自动控制理论实验指导书.docx

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自动控制理论实验指导书

自动控制理论实验指导书

1．常用仪器的使用

1.1示波器

1.观察信号

1）将接地夹就近接于待测信号的地端。

2）将信号探头接于待测信号。

3）调整示波器的输入幅度档位选择开关，选择合适的档位使信号幅度便于观察。

4）选择时间“TIME/DIV”使波形正确显示。

5）调节“微调”旋钮使波形稳定。

2．测量信号电平幅度

1）将接地夹就近接于待测信号的地端。

2）将信号探头接于待测信号。

3）调整示波器的输入幅度档位选择开关，选择合适的档位使信号幅度便于观察。

4）将输入幅度档位选择开关中心的旋钮顺时针旋到底。

5）选择时间“TIME/DIV”使波形正确显示。

调节“微调”旋钮使波形稳定。

6）将波形水平方向压缩为重合于Y轴的一条竖线，其底端点位于0点，或选择扫描时间使波形为一条水平带。

7）读出信号刻度，其结果值：

V=刻度值*幅度档位倍率

例：

幅度档位倍率=0.1v，刻度值=1.6格

则：

测量信号电平幅度V=0.1*1.6=0.16（V）

3．测量信号周期、频率

1）将接地夹就近接于待测信号的地端。

2）将信号探头接于待测信号。

3）调整示波器的输入幅度档位选择开关，选择合适的档位使信号幅度便于观察。

4）将“微调”旋钮顺时针旋到底。

5）选择合适的时间“TIME/DIV”使波形正确显示。

6）将波形水平方向移动，使信号的顶点、或0点、或其他位置重合于Y轴。

7）读出一个周期内的信号刻度值，其周期结果值：

T=刻度值*时间档位倍率

例：

时间档位倍率=0.1ms，刻度值=2

则：

T=0.1*2=0.2ms

8）频率F=1/T，按正确的换算关系换算出频率值。

F=1/0.2=5（kHz）

注意：

为了容易换算，时间档位可选择1ms（1us），其频率为1kHz（1MHz）。

1.2信号发生器

1．测量信号周期、频率

1）将接地夹就近接于待测信号的地端。

2）将信号线接“外部输入”端子，探头接于待测信号。

3）按“菜单”、“测量”按钮。

4）按“频率”或“周期”按钮。

5）读出测量值。

2。

信号发生器

1）将接地夹就近接于待输入信号的地端。

2）将信号线接“电压输出”端子，探头接于待输入信号位置。

3）按“菜单”、“主波”按钮。

4）按“波形”、“正弦波”按钮。

5）按“频率”按钮，在最下排选择单位：

MHz、kHz、Hz

6）在数字键盘输入要输出的频率值，按OK按钮。

7）按“幅度”按钮。

8）在数字键盘输入要输出的幅度值，按OK按钮。

9）按“菜单”按钮，显示并按设置参数输出信号。

1.3毫伏表

1.调0

1）选择合适档位，原则是根据估计的电平值，选择能使指针最大偏转为宜。

2）将探头插入调0孔内。

3）调节“调0”旋钮，使表针指向0位。

2．测量

1）将接地夹就近接于待测信号的地端。

2）探头接于待测信号。

3）读出测量值。

注意：

每次使用前都要调0。

思考题：

1.用信号发生器输出一个1V，100kHz的正弦波。

2.用示波器观察、测量上述信号，两者结果有何异同？

3.用毫伏表测量其幅度，与用示波器测量结果有何区别？

两者之间的关系是什么？

实验一控制系统典型环节的模拟

利用运算放大器的基本特性，如：

开环增益高，输入阻抗大、输出阻抗小等，通过设置不同的反馈网络，可以模拟各种典型环节。

一．实验目的

●掌握用运算放大器组成控制系统典型环节的电子电路。

●观察几种典型环节的阶跃响应曲线。

●了解参数变化对典型环节阶跃响应的影响。

二．实验仪器

●THSCC-1实验箱一台。

●示波器一台。

三．实验内容

1．比例环节

比例（P）环节其方框图为

G（S）=-uo（s）/ui（s）=Z2/Z1=K

当输入为单位阶跃信号，即ui=-1V时，ui（s）=

，则uo（s）=K

，所以输出响应为：

uo（t）=K（t≥0）。

选择：

K=R2/R1=2

实验步骤：

（1）顺时针调节示波器的时间旋钮，使光标为一直线，并位于0点。

（2）顺时针调节实验箱的旋钮，使阶跃信号为负。

（3）阶跃信号接到示波器上，调节实验箱和示波器的幅度旋钮。

