自动化实验报告

实验室名称：传感器创新实验室；

实验地点：机械电气楼A302；

实验批次：2

试验项目：

a、常用控制箱认识使用；

试验时间：11月5（星期二）8：00-9：50；10：10-12：00 b、二阶系统阶跃响应的模拟；

试验时间：11月9（星期五）14：00-15：50；16：00-18：00

TKKL-1型控制理论电子模拟实验箱

使用说明书

自动控制技术广泛应用于工农业生产,交通运输和国防建设。因此,一个国家自动控制的水平是衡量该国家的生产技术与科学水平先进与否的一项重要标志。

本模拟实验箱能完成高校《自动控制理论》教程的主要实验内容，它可以模拟控制工程中的各种典型环节和控制系统,并对控制系统进行仿真研究,使学生通过实验对自动控制理论有更深一步地理解。并提高分析与综合系统的能力。

本模拟实验箱是专为自动控制这门课程而配套设计的。它集实验模块、扫频电源、直流数字电压表、交流毫伏表、稳压电源、信号源、频率计于一体，结构紧凑，性能稳定可靠，实验灵活方便，有利于培养学生的动手能力。

本模拟实验箱主要是由一整块单面敷铜印刷线路板构成，其正面（非敷铜面）印有清晰的图形、线条、字符，使其功能一目了然。板上提供实验必需的扫频电源、信号源、频率计、直流数字电压表、交流毫伏表等。所以，本实验箱具有实验功能强、资源丰富、使用灵活、接线可靠、操作快捷、维护简单等优点。实验箱上所有的元器件均经精心挑选，属于优质产品，可放心让学生进行实验。

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（435mm×325mm）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≤0.003Ω，使用寿命＞10000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15Hz～80KHz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。

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0.25Hz～1.55KHz，输出幅度峰峰值为0～10V

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”（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0.25Hz～14KHz；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2.7Hz～155Hz；将其置于4、5脚（即“f3”处）则输出信号的频率范围为26Hz～1.55KHz。

（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0.1Hz～10KHz。

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，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、实验内容

本实验箱附有一本供10个实验项目的详细实验指导书，具有一定的广度和深度，各院校可根据自己的教学需要进行选择，还可以结合自己的要求进行改写、扩充及开发其它新的项目。

本实验箱典型环节与系统模拟实验部分包括了自动控制系统中所有的部件,即包括加法器,惯性环节,积分环节,有源滞后——超前校正环节,非线性环节等。学生根据需要,可任意组成各种典型环节与系统的模拟。

本模拟实验箱可完成的实验项目有

（1）控制系统典型环节的模拟

（2）一阶系统的时域响应及参数测定

（3）二阶系统的瞬态响应分析

（4）三阶系统的瞬态响应及稳定性分析

（5） PID控制器的动态性能分析

（6）自动控制系统的动态校正

（7）典型环节频率特性的测试

（8）线性系统的频率特性的测试

（9）信号的采样与恢复

（10）典型非线性环节的模拟

（11）非线性系统的相平面分析

三、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。

（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。

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Z 1和Z 2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

(1) )(1

2Z Z u u S G i o =-=2=410820==12K

K Z Z )S (

G

）（2 1+=

1

+1?=

R 1+==2121

2212TS K CS R R R CS /R CS

/R Z Z )S (

G

图1-2 比例环节

2）、惯性环节

取参考值R 1=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 /1)(12TS RCS

R

CS Z Z S G ==== RC =T 积分时间常数

式中

参考值R 1=200K ，R 2=410K ，C =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R 1=100K R 2=200K C =0.1uF

图1-6 比例积分环节

6）、振荡环节，其原理框图、接线图及单位阶跃响应分别如下所示。

C R =T , =K (4)

