自动控制原理实验指导书
东南大学 自动化学院 自动控制原理实验室2013.8
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目 录
第一章 实验系统概述 ------------------------ 3 第二章 硬件的组成及使用 -------------------- 4 第三章 THBDC-1软件的使用说明 -------------- 7 第一节 THBDC-1界面介绍 -------------------- 7 第二节 THBDC-1软件的使用说明 -------------- 第四章 自动控制原理实验 ------------------- 实验一 典型环节的电路模拟 ----------------- 实验二 二阶系统的瞬态响应 ----------------- 实验三 闭环电压控制系统研究 --------------- 实验四 系统频率特性的测试 ----------------- 实验五 Matlab/Simulink仿真实验 ----------- 实验六 串联校正研究 ----------------------- 实验七 非线性系统的相平面分析法 ----------- 实验八 采样控制系统的分析 ----------------- 实验九 控制系统极点的任意配置 ------------- 实验十 状态观测器设计 --------------------- 实验十一 控制系统大型设计实验 --------------- 实验报告封面-----------------------------------
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第一章 实验系统概述
“THBDC-1改进型控制理论·计算机控制技术实验平台”是天煌公司结合教学和实践的需要，根据东南大学自动控制原理实验室提出的要求，而进行精心设计的实验系统。适用于高校的自动控制原理、计算机控制技术等课程的实验教学。该实验平台具有实验功能全、资源丰富、使用灵活、接线可靠、操作快捷、维护简单等优点。
实验台的硬件部分主要由直流稳压电源、低频信号发生器、阶跃信号发生器、低频频率计、交/直流数字电压表、模拟运算放大器、数据采集接口单元、步进电机单元、轴流电机单元、温度控制单元、力矩电机系统、通用单元电路、电位器组等单元组成。
上位机软件则集中了虚拟示波器、信号发生器、VBScript脚本编程器、实验仿真等多种功能于一体。其中虚拟示波器可显示各种波形，有X-T、X-Y、Bode图三种显示方式，并具有图形和数据存储、打印的功能，而VBScript脚本编程器提供了一个开放的编程环境，用户可在上面编写各种算法及控制程序，由于使用了研华公司开发的PCI-1711转接卡，可以十分方便的利用Matlab/Simulink软件对被控对象进行实时控制。
实验台通过电路单元模拟控制工程中的各种典型环节和控制系统，并对控制系统进行模拟仿真研究，使学生通过实验对控制理论及计算机控制算法有更深一步的理解，并提高分析与综合系统的能力。同时通过对本实验装置中轴流电机、步进电机、炉温系统、力矩电机系统四个实际被控对象的控制，使学生熟悉各种算法在实际控制系统中的应用。
在实验设计上，控制理论既有连续部分的实验，又有离散部分实验；既有经典理论实验，又有现代控制理论实验；而计算机控制系统除了常规的实验外，还增加了当前工业上应用广泛、效果卓著的模糊控制、神经元控制、二次型最优控制等实验。
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第二章 硬件的组成及使用
一、直流稳压电源
直流稳压电源主要用于给实验平台提供电源。有±5V/0.5A、±15V/0.5A及+24V/1.0A五路，每路均有短路保护自恢复功能。它们的开关分别由相关的钮子开关控制，并由相应发光二极管指示。其中+24V主用于温度控制单元和直流电机单元。
实验前，启动实验平台左侧的空气开关和实验台上的电源总开关。并根据需要将±5V、±15V、+24V钮子开关拔到“开”的位置。
实验时，通过2号连接导线将直流电压接到需要的位置。 二、低频函数信号发生器及锁零按钮
低频函数信号发生器由单片集成函数信号发生器专用芯片及外围电路组合而成，主要输出有正弦信号、三角波信号、方波信号、斜坡信号和抛物线信号。输出频率分为T1、T2、T3、T4四档。其中正弦信号的频率范围分别为0.1Hz～3.3Hz、2.5Hz～86.4Hz、49.8Hz～1.7KHz、700Hz～10KHz三档，Vp-p值为16V。
使用时先将信号发生器单元的钮子开关拔到“开”的位置，并根据需要选择合适的波形及频率的档位，然后调节“频率调节”和“幅度调节”微调电位器，以得到所需要的频率和幅值，并通过2号连接导线将其接到需要的位置。
