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1、自动控制原理实验指导书邢阳阳马冬梅王勇等重庆邮电大学移通学院、夕 4刖 百XMN-2型自动控制原理学习机是在 XMN-1型模拟计算机(自动控制学习 机)的基础上的改型机。原 XMN-1型机能完成的实验内容 XMN-2型机均可以 完成。改进的内容如下：(1)将电容C的容量缩小十倍，挑选精度提高。将电阻 R的阻值增大十 倍，挑选的精度提高。这样在 RC常数不变的情况下精度有所提高。(2)将运算放大器由通用型 LM741改为OP07 (低失调电压型)，使得 其电性能得到进一步的提高。例如：Vos减少100倍，Ios减少200倍。(详 见本书中OP07电性能参数)(3)增加了与CAE-98型计算机辅助
2、实验系统的接口。(4)将运放的调零电位器改为带有锁紧装置电位器。(5)面板上的标记使操作更为方便。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4.实验三线性系统稳定性的研究 7.实验四二阶系统的频率响应9.附录一1.2附录二1.31#实验典型线性环节的模拟、实验目的1 .学习典型线性环节的模拟方法。2 .研究阻、容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。二、实验设备1 . XMN-2 型机.2 .示波器或CAE98（见前言）。3 .万用表。三、实验内容RfEi方块图模拟电路图Rf图中：KP LR分别求取 Ri=1M , Rf=510K(Kp=0.5); Ri=1M , Rf=1M(Kp=1
3、); Ri=510K, Rf=1M(K p=2)时的阶跃响应。2.积分环节：耳(S)f三f匕方块图图中：XR分别求取 Ri=1M , Cf=1p(T=1 秒);Cf=10N (T=10.0秒)时的阶跃响应曲线。3.比例积分环节：CfRi=1M , Cf=4.7 p （T4.7 秒）；Ri=1M ,方框图模拟电路图Kp =詈；工=Rf ,Cf图中： R1分别求取 Ri=Rf=1M, Cf=4.7 n(K=1, Ti=4.7 秒)；Ri=Rf=1M, Cf=10p(K=1, Ti=10 秒)；Ri=2M, Rf=1M, Cf=4.7 (K=0.5,=4.7 秒)时的阶跃响应曲线。4.一阶惯性环节：
4、方块图Rf模拟电路图Rf T n 入T = Rf Cf图中： -分别求取(Ri=Rf=1M , C=1 p (K=1, T=1 秒)；Ri=Rf=1M , C=4.7 (Kp=1 T=4.7 秒)；Ri=510K, Rf=1M, C=4.7p(K=2 T=4.7 秒)时的阶跃响应曲线。四、思考题：1 .设计一个能满足ei+e2+e3=e。运算关系的实用加法器。2 . 一阶惯性环节在什么条件下可视为积分环节；在什么条件下可视为比例环节？#实验二二阶系统的阶跃响应、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 面对阶跃瞬态响应指标的影响、实验设备1 . X
5、MN-2 型机。2 .示波器或CAE98(见前言)3 .万用表。三、实验内容典型二阶系统方块图会F lLS)式s + 2的产其闭环传递函数：Y_式X(S) - S2 +2风5 + 玳s =无阻尼自然频率C 阳尼比8tl =1T时间常数T模拟电路图运算放大器运算功能:(oplh-5分| -.T = RC: TS 7(op2)枳分3p9反相(一 I)；R(op6)反相比例一K,K =-I R；1 . 调整 Rf=40K,使 K=0.4( ( =0.2)取 R=1M, C=0.47 从使 T=0.47 秒(con=1/0.47),加入单位阶跃扰动 X(t)=1(t)V ,记录响应曲线 Y(t),记作
6、。2 .保持(=0.坏变、阶跃扰动 X(t)=1(t)V 不变，取 R=1M, C=1.47内使T=1.47 秒(w n =1/1.47)记录响应曲线 Y(t),记作。3 .保持(=0.%变、阶跃扰动 X(t)=1(t)V 不变，取 R=1M, C=1.0内 使T=1.0 秒(w n =1/1.0)记录响应曲线 Y(t),记作。4 .保持 w n =1/1.0不变，阶跃扰动 X(t)=1(t)V 不变，调整 Rf=80K,使K=0.8 (1=0.4)记录响应曲线Y(t),记作。5 .保持 co n =1/1.0不变，阶跃扰动X(t)=1(t)V 不变，调整 Rf=200K,使K=2.0( (=
7、1.0)记录响应曲线 Y(t),记作。以上内容用表格表小为:020.41010,471I1L47分别标出各条曲线的 Mp(tp)、ts,将曲线、进行对比；、进行 对比；将中的Mp(tp)、ts与理论值进行比较。二、 思考题丫一 1 .推导模拟电路的闭环传递函数 X(S) 确定 函、(和R, C, Rf ,Ri的关系。2 .若模拟实验中Y的稳态值不等于阶跃输入函数 X(t)的幅度，其主要原因可能是什么？实验三线性系统稳定性的研究实验目的1.研究线性系统的开环比例系数 K对稳定性的影响。、实验设备1 . XMN-2 型机。2 .示波器或CAE983 .万用表。三、实验内容三阶系统方块图三阶系统模拟
