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1、控制工程实验指导书（机电工程专用书）阎红娟北方工业大学机械系2008年 12月目录实验一低阶系统的模拟及动态测试2实验二典型环节频率特性的测试7附录 1ELVIS 简介14附录 2放大器使用说明23实验一 低阶系统的阶跃响应测试一、实验目的1学习利用运算放大器上建立动态模型的方法。2.学习采用NI ELVIS进行阶跃响应测试的方法。3了解一、二阶系统阶跃响应的测试方法。二、实验设备 NI ELVIS套件、计算机。三、实验运算电路1、比例环节传递函数：2、一阶惯性环节传递函数：) U (s) G(s) =0U (s)Ts +1iR其中K = -2 T = R CR21图 1-2 一阶惯性环节3、
2、二阶振荡环节传递函数：G(s)二寻iW 2ns 2 + 23 s + W2nn式中：W 2 =-12n R R CC24若取 R C 二 0.00131R C = 0.001，贝I：420.0012 R C32图 1-3 二阶振荡环节四、实验步骤1比例环节响应测试1）断电，按图1-1所示比例环节的运算电路接线，取R = 10KQ，选取R = 10KQ使12K为1；2）放大器输入端接ELVIS信号发生器输出端，输入接ELVIS数字示波器输入端；3）接线准确无误后，接通面包板电源；4）运行ELVIS，单击示波器并打开双通道，同时观测输入输出信号；单击信号发生 器，选择方波，然后单击运行即可在示波器
3、上观察到输入信号（蓝色）和输出信号（绿 色）。波形正确后，单击single键将波形锁定，单击保存图标保存波形数据，读取所需的 参数；5）改变R，使K分别为2，5,重复步骤1）、2）、3）、4）。22一阶惯性环节响应测试建立一阶惯性环节模型，观测不同时间常数T下的阶跃响应曲线，并检验性能指标 t。s1）断电，按图1-2所示一阶惯性环节的运算电路接线，在实验板RC插口上连接电 阻R =10K和C=0.1uF的电容，选配R，使得T=0.001s。122）放大器输入端接ELVIS信号发生器输出端，输入端接ELVIS数字示波器输入端；3）接线准确无误后，接通面包板电源；4）运行ELVIS,单击示波器并打
4、开双通道，同时观测输入输出信号；单击信号发生器选择方波，并将信号频率设置在10赫兹。单击运行，观察输入输出波形，波形正确后， 在示波器面板上单击single键锁定波形，单击保存图标保存波形数据。打开CURSORS 可直接读出性能指标（5误差带），并将其填入表1-1中，并与理论值进行比较；5）改变R值，使T为0.002s，重复步骤1）、2）3）、4）。2表1-1 一阶系统数据表格T (s)R2 (Q)ts(ms)理论实测0.0010.0023二阶振荡环节响应测试建立二阶振荡环节模型，观察不同阻尼比时的阶跃响应，分析二阶系统在单位阶 跃信号作用下的动特性及系统结构参数变化对阶跃响应的影响，并检验性
5、能指标t，sa %。1）断电，按图1-3所示二阶振荡环节的运算电路接线。其中R =R =10KQ,24C =C =0.1 mF,，选配R 值，使匚=0.25；1232）放大器输入端接ELVIS信号发生器输出端，输入端接ELVIS数字示波器输入端；3）接线准确无误后，接通面包板电源；4）运行ELVIS，单击示波器并打开双通道，同时观测输入输出信号；单击信号发生 器选择方波，并将信号频率设置在10赫兹。单击运行，观察输入输出波形，波形正确后， 在示波器面板上单击single键锁定波形，单击保存图标保存波形数据。打开CURSORS 可直接读出性能指标6%误差带）t、a %，并将其填入表1-2中，并与
6、理论值进行比s较；5）改变R3值，使匚分别为0.7及2，重复以上操作。表 1-2 二阶系统数据表格R3 (Q)Mp(%)ts（ms）理论实测理论实测0.250.72五、预习要求1熟悉各类环节运算电路，并推导传递函数。2明确各类环节的性能指标，并选取试验所需参数六、实验报告要求1写明班级、姓名、学号、实验名称、实验目的。2画出各类环节的模拟运算电路，推导传递函数。3推导各类环节性能指标表达式及选配的参数值。4以表格形式列出实验结果及相应理论值。5实验结果分析及理论值的比较。6思考题的解答。7体会。七、思考题1一、二阶系统改变增益是否会出现不稳定现象？2二阶系统试验线路中如何确保实现负反馈？实验二
7、 低阶系统的频率特性测试一、实验目的学习使用采集和分析软件及计算机测量系统或环节的频率特性的方法二、实验设备NI ELVIS,计算机。三、实验运算电路i1传递函数G(s)二存二K芦册i n n式中2 =n1R RCC24120.0012 R C取 R C 二 0.001R C 二 0.001，贝U：o = 1000,匚=0.5n四、实验原理1系统的幅频特性系统的幅频特性是指输出信号与输入信号的幅值之比随频率变化的情况。因此可根 据频率变化时，幅值比的变化绘制出系统的幅频特性图。实验过程中改变信号频率，使 用 ELVIS 采集输入和输出的波形，从分析软件中读取信号的幅值大小，求出幅值比，绘 制对
8、数幅频特性图。2系统的相频特性 系统的相频特性图表示出输出信号和输入信号的相位差随频率变化的情况。由于系 统输入输出信号相位差无法直接从示波器中读出，可利用周期与角度的关系换算出相位 差。图2-3为输入输出信号波形图，信号周期T （信号周期T换算成相位角为360 ）和两个信号的时间空T均可从图中读出。式2-1为相位角和周期的关系式，其中只有9是 未知数，因此通过式2-2计算出9值，就得到所需的相位差。2-1)AT = 0V = 360图 2-3五、实验步骤1 一阶系统1）断电，按图2-1所示一阶系统的运算电路接线。其中 =10KQ, C =0.1 F,11选配R值，使T=0.001s；22）放