另外本单元还有一个锁零按钮，用于实验前运放单元中电容器的放电。当按下按钮时，通用单元中的场效应管处于短路状态，电容器放电，让电容器两端的初始电压为0V；当按钮复位时，单元中的场效应管处于开路状态，此时可以开始实验。 三、阶跃信号发生器
阶跃信号发生器主要提供实验时的阶跃给定信号，其输出电压范围为-5～+5V，正负档连续可调。使用时根据需要可选择正输出或负输出，具体通过“阶跃信号发生器”单元的拔动开关来实现。当按下自锁按钮时，单元的输出端输出一个可调(选择正输出时，调RP1电位器；选择负输出时，调RP2电位器)的阶跃信号(当输出电压为1V时，即为单位阶跃信号)，实验开始；当按钮复位时，单元的输出端输出电压为0V。
注：单元的输出电压可通过实验台上的直流数字电压表来进行测量。 四、低频频率计
低频频率计是由单片机89C2051和六位共阴极LED数码管设计而成的，具有输入阻抗大和灵敏度高的优点。其测频范围为：0.1Hz～10.0KHz。
低频频率计主要用来测量函数信号发生器或外来周期信号的频率。使用时先将低频频率计的电源钮子开关拔到“开”的位置，然后根据需要将测量钮子开关拔到“外测”(此时通过“输入”或“地”输入端输入外来周期信号)或“内测”(此时测量低频函数信号发生器输出信号的频率)。
另外本单元还有一个复位按钮，以对低频频率计进行复位操作。
注：将“内测/外测”开关置于“外测”时，而输入接口没接被测信号时，频率计有时会显示一定数据的频率，这是由于频率计的输入阻抗大，灵敏度高，从而感应到一定数值的频率。此现象并不影响内外测频。
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五、交/直流数字电压表
交/直流数字电压表有三个量程，分别为200mV、2V、20V。当自锁开关不按下时，它作直流电压表使用，这时可用于测量直流电压；当自锁开关按下时，作交流毫伏表使用，它具有频带宽（10Hz～400kHz）、精度高（±5‰）和真有效值测量的特点，即使测量窄脉冲信号，也能测得其精确的有效值，其适用的波峰因数范围可达到10。 六、通用单元电路
通用单元电路具体见实验平台所示“通用单元电路**”单元、“带调零端的运放单元”“反相器单元”和“无源元件单元”。这些单元主要由运放、电容、电阻、电位器和一些自由布线区等组成。通过接线和短路帽的选择，可以模拟各种受控对象的数学模型，主要用于比例、积分、微分、惯性等电路环节的构造。一般为反向端输入，其中电阻多为常用阻值51k、100k、200k、510k；电容多在反馈端，容值为0.1uF、1uF、10uF，其中通用单元电路二、三、九反向输入端有0.1uF电容，通用单元电路八反向输入端有4.7uF电容，可作带微分的环节。
以通用单元为例，现在搭建一个积分环节，比例常数为1s。我们可以选择常用元件100k、10uF，T=1k×10uF=1s，其中通用单元电路二是满足要求的，把对应100k和10uF的插针使用短路帽连接起来，锁零按钮按下去先对电容放电，然后用二号导线把正单位阶跃信号输入到积分单元的输入端，积分电路的输出端接入反向器单元，保证输入、输出方向的一致性。观察输出曲线，其具体电路如下图所示。
七、非线性单元
由两个含有非线性元件的电路组成，一个含有双向稳压管，另一个含有两个单向二极管并且需要外加正负15伏直流电源，可研究非线性环节的静态特性和非线性系统。其中10k、47k电位器由电位器组单元提供。例如47k电位器，既可由一号导线连接也可由二号导线连接电位器单元组中的可调电位器两个端点。
以连接死区非线性环节为例，输入端与正电源端、输入端与负电源端分别为两个10k可调电位器的固定端，分别用导线连接；正电源所连电位器的可调端与D1相连，另一个可调端与D2相连。然后使用低频函数信号发生器输出10Hz\\16v的正弦波，用导线连接到非线性环节的输入端。实验前断开电位器与电路的连线，用万用表测量R的阻值，然后再接入电路中。 八、零阶保持器
零阶保持器为实验主面板上U3单元。它采用“采样-保持器”组件LF398，具有将连续信号
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CR0R0uiR-++-++uo
离散后的零阶保持器输出信号的功能，其采样频率由外接的方波信号频率决定。使用时只要接入外部的方波信号及输入信号即可。 九、数据采集接口单元
数据采集卡采用研华产的PCI-1711，它可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机内，其采样频率为100K；有16路单端A/D模拟量输入，转换精度均为12位；2路D/A模拟量输出，转换精度均为12位；16路数字量输入，16路数字量输出。接口板安装在计算机内PCI插槽上，通过实验平台转接口与PC上位机的连接与通讯。
数据采集卡接口部分包含模拟量输入输出(AI/AO)与开关量输入输出(DI/DO)两部分。其中列出AI有4路，AO有2路，DI/DO各8路。
