《自动控制原理》实验指导书.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流自动控制原理实验指导书.精品文档.自动控制原理实验指导书梅雪 罗益民 袁启昌 许必熙南京工业大学自动化学院目 录实验一 典型环节的模拟研究-1实验二 典型系统时域响应和稳定性-10实验三 应用MATLAB进行控制系统根轨迹分析-15实验四 应用MATLAB进行控制系统频域分析-17实验五 控制系统校正装置设计与仿真-19实验六 线性系统校正-22实验七 线性系统的频率响应分析-26附录：TDNACP自动控制原理教学实验箱简介-31实验一 典型环节的模拟研究一 实验目的1熟悉并掌握TD-ACC+设备的使用方法及各典型环节模拟电路的构成方法。2熟

2、悉各种典型环节的理想阶跃响应曲线和实际阶跃响应曲线。对比差异、分析原因。3了解参数变化对典型环节动态特性的影响。二实验内容下面列出各典型环节的方框图、传递函数、模拟电路图、阶跃响应，实验前应熟悉了解。1比例环节 (P)A方框图：如图1.1-1所示。图1.1-1B传递函数：C阶跃响应： 其中 D 模拟电路图：如图1.1-2所示。图1.1-2 注意：图中运算放大器的正相输入端已经对地接了100K的电阻，实验中不需要再接。以后的实验中用到的运放也如此。E 理想与实际阶跃响应对照曲线： 取R0 = 200K；R1 = 100K。 取R0 = 200K；R1 = 200K。2积分环节 (I)A方框图：如

3、右图1.1-3所示。图1.1-3B传递函数： C阶跃响应： 其中 D模拟电路图：如图1.1-4所示。图1.1-4(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照： 取R0 = 200K；C = 1uF。 取R0 = 200K；C = 2uF。3比例积分环节 (PI)(1) 方框图：如图1.1-5所示。图1.1-5(2) 传递函数： (3) 阶跃响应： 其中； (4) 模拟电路图：如图1.1-6所示。图1.1-6(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照： 取R0 = R1 = 200K；C = 1uF。 取R0=R1=200K；C=2uF。4惯性环节 (T)(1) 方框图：如图1.1-7所示。图1.1-7(2) 传

4、递函数：。(3) 模拟电路图：如图1.1-8所示。 图1.1-8(4) 阶跃响应：，其中； (5) 理想与实际阶跃响应曲线对照： 取R0=R1=200K；C=1uF。 取R0=R1=200K；C=2uF。5比例微分环节 (PD)(1) 方框图：如图1.1-9所示。 图1.1-9(2) 传递函数：(3) 阶跃响应：。其中，为单位脉冲函数，这是一个面积为的脉冲函数，脉冲宽度为零，幅值为无穷大，在实际中是得不到的。(4) 模拟电路图：如图1.1-10所示。 图1.1-10(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照： 取R0 = R2 = 100K，R3 = 10K，C = 1uF；R1 = 100K。 取R

5、0=R2=100K，R3=10K，C=1uF；R1=200K。6比例积分微分环节 (PID)(1) 方框图：如图1.1-11所示。 图1.1-11(2) 传递函数：(3) 阶跃响应：。其中为单位脉冲函数，；(4) 模拟电路图：如图1.1-12所示。图1.1-12(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照： 取R2 = R3 = 10K，R0 = 100K，C1 = C2 = 1uF；R1 = 100K。 取R2 = R3 = 10K，R0 = 100K，C1 = C2 = 1uF；R1 = 200K。三、 实验设备及仪器1PC机一台；2TD-ACC+实验系统一套；3万用表。四. 注意事项1 连接通信线

6、时，应首先关闭电源。在使用中如果出现不能通讯的情况。请先按实验仪上的复位键，使系统复位，按键盘上的“ESC”键，观察通讯是否正常，如果仍然不能通讯，请重新启动计算机，再次连接。2 在使用中如果出现不能通讯的情况。请先按实验仪上的复位键，使系统复位，按键盘上的“ESC”键，观察通讯是否正常，如果仍然不能通讯，请重新启动计算机，再次连接。3 连接导线在插拔时，应抓住连接端头，不能拔导线。五. 实验方法及步骤1 按1.1.3节中所列举的比例环节的模拟电路图将线接好。检查无误后开启设备电 源。2 将信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。由于每个运放单元均设置了锁零场效应管，所以运放

