《XMN2自控原理》指导书

《自动控制原理》实验指导书

目 录

实验一 典型环节的模拟研究 （验证型） （1） 实验二 动态系统的时域分析（设计型） （8） 实验三实验四实验五附 录 动态系统的数值模拟（验证型） 动态系统的频率特性研究（综合型） 动态系统的校正研究 （设计型） XMN—2学习机使用方法简介 14）16）17）19） （ （ （ （

实验一 典型环节的模拟研究

一、实验目的:

1、了解并掌握XMN-2型《自动控制原理》学习机的使用方法，掌握典型环节模拟电路的构成方法，培养学生实验技能。

2、熟悉各种典型线性环节的阶跃响应曲线。 3、了解参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、实验设备

1． XMN-2型机。 2． CAE98。 3． 万用表。 三、实验内容： 本实验是利用运算放大器的基本特性（开环增益高、输入阻抗大、输出阻抗小等），设置不同的反馈网络来模拟各种典型环节。 1、比例（P）环节：其方块图如图1-1A所示。 Ui(S)KUo(S)其传递函数为： 比例环节的模拟电路如图1-1B所示, R1100K100K图1-1A 比例环节方块图U0(S)?K (1-1) Ui(S)其传递函数为： UiR0UoU0(S)R1? (1-2) Ui(S)R0比较式(1-1)和(1-2)得 K=R1/R0 (1-3) 图1-1B 比例环节模拟电路 当输入为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(s)=1/S。则由式（1-1）得到 Uo(S)=K?1 S所以输出响应为 Uo(t)=K (t≥0) (1-4) 2、积分(I)环节。其方块图如图1-2A所示。 Ui(S)1TSUo(S) 其传递函数为 图1-2A 积分环节方块图 - 1 - U0(S)1? (1-5) Ui(S)TS积分环节的模拟电路如图1-2B所示。 C100K100K积分环节模拟电路的传递函数为 UiR0UoU0(S)1? (1-6) Ui(S)R0CS比较式(1-5)和(1-6)得 T=R0C (1-7) 图1-2B 积分环节模拟电路 当输入为单位阶跃信号，即Ui(t)=1(t)时,Ui(s)=1/S。则由式（1-5）得到 Uo(S)=所以输出响应为 111??2 TSSTSU0(t)?1t （1-8） T3、比例积分（PI）环节。其方块图如图1-3A所示。 KUi(S)1TSUo(S)其传递函数为： 图1-3A PI方块图 比例积分环节的模拟电路如图1-3B所示。 U0(S)1?K+ (1-9) Ui(S)TSUiR0R1C100K100KUo其传递函数为： U0(S)R1CS?1R11???Ui(S)R0CSR0R0CS 图1-3B PI模拟电路 (1-10) 比较式(1-9)和(1-10)得 K=R1/R0 T=R0C （1-11） 当输入为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(S)=1/S。则由式（1-9）得到 Uo(S)=（K+

11）? TSS- 2 -

所以输出响应为Uo(t)=K+1t (1-12) T4、惯性（T）环节。其方块图如图1-4A所示。 Ui(S)KTS+1Uo(S)其传递函数为： 图1-4A 惯性环节方块图 惯性环节的模拟电路如图1-4B所示, R1U0(S)K? (1-13) Ui(S)TS?1其传递函数为： C100K100KUiR0UoU0(S)R/R?10 (1-14) Ui(S)R1CS?1比较式(1-13)和(1-14)得 K=R1/R0 T=R1C （1-15） 当输入为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(S)=1/S。则由式（1-13）得到 Uo(S)=图1-4B 惯性环节模拟电路K1? TS?1S?tT所以输出响应为 Uo(t)=K（1-e） (1-16) 5、比例微分（PD）环节。其方块图如图1-5A所示。 1Ui(S)KTSUo(S) 其传递函数为： 图1-5A PD方块图U0(S)?K(1+TS) (1-17) Ui(S)比例微分环节的模拟电路如图1-5B所示, R1R2CUiR3R0100K100K其传递函数为 UoU0(S)R1?R2RRCS?(1?12?) Ui(S)R0R1?R2R3CS?1 （1-18） 图1-5B PD模拟电路 - 3 - 考虑到R3《R1、R2，所以