利用计算机做虚拟示波器观察一个模拟信号，可以用导线直接连接到接口中 AD端；若使用采集卡中的信号源，用DA输出（即实验中我们通常将信号输入到AD1端，软件内部信号DA1输出）。 十、实物实验单元
包括温度控制单元、直流电机单元、步进电机单元和力矩电机系统，主要用于计算机控制技术实验中，使用方法详见实验指导书。
本实验系统可以通过简单的连接，将一些不太复杂的被控对象接人实验平台，方便地进行不同对象的控制实验。
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第三章 THBDC-1软件的使用说明 第一节 THBDC-1界面介绍
从开始菜单处打开软件界面\，打开之后软件界面如图1所示
菜单
参数与操作区
示波器窗口
（图1）
状态区
1、数据采集
从菜单的\系统\下面找到\开始采集\界面如图3：
（图3）
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Urb数据长度——采集卡每次请求包的长度（最小64，最大2048，要求必须是64的整数倍）。（默认值是1024）一般不需要设置，在采用频率很低时，该值可以调低到512，256等合适的值，注意：只有系统停止采集状态时才允许缓存设置。
缓存数据长度——每次送入示波器的数据长度（必须大于等于Urb数据长度，最大819200，要求是偶数）。缓存数据长度将影响示波器的数据刷新快慢，即缓存越长示波器刷新的越慢，反之亦然。默认值是4096，可以适当设置。
通道选择—— 选择AD采集的通道（通道1为 采集卡的1通道，通道1－2为采集卡的1和2通道，此时双通道采集，每个通道的实际采样频率为设置采样频率的一半）。
采样频率——设置采集卡的采样频率（注要：单位是K，即最小为1000Hz，最大可以达到250KHz）。采集卡的默认增益系数为1。
分频系数——波形在Chart模式时，可以任意调节采样频率。该原理是等间隔均匀丢弃数据点。也即相当于降低了采样频率，该功能特点是不需要停止采集，随着滑动按钮的调节，可以马上看到调节结果。主要用在实验时对象信号频率很低，而实验又需要显示整个实验波形过程，这时通过滑动按钮可以调到合理的波形。（值1对应无分频，值20对应每缓存长度数据只显示1点）。
窗口长度——调节Chart模式时的波形历史数据长度。
基准平移——可以逻辑设置幅值的平移增量。双通道采集时可以用来分段显示波形。 基准增益——可以逻辑设置幅值的比例系数。
状态栏第一格为系统运行状况信息栏，第二栏为当前波形实时分析的频率值（注要：双通道时，是指第一通道波形的频率），第三栏第四栏为十字跟踪时，跟踪线X1与波形相交点的时基坐标值和幅值坐标值。第五栏和第六栏为十字跟踪时，跟踪线X2与波形相交点的时基坐标值和幅值坐标值。第七栏第八栏为跟踪线X2与跟踪线X1的坐标值差，第九栏为|X2-X1|坐标值差的倒数。当X1X2刚好对应一个波形时，该倒数即为该波形的频率。
开始采集之后，界面如下图，我们就可以对示波器进行操作：
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2、幅值自动
选择：调整示波器窗口始终随着波形的幅值满屏显示。
取消：取消自动调整，同时弹出对话框，设置最大，最小显示幅值。 3、时基自动
选择：调整示波器窗口始终随着波形的时间满屏显示。 取消：取消自动调整。 暂停显示
选择：暂停显示。
取消：取消自动调整。 4、波形同步
选择：同步显示波形（注要：只有波形模式在 Plot X，Plot(X1,X2),Plot(X1+X2)三种模式下有效，其它模式不起作用）。
取消：取消同步显示。 5、波形模式
Chart X —— 单通道采集时，连续左移方式显示波形；
Plot X —— 单通道采集时，连续一屏一屏从左到有刷新显示波形，此时波形显示长度就是缓存数据长度；单通道同步显示必须在此模式下；
Chart(X1,X2)——双通道时，分别显示。显示原理同 Chart X ； Plot(X1,X2)——双通道时，分别显示。显示原理同 PlotX ；
Chart(X1＋X2)——双通道时，两波形叠加显示。显示原理同 Chart X ； Plot(X1＋X2)——双通道时，两波形叠加显示。显示原理同 PlotX ；
Plot(X1，X2)——双通道时，X1数值为时间轴，X2为幅值轴。显示原理同 PlotX ； 6、波形操作
XY轴放大 —— 在此操作模式下，可以任意放大鼠标选定的矩形波形窗口到满屏。 X轴放大 —— 在此操作模式下，可以任意放大鼠标选定的时间轴区域波形到满屏。 Y轴放大 —— 在此操作模式下，可以任意放大鼠标选定的幅值轴区域波形到满屏。 十字跟踪 —— 在此操作模式下，示波器会弹出两跟踪线。用户可以用鼠标拖动跟踪线到指定的位置，状态栏会实时显示跟踪线和波形交叉点的坐标位置。
线型/点型 —— 改变波形的形状。即线型时连线显示，点型时，点式显示。 7、缩放复位
复位放大缩小后的波形到原始状态。 8、基准复位
