FX2NPLC试验指导书机械与材料工程学院西安文理学院.docx
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目录
实验一典型线性环节的模拟1
实验二二阶系统的阶跃响应5
实验三线性系统稳定性的研究8
实验四二阶系统的频率响应11
实验五控制系统的校正13
实验一典型线性环节的模拟
一、实验目的
1．学习典型线性环节的模拟方法
2．研究阻、容参数对典型环节阶跃响应的影响
二、实验仪器设备
1．TKCC-1型自控原理及计算机控制技术实验平台
2．示波器
3．万用表
三、实验内容
先将给定信号调节至1V，校正好示波器，注意在实验过程中适时对电容进行放电操作。
模拟电路图
1．比例环节
方框图
选择实验台上的通用电路单元（U12、U6）设计并组建相应的模拟电路，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。
若比例系数K=2时，电路中的参数取：
R1=100K，R2=200K。
模拟电路图
记录系统的阶跃响应曲线，并与理论值进行比较。
方框图
2．积分环节
选择实验台上的通用电路单元（U12、U6）设计并组建相应的模拟电路，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=100K×10uF=1）；
若积分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：
R=100K，C=1uF（T=RC=100K×1uF=0.1）；
记录系统的阶跃响应曲线，并与理论值进行比较。
模拟电路图
3．比例积分环节
方框图
选择实验台上的通用电路单元（U12、U6）设计并组建相应的模拟电路，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=1S时，电路中的参数取：
R1=100K，R2=100K，C=10uF（K=R2/R1=1，T=R2C=100K×10uF=1）；
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=R2C=100K×1uF=0.1S）。
记录系统的阶跃响应曲线，并与理论值进行比较。
模拟电路图
4．比例微分环节
方框图
选择实验台上的通用电路单元（U12、U6）设计并组建相应的模拟电路，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=0.1S时，电路中的参数取：
R1=100K，R2=100K，C=1uF（K=R2/R1=1，T=R1C=100K×1uF=0.1S）；
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=100K×10uF=1S）；
记录系统的阶跃响应曲线，并与理论值进行比较。
模拟电路图
5．一阶惯性环节
方框图
选择实验台上的通用电路单元（U12、U6）设计并组建相应的模拟电路，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=100K×10uF=1）。
若比例系数K=1、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=R2C=100K×1uF=0.1）。
若比例系数K=0.5、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=R2C=100K×10uF=1）。
记录系统的阶跃响应曲线，并与理论值进行比较。
6．比例微分环节（选做）
方框图
模拟电路图
选择实验台上的通用电路单元（U12、U6）设计并组建相应的模拟电路，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=（R1C1+R2C2）/R1C2=2，TI=R1C2=100K×1uF=0.1S，TD=R2C1=100K×1uF=0.1S）；
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=（R1C1+R2C2）/R1C2=1.1，TI=R1C2=100K×10uF=1S，TD=R2C1=100K×1uF=0.1S）；
记录系统的阶跃响应曲线，并与理论值进行比较。
