【正文】 模式下觀測；選用正弦信號作為測試信號時，可在Xt顯示模式下觀測。二．實驗內(nèi)容1．用相平面法分析繼電型非線性系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。接線完成，經(jīng)檢查無誤，再給實驗臺上電后，啟動上位機程序，進入主界面。要特別注意，除單個比例環(huán)節(jié)外，對其它環(huán)節(jié)或系統(tǒng)都必須考慮環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的時間常數(shù)，如仍選擇“輸入波形占空比”為50%，那么“輸入波形周期”至少是環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的最大時間常數(shù)的6～8倍。3．利用實驗設(shè)備，設(shè)計并連接一飽和型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，利用階躍輸入作測試信號，觀測和記錄系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡，利用該相軌跡分析系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差，并與測得的系統(tǒng)偏差的階躍響應(yīng)作比較。該系統(tǒng)在（,）：圖中分界線方程為： （6－5）式中為反饋系數(shù)，（＝），增加反饋電阻現(xiàn)象更明顯。（3）利用階躍輸入作為測試信號，觀測和記錄系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡與e(t)的階躍響應(yīng)。（2），利用實驗臺上的單元電路UUU1U1U15和U8，設(shè)計并連接一飽和型非線性三階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。四．附錄1．繼電型非線性三階系統(tǒng).：已知理想繼電型非線性環(huán)節(jié)的描述函數(shù)為，線性部分的傳遞函數(shù)為。，如不斷減小線性部分增益（、R3的阻值實現(xiàn)），可以使系統(tǒng)的非線性環(huán)節(jié)的軌跡和系統(tǒng)線性部分軌跡不相交，即意味著減小線性部分增益可以使極限環(huán)消失,使系統(tǒng)變?yōu)榉€(wěn)定系統(tǒng)。（3）改變系統(tǒng)模擬電路接線，測取階躍響應(yīng)，并與軟件仿真結(jié)果比較。四．附錄1．典型二階系統(tǒng)全狀態(tài)反饋的極點配置設(shè)計方法： (1)被控對象狀態(tài)方程與能控性若被控系統(tǒng)（A、B、C）完全能控，則通過狀態(tài)反饋可以任意配置極點。（3）全狀態(tài)反饋系數(shù)設(shè)計取X1，X2，X3為狀態(tài)變量。三．實驗步驟1．采樣控制系統(tǒng)的混合仿真研究方法（1）參閱本實驗附錄1（1），利用實驗設(shè)備上的電模擬單元電路U9和U11，設(shè)計并連接已知傳遞函數(shù)的連續(xù)被控對象的模擬電路。選擇“采樣時間”為“200Hz/5ms”。（2）在上位機界面上，重新調(diào)用“采樣控制”， 固定放大系數(shù)，改變數(shù)字控制器的采樣時間和采樣開關(guān)T，觀測采樣控制時間和采樣開關(guān)T的變化對采樣控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。先將模擬對象離散化，： （9－2）數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)為： 故閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：（9－3）得到閉環(huán)特征方程（9－4）對二階系統(tǒng)，可直接從閉環(huán)極點分布判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性，如果極點在單位圓內(nèi)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。3．改變該數(shù)字控制器的參數(shù)，觀測參數(shù)變化對采樣控制系統(tǒng)的動態(tài)性能的影響。（3）接線完成，經(jīng)檢查USB通訊線是否接好，啟動上位機程序，進入主界面。⑤以上設(shè)置完成后，按“啟動/暫?！辨I啟動實驗或暫停實驗，動態(tài)波形得到顯示，如上述參數(shù)設(shè)置合理就可以在主界面中間得到系統(tǒng)的“階躍響應(yīng)”。采用和實驗4相同的方法，得到的串聯(lián)校正裝置的連續(xù)傳遞函數(shù)為 （10－3）對于，用一階差分近似離散化，以代入，得到校正裝置的離散傳遞函數(shù)為 （10－4）推得串聯(lián)校正數(shù)字控制算法 （10－5）2．