9、大器输入端接ELVIS信号发生器输出端，输入端接ELVIS数字示波器输入端；3）接线准确无误后，接通面包板电源；4）运行ELVIS,单击示波器并打开双通道，同时观测输入输出信号；单击信号发生 器选择正弦波，将输入波形幅值设为1V （有效幅值为0.707V）。单击运行，观察输入输 出波形，寻找输出波形幅值最大点（该点频率即为转折频率）波形正确后，在示波器面 板上单击single键锁定波形，单击保存图标保存波形数据。打CURSORS可直接读出 信号的幅值和时间差，记入表2-1 中；表2-1一阶系统5）改变信号频率（要求在转折频率附近选择10个不同的信号频率），观察图形变化情况，记录不同频率下的相角
10、滞后时间AT和输入和输出的幅值比CH B的RMS/CH A 的RMS）。计算出幅频比和相位差，并手绘波德图;6）打开NI ELVIS的波德分析（Bode Analyzer）。设定起始频率1赫兹，终止频率 1000赫兹，步长30，然后单击运行。系统开始采样绘制博德图。2二阶系统1）断电，按图2-2所示二阶振荡环节的运算电路接线其中R =R =10K,C=C =0.12 4 1 2”F选配R3值，使匚=0.5。2）放大器输入端接ELVIS信号发生器输出端，输入端接ELVIS数字示波器输入端。3）接线准确无误后，接通面包板电源。4）运行ELVIS，单击示波器并打开双通道，同时观测输入输出信号；单击信
11、号发生 器选择正弦波，将输入波形幅值设为V。单击运行，观察输入输出波形，寻找输出波形 幅值最大点（该点频率即为转折频率。波形正确后，在示波器面板上单击ingle键锁定 波形，单击保存图标保存波形数据。打开CURSORS可直接读出信号的幅值和时间差， 记如表2-2。改变信号频率，记录下一组数据。然后利用NI ELVIS的波德分析（Bode Analyze）绘制博德图，比较计算机绘图与手 工绘图有什么区别。改变值，观察博德图有何变化。表2-2二阶系统数据六、预习要求1熟悉模型线路及典型环节的频率特性。2弄清信号频率与系统转折频率的关系。七、实验报告要求1写明班级、姓名、学号、实验名称、实验目的2测
12、试方法原理。3实验数据的记录与整理。4根据实验数据和理论计算数据整理列表，在单位数坐标纸上绘制博德图并与理论 图形比较，分析产生误差的原因。5根据二阶系统的闭环频率特性，估算该系统的时域性能指标，并与理论计算值进 行比较。6回答思考题。7体会八、思考题1一、二阶系统中最后一个运放的作用。2什么样的系统可以由幅频特性确定其传递函数？为什么？幅频特性相频特性是否 总是唯一对应？附录1ELVIS 简 介一 虚拟仪器概述虚拟仪器(virtual instrument)是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目 前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器， 其典型的
13、例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩 小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将 仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪 器主要是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。信号调理被测对象数据采集卡数据处理虚拟仪器面板图I -1虚拟仪器方案虚拟仪器的主要特点有：1尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。2可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。3用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪
14、器的研究中涉及 的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛 的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。二 LabVIEW 简介LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineerin)g 是一种图形化的编程语言，它 广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软 件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个 功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得 编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代 码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉 的术语、图标和概念，因此,LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构