复位控制区里的水平，基准按钮到初始状态。 9、波形清除
清除波形。 10、波形复制
波形拷贝到粘贴板。
11、建议正弦波的频率与采样频率如下设置：
正弦波的频率在0.2Hz到2Hz的时，采样频率为1000Hz； 正弦波的频率在2Hz到50Hz的时，采样频率为5000Hz。
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第二节 THBDC-1软件的使用说明
1、X-t的使用
1.1 采用实验台上的通用实验单元，组建一个惯性环节，如下图8所示：
（图8）
电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，Ro=200K，C=1uF；将Ui端连接到阶跃信号输出端，Uo端连接到数据采集口单元的AD1，且阶跃信号的输出幅值为2V；
1.2 从开始菜单处打开软件界面“THBDC-1”，打开后软件界面如图9：
（图9）
1.3 将窗口长度的指针移向大，点击开始采集按钮，并按下阶跃按钮，输出2V的阶跃信号，即可记录如下图10所示：
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（图10）
注意：在X-t视图下，也可以采用双通道观察，具体操作步骤和单通道观察实验波形一致。 2、X-Y的使用
2.1 按照下图所示，连接实验电路：
将r(t)连接到数据采集接口的AD1和低频函数信号发生器的正弦波输出端，c(t)端连接到数据采集接口的AD2。
2.2 打开THBDC-1软件，将AD参数设置为：通道选择：通道(1-2)，采样频率：50；点击开始采集按钮，并选择菜单中的示波器选项—波形模式—Chart XY；即可得到如下图所示：
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2.3 打开函数信号发生器的开关，输出正弦波，即可得到X-Y图：
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第四章 自动控制原理实验 实验一 典型环节的电路模拟
一、实验目的
1. 熟悉THBDC-1型 信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台及上位机软件的使用；
2. 熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；
3. 测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。
二、实验设备
1. THBDC-1型 控制理论·计算机控制技术实验平台；
2. PC机一台(含上位机软件)、数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、采接卡接口线；
三、实验内容
1. 设计并组建各典型环节的模拟电路；
2. 测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响；
四、实验原理
自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析是十分有益的。
本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图 如图1-1所示。图中Z1和Z2表示由R、C构成的复数阻抗。
1. 比例（P）环节 图1-1
比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。它的传递函数与方框图分别为：
G(S)?UO(S)?K Ui(S)
当Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K时的响应曲线如图1-2所示。
2. 积分（I）环节 图1-2
积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。它的传递函数与方框图分别为：
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G(s)?UO(S)1?Ui(S)Ts设Ui(S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T时的响应曲线如图1-3所示。
图1-3
3. 比例积分(PI)环节
比例积分环节的传递函数与方框图分别为：
G(s)?UO(S)R2CS?1R21R21????(1?)Ui(S)R1CSR1R1CSR1R2CS 其中T=R2C，K=R2/R1
设Ui(S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T时的PI输出响应曲线。
图1-4
4. 比例微分(PD)环节
比例微分环节的传递函数与方框图分别为：