具有串聯(lián)校正數(shù)字控制器的采樣控制系統(tǒng)的混合仿真研究 ，圖中虛線框內(nèi)部分，包括測試信號、校正控制器、采樣開關(guān)、數(shù)字控制器和零階保持器等，由上位機和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)，如式（10－4）所示；而框外部分，即連續(xù)被控對象則采用電路模擬實現(xiàn)。給定Ug由ACCT01A自動控制理論及計算機控制技術(shù)的實驗面板上的電源單元U1提供，～15V。參考的試驗參數(shù)為：R0=R1=R2=100KW，R3=100KW，R4=2MW，R5=10KW，C1=1mF，Rf/Ri=1。4．在閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，外加干擾信號，系統(tǒng)達到無靜差。PID調(diào)節(jié)器的輸出作為脈寬調(diào)制的輸入信號，經(jīng)脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生占空比可調(diào)0～100％的脈沖信號，作為對加溫室里電熱絲的加熱信號。（3）經(jīng)過PID運算調(diào)節(jié)器輸出（0～10V）接到ACTWKA面板上溫度的檢測和控制單元的脈寬調(diào)制的輸入端Uin兩端，脈寬調(diào)制后輸出的電壓作為加溫室里電熱絲加熱的輸入電壓。5．改變給定信號，觀察系統(tǒng)動態(tài)特性。根據(jù)實際的設(shè)計要求，調(diào)節(jié)反饋系數(shù)b，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。（4）液位測量經(jīng)壓力變送器檢測水箱里的水壓即水位轉(zhuǎn)換成電壓輸出信號，作為電壓反饋信號，將液位測量的輸出接到電壓反饋電路的輸入端。脫離實驗設(shè)備，本軟件將無法正常使用。：數(shù)據(jù)將被保存LabVIEW格式的圖形文件。安裝完成后,執(zhí)行文件為安裝目錄下的“求是教儀”。 預(yù)裝軟件： 上位機軟件Microsoft Word 97/2000第三章 功能使用說明3．1 實驗主界面實驗主界面如圖（）所示。橫、縱坐標(biāo)幅值范圍為10V～10V，XY模式主要用于顯示李沙育圖形等。：橫坐標(biāo)為采樣通道X值，縱坐標(biāo)為采樣通道Y值。* 顯示規(guī)格800 X 600 VGA以上，建議使用1024 X 768。3．硬件的安裝步驟（1）關(guān)閉PC電源，連接實驗設(shè)備與計算機的USB電纜。該附錄對實驗原理作了說明，包括系統(tǒng)的框圖、參考傳遞函數(shù)、電路、典型參數(shù)和參考實驗結(jié)果等等。第一章 概 述控制理論實驗上位機程序，是為求是公司生產(chǎn)的自動控制理論實驗裝置配套的上位機控制程序。（1）將ACCT01A面板上U1單元的可調(diào)電壓接到Ug；（2）給定輸出接PID調(diào)節(jié)器的輸入，這里參考電路中Kd=0，R4的作用是提高PI調(diào)節(jié)器的動態(tài)特性。 PID調(diào)節(jié)器的輸出作為水泵的輸入信號，經(jīng)過功率放大后作為水泵的工作電源，從而控制水的流量。4．在閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，外加干擾信號，系統(tǒng)達到無靜差。需注意的是運放的鎖零信號G接－15V。在參數(shù)給定的情況下，經(jīng)過PID運算產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，使加溫室里的溫度穩(wěn)定在給定值。調(diào)節(jié)反饋系數(shù)b=Rf/Ri，從而調(diào)節(jié)輸出的電壓Uo。四．實驗內(nèi)容及步驟，除了實際的模擬對象和轉(zhuǎn)速計表外，其中的模擬電路由ACCT01A自動控制理論及計算機控制技術(shù)實驗板上的運放單元和備用元器件搭建而成。 直流電機調(diào)速系統(tǒng)框圖三．實驗原理，它由給定、PID調(diào)節(jié)器、電機驅(qū)動單元、轉(zhuǎn)速測量電路和輸出電壓反饋等幾個部分組成。四．附錄1．設(shè)計串聯(lián)校正數(shù)字控制算法這里介紹一種常用方法：（1）在已知被控對象連續(xù)傳遞函數(shù)條件下，先按連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正要求設(shè)計串聯(lián)校正裝置，得到它的連續(xù)傳遞函數(shù)；（方法參見實驗4附錄）（2）然后用一階差分近似方法，離散化串聯(lián)校正裝置的連續(xù)傳遞函數(shù)，得到該校正裝置的離散傳遞函數(shù)；（3）最后從該校正裝置的離散傳遞函數(shù)，推得串聯(lián)校正數(shù)字控制算法。