四、思考题
1．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？
2．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？
五、实验报告要求
1．画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。
2．写出各典型环节的传递函数。
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。
实验二二阶系统的阶跃响应
一、实验目的
1．学习二阶系统阶跃响应曲线的实验测试方法。
2．研究二阶系统的两个重要参数ζ、ωn对阶跃瞬态响应指标的影响。
二、实验仪器设备
1．TKCC-1型自控原理及计算机控制技术实验平台
2．示波器
3．万用表
三、实验内容
典型二阶系统方框图
其闭环传递函数为：
——阻尼比或衰减系数
ωn——无阻尼自然震荡角频率
模拟电路图（电路参考单元为：
U7、U9、U11、U6）
，
1．先将给定信号调节至1V，校正好示波器，注意在实验过程中适时对电容进行放电操作。
2．依次按照如下参数设定二阶系统，观察其阶跃响应曲线，将结果记录于表一中。
序号
Rx
R
C
ζ
ωn
1
125K
51K
10μ
0.2
2
500K
200K
10μ
0.2
3
250K
100K
10μ
0.2
4
125K
100K
10μ
0.4
5
50K
100K
10μ
1.0
3．分别标出各条曲线的Mp，ts，tp，将曲线①②③进行对比，③④⑤进行对比，将③中的Mp，ts，tp与理论值进行比较。
表一二阶系统的阶跃响应结果
响应曲线
①
Mp=,ts=,tp=
③
④
⑤
Mp=,ts=,tp=
Mp=,ts=,tp=
Mp=,ts=,tp=
②
Mp=,ts=,tp=
四、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．若模拟实验中响应的稳态值不等于阶跃输入函数的幅度，其主要原因可能是什么？
3．在电路模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈？
五、实验报告要求
1．画出二阶线性定常系统的实验电路，推导模拟电路的闭环传递函数G（s），标明电路中的各参数；
2．根据测得系统的单位阶跃响应曲线，分析开环增益K和时间常数T对系统的动态性能的影响。
实验三线性系统稳定性的研究
一、实验目的
1．研究线性系统的开环比例系数K对稳定性的影响
2．研究线性系统的时间常数T对稳定性影响
二、实验仪器设备
1．TKCC-1型自控原理及计算机控制技术实验平台
2．示波器
3．万用表
三、实验内容
模拟电路图（电路参考单元为：
U7、U9、U13、U11）
三阶系统模拟电路图
三阶系统方框图
先将给定阶跃信号调节至0.5V，校正好示波器，注意在实验过程中适时对电容进行放电操作。
1．求取给定三阶系统的临界开环比例系数Kj1；给定三阶系统如图所示，其中C1=C2=C3=1.0μ；Ri3=200k。
临界开环比例系数Kj的求取方法：
1）先将电位器WR置于最大；
2）加入r（t）=0.5V的阶跃信号；
3）调整WR使系统输出c（t）呈等幅振荡，记录此时的响应曲线c（t）；
4）保持WR不变，断开反馈线，维持0.5V输入，测量系统输出电压Uc，
则：
2．系统的开环比例系数K对稳定性的影响，对于前面给定的三阶系统，适当调节WR，观察K增大，K减小时的系统响应曲线。
3．系统中各时间常数的比例系数α对稳定性的影响：
设三阶系统为：
其中：
K=K1K2K3；T=0.2s
；T2=T；T3=αT
各R和C分别取如下参数，使α=1；α=2，α=5。
T2=T
T3=αT
α=1
C1=1μF，R1=200k
C2=1μF，R2=200k
C3=1μF，R3=200k
α=2
C1=1μF，R1=100k
C2=1μF，R2=200k
C3=2μF，R3=200k
α=5
C1=1μF，R1=40k
C2=1μF，R2=200k
C3=10μF，R3=100k
记Kj1，Kj2，Kj3分别为α=1；α=2，α=5时的临界开环比例系数。
依照表一格式，绘制系统的稳定性能图谱。
说明：
1）曲线①~⑥，输入信号0.5V，曲线⑦~⑨，输入信号0.1V；