G(s)?K(1?TS)?R2(1?R1CS) 其中K?R2/R1,TD?R1C R1
设Ui(S)为一单位阶跃信号，图1-5示出了比例系数(K)为2、微分系数为TD时PD的输出响应曲线。
图1-5
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5. 惯性环节
惯性环节的传递函数与方框图分别为：
线如图1-7所示。
图1-7
五、实验步骤
1. 比例（P）环节
根据比例环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。
G(s)?UO(S)K?Ui(S)TS?1当Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且放大系数(K)为1、时间常数为T时响应曲
R2R0R0uiR1-++-++uo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。
当ui为一单位阶跃信号时，用上位软件观测(选择“通道1-2”，其中通道AD1接电路的输出uO；通道AD2接电路的输入ui)并记录相应K值时的实验曲线，并与理论值进行比较。
另外R2还可使用可变电位器，以实现比例系数为任意设定值。
2. 积分（I）环节
根据积分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。
CR0R0uiR-++15 -++uo
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)； 当ui为一单位阶跃信号时，用上位机软件观测并记录相应T值时的输出响应曲线，并与理论值进行比较。
注：当实验电路中有积分环节时，实验前一定要用锁零单元进行锁零，实验时要退去锁零。
3. 比例积分(PI)环节
根据比例积分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。
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=R1C=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=R1C=100K×1uF=0.1S)。
通过改变R2、R1、C的值可改变比例积分环节的放大系数K和积分时间常数T。 当ui为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。
4. 比例微分(PD)环节
根据比例微分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建其模拟电路，如下图所示。
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=1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K×10uF=1S)；
若比例系数K=0.5、微分时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=200K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=0.5,T=R1C=100K×10uF=1S)；
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当ui为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。
注：本实验中的10uF电容需从实验台左面板“通用单元电路五”中连接。 5. 惯性环节
根据惯性环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建其相应的模拟电路，如下图所示。
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=2S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=200K，C=10uF(K= R2/ R1=2,T=R2C=200K×10uF=2)。
通过改变R2、R1、C的值可改变惯性环节的放大系数K和时间常数T。
当ui为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。
7. 根据实验时存储的波形及记录的实验数据完成实验报告。 六、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。 七、实验思考题
1. 用运放模拟典型环节时，其传递函数是在什么假设条件下近似导出的？
2. 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？
