用一阶差分近似方法，离散化串联校正装置的连续传递函数，可推得该校正装置的离散传递函数。（3）从该校正装置的离散传递函数，可推得串联校正数字控制算法。2具有串联校正数字控制器的采样控制系统的混合仿真（1）利用实验箱面板上的电模拟单元电路，设计并连接已知传递函数的连续被控对象的模拟电路；（2）将实验箱面板上的数据

31、采集系统模拟量输出端口（O1或 O2）与被控对象的模拟电路的输入端相连，同时将该面板上的数据采集系统模拟量输入端口（I1I6中任选一个）与被控对象的模拟电路的输出端相连；（3）在上位机界面上，选择周期阶跃作为测试信号，启动实验，观察阶跃响应，对被控对象的模拟电路进行调试，直至满足实验要求；（4）在上位机界面上，调用“采样控制”，选定数字控制器（串联校正）参数，采用采样通道x作为A/D输入，启动实验，观察闭环控制下的阶跃响应，然后停止实验；3具有串联校正数字控制器的采样控制系统的动态性能的混合仿真研究在上位机界面上，重新调用“采样控制”，改变串联校正数字控制器的参数，观测参数变化对采样控制系统的

32、动态性能的影响；4对以上实验结果进行分析研究，完成实验报告。四、附录1设计串联校正数字控制算法这里介绍一种常用方法：（1）在已知被控对象连续传递函数条件下，先按连续系统串联校正要求设计串联校正装置，得到它的连续传递函数；（2）然后用一阶差分近似方法，离散化串联校正装置的连续传递函数，得到该校正装置的离散传递函数；（3）最后从该校正装置的离散传递函数，推得串联校正数字控制算法。本实验未校正系统采样控制框图如图6.1.1图6.1.1对本实验系统而言，已知被控对象开环传递函数为 （61）闭环传递函数为： （62）模拟电路如图6.2.2中虚线框外部分。采用和实验4相同的方法，得到的串联校正装置的连续传

33、递函数为 （63）对于，用一阶差分近似离散化，以代入，得到校正装置的离散传递函数为 （64）推得串联校正数字控制算法 （65）2具有串联校正数字控制器的采样控制系统的混合仿真研究 图6.2.1闭环采样控制系统如图6.2.2所示，图中虚线框内部分，包括测试信号、校正控制器、采样开关、数字控制器和零阶保持器等，由上位机和数据采集系统实现，如式（64）所示；而框外部分，即连续被控对象则采用电路模拟实现。图10.2.2微机运算，包括测试信号产生，比较器，校正控制器D（z），保持器等开环脉冲传递函数为，闭环脉冲传递函数为，同实验9也可以据此分析闭环采样控制系统的稳定性。上位机软件提供了通过改变采样控制周

34、期T与参数和，分析参数变化对系统动态性能的影响。实验七 典型非线性环节的电路模拟与数字仿真研究一实验目的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7.1.1和图7.1.2可知，利用实验箱上的单元U6即可获得

35、实验所需继电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。无上位机时，利用实验箱上的信号源单元U2所输出的正弦信号（或周期斜坡信号）作为环节输入，即连接箱上U2的“正弦波”与环节的输入端（对应图7.1.2的Ui）。然后用示波器观测该环节的输入与输出（对应图7.1.2的Ui和Uo）。注意调节U2的正弦波信号“频率”电位器RP5与“幅值”电位器RP6，以保证观测到完整的波形。有上位机时，必须在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用

36、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连到实验箱 U3单元的O1（D/A通道的输出端）和I1（A/D通道的输入端），将Uo连到实验箱 U3单元的I2（A/D通道的输入端），并连好U3单元至上位机的并口通信线。接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。界面上的操作步骤如下：按通道接线情况完成“通道设置”:在界面左下方“通道设置”框内，“信号发生通道”选择“通道O1”，“采样通道X”选择“通道I1”，“采样通道Y”选择“通道I2”。点击“系统连接”（见界面左下角），如连接正常即可

37、按动态状态框内的提示（在界面正下方）“进入实验模式”；如连接失败，检查并口连线和实验箱电源后再连接，如再失败则请求指导教师帮助。进入实验模式后，先对显示进行设置：选择“显示模式”（在主界面左上角）时，可先选择“X-t”，然后再选择“X-Y”，在两种不同显示方式下都观察一下；选择“量程”（在“显示模式”下方）为100ms/div。在选择“显示模式”为“X-t”时，可点击“系统输入信号”和“采样通道Y”框内的“显示”；在选择“显示模式”为“X-Y”时，可点击“采样通道X”和“采样通道Y”框内的“显示”。进行实验设置，先选择“实验类别”（在主界面右上角）为“时域”，然后点击“实验参数设置”，在弹出的

38、“系统测试信号设置”框内，选择“输入波形类别”可为“正弦波”，也可以为“周期斜坡信号”。对“正弦波”：选择“输入波形幅值”为“5V”，选择“零位偏移”为0V，选择“输入波形周期”为“1000ms”，选择“输入持续时间”为“1000ms”,选择信号不“连续”。对“周期斜坡信号”：选择“输入波形幅值”为“10V”，选择“零位偏移”为5V，选择“输入波形占空比”为100%，选择“输入波形周期”为“1000ms”，选择“输入持续时间”为“1000ms”，选择信号不“连续”。以上设置完成后，按“实验启动”启动实验，动态波形得到显示，直至“持续时间”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

39、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“实验启动”启动实验，动态波形得到显示，直至“持续时间”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7.2.1和图7.2.2可知，利用实验箱上的单元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

40、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7.3.1和图7.3.2可知，利用实验箱上的单元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

41、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7.4.1和图7.4.2可知，利用实验箱上的单元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U5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

42、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7.1.1所示。该环节的模拟电路如图7.1.2所示。 图 7.1.1 图 7.1.2继电特性参数M，由双向稳压管的稳压值与后一级运放放大倍数之积决定。故改变图7.1.2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