实验六开环增益与零极点对系统性能的影响.doc

实验六 开环增益与零极点对系统性能的影响
一．实验目的
1．研究闭环、开环零极点对系统性能的影响；
2．研究开环增益对系统性能的影响。
二．实验内容
1．搭建原始系统模拟电路，观测系统响应波形，记录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts；
2．分别给原始系统在闭环和开环两种情况下加入不同零极点，观测加入后的系统响应波形，记录超调量σ%和调节时间ts；
3．改变开环增益K，取值1，2，4，5，10，20等，观测系统在不同开环增益下的响应波形，记录超调量σ%和调节时间ts。
三．实验步骤
在实验中观测实验结果时，可选用普通示波器，也可选用本实验台上的虚拟示波器。
如果选用虚拟示波器，只要运行ACES程序，选择菜单列表中的相应实验项目，再选择开始实验，就会打开虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验台上的虚拟示波器CH1、CH2两通道观察被测波形。具体用法参见用户手册中的示波器部分。

1．原始二阶系统
实验中所用到的功能区域：
阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3。
原始二阶系统模拟电路如图1-6-1所示，系统开环传递函数为：，

图1-6-1原始二阶系统模拟电路

（1） 设置阶跃信号源：
A．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V”；
B．将阶跃信号区的“0～5V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接；
C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V”端子产生阶跃信号。
（2） 搭建原始二阶系统模拟电路：
A．将A3的“OUT3”与A1的“IN11”、“IN13”同时连接，将A1的“OUT1”与A2的“IN21”相连接，将A2的“OUT2”与A3的“IN33”相连接；
B．按照图1-6-1选择拨动开关：
图中：R1=200K、R2=200K、R3=200K、R4=100K、R5＝64K、R6=200K、 R7=10K、R8=10K、C1=1.0uF、C2=1.0uF
将A3的S5、S6、S10，A1的S3、S6、S9，A2的S3、S8、S13拨至开的位置；
（3） 连接虚拟示波器：
将实验电路A2的“”与示波器通道CH1相连接。
（4） 输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测原始二阶系统输出响应曲线，记录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts。

2．闭环极点对原始二阶系统的影响
实验中所用到的功能区域：
阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3、实验电路A4、实验电路A5、实验电路A6。
给原始二阶系统加入闭环极点后的模拟电路如图1-6-2所示

图1-6-2加入闭环极点的二阶系统模拟电路

（1） 设置阶跃信号源：
A．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V”；
B．将阶跃信号区的“0～5V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接；
C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V”端子产生阶跃信号。
（2） 搭建加入闭环极点的二阶系统模拟电路：
A．按照步骤1中的（1）、（2）搭建原始二阶系统；
B．加入闭环极点环节
模拟电路中的表示不同的极点环节，请分别将下表中的极点环节加入到原始二阶系统中。

极点环节
极点传递函数
参数值
选择拨动开关

R9=200K
R10=200K
C3=5.0uF
将A4的S5、S14拨至开的位置

R9=500K
R10=500K
C3=1.0uF
将A5的S4、S11拨至开的位置

R9=200K
R10=200K
C3=1.0uF
将A4的S5、S13拨至开的位置

R9=100K
R10=100K
C3=1.0uF
将A5的S5、S13拨至开的位置

R9=50K
R10=50K
C3=1.0uF
将A6的S4、S15拨至开的位置

R9=200K
R10=200K
C3=0.1uF
将A4的S5、S15拨至开的位置

（3） 连接虚拟示波器：
将实验电路Ax的“OUTX”与示波器通道CH1相连接。
（4） 输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测加入闭环极点的二阶系统输出响应曲线，记录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts。

3．闭环零点对原始二阶系统的影响
实验中所用到的功能区域：
阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3、实验电路A4、实验电路A5、实验电路A6。
原始二阶系统加入闭环零点后的模拟电路如图1-6-3所示

图1-6-3加入闭环零点的二阶系统模拟电路

（1） 设置阶跃信号源：
A．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V”；
B．将阶跃信号区的“0～5V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接；
C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V”端子产生阶跃信号。
（2） 搭建加入闭环零点的二阶系统模拟电路：
A．按照步骤1中的（1）、（2）搭建原始二阶系统；
B．加入闭环零点环节
模拟电路中的表示不同的零点环节，请分别将下表中的零点环节加入到原始二阶系统中。

零点环节
零点传递函数
参数值
选择拨动开关

R9=30K
R10=470K
R11=470K
C3=1.0uF
将A4的S3、S10拨至开的位置

R9=1.0K
R10=200K
R11=200K
C3=1.0uF
将A4的S4、S11拨至开的位置

R9=1.0K
R10=100K
R11=100K
C3=1.0uF
将A5的S2、S9拨至开的位置

R9=8.0K
R10=41K
R11=41K
C3=1.0uF
将A6的S1、S8拨至开的位置

R9=1.0K
R10=100K
R11=100K
C3=0.2uF
将A5的S3、S9拨至开的位置
（3） 连接虚拟示波器：
将实验电路Ax的“OUTX”与示波器通道CH1相连接。
（4） 输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测加入闭环零点的二阶系统输出响应曲线，记录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts。

