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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前言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。1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................................................................................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..........................................................................................................................12附录二..........................................................................................................................131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1．比例环节:方块图模拟电路图图中：fPiRKR分别求取Ri=1M，Rf=510K(KP=0.5)；Ri=1M，Rf=1M(KP=1)；Ri=510K，Rf=1M(KP=2)时的阶跃响应。2．积分环节：2方块图模拟电路图图中：分别求取Ri=1M，Cf=1μ(Ti=1秒)；Ri=1M，Cf=4.7μ(Ti=4.7秒)；Ri=1M，Cf=10μ(Ti=10.0秒)时的阶跃响应曲线。3．比例积分环节：方框图模拟电路图图中：分别求取Ri=Rf=1M，Cf=4.7μ(KP=1，Ti=4.7秒)；Ri=Rf=1M，Cf=10μ(KP=1，Ti=10秒)；Ri=2M，Rf=1M，Cf=4.7μ(KP=0.5，Ti=4.7秒)时的阶跃响应曲线。4.一阶惯性环节：方块图模拟电路图3图中：分别求取(Ri=Rf=1M，C=1μ(K=1，T=1秒)；Ri=Rf=1M，C=4.7μ(Kp=1，T=4.7秒)；Ri=510K，Rf=1M，C=4.7μ(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e1+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？1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、实验内容典型二阶系统方块图其闭环传递函数：模拟电路图2运算放大器运算功能：1．调整Rf=40K，使K=0.4(ζ=0.2)；取R=1M，C=0.47μ，使T=0.47秒(ωn=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①。2．保持ζ=0.2不变、阶跃扰动X(t)=1(t)V不变，取R=1M，C=1.47μ，使T=1.47秒(ωn=1/1.47)，记录响应曲线Y(t)，记作②。3．保持ζ=0.2不变、阶跃扰动X(t)=1(t)V不变，取R=1M，C=1.0μ，使T=1.0秒(ωn=1/1.0)，记录响应曲线Y(t)，记作③。4．保持ωn=1/1.0不变，阶跃扰动X(t)=1(t)V不变，调整Rf=80K，使K=0.8(ζ=0.4)，记录响应曲线Y(t)，记作④。5．保持ωn=1/1.0不变，阶跃扰动X(t)=1(t)V不变，调整Rf=200K，使K=2.0(ζ=1.0)，记录响应曲线Y(t)，记作⑤。3以上内容用表格表示为：分别标出各条曲线的MP(tp)、ts,将曲线①、②、③进行对比;③、④、⑤进行对比;将③中的MP(tp)、ts与理论值进行比较。三、思考题1．推导模拟电路的闭环传递函数确定ωn、ζ和R，C，Rf，Ri的关系。2．若模拟实验中Y(t)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？4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。二、实验设备1．XMN-2型机。2．示波器或CAE98。3．万用表。三、实验内容三阶系统方块图三阶系统模拟电路图图中：1．求取给定三阶系统的临界开环比例系数Kj1；给定三阶系统如上图所示，其中：Cf1=Cf2=Cf3=0.47μ；Ri3=1M。5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。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。(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*Kj1时的系统响应曲线。(t=5秒/cm；y=100mV/cm)。(3)记录当K=5/4*Kj1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。1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)。二、实验设备1．XMN-2型机。2．示波器。3．函数信号发生器。4．万用表。三、实验内容典型二阶系统方块图ωn──无阻尼自然频率ζ──阻尼比其闭环频率响应为：其中：2模拟电路图运算放大器运算功能：1．选定R，C，Rf值，使ωn=1，ζ=0.2；2．用信号发生器的正弦波作为系统的输入信号，即x(t)=XSinωt，稳态时其响应为y(t)=YSin(ωt+φ)；3．改变输入信号的频率，使角频率ω分别等于(或接近等于)，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)=XSinωt和正弦输出响应y(t)=YSin(ωt+φ)。记录曲线序号依次记作①，②，③，……⑩；4．按下述表格整理实验数据:35．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，ωr；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ωn值或ζ值，重复上述步骤3，4，5，6，(选作)。四、思考题1．理论计算不同ω值时的L(ω)和φ(ω)，并与实验结果进行比较。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4附录一OP07运算放大器1．管脚图及典型电路（见图1和图2）图1管脚图图2典型电路2．主要电特性（1）输入失调电压：85μV（typ）（2）输入失调电压温漂：0.5μV/0C（typ)（3）输入电阻：33MΩ（typ)（4）电压增益：400V/mV（typ)（5）增益带宽积：0.6MHz（typ)（6）电源电压：±22V(max)（7）输出电压：±11V（Vs=±15V5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286～586）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：0.4ms～655.36s(2500Hz～0.00154Hz)。CAE-98采样、打印的曲线:二阶系统阶跃响应曲线