U0(S)R1?R2RR?(1?12CS) （1-19）

Ui(S)R0R1?R2R1?R2R0比较式(1-17)和(1-19)得

K=

T=

R1R2?C （1-20）

R1?R2当输入为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(S)=1/S。则由式（1-17）得到

Uo(S)=K（1+TS）?1K=?KT SS所以输出响应为 Uo(t)=KTδ(t)+K (1-21) 式中δ(t)为单位脉冲函数。 式（1-21）为理想的比例微分环节的输出响应，考虑到比例微分环节的实际模拟电路[式（1-18）]，则实际输出响应为 R1?R2R1R2?R3C U0(t)? （1-22） ?eR0R0R3t6、比例积分微分（PID）环节。其方块图如图1-6A所示。 Ui(S)Kp1TISTDUo(S)其传递函数为： 1U0(S)?Kp++TDS （1-23） Ui(S)T1S 比例积分微分环节的模拟电路如图1-6B所示, R1C1R2C2100K100K图1-6A PID方块图UiR3R0Uo图1-6B PID模拟电路 - 4 -

其传递函数为

U0(S)R1?R2RCRCS?11???22?11 (1-24)

Ui(S)R0R0C1SR0C1R3C2S?1考虑到R1》R2》R3，则式（1-24）可近似为

U0(S)R1RR1???12C2S （1-25）

Ui(S)R0R0C1SR0KP= 比较式(1-23)和(1-25)得

R1R0 ， T1=R0C1

TD=

R1R2?C2 （1-26） R011+TDS）? T1SS1t (1-27) T1当输入为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(S)=1/S。则由式（1-23）得到

Uo(S)=（KP+

所以输出响应为 Uo(t)=TDδ(t)+KP+式中δ(t)为单位脉冲函数。 式（1-27）为理想的比例积分微分环节的输出响应，考虑到比例积分微分环节的实际模拟电路[式（1-24）]，则实际输出响应为 ?R1?R2R2C2R1C11RC?t? U0(t)?〔1+（-1）e33〕 （1-28） R0R0C1R0C1R3C2t四、实验内容及步骤 1、 观测比例、积分、比例积分、惯性环节、比例微分和比例1OUT 1积分微分环节的阶跃响应曲线。 200K2K1准备：阶跃信号电路可采用图1-7所示电路： 100K500KR(t)200KR将XMN-2型自控原理学习机上CAE-98接口的信号源（OUT）-C(t)输入1或2用导线连至幅度调节单元的输入端，由输出端输出200K信号。 输出 步骤：（1）按图1-1B接线； （2）将模拟电路输入端（Ui）与图1-7的输出端相联 接；模拟电路输出端（Uo）接CAE-98接口的采集输入端1 或2； 图2-3 二阶系统模拟电路图1-7阶跃信号电路 （3）设置显示器界面参数； （4 （4）合上开关K1，用显示器观测输出端的响应曲线Uo（t）， - 5 - 且将结果记录附表。

（5）分别按图1-2B、3B、4B、5B、6B电路接线，重复步骤（2）、（3）、（4）。 五、实验报告要求：

1、实验前计算确定典型环节模拟电路的元件参数各一组，并推导环节传递函数参数与模拟电路电阻、电容值的关系以及画出理想阶跃响应曲线。 2、实验观测记录。

3、实验结果分析、讨论和建议。 六、思考题：

1、由运算放大器组成的各种环节的传递函数是在什么条件下可推导出的？输入电阻、反馈电阻的阻值范围可任意选用吗？

2、图1-1B、2B、3B、4B、5B和6B中若后面一个比例环节，则其传递函数有什么差别？ 3、惯性环节在什么情况下可近似为比例环节？而在什么情况下可近似为积分环节？ 实验记录表格： P I PI 环节 R0 R1 R0 C R0 C 理阶想 跃 响 应 波实形 测 T PD PID 环节 R0 C R0 R1 C R0 R1 C1 R1 R2 R3 R2 R3 C2 理阶想 跃 响 应 波实形 测 - 6 -