使跳变幅度为一格（模拟为-1V）。

（4）接好实验线路，按下阶跃信号按钮，观察示波器的波形。

幅度跳变应为+2V（向上两格）。

（5）令G（S）=1，重复上述实验，观察波形。

（6）将输入信号改为方波信号，重复上述实验，观察波形。

2.惯性环节

G（S）=Z2/Z1=K/（TS+1）

K=R2/R1，T=R2*C

实验步骤：

（1）逆时针调节示波器的时间旋钮和微调旋钮，使光标为一光点，并位于0点线上。

（2）顺时针调节实验箱的旋钮，使阶跃信号为负。

（3）阶跃信号接到示波器上，调节实验箱和示波器的幅度旋钮。

使跳变幅度为为一格（模拟为-1V）。

（4）令G（S）=1/（0.1S+1），

即K=1，取R1=R2。

T=0.1，取R2=100k、C=1uF，则T=105*10-6=0.1。

接好实验线路，按下阶跃信号按钮，观察示波器的波形。

（5）令G（S）=1/（0.5S+1），重复上述实验，观察波形。

3.积分环节

G（S）=Z2/Z1=1/TS

T=R1*C

实验步骤：

（1）逆顺时针调节示波器的时间旋钮和微调旋钮，使光标为一光点，并位于0点线上。

（2）顺时针调节实验箱的旋钮，使阶跃信号为负。

（3）阶跃信号接到示波器上，调节实验箱和示波器的幅度旋钮。

使跳变幅度为为一格（模拟为-1V）。

（4）令G（S）=1/0.1S，即T=0.1，取R1=100k、C=1uF，则T=105*10-6=0.1。

接好实验线路，按下阶跃信号按钮，观察示波器的波形。

（5）令G（S）=1/0.5S，重复上述实验，观察波形。

4.比例微分环节

G（S）=Z2/Z1=K（TS+1）

K=R2/R1，T=R1*C

实验步骤：

（1）逆顺时针调节示波器的时间旋钮和微调旋钮，使光标为一光点，并位于0点线上。

（2）顺时针调节实验箱的旋钮，使阶跃信号为负。

（3）阶跃信号接到示波器上，调节实验箱和示波器的幅度旋钮。

使跳变幅度为为一格（模拟为-1V）。

（4）令G（S）=0.1S+1，即K=1，T=0.1，取R1=100k、C=1uF，则T=105*10-6=0.1。

接好实验线路，按下阶跃信号按钮，观察示波器的波形。

（5）令G（S）=0.5S+1，重复上述实验，观察波形。

实验报告：

1.绘制出各实验的原理图，并标明参数。

2.绘制出各实验的波形。

分析各波形结果。

3.思考题：

惯性环节在什么条件下，分别近似于积分环节或比例环节？

实验二一阶系统的时域响应

一．实验目的

●观察一阶系统的阶跃瞬态响应曲线。

●测量一阶系统的时间常数。

二．实验仪器

●THSCC-1实验箱一台。

●示波器一台。

三．实验内容

Uo（t）=1一e-t/T

T=Ro*C=51k*0.1uF=5.1ms

当t=T时，Uo（t）=E（1一e-1）=0.632E，这表示当Uo（t）上升到稳定值的0.632E时，对应的时间就是一阶系统的时间常数T。

根据该原理即可求出一阶系统的时间常数T。

四．实验步骤：

（1）顺时针调节示波器的时间微调旋钮到底。

（2）接好实验线路，使用实验箱的方波信号来模拟跃信号。

（3）方波信号接到实验线路输入端。

按下f2按钮，调节一个频率使波形稳定（顺时针频率升高，反之），并使波形出现平顶和平底（表示电容已经充满电）。

（4）示波器上，把探头接输出端，观察波形。

调节示波器的时间旋钮使输出波形稳定。

（5）调节示波器的幅度档位，使波形的最高点与最低点占Y轴的整数格，例如5格或6格。

（6）在输出波形上在最大值0.63处，读出X轴上的时间值，即T值。

方法是：

X轴的格数乘以时间档位的值。

例如：

从输入的方波读出幅度所占Y轴的格数为6。

则6*0.63=3.8

从Y轴的3.8处读出X轴上的时间值为1格，此时时间档位的值为5ms，则1*5ms=5ms。

五．实验报告：

1.绘制出实验的原理图，并标明参数。

2.绘制出实验的波形。

分析各波形结果。

3.从示波器测出的T值与理论值比较，得出结论。

实验三二阶系统的瞬态响应

一．实验目的

●熟悉二阶系统的组成。

●确定0<ξ<1、ξ>1二阶系统的阶跃瞬态响应曲线。

二．实验仪器

●THSCC-1实验箱一台。

●示波器一台。

三．实验内容

典型二阶系统一般形式的结构图和传递函数如下：