2）绘制图谱可按照①、③、②、⑤、④、⑥、⑨、⑧、⑦的顺序进行；（⑦可以不做）
3）分别求取Kj1，Kj2，Kj3。
表一系统稳定性能图谱格式
曲线
K=Kj1
K=Kj2
K=Kj3
α=1
①
④
⑦
α=2
②
⑤
⑧
α=5
③
⑥
⑨
四、思考题
三阶系统的各时间常数怎样组合时，系统的稳定性最好？
怎样组合时系统的稳定性最差？
五、实验报告要求
1．画出系统的实验电路，推导模拟电路的闭环传递函数G（s），标明电路中的各参数；
2．计算三种三阶系统的临界开环比例系数Kj及其呈现等幅振荡的自振频率ωj，并将它们与实验结果比较。
实验四二阶系统的频率响应
一、实验目的
1．学习频率特性的实验测试方法；
2．掌握根据频率响应实验结果绘制频率特性的方法。
二、实验仪器设备
1．TKCC-1型自控原理及计算机控制技术实验平台；
2．示波器
3．信号发生器
4．万用表
三、实验内容
典型二阶系统方框图
——阻尼比或衰减系数
ωn——无阻尼自然震荡角频率
其闭环频率响应为：
模拟电路图（电路参考单元为：
U7、U9、U11、U6）
，
1．选定R、C、Rf值，使ωn=10,=0.2;
2．采用信号发生器的正弦波作为系统的输入信号，即r（t）=Asinωt，稳态时系统响应为c（t）=Ysin（ωt+φ）；
3．改变输入信号的频率，使角频率分别等于（或接近于）4、6、8、9、10、12、14、16、20、30rad/s，稳态时用双踪示波器同时记录正弦输入r（t）=Asinωt和正弦输出响应c（t）=Ysin（ωt+φ）。
记录曲线序号依次记作⑴，⑵，⑶，……
；
4．按下述表格整理实验数据：
曲线序号
⑴
⑵
⑶
⑷
⑸
⑹
⑺
⑻
⑼
⑽
T（s）
ω（rad/s）
A（ω）
φ（ω）（deg）
5．根据上述表格所整理的实验数据，绘制频率特性，标出Mr和ωr；
6．改变二阶系统的ωn,值，重复上述3.4.5.6步骤。
（选做）
四、思考题
1．在实验中如何选择输入正弦信号的幅值？
2．用示波器测试相频特性时，若把信号发生器的正弦信号送入Y轴，被测系统的输出信号送至X轴，则根据椭圆光点的转动方向，如何确定相位的超前和滞后？
五、实验报告要求
1．写出被测环节和系统的传递函数，并画出相应的模拟电路图；
2．理论计算出不同ω值时的L（ω）和φ（ω），并与实验结果进行比较，绘出被测系统的幅频特性和相频特性。
实验五控制系统的校正
一、实验目的
1．研究校正装置对系统动态性能指标的影响
2．学习校正装置的设计和实现方法
二、实验仪器设备
1．TKCC-1型自控原理及计算机控制技术实验平台
2．示波器
3．万用表
未校正系统
三、实验内容
未校正系统结构框图
相应的模拟电路如图所示。
（电路参考单元为：
U7、U9、U11、U6）
未校正系统开环传递函数
，其中：
，
（
，
）
选择合理参数使得
，在该系统中加入超前校正装置，使系统的相位裕度≥50°，同时保持静态速度误差系数不变。
超前校正装置模拟电路图
超前校正装置参考模拟电路如下图
其传递函数为：
其中：
校正后系统的方框图如下：
实验步骤
1．先将给定阶跃信号调节至1V，校正好示波器，注意在实验过程中适时对电容进行放电操作。
2．调整Rx=250k，R=100k，C=10uF；计算此时未校正系统的静态速度误差系数Kv；
3．画出未校正系统开环传递函数的Bode图，确定其相位裕度和增益裕度；
4．观察并记录未校正系统的闭环阶跃响应曲线①，标出Mp，ts；
5．根据要求计算超前网络的参数Tc1，Tc2，确定相应的R1，R2，C1，C2值，构成所需要的超前校正装置。
6．单独观察并记录超前校正装置的阶跃响应曲线②；
7．将超前校正装置接入该系统中，观察并记录校正后控制系统的阶跃响应曲线③，标出Mp，ts，和曲线①进行比较。
四、思考题
1．模拟电路如下所示。
能否作为超前校正装置？
试计算其传递函数
。
2．若
，能否计算出校正后系统的闭环主导极点及与之对应的ωn，？
五、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，写出超前矫正装置的设计过程，给出校正装置的电路图，并标明参数；
2．记录实验过程中的3条阶跃响应曲线，并标出相应的动态性能指标；
3．画出校正后的系统模拟电路图。
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