格T信= T采= 起点= 点数=T信= T采= 起点= 点数=格格T信= T采= 起点= 点数=T信= T采= 起点= 点数=格格T信= T采= 起点= 点数=T信= T采= 起点= 点数=格 - 7 - 实验二 动态系统的时域分析

一、实验目的

1． 学习瞬态性能指标的测试方法。

2． 了解参数对系统瞬态性能及稳定性的影响。 二、实验要求：

1、 观测不同参数下二阶系统的阶跃响应并测出性能指标：超调量MP，峰值时间tp,调节时间ts。

2、 观测增益对典型三阶系统稳定性的影响。 三、实验仪器： 1、XMN-2型机。 2、CAE98。 3、万用表。 四、实验原理与电路 应用模拟电路来模拟典型二阶系统和三阶系统。 1、图2-1是典型二阶系统原理方块图，其中T0=1秒；T1=0.1秒。 R(S)1T0SK1TIS+1C(S)开环传递函数为 G(S)? 图2-1 二阶系统K1K? （2-1） T0S(T1S?1)S(T1S?1) 闭环传递函数为 其中，K=K1/T0=开环增益。 ?nK1 W(S)? （2-2） ??22222T1S?S?KTS?2T?S?1S?2??nS??n其中，?n?21?K/T1?K1/T1T0 （2-3） T ??1T0/K1T1 （2-4） 2 （1）当0

C(t)?1?e???nt1??2sin(?dt??) （t≥0） (2-5)

2式中， ?d??n1??

- 8 -

??tg?11??2?

峰值时间可由式（2-5）对时间求导数，并令它等于零得到： tp?π/?d???n1??2 （2-6）

超调量MP： 由MP=C（tp）-1 求得 MP?e???/1??2 （2-7）

调节时间ts，采用2%允许误差范围时，近似地等于系统时间常数

1??n的四倍，即

ts?1??n （2-8）

（2）当??1，即临界阻尼情况时，系统的阶跃响应为单调的指数曲线，如图2-2中曲线②所示。

输出响应C（t）为 C(t)?1?e这时，调节时间ts可由下式求得 C(ts)=1?e??nts??nt(1??nt) （t≥0） (2-9)

(1??nts)?0.98 (2-10)

(3)当?>1,即过阻尼情况时，系统的阶跃响应为单调的指数曲线：

?e?s1te?s2t?C（t）=1+?s?s22??1?12?n??? （t≥0） (2-11) ?式中 S1?(???2?1)?n, S2?(???2?1)?n

当?远大于1时，可忽略-S1的影响，则 C（t）=1-e?(???2?1）

?nt （t≥0） (2-12)

这时，调节时间ts近似为： ts?4(????1)?n2 （2-13）

- 9 -

图2-2 二阶系统阶跃输入下的瞬态响应 图2-3是图2-1的模拟电路图及阶跃信号电路图 1?OUT 1K1输入1M2?500KR100KR(t)1M1M-C(t)输出图2-3 二阶系统模拟电路 2、图2-4是典型三阶系统原理方块图 R(S)1T0SK1T1S+1K2T2S+1C(S)图2-4 典型三阶系统方块图 开环传递函数为： G(S)H(S)=K1K2K? (2-14) T0S(T1S?1)(T2S?1)S(T1S?1)(T2S?1)1?1M其中， K=K1K2/T0 （开环增益）。图2-5是典型三阶系统模拟电路图 1?R1M1M100K500K100K100K510K2?R(t)C(t)100K图2-5 三阶系统模拟电路 - 10 - 三阶系统模拟电路图的开环传递函数为 G(S)H(S)=

510/R （2-15）

S(0.1S?1)(0.51S?1)式中R的单位为KΩ，比较式（2-14）和（2-15）得 T0=1 ， T1=0.1

T2=0.51 ，K=510/R (2-16)