4．开环极点对原始二阶系统的影响
实验中所用到的功能区域：
阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3、实验电路A4、实验电路A5、实验电路A6。
给原始二阶系统加入开环极点后的模拟电路如图1-6-4所示

图1-6-4加入开环极点的二阶系统模拟电路

（1） 设置阶跃信号源：
A．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V”；
B．将阶跃信号区的“0～5V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接；
C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V”端子产生阶跃信号。
（2） 搭建加入开环极点的二阶系统模拟电路：
A．按照步骤1中的（1）、（2）搭建原始二阶系统；
B．加入开环极点环节
模拟电路中的表示不同的极点环节，请分别将下表中的极点环节加入到原始二阶系统中。

极点环节
极点传递函数
参数值
选择拨动开关

R9=200K
R10=200K
C3=0.1uF
将A4的S5、S15拨至开的位置

（3） 连接虚拟示波器：
将实验电路Ax的“OUTX”与示波器通道CH1相连接。
（4） 输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测加入开环极点的二阶系统输出响应曲线，记录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts。

5．开环零点对原始二阶系统的影响
实验中所用到的功能区域：
阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3、实验电路A4、实验电路A5、实验电路A6。
原始二阶系统加入开环零点后的模拟电路如图1-6-5所示

图1-6-5加入开环零点的二阶系统模拟电路

（1） 设置阶跃信号源：
A．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V”；
B．将阶跃信号区的“0～5V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接；
C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V”端子产生阶跃信号。
（2） 搭建加入开环零点的二阶系统模拟电路：
A．按照步骤1中的（1）、（2）搭建原始二阶系统；
B．加入开环零点环节
模拟电路中的表示不同的零点环节，请分别将下表中的零点环节加入到原始二阶系统中。

零点环节
零点传递函数
参数值
选择拨动开关

R9=30K
R10=470K
R11=470K
C3=1.0uF
将A4的S3、S10拨至开的位置

R9=1.0K
R10=200K
R11=200K
C3=1.0uF
将A4的S4、S11拨至开的位置

R9=1.0K
R10=100K
R11=100K
C3=1.0uF
将A5的S2、S9拨至开的位置

R9=8.0K
R10=41K
R11=41K
C3=1.0uF
将A6的S1、S8拨至开的位置

R9=1.0K
R10=100K
R11=100K
C3=0.2uF
将A5的S3、S9拨至开的位置
（3） 连接虚拟示波器：
将实验电路Ax的“OUTX”与示波器通道CH1相连接。
（4） 输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测加入开环零点的二阶系统输出响应曲线，记录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts。

6．开环增益K对二阶系统的影响
实验中所用到的功能区域：
阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3。
二阶系统模拟电路如图1-6-6所示，系统开环传递函数为：，K＝R6/R5，当R5=100K时闭环传递函数为：， K＝1，，。在开环零点、极点保持不变的情况下，改变开环增益K，系统的阻尼系数和固有频率也将发生变化，系统的特性从而改变。

图1-6-6二阶系统模拟电路

（1） 设置阶跃信号源：
A．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V”；
B．将阶跃信号区的“0～5V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接；
C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V”端子产生阶跃信号。
（2） 搭建原始二阶系统模拟电路：
A．将A3的“OUT3”与A1的“IN13”相连接，将A1的“OUT1”与A2的“IN24”相连接，将A2的“OUT2”与A3的“IN33”相连接；
B．按照图1-6-6选择拨动开关：
图中：R1=200K、R2=200K、R3=200K、R4=50K、R5可调、R6=100K、 R7=10K、R8=10K、C1=2.0uF、C2=1.0uF
C．K＝R6/R5，调节R5的阻值，使K分别取值：1，2，4，5，10，20
将A3的S5、S6、S10，A1的S7、S10，A2的S8、S11拨至开的位置；
（3） 连接虚拟示波器：
将实验电路A2的“”与示波器通道CH1相连接。
（4） 输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测不同开环增益K下的二阶系统输出响应曲线，记录超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts。

四．实验结果
根据实验结果填写下表

表一 闭环极点对原始二阶系统的影响
极点传递函数
实测响应曲线
超调量
σ%
峰值时间tp
调节时间ts
理论值
实测值
理论值
实测值
理论值
实测值

表二 闭环零点对原始二阶系统的影响
零点传递函数
实测响应曲线
超调量
σ%
峰值时间tp
调节时间ts
理论值
实测值
理论值
实测值
理论值
实测值

表三 开环极点对原始二阶系统的影响
极点传递函数
实测响应曲线
超调量
σ%
峰值时间tp
调节时间ts
理论值
实测值
理论值
实测值
理论值
实测值

表四 开环零点对原始二阶系统的影响
零点传递函数
实测响应曲线
超调量
σ%
峰值时间tp
调节时间ts
理论值
实测值
理论值
实测值
理论值
实测值

表五 开环增益K对二阶系统的影响
开环增益K
实测响应曲线
超调量
σ%
峰值时间tp
调节时间ts
理论值
实测值
理论值
实测值
理论值
实测值
K=1

K=2

K=4

K=5

K=10

K=20

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