8、电路图图中:1M100K + WrK = KrKrK3TIM * Cn： TIM * Cc：1 .求取给定三阶系统的临界开环比例系数Kji;给定三阶系统如上图所示，其中：Cfi=Cf2=Cf3=0.47 仙；Ri3=1Mo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(470K)。(2)加入X=0.5V的阶跃扰动。(3)调整 Wr使系统输出y呈等幅振荡，记录此输出 y 。(t=5秒/cm； y=0.5V/cm)。(4)保持 Wr不变，断开反馈线，维持 X=0.5V的扰动，测取系统输出电压 Uy 。UyK _ _则： 二2 .系统的开环比例系数 K对稳定性的影响。对于前面给定的
9、三阶系统(1)适当调整 WR,观察K增大；K减小时的系统响应曲线。(2)记录当K = 1/2* Kji时的系统响应曲线。(t=5秒/cm； y=100mV/cm)(3)记录当K = 5/4* Kji时的系统响应曲线。(t=5秒/cm； y=0.5V/cm)四、思考题1.根据实验结果，总结开环比列系数 K影响系统稳定性的规律。#实验四二阶系统的频率响应实验目的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Bode图的方法；3 .根据实验结果所绘制的 Bode图，分析二阶系统的主要动态特性（Mp, ts）.、实验设备1 . XMN-2 型机2 .示波器。3 .函数信号发生器4
10、 .万用表。、实验内容典型二阶系统方块图。 无阻尼自然频率(s + 2g)#工阻尼比其闭环频率响应为:% = (rad *其中：模拟电路图YM运算放大器运算功能：opl一积分($.T = RC)；op2一积分K.T = RC)；op9反相(1);(R 呼6反相比例K.K =|；【R1/1 1 % = - =.T RC产 K 1 RfI = - = x 2 2 R1 .选定 R, C, Rf 值，使 3 = 1 , 1 =0.22 .用信号发生器的正弦波作为系统的输入信号，即x(t尸XSin卬t稳态时其响 应为y(t尸YSin(t+W )3 .改变输入信号的频率，使角频率 分别等于(或接近等于)
11、，0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 0.9, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 2.0, 3.0rad/s,稳态时，由双笔记录仪同时分别记 录正弦输入x(t)=XSin cot和正弦输出响应 y(t)=YSin(t+4记录曲线序号依次 记作，；4 .按下述表格整理实验数据：纪录曲线序 号后阐卬（rad/。A（3）L(wXdB)小（川）（deg）5 .根据上述表格所整理出的实验数据，在半对数坐标纸上绘制Bode图，标出Mr , r ;6 .根据所绘Bode图分析二阶系统的主要瞬态响应指标 Mp, ts；7,改变二阶系统的 s值或（值，重复上述步骤3, 4, 5, 6,（选作）。四、思
12、考题1 .理论计算不同 值时的L（和小（0 ）并与实验结果进行比较。YG）_ 少2 .能否根据实验所得 Bode图确定一个二阶系统的闭环传递函数 X（k）#附录OP07运算放大器1 .管脚图及典型电路(见图 1和图2)-I vos T| v+ T| OUT VI NCNC = NO CONNECT图1管脚图TRIM图2典型电路2 .主要电特性(1)输入失调电压：85 W (typ)(2)输入失调电压温漂：0.5 M 0c(typ)(3)输入电阻：(4)电压增益：(5)增益带宽积:(6)电源电压：33M Q (typ)400V/mV (typ)0.6MHz (typ)垓V(max)(7)输出电压
13、:士1V(Vs=5V附录二CAE-98简介CAE-98型计算机辅助实验系统是以 PC机（不限机型286586）为基础, 配合XMN-2 （1）型、KJ82型等自动控制原理学习机及其它类型学习机的新一 代计算机辅助实验系统。它集长余辉（低频存储）示 波器、函数记录仪、程控 信号源、超低频信号发生器于一身，您无需再购买这些昂贵的仪器，即可完成 复 杂的各种实验。CAE-98硬件技术指标如下：A. 采集输入通道：双通道存储示波器,工作电压范围：-5V+5V。信号采集时间：6ms 26.2S/512点。信号显示时间：6ms 419.4S/512点。（时基）存储数据：8192点/通道。（文件形式存储，可自行编程分析）。B. 信号源通道：独立2路信号源，工作电压范围：-5V+5V信号波形：正弦波、余弦波、方波、高电平、正阶跃、负阶跃、三角 波、锯齿波。 信号周期：0.4ms655.36s （2500Hz0.00154Hz）。 CAE-98采样、打印的曲线：二阶系统阶跃响应曲线