系统的特征方程为1+G(S)H(S)=0，由式（2-14）可得到 S(T1S+1)(T2S+1)+K=0 展开得到

T1T2S3+(T1+T2)S2+S+K=0 (2-17) 将式（2-16）代入式（2-17）得到

0.051S3+0.61S2+S+K=0

或 S3+11.96S2+19.6S+19.6K=0 (2-18) 用劳斯判据求出系统稳定、临界稳定和不稳定时的开环增益 S3 1 19.6 S2 11.96 19.6K S

0111.96?19.6?19.6K 0

11.96 S 19.6K

由 11.96x19.6-19.6K>0 19.6K>0

得到系统稳定范围： 0

得到系统临界稳定时： K=11.96 （2-20） 由 11.96x19.6-19.6K<0

得到系统不稳定范围： K>11.96 (2-21)

将K=510/R代入式（2-19）～（2-21）得到： R>42.6KΩ 系统稳定 R=42.6KΩ 系统临界稳定 R<42.6KΩ 系统不稳定

系统稳定、临界稳定和不稳定时输出波形如图2-6A，2-6B，2-6C所示。

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图2-6A 系统稳定时输出波形图2-6B 系统临界稳定时输出波形图2-6C 系统不稳定时输出波形 五、实验内容及步骤 1、 典型二阶系统瞬态性能指标的测试。 按图2-3接线，改变电阻R，使系统分别为欠阻尼、临界阻尼和过阻尼状态，观察相应的阶跃响应C（t），测量并记录超调量Mp、峰值时间tp和调节时间ts。 2、 典型三阶系统的性能（选做）

（1）按图2-5接线，调节电阻R，使系统分别处于稳定、临界稳定和不稳定三种状态。 （2）观察系统的阶跃响应，记录波形，并测量和记录相应的R电阻值。 六、实验报告要求：

1、实验前按给定参数算出二阶系统的性能指标MP、tp、st的理论值。

2、实验观测记录。

3、 实验结果分析、体会和建议。 七、思考题

1、在实验线路中如何确保系统实现负反馈？如果反馈回路中偶数个运算放大器，则构成什么反馈？

2、有哪些措施能增加系统稳定度？它们对系统的性能还有什么影响？ 3、实验中阶跃输入信号的幅值范围应该如何考虑？

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附表

1、二阶系统 R K ?n (KΩ) ? Mp(%) C(tp) C(∞) 测量值 (V) (V) 计算值 tp(S) 测量值 ts(S) 测量值 计算值 计算值

2、三阶系统 R(KΩ) K 输出波形 稳定性 - 13 -

实验三 动态系统的数值模拟

一、实验目的

1、 初步学习并基本掌握利用Matlab语言进行控制系统分析和设计的方法； 2、 了解基本动态环节的参数对控制系统指标的影响。

二、实验要求

1、 控制系统的模型建立； 2、 典型环节的动态模拟； 3、 掌握根轨迹的绘制；

4、 掌握频率分析和系统及校正的方法。

以上内容根据教学安排，由指导教师确定。

三、实验内容

1、用Matlab进行二阶、三阶系统建模； 2、二阶、三阶系统的阶跃响应；

3、二阶、三阶系统及高阶系统的根轨迹的绘制； 4、动态系统的频率特性分析； 5、动态系统的校正分析。

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实验四 动态系统的频率特性研究

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； 2．CAE98； 3．万用表。 三、实验内容 X(s)典型二阶系统方块图 E(s)?n2s(s?2??n)Y(s) 其闭环频率响应为： ?——无阻尼自然频率 ，?——阻尼比 n Y(jw)11?= X(jw)1?2?j(?)?(j?)2??2??1?()?j2?()???n?n??nn??其中：?n=模拟电路图 1(rad/s) TCCR100K100KY(t)X(t)R(op1)RR(op2)(op6)Rf(op9)Ri100K 无阻尼自然频率和阻尼比： ?n?11K1Rf， ?? ???TRC22Ri- 15 -