典型二阶系统由惯性环节、积分环节和反号器组成，K=R2/R1，T1=R2C1，T2=R3C2，其闭环传递函数为：

而二阶系统标准传递函数一般形式为：

其中：

称为自然频率或无阻尼振荡频率；

ζ称为阻尼比或相对阻尼系数。

对比上述两式得：

、

四．实验步骤：

（1）逆时针调节示波器的时间旋钮和微调旋钮，使光标为一光点，并位于0点线上。

示波器的幅度档位选择“DC”。

（2）逆时针调节实验箱的旋钮，使阶跃信号为正。

（3）阶跃信号接到示波器上，调节实验箱和示波器的幅度旋钮。

使跳变幅度为为一格（模拟为+1V）。

（4）1<ξ：

令R1=100k、R2=51k、R3=200k、C1=1uF、C2=1uF。

K=R2/R1=2，T1=R2C1=51×1=0.051s，T2=R3C2=200×1=0.2s，即1<ξ=1.4,属于过阻尼状态，系统的响应为单调上升波形。

接好实验线路。

按下阶跃信号按钮，观察示波器的波形。

ξ=1：

属于临界阻尼状态，系统的响应为单调上升波形。

（5）0<ξ<1：

令R1=50k、R2=100k、R3=200k、C1=1uF、C2=0.1uF。

即0<ξ=1/6<1,属于欠阻尼状态，系统的响应为衰减震荡波形。

其中：

阻尼自然频率

、β=ζ

t

、

、

按下阶跃信号按钮，观察示波器的衰减震荡波形。

（6）ξ=0：

令R3=0，属于无阻尼状态，系统的响应为等幅震荡波形。

五．实验报告：

1.绘制出实验的原理图，并标明参数。

2.绘制出实验的波形。

分析各波形结果。

实验四信号的采样与恢复

一．实验目的

●了解电信号的采样与恢复原理。

●验证采样定理。

二．实验仪器

实验室：

信号与系统实验室

设备：

●THSCC-1信号与系统实验箱一台。

●示波器一台。

三．实验内容

●将连续的时间信号进行采样，观察采样后的离散时间信号波形。

●将离散时间信号恢复，观察恢复后的信号，并与原信号进行比较。

●改变采样频率，观察采样后的离散时间信号波形。

观察恢复后的信号，并与原信号进行比较。

●连续改变采样频率，观察采样后的离散时间信号波形。

观察恢复后的信号，并与原信号进行比较，从失真到开始不失真，确定最低的采样频率fs（t）。

四.实验步骤：

（1）按下正弦波和f2波段开关，从实验箱输出一个100Hz~300Hz、幅度为1V的正弦波f（t），加到采样器的输入端f（t）。

（2）用双踪示波器分别观察输入f（t）与采样信号S（t）的波形。

并测量出频率（或周期）。

（3）用双踪示波器分别观察离散信号fs（t）与恢复信号f’（t）的波形，比较异同之处。

（4）用双踪示波器分别观察输入信号f（t）与恢复信号f’（t）的波形，比较异同之处。

（5）调节采样频率旋钮改变采样频率fs（t），直到f’（t）失真。

反向调节采样频率旋钮改变采样频率fs（t），直到f’（t）开始不失真（即输入信号f（t）与恢复信号f’（t）相同），使恢复的正弦波信号f’（t）处于刚好不失真的临界点。

测量出此时离散信号S（t）的频率（或周期），记录该fs（t）值，即为实际的最低的不失真采样频率fs（t）。

（6）用三角波或其它波重复上述实验。

五．实验报告：

1.绘制出实验的原理图。

写出实验目的与步骤。

2.绘制出实验的f（t）、fs（t）、f’（t）波形。

分析各波形结果。

3.测出最低的采样频率fs（t）。

4.思考题：

按抽样定理：

fs>=2fmax（t），即可不失真还原，实际测出的最低的采样频率fs（t）远大于理论值2fmax（t），为什么？

5.恢复信号时失真产生的原因是什么？

实验五典型非线性环节的模拟

一．实验目的

●了解典型非线性环节的模拟方法。

●验证采样定理。

二．实验仪器

●THSCC-1实验箱一台。

●示波器一台。

三．实验内容

1.继电器特性

实验步骤：

（1）按下实验箱上的低频函数信号发生器的正弦波按钮和f2按钮，输出一个正弦波，加到Ui输入端。

（2）用双踪示波器的X轴接Ui输入端，Y轴接Uo输出端。

（3）调节两只电位器的旋钮，可改变输出的限幅值M。

（4）观察输出曲线。

2.饱和特性：

实验步骤同上。

四．实验报告

1.绘制出实验的原理图。

2.绘制出实验的波形。

分析各波形结果。