3. 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？
4. 为什么实验中实际曲线与理论曲线有一定误差？ 5、为什么PD实验在稳定状态时曲线有小范围的振荡？
实验二 二阶系统的瞬态响应
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一、实验目的
1. 通过实验了解参数?(阻尼比)、?n(阻尼自然频率)的变化对二阶系统动态性能的影响； 2. 掌握二阶系统动态性能的测试方法。 二、实验内容、原理
1. 二阶系统的瞬态响应
用二阶常微分方程描述的系统，称为二阶系统，其标准形式的闭环传递函数为
2?nC(S) (2-1) ?22R(S)S?2??nS??n2闭环特征方程：S2?2??n??n?0
其解 S1,2????n??n??1，
针对不同的?值，特征根会出现下列三种情况： 1）0
此时，系统的单位阶跃响应呈振荡衰减形式，其曲线如图2-1的(a)所示。它的数学表达式为：
C (t)?1?11??2e???ntSin(?dt??)2?1式中?d??n1??，??tg1??2?。
2）??1（临界阻尼）S1,2???n
此时，系统的单位阶跃响应是一条单调上升的指数曲线，如图2-1中的(b)所示。 3）??1（过阻尼），S1,2????n??n??1
此时系统有二个相异实根，它的单位阶跃响应曲线如图2-1的(c)所示。
(a) 欠阻尼(0
图2-1 二阶系统的动态响应曲线
虽然当?=1或?>1时，系统的阶跃响应无超调产生，但这种响应的动态过程太缓慢，故控制工程上常采用欠阻尼的二阶系统，一般取?=0.6~0.7，此时系统的动态响应过程不仅快速，
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2而且超调量也小。
2. 二阶系统的典型结构
典型的二阶系统结构方框图和模拟电路图如2-2、如2-3所示。
图2-2 二阶系统的方框图
图2-3 二阶系统的模拟电路图（电路参考单元为：U7、U9、U11、U6）
图2-3中最后一个单元为反相器。 由图2-4可得其开环传递函数为：
G(s)?kRK ，其中：K?1， k1?X (T1?RXC，T2?RC)
S(T1S?1)T2RKT1其闭环传递函数为： W(S)?
1K2S?S?T1T1与式2-1相比较，可得 ?n?三、实验步骤
根据图2-3，选择实验台上的通用电路单元设计并组建模拟电路。
k111T2R，?? ??T1T2RC2k1T12RX?n值一定时，图2-3中取C=1uF，R=100K(此时?n?10)，Rx为可调电阻。系统输入一单
位阶跃信号，在下列几种情况下，用“THBDC-1”软件观测并记录不同?值时的实验曲线。
1.1取RX=200K时，?=0.25，系统处于欠阻尼状态，其超调量为45%左右； 1.2取RX=100K时，?=0.5，系统处于欠阻尼状态，其超调量为16.3%左右； 1.3取RX=51K时，?=1，系统处于临界阻尼状态；
2. ?值一定时，图2-3中取R=100K，RX=250K(此时?=0.2)。系统输入一单位阶跃信号，在下列几种情况下，用“THBDC-1”示波器观测并记录不同?n值时的实验曲线，注意时间变化。
2.1若取C=10uF时，?n?1，记录阶跃响应，并测响应时间和超调量。窗口长度最大。 2.2若取C=0.1uF（将U7、U9电路单元改为U10、U13）时，?n?100，记录阶跃响应，并
1.
测响应时间和超调量。30S和0.3S
。
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四、实验报告要求
1. 画出二阶系统线性定常系统的实验电路，并写出闭环传递函数，表明电路中的各参数； 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。
五、实验思考题
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. 在电路模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈？ 3. 为什么本实验中二阶系统对阶跃输入信号的稳态误差为零？
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只要（A-HC）的特征根具有负实部，状态向量误差就按指数规律衰减，且极点可任意配置，一般地，（A-HC）的收敛速度要比被控系统的响应速度要快。工程上，取小于被控系统最小时间的3至5倍，若响应太快，H就要很大，容易产生噪声干扰。
???结构，即输出误差反馈，而不是输出反馈形式。 ?实验采用X=AX+Bu+H(Y-Y)
取：???g?3?5?20,K1?5,K2?2,T1?0.5,T2?0.2，求解?1? tmin?g2?