1． 选定R，C，Rf值，使?n?1，ξ=0.2；

2． 用CAE98的正弦波作为系统的输入信号，即x(t)=XSin?t，稳态时其响应为

y(t)=Ysin(?t+φ)； 3． 改变输入信号的频率，使角频率?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，记录屏幕显示的正弦输入x(t)=XSint和正弦输出响应y(t)=Ysin(?t+φ) 。记录曲线序号依次记作4.按下述表格整理实验数据： ； 记录曲线序 号1234567891011f=(Hz)(rad/s)A( )L( )(dB)( )(deg)T源(S)T采(S) 四、完成实验报告 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； 五、思考题 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。

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实验五 动态系统的校正研究

一、实验目的 1．了解和观测校正装置对系统稳定性及瞬态特性的影响。 2．学习校正装置的设计和实现方法。 二、实验设备 1．XMN-2型机。 2．CAE98。 3．万用表。 三、实验原理和电路： 1、 未校正系统的原理方块图为图4-1所示，图4-2是它的模拟电路。 R(s)20S(0.5S+1)C(s)图4-1 未校正系统方块图1?200K1?100K500K250KR(t)200K200K-C(t)图4-2 未校正系统模拟电路 系统的闭环传递函数为 W（S）=2040 （4-1） ?220.5S?S?20S?2S?40系统的无阻尼自然频率?n为 ?n=40=6.32

阻尼比 ??1?n=0.158

所以未校正时系统的超调量MP为

MP?e???/1??2=0.60=60%

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调节时间ts为 ts?4??n=4秒 系统静态速度误差系数Kv=20 1/秒 2、 要求设计串联校正装置使系统满足下述性能指标： （1） 超调量Mp?25% （2） 调节时间ts?1秒 （3） 静态速度误差系数Kv?20 1/秒 3、 串联校正装置的设计： 常用校正装置电路如图4-3所示， R1R2校正网络的传递函数为 CR3GC(S)?KR0T1S?1 （4-2） T2S?1其中 K=（R1+R2）/R0 图4-3 校正装置电路T1=( R1R2?R3)C R1?R2 提示：R3<

（1）按你所设计的系统图接线；

（2）加阶跃电压，观察阶跃相应曲线，并测出超调量MP和调节时间ts。 五、完成实验报告

报告要求：

1、未校正系统性能分析；2、校正后系统性能分析；

3、实验记录； 4、实验结果分析、体会和建议。 六、思考题：

1、除串联校正装置外，还有什么校正装置？它们的特点是什么？如何选用校正装置类型？

附录：

XMN-2型自动控制原理学习机系统使用手册

第一章 概述

XMN-2型自动控制原理学习机系统包括XMN-2型自动控制原理学习机和与之相配套的CAE-98E型计算机辅助实验系统。

XMN-2型自动控制原理学习机是专为《自动控制原理》课程而设计的电子模拟设备，它的整机结构合理，单元电路设置符合控制原理实验要求，参数改变灵活，排题方便。它以积分器和加法器为基础，配置了二极管、电位器、分压器、电阻器、电容等部件，可以组成控制系统的各个环节，如：PID调节器、多阶调节对象等线性环节以及饱和、死区、迟滞等非线性环节，并且它可以与计算机中的CAE-98接口卡连接，完善它的显示功能。

该学习机的主要特点是：1、专为自动化专业设计，整机结构合理，单元电路设置符合控制原理实验要求，参数改变灵活，排题方便。2、选用进口的高精度运算放大器OP07，它具有高增益，输入失调电压、电流较一般产品小，由它组成的加法器、积分器的“调零”和“积分漂移”较小。3、操作面板上设置了“复位”键，能方便地消除积分环节电容上的残余电荷，从而提高了本机重复运算的精度。4、自带双向双量程电压表，测量、调整方便。5、具有计算机接口，可方便连接计算机，组成数字/模拟实验系统。