7、具有锁零功能。将开关分别设在“方波”档和“500ms12s”档，调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为1V，周期为10s左右。3 将2中的方波信号加至环节的输入端Ui，用示波器的“CH1”和“CH2”表笔分别监测模拟电路的输入Ui端和输出U0端，观测输出端的实际响应曲线U0(t)，记录实验波形及结果。4 改变几组参数，重新观测结果。5 用同样的方法分别搭接积分环节、比例积分环节、比例微分环节、惯性环节和比例积分微分环节的模拟电路图。观测这些环节对阶跃信号的实际响应曲线，分别记录实验波形及结果。六. 实验报告内容与要求1 画出各模拟电路图；2 写出各模拟电路图的传递函数；3 分别

8、画出理想阶跃响应曲线和实测阶跃响应曲线。七. 思考1 分析各模拟电路中的元件参数对阶跃响应的影响。2 实验中模拟电路出现的故障，如何排除。实验二 典型系统的时域响应和稳定性分析一实验目的1 研究二阶系统的特征参量 (、n) 对过渡过程的影响。2 研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。3 熟悉Routh判据，用Routh判据对三阶系统进行稳定性分析。二实验内容1 典型的二阶系统稳定性分析(1) 结构框图：如图1.2-1所示。图1.2-1(2) 对应的模拟电路图：如图1.2-2所示。图1.2-2(3) 理论分析系统开环传递函数为：；开环增益。(4) 实验内容先算出临界阻尼、欠阻尼、过

9、阻尼时电阻R的理论值，再将理论值应用于模拟电路中，观察二阶系统的动态性能及稳定性，应与理论分析基本吻合。在此实验中(图1.2-2)，系统闭环传递函数为：其中自然振荡角频率：；阻尼比：。2 典型的三阶系统稳定性分析(1) 结构框图：如图1.2-3所示。图1.2-3(2) 模拟电路图：如图1.2-4所示。图1.2-4(3) 理论分析系统的开环传函为:(其中)， 系统的特征方程为:。(4) 实验内容实验前由Routh判断得Routh行列式为：S3 1 20S2 12 20KS1 (-5K/3)+20 0S0 20K 0为了保证系统稳定，第一列各值应为正数，所以有 得： 0 K 41.7K 系统稳定

10、K = 12 R = 41.7K 系统临界稳定 K 12 R 41.7K 系统不稳定三实验设备及仪器1PC机一台；2TD-ACC+实验系统一套；3万用表。四注意事项1参考实验一。2在做实验前一定要进行对象整定 ，否则将会导致理论值和实际测量值相差较大。五. 实验方法与步骤1 信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。由于每个运放单元均设置了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。将开关分别设在“方波”档和“500ms12s”档，调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为1V，周期为10s左右。2 典型二阶系统瞬态性能指标的测试(1) 按模拟电路图1.2-2接线，将1中的

11、方波信号接至输入端，取R = 10K。(2) 用示波器观察系统响应曲线C(t)，测量并记录超调MP、峰值时间tp和调节时间tS。(3) 分别按R = 20K；40K；100K；改变系统开环增益，观察响应曲线C(t)，测量并记录性能指标MP、tp和tS，及系统的稳定性。并将测量值和计算值进行比较 (实验前必须按公式计算出)。将实验结果填入表1.2-1中。表1.2-2中已填入了一组参考测量值，供参照。3 典型三阶系统的性能(1) 按图1.2-4接线，将1中的方波信号接至输入端，取R = 30K。(2) 观察系统的响应曲线，并记录波形。(3) 减小开环增益 (R = 41.7K；100K)，观察响应