三、实验设备： THBDC-1实验平台 THBDC-1虚拟示波器 Matlab/Simulink软件
四、实验步骤：
按要求设计状态观测器
(一) 在Matlab环境下实现对象的实时控制
1、将ZhuangTai_model.mdl复制到E:\\MATLAB6p5\\work子目录下，运行matlab，打开ZhuangTai_model.mdl
注：‘实际对象’模块对应外部的实际被控对象，在simulink下它代表计算机与外部的
接口：
? DA1对应实验面板上的DA1，代表对象输出，输出通过数据卡传送给计算机； ? AD1对应实验面板上的AD1，代表控制信号，计算机通过数据卡将控制信号送给
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实际对象；
2、如图，在Simulink环境下搭建带状态观测器的系统实时控制方框图。
本实验的实际对象用运算放大器模拟实现，也可以就用Simulink仿真实现，不影响实验效果。如果用仿真代替，可以适当变化传递函数的某些参数。
注：对于不同专业的学生，图中的实际对象可以是用运算放大器模拟的二阶系统，也可以就是Simulink仿真模型，根据教师当时的安排。
3、如图正确接线，并判断每一模块都是正常的，包括接好测试仪器、设置参数、初始化各个设备和模块；
接成开环观测器，双击误差开关，使开关接地。观测对象输出Y与观测器状态输出y的阶跃响应；（阶跃不要超过0.3V）
接成闭环观测器，双击误差开关，使开关接误差。观测对象输出Y与观测器状态输出y的阶跃响应；（阶跃不要超过0.3V）
4、改变K1、K2或T1、T2，重复步骤3，说明实验原因 改变g1、g2重复步骤3，说明实验原因
(二) 同学也可以用纯模拟运放来完成此实验（二选一） 接线图如下
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1.实验前必须判断每一个运放都是好的，阶跃小于0.5V，红钮弹出，+15-15正常。 用虚拟示波器测观测器和对象输出。
2.接成开环观测器，将输出误差断开并接地。观测对象输出Y与观测器状态输出y的阶跃响应；
3.接成闭环观测器，将输出误差连上。观测对象输出Y与观测器状态输出y的阶跃响应； 4.改变K1、K2或T1、T2，重复步骤3，说明实验原因 改变g1、g2重复步骤3，说明实验原因
五、预习与回答
1.如何在观测器的基础上设计状态反馈？用框图表示。
2.请说明：原系统极点、特征方程、控制系统极点、期望极点、观测器极点，状态反馈极点。 3.说明H阵有什么作用，并计算观测器反馈阵??g1??。 g?2?
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实验十一 控制系统大型设计实验
一、任务要求：
1．给小型直流电机机组和其他辅助装置，设计完整的位置控制系统。采用现代控制理论极点配置的控制方法，应用Matlab/Simulink软件对控制系统进行辅助分析和设计，并运用Simulink实时控制功能设计控制器，使系统满足给定的性能指标。 2．小组讨论并设计实验步骤。 3．系统要尽量准确建模。
4．时间约20个学时，采用实验室开放形式。 5．实物当面验收和交大型实验报告。
二、性能指标：
1．无位置误差 （360o之内） 2．定位响应时间 < ０.３秒 （360o之内） 3．定位超调量 < ２０％ （360o之内）
三、验收基本要求：
1．要有原物理功能框图和照片，实物系统接线图，数学模型框图，Simulink仿真框图和结果，完整控制系统框图和接线图。 2．设计和计算过程。 3。电机能够基本定位。
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东南大学自动控制实验室
实 验 报 告
课程名称：
实验名称： 院（ 系）： 专 业： 姓 名： 学 号： 实 验 室： 实验组别： 同组人员： 实验时间： 评定成绩： 审阅教师：
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