该学习机的主要技术性能：输入电源电压：AC220V±10%、输出电压：±15V、额定输出电流：400mA、电压调整率：（△U）：25mV、输出阻抗：≤1Ω。

CAE-98E型计算机辅助实验系统，是以PC机为基础，配合XMN-2型自动控制原理学习机的新一代计算机辅助实验系统。它集长余辉示波器、函数记录仪、程控信号源、超低频信号发生器于一身，可轻松完成各种复杂的实验。它配有CAE-98接口卡，该卡与CAE-98E软件相配合，可进行数据采集，实时显示及曲线回放等功能，也可以作为信号源来进行信号的发送，有两路信号源，可发送-5V—+5V的正弦、余弦、方波、高低电平、正负阶跃信

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号、三角波信号和锯齿波信号。信号的周期和类型由软件来实现。

第二章XMN-2型自动控制原理学习机的结构和使用方法

XMN-2型自动控制原理学习机如面板图所示（见附）由以下几个部分组成：电源部分、模拟运算单元部分、CAE-98接口部分、幅度调节部分（阶跃信号）、测量显示部分。 一、电源：

学习机对外有专用的插头直接接220伏的交流电压给学习机供电。学习机内部有变压器及集成稳压电路将220伏的交流电转变成学习机可以使用的±15V的直流电压。这样，当接通电源开关，操作面板的左侧相应的插孔即有±15V的电压值，对应的LED指示灯亮。本机的±15V的稳压电压只供本机使用，不能提供其他使用。 二、模拟运算单元

本机的模拟运算单元采用进口高精度的运算放大器OP07，它具有高增益，输入的失调电压、电流较一般的产品小，由它组成的加法器、积分器的 “零点”和“积分漂移”较小等特点。由面板图可见，由OP07运算放大器组成的运算部件有：8个配置了一些常用的电阻、电容的运算放大器回路和1个反向器，这8个运算放大器回路在反馈回路和输入回路提供了一些外接插孔，可连接配置的和外接的电阻、电容来组成所需要的各种运算回路，但是每个运算放大器的接线安排有所不同，其中①②方便实现加法器、惯性环节等，③④方便实现积分器、惯性环节，⑤⑥方便实现其它外接较多的电路，⑦⑧方便实现PID调节器的功能。同时在运算放大器的同相端，除了接了固定的电阻外也安排了一对“外接”插口，供使用者调整补偿电阻进一步减少漂移而引起的输出误差。

在学习机的面板中间部分，提供了一些无源的电阻、电容和一些二极管等非线性环节，可以供所有的8个运算放大器来使用，也可以用于组成饱和、死区和迟滞回路等非线性回路。这里的无源是相对8个运算放大器里所配置的电阻、电容而言的，因为配置的电阻、电容都是部分的接入了电路，所以，这些配置的电阻、电容只能在它所在的运算放大器回路中使用，不能用于其他的运算放大器回路。

在面板OP9的右测，有一个复位的按钮，其作用是给各个运算放大器回路中的电容放电。当每个运算放大器回路进行第二次运算前，按“复位”键，使每个积分器反馈回路中的电容都放电。需要注意的是，若反馈回路中只有电容，则放电很快就可以完成。若反馈回路中，既有电阻又有电容，则放电就较慢，需要按住按钮一段时间，直到运算放大器回路的输出为零，才完成放电。 三、CAE-98接口

模拟运算放大器回路的输入、输出都可以与CAE-98接口相连接的，CAE-98接口指的是学习机和计算机相联系的接口。计算机中装有与学习机相配套的硬件和软件，这硬件和软件配合有两大功能，一是可以作为信号源产生信号，如：阶跃信号、正余弦等，二是可以作为显示器来显示曲线，显示什麽曲线取决于所接进的信号，一般我们来显示实验回路的输入信号和输出信号。具体的功能和使用将在第三部分CAE-98E型计算机辅助实验系统中介绍。这里只介绍在学习机面板上的接口的使用。如面板图可见该接口可以分为两部分，一部分是两路输入，对学习机来说是输出，连接该部分的信号可以在计算机中显示，因而一般我们将实验回路的输入和输出连接进来。另一部分是两路输出，对学习机来说是输入（信号源），可以给学习机的实验回路提供信号源，但是不能直接接入实验回路，因为信号