12、曲线，并将实验结果填入表1.2-3中。表1.2-4中已填入了一组参考测量值，供参照。六. 实验报告内容与要求 1画出模拟电路图，写出对象的传递函数。2填写典型二阶系统瞬态性能指标实验测试值（见表1.2-1）。表1.2-1参数项目R(K)KnC(tp)C()Mp (%)tp (s)ts (s)响应情况理论值测量值理论值测量值理论值测量值0 1过阻尼 3 填写三阶系统在不同开环增益下的响应情况实验测试值（见表1.2-2）表1.2-2R(K)开环增益K稳定性表1.24七. 思考 分析R参数对、，等质量指标的影响。实验三 应用MATLAB进行控制系统的根轨迹分析一、实验目的1. 学习MATLAB在控制

13、系统中的应用；2熟悉MATLAB在绘制根轨迹中的应用；2. 掌握控制系统根轨迹绘制，应用根轨迹分系统性能的方法。二、实验内容1熟悉MATLAB中已知开环传递函数绘制闭环根轨迹的方法；2学习使用MATLAB 进行一阶、二阶系统仿真的基本方法。三实验设备及仪器1计算机；2MATLAB软件。四、实验方法与步骤1. 已知开环传递函数绘制闭环根轨迹命令格式：已知开环传递函数绘制闭环根轨迹 rlocus(num,den) 求根轨迹上任一点处的增益 rlocfind( num,den )绘制下列各开环传递函数对应的根轨迹。要求：记录根轨迹，并观察根轨迹的起点、终点，根轨迹与开环零、极点分布的关系，实轴上的分

14、离点、会合点，虚轴交点，出射角、入射角，和系统在不同K* 值下的工作状态。（1）（2）（3）（4）（5）提示：用 num , den = zp2tf (z , p , k) 语句将零极点模型转换为传递函数模型,再求根轨迹，如：z=-1.5;p=0 -1 roots(1 10 50);k=1;num,den=zp2tf(z,p,k);rlocus(num,den)rlocfind(num,den)五 实验报告内容与要求1记录绘制的根轨迹；2求出实轴上的分离点、会合点，根轨迹与虚轴交点；3分别求K*=1，10，100时，系统地零、极点的值六思考与练习1简述绘制根轨迹的幅值条件和相角条件；2分析增加

15、开环极点对控制系统动态性能的影响；3增加开环零点对控制系统动态性能的影响。实验四 应用MATLAB进行控制系统的频域分析一、实验目的1. 学习MATLAB在控制系统频域分析中的应用；2. 掌握系统的频域分析方法。二、实验内容1 学习已知开环系统或典型环节传递函数，绘制幅相特性Nyquist图2 已知开环系统或典型环节传递函数，绘制对数频率特性Bode图的方法；3 幅值和相位裕量的计算。三实验设备及仪器1计算机；2MATLAB软件。四、实验方法与步骤1.典型环节的开环系统幅相特性Nyquist图和对数频率特性Bode图的绘制。命令格式：已知环节的传递函数, 绘制幅相特性Nyquist图 nyqu

16、ist（sys）已知环节的传递函数, 绘制对数频率特性Bode图 bode（sys）实验1：绘制下列各开环传递函数对应的Nyquist图和Bode图。要求：记录Nyquist图和Bode图图形，并观察各典型环节Nyquist图起点、终点的规律，Bode图低频段、高频段渐近线，低频段斜率与系统型别的关系，及K值对Bode图的影响。（1） 比例环节 G(S)=K, 观察 K1 时Bode图的变化。（2） 纯积分环节 G(S)= 1/TiS （3） 纯微分分环节 G(S)= TdS（4） 一阶滞后环节 G(S)= 1/(TS+1)（5） 一阶超前环节 G(S)= TS+1（6） 二阶环节 若n=10

17、, =0.1:0.1:1.2，观察1,10.707,0.7070 时Nyquist图和Bode图特性的变化。其中Bode图绘制参考程序如下：。num=1;wn=10;zeta=0.1:0.1:1.0;hold onfor z=zeta den=(1/wn)2 2*z/wn 1; sys=tf(num,den); bode(sys)end title(振荡环节频率特性)hold off（7） 比例积分调节器 G(S)= KC(1+1/TiS) （8） 理想PID调节器 G(S)=KC(1+1/TiS+TdS) （9） 单位反馈系统开环传递函数实验2：将实验1中（9）所对应的Nyquist图和Bo