1+= 1+?= 1+==

1D 1

211

211212R R )S T (K )CS R (R R CS

/R CS /R R Z Z )S (G D 其中C R =T , =K (5) 1+1= 1+1?=1+= 1+=1+==221

22212112121212R R )S

T (K )CS

R (R R CS R R R CS

R )CS R (R CS /R Z Z )S (G

式中

图1-7 振荡环节原理框图

图1-8 振荡环节接线图

图1-8为振荡环节的模拟线路图，它是由惯性环节，积分环节和一个反相器组成。根据它们的传递函数，可以画出图1-7所示的方框图，图中

欲使图1-8为振荡环节，须调整参数K 和T 1，使0<ξ<1，呈欠阻尼状态。即环节的单位阶跃响应呈振荡衰减形式。

四、实验内容与步骤

1、分别画出比例、惯性、积分、微分和振荡环节的电子电路图。

1、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 记录其单位阶跃响应波形。

1）、比例环节 G 1(S)=1和G 2(S)=2

2）、积分环节 G 1(S)=1/S 和G 2(S)=1/（0.5S ）

1

1112

22112121i o 112321211221=21= , 1=2 , = +2+ = ++ =++=(S)U (S)U = 1+=

:

(8) = , =, = ΚΤΤT T K S S T /K T /S S T /K K S S T K Τ

ΚΚ)S T (S K )S (G .C R ΤC R ΤR /R Κn n n n n n ωξξωωωξωω则其中可求得开环传递函数为由图

3）、比例微分环节 G 1(S)=2+S 和G 2(S)=1+2S

4）、惯性环节 G 1(S)=1/(S+1)和G 2(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）、画出六种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 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ξ=1， 0<ξ <1， 和ξ > 1三种状态下的单

位阶跃响应。

3、分析增益K 对二阶系统单位阶跃响应的超调量σP 、峰值时间tp 和调

整时间ts 。

4、研究系统在不同K 值时对斜坡输入的稳态跟踪误差。

一、 实验原理

10

1.010)( )6221++=++=

S S K S S T K S G 振荡环节

图3-1 二阶系统的模拟电路

图3-1为二阶系统的模拟电路图，

它是由惯性环节、积分环节和反相器

组成。图3-2为图3-1的原理方框图，

图中K=R 2/R 1， T 1=R 2C 1，T 2=R 3C 2。

由图3-2求得二阶系统的闭环传递函 图3-2 二阶系统原理框图

数为：

调节开环增益K 值，不仅能改

变系统无阻尼自然振荡频率ωn 和ξ

的值，还可以得到过阻尼(ξ>1)、临界

阻尼（ξ=1）和欠阻尼（ξ<1）三种

情况下的阶跃响应曲线。

（1）、当K >0.625， 0 < ξ < 1， 图3-3 0 < ξ < 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： : (1) ++=++

= 2112212221数为而二阶系统标准传递函T T /K S T S T T /K K S T T T K )S (U )S (U i O (2) +2+=222n n n S S )S (G ωξωω

6250= , 10= , 50=T , 20=T 4= , =

(2),(1) 211221K .K S .S .K

T T T T K n n ξωξω则若令得和式对比式线

态下的单位阶跃响应曲为二阶系统在欠阻尼状图式中3-3 . 1

(3)

) 1sin(11

1)( 22

12ξωωξξωξξω-=-+--=--n d d t o tg t t u e n

（2）、当K =0.625时，ξ=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 ξ=1时的阶跃响应曲线

（3）、当K < 0.625时，ξ> 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σp 、t p 和t s 的值。

3、调节开环增益K ，使二阶系统的阻尼比707.021

==ξ ，观察并记录

此时的单位阶跃响应波形和σp 、t p 和t s 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ξ和ωn 值。据此，求得相应的动态性能指标σp 、t p 和t s ，并与实验所得出的结果作一比较。

3、写出本实验的心得与体会。

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？ e t

n o n t t u ωω-+-=)1(1)()

1S 2.0(S 5.0K

)S (G +

=

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？