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。%、蜂值时间p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。%和语节时间s: ,4,5,10,20等，观测系统在不同开环增益下的响应 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。 如果洗用虑示波器 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 点击开始 可使用本实验台上的虚拟示波器CH1 CH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161所示。系统开环传递函数为：01502+ 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“0一5V”: B.将阶跃信号区的“0~5Y”端子与实验电路A3的“I32”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~V”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“N11”、“IN13”同时连接，将A1的“OUT1 与A2的“N21”相连接，将A2的“OUT2”与A3的“IN33”相连接：
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： 0.1 (0.2 1) K s s + ， 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 =1OK、R8=10K 、C1=1.0u、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“OUT2”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 0 ,蜂值时间p和调节时间s。 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 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 极点 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“05V”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： 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 A 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
1 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“ OUT2 ”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
极占环书 极点传递函数参数值选择拨动开关 [5.0UF R10 1 R9=200K 将A4的S5、 200K S14拨至开的 R9 A4 (s+1) R10=200K C3=5.0uF 位置 200 1.0U R10 R9=500K 将A5的S4 500K 2 R10=500KS11拨至开的 R9 (s+2) C3=1.0uF 位置 500K OUF R10 200K 5 R9=200K 将A4的S5、 R10=200KS13拨至开的 R9 A4 (s+5) C3=1.0uF 位置 200K 1.OUE R10 00R 10 R9=100K将A5的S5、 R10=100KS13拨至开的 R9 A5 (s+10) C3=1.0uF 位置 100K
2 极点环节 极点传递函数 参数值 选择拨动开关 1 ( 1) s + R9=200K R10=200K C3=5.0uF 将 A4 的 S5、 S14 拨至开的 位置 2 ( 2) s + R9=500K R10=500K C3=1.0uF 将 A5 的 S4、 S11 拨至开的 位置 5 ( 5) s + R9=200K R10=200K C3=1.0uF 将 A4 的 S5、 S13 拨至开的 位置 10 ( 10) s + R9=100K R10=100K C3=1.0uF 将 A5 的 S5、 S13 拨至开的 位置
1.0 R10 20 R9=50K 将A6的S4、 R10=50K S15拨至开的 A6 (s+20) C3=1.0uF 位置 1UF R10 R9=200K 将A4的S5、 200K 50 R10=200K (s+50) S15拨至开的 R9 A4 C3=0.luF 位置 200R (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p和调节时间s。 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 二阶系统加入闭环零点后的模拟电路如图1-6-3所示 客点 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“0一V” 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“0~5N”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：
3 20 ( 20) s + R9=50K R10=50K C3=1.0uF 将 A6 的 S4、 S15 拨至开的 位置 50 ( 50) s + 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 Zo Ax 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 将A4的 S+2 R10=470K S3、S10 2 R11=470K 拨至开 C3=1.0u 的位置 R10 R9=10K 将A4的 s+5 R10=200K S4、S11 R11=200 拨至开 C3=1.0u 的位置 R10 R9=1.0K 将A5的 9 S+10 R10=100 R11=100k C3=I.0九uF 的位 1 S+20 R9=8.0K 将A6的 R10=41K S1、S8 8.U 20 R11=41K 拨至开 C3=1 0uF 的位 R10 100尿 R9=1.0K 将A5的 R9 S+50 R10=100K 53、S9 50 R11=100K 拨至开 C3=0.2uF 的位置 (3) 连接虚拟示波器：
4 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 2 2 s + R9=30K R10=470K R11=470K C3=1.0uF 将 A4 的 S3、S10 拨至开 的位置 5 5 s + R9=1.0K R10=200K R11=200K C3=1.0uF 将 A4 的 S4、S11 拨至开 的位置 10 10 s + R9=1.0K R10=100K R11=100K C3=1.0uF 将 A5 的 S2 、 S9 拨至开 的位置 20 20 s + R9=8.0K R10=41K R11=41K C3=1.0uF 将 A6 的 S1 、 S8 拨至开 的位置 50 50 s + 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p和调节时间5。 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 实验电路A6。 M阶系统加入开环极点后的模拟电路如图1一合1所 A5 Zo A A3 极点 /A21 图1一6-4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“0一5V”: B.将阶跃信号区的“0~5V”端子与实验电路A3的“N32”端子相连接 C.按压阶跃信号区的红色开关按纽就可以在“0一5V”瑞子产生阶跃信号： (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 Zo 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
5 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
极占环 极点传递函数参数值选择拨动开关 0.1U R10 200K 50 R9=200K 将A4的S5 R10=200KS15拨至开的 R9 A4 (s+50) C3=0.1uF 位置 200K (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p和调节时间s。 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 下A U 零点 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“0一5V”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
6 极点环节 极点传递函数 参数值 选择拨动开关 50 ( 50) s + 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。 零点传递函数 参数值 选择拨动 零点环节 开关 470K R9=30K 将A4的 S+2 R10=470K S3、S10 R11=470K 拨至开 C3=1 0uF 的位置 200际 R9=1.0K 将A4的 R9 s+5 R10=200K S4、S11 5 R11=200K 拨至开 C3=1.0u 的位置 R10 R11 100尿 RO=I0K 将A5的 R9 s+10 R10=100K .0 10 R11=100K 拨至开 C3=1.0u 的位置 R10 R1] R9=80K 将A6的 S+20 R10=41K 20 R11=41K C3=10uF 的位置 0 0尿 将A5的 9 S+50 R9=1.0K R10=100K 50 R11=100k 拨至开 C3=0.2uF 的位胃 (3) 连接虚拟示波器 将实验电路Ax的“OUTX”与示波器通道CHl相连接 >
7 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 2 2 s + R9=30K R10=470K R11=470K C3=1.0uF 将 A4 的 S3、S10 拨至开 的位置 5 5 s + R9=1.0K R10=200K R11=200K C3=1.0uF 将 A4 的 S4、S11 拨至开 的位置 10 10 s + R9=1.0K R10=100K R11=100K C3=1.0uF 将 A5 的 S2 、 S9 拨至开 的位置 20 20 s + R9=8.0K R10=41K R11=41K C3=1.0uF 将 A6 的 S1 、 S8 拨至开 的位置 50 50 s + 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。%、蜂值时间p和调节时间5。 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、虚拟示波被器、实验电路A1、实验电路2、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： 01sO1s+】K=R6Rs, 02 102 当50时罚环传建通数为子+2+反“了+10+10，K-6-05. 。=10。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5和 固有频率)，也将发生变化，系统的特性从而改变。 图16-6二阶系统模拟电路 (1)设置阶跃信号源： A.将阶跃信号区的选择开关拨至“0一5V”: B.将阶跃信号风的“05V”端子与实验由路A3的“N32”端子相连接， C.按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0一5V”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“N24” 相连接，将A2的“OUT2”与A3的“N33”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=R6R5,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“OUT2”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p和调节时间s。 四.实验结果
8 （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： 0.1 (0.1 1) K s s + ，K＝R6/R5， 当 R5=100K 时闭环传递函数为： 2 2 2 2 2 2 10 2 10 10 n n n s s s s = + + + + ， K＝1， = 0.5 ， 10 n = 。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 n 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“ OUT2 ”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 阶系统的影响 超调量 峰值时 周节时间 0% 间tp ts 极点传递函数 实测响应曲线 1 (s+1) 2 (s+2) 5 (s+5) 10 (s+10) 20 (s+20) 50 (s+50)
9 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 1 ( 1) s + 2 ( 2) s + 5 ( 5) s + 10 ( 10) s + 20 ( 20) s + 50 ( 50) s +