18、de图绘制在一张图上。用 subplot 语句将Nyquist图和Bode图绘制在一张图上，如（4）一阶滞后环节（即惯性环节），绘图语句为：sys=tf(1,5 1);subplot(2,1,1)nyquist(sys)subplot(2,1,2)bode(sys)2. 幅值和相位裕量。在分析系统性能的时候，经常涉及到系统的幅值和相位裕量的问题，使用控制系统工具箱提供的margin()函数可以直接求出系统的幅值和相位裕量，该函数的调用格式为：Gm, Pm, Wcg, Wcp=margin(A, B, C, D) 或Gm, Pm, Wcg, Wcp=margin(num, den) 其中，Gm和

19、Pm分别是求取的系统的幅值裕量和相角裕量, Wcg和Wcp是与之对应的幅值裕量和相角裕量出相应的频率值。实验3：利用margin 函数求实验1中（9）系统的幅值裕量和相角裕量，以及与之对应的频率值。五 实验报告内容与要求1记录绘制的各曲线；六思考与练习1应用Nyquist稳定判据判别（9）的稳定性；2求（9）的幅值裕量和相角裕量，以及与之对应的频率值，并判别系统的稳定性；实验五 控制系统校正装置设计与仿真一、实验目的1. 熟悉系统校正的方法，掌握串联校正装置的设计； 2. 学习SIMULINK工具的使用方法； 3. 掌握SIMULINK在控制系统时域分析中的应用；4. 应用SINMULINK验

20、证校正的结果。二、实验要求1. 选择校正装置并计算参数； 2. 使用SIMULINK工具箱建模；3. 使用SIMULINK建模并对系统进行时域分析；3. 使用SIMULINK观察系统校正的效果。三、实验内容1 了解仿真工具SIMULINK如果控制系统的结构很复杂，不借助专用的系统建模软件，很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入给计算机，然后对之进行进一步地分析与仿真。1990年MathWorks软件公司为MATLAB提供了新的控制系统模型图形输入与仿真工具，就是SIMULINK，这一名字的含义是相当直观的，表明此软件的两个显著的功能：SIMU（仿真）与LINK（连接），提供的功能老对系统进行仿

21、真和线性化分析，这样可以使得一个复杂的系统的分析变得容易且直观。2 控制系统框图模型的建立在进入MATLAB环境后，键入simulink命令则可打开相应的系统模型库，如图4.1所示，包括的子模型库有：Sources、Sinks、Discrete、Math、Continuous、Functions&Tables、Nonlinear、Signals&Systems、Subsystems。若想建立一个控制系统结构框图，则应该选择File|New菜单项，这样就会自动打开一个空白的模型编辑窗口，润需用户输入自己的模型框图。图4.1上述模块库中都包含相应的字模块，可根据需要利用鼠标点中，然后拖动到所打开的

22、模型窗口上。连接两个模块只需用鼠标先点一下起点的模块输出端，然后拖动鼠标，这是会出现一条带箭头的直线，将它的箭头拉到终点模块的输入端释放鼠标即可。这样SIMULINK就会自动出现一条带箭头的连线，将两个模块连接起来。例1：PID控制系统的SIMULINK实现：按照上述方法将所有各个模块化连接好之后，执行Simulition|Start 命令就可以开始仿真了。若依靠示波器作输出时，则会自动地将仿真结果从示波器上显示出来 （如将参数设为Kp=10，Ki=3，Kd=2，且已知系统Transfer Fcn为）。图4.2 PID控制系统的SIMULINK实现3 使用SIMULINK 观察系统滞后校正的效