注意允許的采樣周期最小值為1ms。再將運放的鎖零端“G”與電源單元U1的“15V”相連。二．實驗內(nèi)容1．根據(jù)已知的被控對象的連續(xù)傳遞函數(shù)，按串聯(lián)校正要求設(shè)計串聯(lián)校正數(shù)字控制算法。用混合仿真系統(tǒng)研究采樣控制系統(tǒng)，比用電路模擬系統(tǒng)或全數(shù)字仿真系統(tǒng)都優(yōu)越，因為它更接近實際系統(tǒng)。2．采樣控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性研究（1）在上位機界面上，重新調(diào)用“采樣控制”，固定采樣時間和采樣開關(guān)T，改變數(shù)字控制器的放大系數(shù)，觀測放大系數(shù)變化對采樣控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。②硬件按上述接線完后，檢查USB通訊連線是否接好和檢查實驗設(shè)備電源是否正常后，如果有問題則請求指導(dǎo)教師幫助。二．實驗內(nèi)容1．利用實驗設(shè)備設(shè)計并實現(xiàn)已知被控對象為典型二階連續(xù)環(huán)節(jié)的采樣控制混合仿真系統(tǒng)。X2，X3為狀態(tài)變量，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)可以表示為被控對象狀態(tài)方程S(A,B,C)：其中 因 ，故狀態(tài)完全可控。以上兩步驟中，測取階躍響應(yīng)以及系統(tǒng)軟件仿真的具體操作方法請參閱“實驗一”的實驗步驟2和3，這里不再贅述。三．實驗步驟1．典型二階系統(tǒng)（1）參閱本實驗附錄1，對一已知二階系統(tǒng)（）用極點配置方法設(shè)計全狀態(tài)反饋系數(shù)。2．飽和型非線性三階系統(tǒng)：：已知飽和型非線性環(huán)節(jié)的描述函數(shù)為，從兩者有無交點可判斷出系統(tǒng)是否存在極限環(huán)振蕩。（4）對兩種方法得到的結(jié)果進行比較（5），通過增大R1或R3，減小線性部分增益，用上述實驗方法測量極限環(huán)振蕩的振幅和周期，直至該振蕩現(xiàn)象消失。2．飽和型非線性三階系統(tǒng)的描述函數(shù)法研究（1）參閱本實驗附錄2，用描述函數(shù)法分析飽和型非線性三階系統(tǒng)，求取極限環(huán)振蕩的振蕩頻率與幅值。參考“實驗三”，可利用上位機的“軟件仿真”功能得到該系統(tǒng)線性部分G(jω)的開環(huán)頻率特性(Neguist圖)?？梢奨1即為－，X2即為－。參閱本實驗附錄2,，利用實驗設(shè)備上的單元UUUU1U1U15和U8可連成實驗所需帶速度負反饋的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。④進入實驗設(shè)置：首先對實驗參數(shù)進行設(shè)置，選擇“測試信號”為“周期階躍信號”，選擇“占空比”為50%，選擇“T/DIV”為“”，選擇“幅值”為“6V”(根據(jù)實驗曲線調(diào)整大小)，設(shè)置“偏移”為“0”。在熟悉上位機界面操作的基礎(chǔ)上，充分利用上位機提供的虛擬示波器與信號發(fā)生器功能。實驗六 非線性系統(tǒng)相平面法一．實驗?zāi)康?．學(xué)習(xí)用相平面法分析非線性系統(tǒng)。實驗時，可以用周期斜坡或正弦信號作為測試信號進行靜態(tài)特性觀測。注意信號頻率的選擇應(yīng)足夠低，如1Hz。改變U5中的電阻R1（＝R2）的阻值，即可改變死區(qū)特性死區(qū)的寬度Δ，Δ隨R1增大而增大。3．利用實驗設(shè)備，設(shè)計并連接具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)的模擬電路，完成該環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性測試；并改變參數(shù)，觀測參數(shù)對靜態(tài)特性的影響。按“Start”按鈕啟動實驗，動態(tài)波形得到顯示，直至周期反應(yīng)過程結(jié)束，實驗也自動結(jié)束，如設(shè)置合理就可以在主界面中間得到反映該非線性環(huán)節(jié)靜態(tài)特性的波形。接線完成，經(jīng)檢查無誤，再給實驗設(shè)備上電后，啟動上位機程序，進入主界面。4．完成具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)靜特性的電路模擬研究。，串聯(lián)校正裝置電路的參數(shù)可取R1＝390，R2＝R3＝200，R4＝10，C＝。因為要求 1/s，故令校正后開環(huán)傳遞函數(shù)仍包含一個積分環(huán)節(jié)，且放大系數(shù)為25。