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源提供的信号是统一±5V的信号，而实验所用的幅值相对来说要小一些，因而要通过幅度调节部分进行幅度调节后接入实验回路的输入。 四、幅度调节部分（阶跃信号）

该部分有三种功能。第一、调节信号的幅值，我们在实验中，信号源信号常需要在这里进行信号幅值的调节（因为我们显示的幅值最大是5V，故我们要将信号调小）。方法是将CAE-98接口的信号源的信号接入该部分的输入，开关K1扳在上面（这样，电位器就可调了，具体的看面板图），该部分的输出，通过调节电位器就可以得到我们所需要的信号幅值。第二、如果“输入”插口外接超低频信号发生器，则可做控制系统的频率特性实验。第三、本机还备有“输入”插口，可以与外加信号源配合使用。如果系统输入扰动信号为阶跃信号，则需要将“输入”插口接入+15V电源端，拨动K1，可以得到0—15V的正、负阶跃信号。同理，“输入”插口也可以接入-15V电源端。 五、测量显示部分

在面板的右下方有一个电压表，它的上方有测量选择，这两部分结合使用，可以显示运算放大器的输出。当测量选择中的K3拨向右方时，电压表上所指示的电压值为拨码盘上数码所选定的运算放大器的输出电压值，同时由插口可供示波器观察响应数码的运算放大器的输出波形。当拨码盘为0时，电压表上所指示是幅度调节部分的输出。K3拨向左边时电压表显示的是在外接端连接的电压值。电压表有两个量程，一般情况下，当电压表的量程为±15V时，可以显示各运算放大器的输出。当电压表的量程为±1.5V时，用来测量各运算放大器放电时输出是否为零。OP07运算放大器在调零时，调整数字在mV级，因此需用数字电压表才可以精确调零。 六、注意事项 （1）、熟悉本机的原理和结构，以及面板控制开关、旋钮的作用。 （2）、检查电源电压应符合AC220V/±10%的范围。 （3）、清理面板上的连线，将不用的线拔出，特别是±15V插孔不能接地，以防烧坏电源。 （4）、插头为自锁紧式，插头插入后顺时针方向旋转一定角度即可锁紧，拔出时需逆时针方向旋转后方可拔出，严禁拉着导线拔出。 （5）、仪器不使用时应拔去电源线，盖好机箱。

第三章 CAE-98E型计算机辅助实验系统

一、该系统的构成和主要技术指标

CAE-98E型计算机辅助实验系统，是以PC机为基础，配合XMN-2型自动控制原理学习机的新一代计算机辅助实验系统。它集长余辉示波器、函数记录仪、程控信号源、超低频信号发生器于一身，可轻松完成各种复杂的实验。该系统由CAE-98型微机接口卡（硬件）和CAE-98E软件两部分组成。由硬件和软件组合用于数据采集、信号源输出、波形显示等功能。

其主要的技术指标： 1）、采集输入通道：作用相当于双通道存储示波器，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） 2）、信号源通道：独立2路信号源，工作电压范围-5V — +5V

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信号波形：正弦波、方波、高电平、低电平、正阶跃、负阶跃、三角波、锯齿波。 信号周期：0.4mS — 655.36S(2500Hz — 0.00154Hz)。 3）、系统配置：PC兼容机，DOS环境。注：可在WIN3.X或WIN9X下运行。 4）、占用PC资源：DAMA通道—（DAM1），中断5（IORQ5），IO地址：280H—287H。 5）、接口：25芯接口、9芯接口 二、使用方法 1、启动

在DOS环境下，进入C:\\CAE98目录，运行CAE98E程序后出现等待画面，敲回车键，进入CAE98E型计算机辅助实验系统的等待画面。 2、设置

在等待画面下，按F4键可设置信号源和采集参数。其中绿色下划线所在项可使用数字键输入、退格键清除、回车键确认进行修改，若输入数据超范围或直接按回车键则使用原参数。设置完所有的选项后回到等待画面。其中显示起点和显示抽样点数两项不能进行设置，没有选择的余地。 （1）、信号源设置（注：两个信号源可分别选择不同的波形。）