23、果 使用Simulink 工具箱进行图4.3（a）所示结构不稳定系统仿真，并要求在该系统上增加相应环节，使系统稳定，且对阶跃输入信号实现无差调节。图4.3（a）：原系统图4.3（b）：校正后系统（供参考）4 系统校正及基于SIMULINK的实现（以下3个题目按学号分配）1）设单位反馈系统的开环传递函数，试设计一串联校正装置，使系统满足如下指标：（1） 相角裕量；（2） 在单位斜坡输入下的稳态误差（3） 截止频率2）设单位反馈系统的开环传递函数（1）若要求校正后系统的静态误差系数相角裕量，试设计串联校正装置；（2）若除上述指标要求外，还要求系统校正后截止频率，试设计串联校正装置。3）设单位反馈系

24、统的开环传递函数，试设计串联校正装置，使系统期望特性满足下列指标：（1）静态误差系数（2）截止频率（3）相角裕量；四、思考与练习1列举几种常用的控制规律，并说明其特性；2简述串联超前校正装置的特性；3简述串联滞后校正装置的特性；4说明反馈校正的原理及参数确定方法。实验六 线性系统的校正一实验目的1掌握系统校正的方法，重点了解串联校正。2根据期望的时域性能指标推导出二阶系统的串联校正环节的传递函数。二实验内容所谓校正就是指在系统中加入一些机构或装置 (其参数可以根据需要而调整)，使系统特性发生变化，从而满足系统的各项性能指标。按校正装置在系统中的连接方式，可分为：串联校正、反馈校正和复合控制校正

25、三种。串联校正是在主反馈回路之内采用的校正方式，串联校正装置串联在前向通路上，一般接在误差检测点之后和放大器之前。本次实验主要介绍串联校正方法。1 原系统的结构框图及性能指标图1.3-1对应的模拟电路图图1.3-2由图可知系统开环传函： ，系统闭环传函：系统的特征参量：n 6.32, 0.158系统的性能指标：Mp60，tS4s，静态误差系数Kv20 (1/s)2期望校正后系统的性能指标要求采用串联校正的方法，使系统满足下述性能指标：Mp25，tS1s，静态误差系数Kv20 (1/s)3串联校正环节的理论推导由公式25，1s得：0.4，n10，设校正后的系统开环传函为：，由期望值得：20，则K

26、20。校正后系统的闭环传函为：取0.5，则T 0.05s，n20满足n10，得校正后开环传函为：因为原系统开环传函为：，且采用串联校正，所以串联校正环节的传函为：，加校正环节后的系统结构框图为： 图1.3-3对应的模拟电路图：见图1.3-4图1.3-4三实验设备及仪器1PC机一台2TD-ACC+实验系统一套。 3万用表四注意事项参考实验一、二。五. 实验方法与步骤1将信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。由于每个运放单元均设置了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。将开关分别设在“方波”档和“500ms12s”档，调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为1V，周

27、期为10s左右。2测量原系统的性能指标。(1) 按图1.3-2接线。将1中的方波信号加至输入端。(2) 用示波器的“CH1”和“CH2”表笔测量输入端和输出端。计算响应曲线的超调量MP和调节时间tS。3. 测量校正系统的性能指标。（1）按图1.3-4接线，将1中的方波信号加至输入端。（2）用示波器的“CH1”和“CH2”表笔测量输入端和输出端。计算响应曲线的超调量MP和调节时间tS，是否达到期望值，若未达到，请仔细检查接线 (包括阻容值)。六. 实验报告内容与要求 1画出模拟电路图，写出对象的传递函数。2画出未校正和校正后系统的响应曲线图。七. 思考 计算未校正和校正后系统的动态性能指标并和实

28、验测试值相比较。实验七 线性系统的频率响应分析一实验目的1 通过实验加深对系统频率特性的理解。2 掌握系统频率特性的实验测试方法。3 学会根据波特图确定系统开环传函的方法。二实验内容1 搭建模拟电子电路。2 测试、绘制模拟电路的波特图。3 根据测得的波特图确定模拟电路的开环传递函数。三实验设备及仪器1 PC机一台。2 TD-ACC系列教学实验系统一套。3 可调电阻器。4 虚拟二踪示波器软件一套。5 万用表。四. 注意事项1 输入正弦函数的幅值不能太大，以避免运算放大器产生饱和现象，影响测试结果。2 输入正弦函数的频率应多在系统的转折频率附近，以提高测试精确度。3 测量过程中要去除运放本身的反相