②通過對該系統(tǒng)階躍響應(yīng)的觀察，來完成對其穩(wěn)定性和動態(tài)特性的研究，如何利用實驗設(shè)備觀測階躍特性的具體操作方法，可參閱實驗一的實驗步驟2。實驗四 線性系統(tǒng)串聯(lián)校正一．實驗?zāi)康?．熟悉串聯(lián)校正裝置對線性系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)特性的影響。6．分析實驗結(jié)果，完成實驗報告。③測試信號01的設(shè)置，“幅值”為5（可以根據(jù)實驗結(jié)果波形來調(diào)整），“測試信號”為正弦波。三．實驗步驟1．熟悉實驗設(shè)備上的信號源，掌握改變正弦波信號幅值和頻率的方法。這里的Rx可利用模擬電路單元的220K電位器，改變Rx即可改變K2，從而改變K，得到三種不同情況下的實驗結(jié)果。4．利用實驗備觀上的模擬電路單元，設(shè)計并連接由一個積分環(huán)節(jié)和兩個慣性環(huán)節(jié)組成的三階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路（如用UU1U1U10和U8連成）。2．研究典型系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。4．比例微分(PD)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、方塊圖、模擬電路和階躍響應(yīng)比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： 、。這樣，實驗中才能觀測到階躍響應(yīng)的整個過程。接線完成，經(jīng)檢查無誤，再上電，啟動上位機程序，進入主界面。三．實驗步驟1．熟悉實驗設(shè)備，利用實驗臺上的模擬電路單元，參考本實驗附錄設(shè)計并連接各種典型環(huán)節(jié)（包括比例、積分、比例積分、比例微分、比例積分微分以及慣性環(huán)節(jié)）的模擬電路。II2為一組A/D輸入，II4為一組A/D輸入，II6為一組A/D輸入，II8為一組A/D輸入。如出現(xiàn) 的情況，軟件仿真就會出錯，必須設(shè)法避免。2．運算放大器邊上的鎖零點G接線要正確。單元U7為具有飽和特性的非線性環(huán)節(jié)模擬電路。（2）元器件單元U2單元提供了實驗所需的電容、電阻與電位器，另提供插接電路供放置自己選定大小的元器件。PC微機在實驗中，除了滿足軟件仿真需要外，又可成為測試所需的虛擬儀器、測試信號發(fā)生器以及具有很強柔性的數(shù)字控制器。配備ACCCI實驗臺、上位機（包含相應(yīng)軟件）、混合仿真有關(guān)的實驗必須配備。二．系統(tǒng)構(gòu)成實驗系統(tǒng)由上位PC微機（含實驗系統(tǒng)上位機軟件）、ACCCI實驗臺、。與上位機一起使用時，可同時使用其中兩個輸入和兩個輸出通道。U9～U16的每個單元內(nèi)，都有用場效應(yīng)管組成的鎖零電路和運放調(diào)零電位器。鎖零主要用于對電容充電后需要放電的場合，一般不需要鎖零。6．受數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)據(jù)處理速率限制，作頻率特性實驗和采樣控制實驗時，在上位機界面上操作“實驗參數(shù)設(shè)置”必須注意頻率點和采樣控制頻率的選擇。實驗一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究一．實驗?zāi)康?．通過實驗熟悉并掌握實驗裝置和上位機軟件的使用方法。接線時要注意不同環(huán)節(jié)、不同測試信號對運放鎖零的要求。②硬件接線完畢后,檢查USB口通訊連線和實驗臺電源后，運行上位機軟件程序,如果有問題請求指導(dǎo)教師幫助。⑦按實驗報告需要，將圖形結(jié)果保存為位圖文件，操作方法參閱軟件使用說明書。實際PD環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： （供軟件仿真參考）5．慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、方塊圖、模擬電路和階躍響應(yīng)慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： 其方塊圖、模擬電路和階躍響應(yīng)，、其中，實驗參數(shù)取R0＝200k，R1＝200k，C＝1uF，R=10k。三．實驗步驟1．熟悉實驗臺，利用實驗臺上的模擬電路單元，設(shè)計并連接由一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)組成的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模