·波形选择：信号源1：_______（0-7） 信号源2：______（0-7） 其中： 0、正弦波 1、余弦波 2、方波 3、高电平4、正阶跃

5、负阶跃 6、三角波 7、锯齿波

·信号周期的选择（每个单位代表0.1mS）：

源1：_______(4 - 6553600) 源2：_______(4– 6553600)

(注：如果选择10，则信号周期为10*0.1mS=1mS。使用阶跃信号应使信号周期大于系统周期的2.5倍以上。因为阶跃信号为可控触发的方波，周期为“信号周期”的2.5倍。且如果两个信号源中只要有一个是阶跃信号，不论是正还是负，信号源的输出受采集开始信号F1的控制。发出该信号后，信号源有信号，正（负）阶跃先输出四分之一信号的低（高）电平，然后变为高（低）电平维持2个信号周期后，停止；另一路信号源同时启动，同时停止。如果两个信号源均不是阶跃信号，则信号源不受任何信号的限制，只要在等待画面，它就源源不断的发出指定的信号。发出的信号的周期为所选定的周期。) （2）、采集器设置：

·采集周期：_______（3–13107） 每个单位代表200μS/格

（注：如果选择10，则采集周期为10*200μS/格=2mS/格，显示画面共有10个格，因而显示画面可以显示20mS，也就是显示画面的时间轴为0mS--20mS。且横向分辨力为512点/10格。）

·采集文件号设置：TEST_______.TXT(0-999)（注：一般我们不用该功能，不用设置。） 3、信号输出

当启动CAE98E程序时，程序会自动调用TEST0.SYS文件的参数建立系统参数，所以进入等待画面后信号源立即开始工作，按系统参数输出信号。当使用F4键改变信号源参数后信号输出随之改变。当启动采集后退出CAE98E程序，信号源仍保持退出程序前的设置继续输出信号。当一个以上信号源为阶跃信号时，信号输出固定为所选波形的起始点，由F1键启动，两路信号同时发送，正（负）阶跃先输出四分之一信

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号的低（高）电平，然后变为高（低）电平维持2个信号周期结束；另一路信号也随之结束。 4、采集

在等待画面下，按F1键可开始采集并显示波形，波形随着时间的推移而延长，当波形走完显示屏幕后，采集结束。 采集画面上有两路曲线，其中绿色的曲线代表输入1的信号曲线，红色的曲线代表输入2的信号曲线。采集结束后，还可以按F1进行下一次采集。 5、放大显示

在等待画面下，按F3键可将在采集器画面上的显示通道由两个改为一个，显示比例由1：2放大为1：1，两个采集通道由颜色区分。 6、退出

在等待画面下，按Esc键可退出CAE-98E型计算机辅助实验系统。 三、应用举例：二阶系统的阶跃响应

步骤1：在学习机上按电路图连好一个二阶系统。

步骤2：将OUT通道1输出接在学习机的“幅度调节”的输入端（利用电位可调节阶跃

信号幅度），学习机的“幅度调节”的输出端接在二阶系统的输入端，INPUT通道1输入接在二阶系统的输入端，将INPUT通道2输入接在二阶系统的输出端。

步骤3：在计算机屏幕上选取信号源1为阶跃信号，选取信号源2为任意输出。并为信号

源、采集器选取合适的时基。

步骤4：等待一段时间，当系统稳定后启动采集器，在计算机屏幕上可如示波器一样显示

阶跃响应曲线并可自动存盘。

四、注意事项

在使用时，注意每按一次键，要等执行完成后，再下一个键，尤其是采集键，要等一次采集完成后，再按下一次采集，否则会浪费很多的时间。

第四章 辅助电路板介绍

为了配合设计型实验的开发，研制了辅助的电路板（如下图），该电路板主要是提供一些无源的电阻和电容，为设计实验提供了较大的空间。

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