29、的作用，即保持两路测量点的相位关系与运放无关，所以在测量过程中可能要适当加入反相器，滤除由运放所导致的相位问题。五. 实验线路及原理1. 控制系统频率特性的概念当输入正弦信号时，线性系统的稳态响应具有随频率 ( 由0变至 ) 而变化的特性。频率响应法的基本思想是：尽管控制系统的输入信号不是正弦函数，而是其它形式的周期函数或非周期函数，但是，实际上的周期信号，都能满足狄利克莱条件，可以用富氏级数展开为各种谐波分量；而非周期信号也可以使用富氏积分表示为连续的频谱函数。因此，根据控制系统对正弦输入信号的响应，可推算出系统在任意周期信号或非周期信号作用下的运动情况。2线性系统的频率特性系统的正弦稳态响

30、应具有和正弦输入信号的幅值比和相位差随角频率 (由0变到) 变化的特性。而幅值比和相位差恰好是函数的模和幅角。所以只要把系统的传递函数，令，即可得到。我们把称为系统的频率特性或频率传递函数。当由0到变化时，随频率的变化特性称为幅频特性，随频率的变化特性称为相频特性。幅频特性和相频特性结合在一起时称为频率特性。3对数频率特性图及其与系统开环传递函数的关系对数频率特性图又称波特图，它包括对数幅频和对数相频两条曲线，是频率响应法中广泛使用的一组曲线。这两组曲线连同它们的坐标组成了对数坐标图。理论分析表明，最小相位系统的对数幅频特性渐近线的转折频率和斜率与系统的传递函数对应，根据波特图可以确定出系统的

31、传递函数。4. 频率特性的直接测量法本实验对象的结构框图如图7-1所示。图7-1 实验对象结构框图对应的模拟电路如图7-2所示。图7-2 实验对象模拟电路用来直接测量系统的闭环频率特性，适用于时域响应曲线收敛的系统对象。该方法直接测量系统输出与信号源的相位差及幅值衰减情况，取对数后就可得到系统的对数频率特性图。5. 间接频率特性的测量法用来测量闭环系统的开环特性，因为有些线性系统的开环时域响应曲线发散，幅值不易测量，可将其构成闭环负反馈稳定系统后，通过测量信号源、反馈信号、误差信号的关系，从而推导出对象的开环频率特性。理论分析得系统的开环频率特性为：本实验的间接方式是分别测量图7-2中的反馈测

32、量点和误差测量点正弦信号的幅值和相位，根据上式计算出开环频率特性的幅频特性和相频特性，取对数后，即可间接得出开环系统的波特图。六. 实验方法与步骤此次实验，采用直接测量方法测量对象的闭环波特图及间接测量方法测量对象的开环波特图。将信号源单元的“ST”插针分别与“S”插针和“+5V”插针断开，运放的锁零控制端“ST”此时接至示波器单元的“SL”插针处，锁零端受“SL”来控制。实验过程中“SL”信号由虚拟仪器自动给出。1实验接线：按模拟电路图7-4接线，检查无误后方可开启设备电源。2直接测量方法 (测对象的闭环波特图)A. 将示波器单元的“SIN”接至图7-4中的信号输入端，“CH1”路表笔插至图

33、7-4中的4运放的输出端。B. 打开集成软件中的频率特性测量界面，弹出时域窗口，点击 按钮，在弹出的窗口中根据需要设置好几组正弦波信号的角频率和幅值，选择测量方式为“直接”测量，每组参数应选择合适的波形比例系数，具体如下图所示:C. 确认设置的各项参数后，点击 按钮，发送一组参数，待测试完毕，显示时域波形，此时需要用户自行移动游标，将两路游标同时放置在两路信号的相邻的波峰 (波谷) 处，或零点处，来确定两路信号的相位移。两路信号的幅值系统将自动读出。重复操作(3)，直到所有参数测量完毕。D. 待所有参数测量完毕后，点击 按钮，弹出波特图窗口，观察所测得的波特图，该图由若干点构成，幅频和相频上同

34、一角频率下两个点对应一组参数下的测量结果。E. 根据所测图形可适当修改正弦波信号的角频率和幅值重新测量，达到满意的效果。3. 间接测量方法：(测系统的开环波特图)将示波器的“CH1”接至3运放的输出端，“CH2”接至1运放的输出端。按直接测量的参数将参数设置好，将测量方式改为间接测量。此时相位差是指反馈信号和误差信号的相位差，应将两根游标放在反馈和误差信号上。测得对象的开环波特图如下：七. 实验报告内容与要求1. 推导实验电路的开环和闭环传递函数，计算转折频率，绘出实验系统理论计算的波特图。2. 将实验测得的数据进行处理，绘制实验得出的波特图。3. 画出实验得出的波特图的渐近线，并根据波特图的

35、渐近线写出实验系统的开环和闭环传递函数。4. 将实验得出的传递函数与理论推导出的传递函数进行比较，验证理论的正确性。5. 分析研究实验中的故障和误差原因。八. 思考1本实验为什么可以用直接测量法测试闭环系统的频率特性？2. 如何测量信号的相位差？附录 TDNACP自动控制原理教学实验箱简介一、 系统构成实验箱主要由U1U21单元电路构成，系统布局见附录一或实验箱版面。1 信号源发生电路1） U1单元典型信号源。可以通过S12开关选择方波、斜波和抛物波输出。通过S11开关选择进行信号周期的粗调，通过W11电位器实现信号周期的细调。通过以上的调节，把S与 ST用短路器短接，OUT输出端能够输出你所

36、需要的波形了。2） U15单元正弦波信号源。这个单元能够产生频率0.2Hz400Hz的正弦波，正弦波的幅值在5V范围内可调。3） U13和U14单元组成单脉冲电路。连接如图1-1。4） U19单元的SIN端可以输出受控的正弦波信号。频率特性实验的输入信号由此接入。2 示波器测量电路该测量电路主要由U19单元承担。由89C51单片机、芯片62256、ADC0809、LM324、量程选择开关和双路表笔组成。本单元替代了自控实验中使用长余辉型示波器、频率特性分析仪等实验仪器。开关CH1、CH2不同档对应波形衰减倍数为5、0.5和1，CH1、CH2分别连接的端子为虚拟示波器的两通道的输入端。和PC机连

37、接好串口通信线，在PC机上运行ACP+软件就可以观察所测量的波形图。3 运算模拟单元运算模拟单元主要由U3、U4、U5、U6、U7、U8、U20、U21和U22等单元组成。在这里可以通过不同的连接可以实现我们所需要的各种运算模拟电路。U21单元被称为特殊环节，当你需要串接一个电阻和电容时，或是电阻和电容接成T型网络时，就要靠U21单元来实现。U20单元被称为反相器，实验中常常用到反相器，直接利用U20单元中的反相器就很方便。需要讲明的一点，所有运算放大器的+端，实验箱里已接好，在实验中无需再接。4 采样保持器 由U2单元组成。IN1、IN2分别为采样保持器的输入端；OUT1、OUT2分别为输出

38、端；PU1、PU2分别为控制端，用逻辑电平控制，高电平采样，低电平保持。5 其它单元（略）二、 ACP软件使用说明软件安装完毕后，进入该界面：1 选中“文件”菜单中的菜单项“退出”可退出该界面。2 选中“查看”菜单中的菜单项“状态栏”，则在界面下方有状态栏出现并显示当前状态，若未选中则隐藏状态栏，不显示当前状态。3 “串口”菜单中的选项“COM1”、“COM2”是用来选择与PC及相连的串口号，如果是串口1就选中“COM1”，如果是串口2就选中“COM2”。4 示波器使用说明可以使用菜单中的“窗口-示波器窗口”或者选择工具栏中的图标打开或激活示波器窗口。如果已经示波器窗口已经打开，则激活，否则弹

39、出一个对话框，用户可根据需要选择不同的示波器功能，进入相应的界面。示波器的3个功能a)示波器（对信号进行时域的测量，类似与普通示波器的功能） b)频率特性分析c) 非线性测量 （测量 电压-电压 关系）分别介绍如下：示波器示波器工具栏（按自左向右的顺序逐个介绍） 1）启动示波器不运行程序。适合于只需要观察波形时使用，例如做自控实验时。2）停止测量。停止示波器的采样，如果运行了计控程序，程序将被终止。建议在激活其它窗口时停止示波器测量。3）暂停显示。将当前的波形保留在屏幕上，便于细致观察波形。暂停后可以用游标对波形进行测量、细分显示和打印波形，如果运行了计控程序，程序仍在运行，不会被终止（于停止

40、功能不同），时示波器仍在采样，只是不将数据显示在屏幕上。4） 继续显示。暂停显示后用来恢复示波器的显示。5）横向增加示波器显示比例。6）横向减少示波器显示比例。7）纵向增加示波器显示比例。8）纵向减少示波器显示比例。9） 示波器显示还原。将纵向拉伸过的图形还原为最初显示尺寸。10）快速向左移动游标。在暂停或细分显示时，用来移动测量游标，每次移动10格11）向左移动游标。在暂停或细分显示时， 用来移动测量游，每次移动一格。12）向右移动游标。13）快速向右移动游标。14）细分显示波形。在暂停后可以使用。执行时，示波器窗口标题栏会闪动，此时正在接收数据请等待，数据接收完成后会显示出波形，并可用游标

41、进行测量。15）左移波形。执行细分显示后，可以使用。16）右移波形。执行细分显示后，可以使用。17）在波形显示和保存波形界面间切换18）保存某一时刻CH1的波形显示。此处会弹出一个对话框询问保存到那一个图库中，可选的有三个，选中之后，系统会将用户需要保存的图象保存到用户指定的图库中。19）保存某一时刻CH2的波形显示到用户指定的图库中。20）将两路波形同时保存到一个图库中。21）波形打印。暂停或细分显示时可以使用。频率特性1）开始测试。测试需要一段时间，时间的长短，主要取决于用户输入的信号角频率。测试期间，窗口标题栏会不断闪动，测试完成后，会显示出测试波形。2）修改参数。执行后弹出一个对话框，

42、用户可以改变信号的角频率和电压。3）停止测量。4）快速向左移动游标。示波器暂停或细分显示时可以使用，用来移动测量游标，每次移动10 格5）向左移动游标。示波器暂停或细分显示时可以使用， 用来移动测量游，每次移动一格。6）向右移动游标。示波器暂停或细分显示时可以使用，用来移动测量游标，每次移动一格。7）快速向右移动游标。示波器暂停时或细分显示可以使用，用来移动测量游标，每次移动10 格。8） 打印波形。测试完成后，可以将测试的波形打印出来。非线性测量1）开始测试。2）清除屏幕。3） 停止测量。附：常见问题4 建议在分辨率为 800*600 下运行程序，如果分辨率低于 800*600 界面会超屏幕

43、，只要调整分辨率即可。5 使用时应该保证计算机的串口工作正常，把实验仪和计算机用系统附带的串行通讯电缆连接上，打开电源后运行程序。6 首次运行时，调试工具默认的通讯口是 COM1 ，如果您的鼠标正好连接在COM1，系统会提示：“通讯端口初始化失败，请重新启动计算机！”您可以忽略这个信息，直接点“确定”按钮进入程序，然后选择菜单项“选择串口”，将联机端口改为COM2 即可正常工作。对于鼠标连接在 COM2 的如果出现类似问题，采用同样方法解决。另外，如果不是因为与鼠标发生冲突导致的问题，则需要重新启动计算机，再尝试连接。7 在使用中如果出现不能通讯的情况。请先按实验仪上的复位键，使系统复位，按键盘上的“ESC”键，观察通讯是否正常，如果仍然不能通讯，请重新启动计算机，再次连接。