实验一 典型电信号的观察与测量

一、实验目的

1、初步掌握用示波器观察电信号波形，定量测出正弦信号和脉冲信号的波形参数。

2、初步掌握示波器、信号发生器、数字万用表的使用。

3、掌握Multisim仿真测试与实物测试的异同点。

二、实验原理说明

　　1、正弦交流信号和方波脉冲信号是常用的电激励信号，可由函数信号发生器提供。正弦信号的波形参数是幅值U_m、周期T(或频率f)和初相；脉冲信号的波形参数是幅值U_m、周期T及脉宽t_k。

2、电子示波器是一种信号图形观测仪器，可测出电信号的波形参数。从荧光屏的Y轴刻度尺并结合其量程分档选择开关（Y轴输入电压灵敏度V/div分档选择开关）读得电信号的幅值；从荧光屏的X 轴刻度尺并结合其量程分档（时间扫描速度t /div分档）选择开关，读得电信号的周期、脉宽、相位差等参数。为了完成对各种不同波形、不同要求的观察和测量，它还有一些其它的调节和控制按钮，希望在实验中加以摸索和掌握。

　　一台双踪示波器可以同时观察和测量两个信号的波形和参数。

三、实验设备

四、实验内容

1、正弦波信号的观测

(1) 将示波器的幅度和扫描速度微调旋钮旋至“校准”位置。

(2) 在multisim 9 中，将信号发生器的正弦波输出口与示波器的Y_A插座相连。

(3) 在信号发生器中选择正弦波输出，点击仿真按钮。

通过参数设置，使输出频率分别为50Hz，1.5KHz和20KHz；再使输出幅值分别为有效值0.1V，1V， 3V（由交流毫伏表读得）。调节示波器Y轴和X轴的偏转灵敏度至合适的位置，从荧光屏上读得幅值及周期，分别记入表1-1、1-2中。

表1-1正弦波信号频率的测定1

表1-2正弦波信号频率的测定2

2、方波脉冲信号的观察和测定

(1) 在multisim 9 中，将信号发生器的正弦波输出口与示波器的Y_A插座相连，选择方波信号输出。

(2) 调节方波的输出幅度为3. 0V_P－P（用示波器测定），分别观测100Hz，3KHz和30KHz方波信号的波形参数。

(3) 使信号频率保持在3KHz，选择不同的幅度及脉宽，观测波形参数的变化。

(4) 自拟数据表格。

五、仿真实验

(1) 在Multisim 9平台上建立图1.1所示电路，分别双击信号发生器、示波器图标，显示出信号发生器、示波器虚拟面板图。

(2) 调节信号发生器参数，使信号发生器的输出信号符合实验要求。

(3) 单击示波器仿真面板图上的Expand按钮，示波器显示屏扩展，按住鼠标左键将垂

直光标拖到需要读取数据的位置，在显示屏的下方显示光标与波形垂直相交点处的时间和电压，以及两光标之间的时间和电压。

(4) 用示波器测出给定参数的周期及幅值。

(5) 按照实验内容，完成仿真。

六、实验注意事项

　　1、 调节示波器时，要注意触发开关和电平调节旋钮的配合使用，以使显示的波形稳定。

    2、 为防止外界干扰， 信号发生器的接地端与示波器的接地端要相连(称共地)。

3、 虚拟的示波器，各旋钮、功能的标注同实物示波器有所差别，实验前请详细阅读教材中虚拟示波器的使用方法。

七、预习思考题

　　1、 示波器面板上“t/div” 和“V/div”的含义是什么?

　　2、 应用双踪示波器观察到如图1.2所示的两个波形，Y_A和Y_B 轴的“V/div”的指示均为0.5V，“t/div” 指示为20μS， 试写出这两个波形信号的波形参数。

八、实验报告

1. 整理实验中显示的各种波形，绘制有代表性的波形。

2. 总结实验中所用仪器的使用方法及观测电信号的方法。

3. 心得体会及其它。

图1.1 仿真电路                        图 1.2  示波器上观察到的两个波形

 

第二篇：计算机仿真技术实验指导书

《计算机仿真技术》实验指导书

实验一   状态空间模型的仿真

一、实验目的

通过实验，学习4阶龙格-库塔法的基本思路和计算公式，加深理解4阶龙格-库塔法的原理和稳定域。加深理解仿真的稳定性，仿真步长对仿真精度的影响。

二、实验内容

1、线性定常系统

；

2、非线性系统

其中：r=0.001, a=2´10^-6, s=0.01, b=1´10^-6, x(0)=12000, y(0)=600。

三、实验原理

运用SIMULINK仿真工具进行实验。

四、实验设备和仪器

微型计算机、MATLAB软件。

五、实验方法

运行MATLAB，在MATLAB窗口中按SimuLink按钮，启动SimuLink库浏览器，在浏览器窗口上选create a new modem命令，得到一个空模型，从Library: SimuLink窗口中找到需要的模块，将这些模块拖到空模型窗口中。将空模型窗口中的排好，并按要求连接。在保存好的模型窗口中，选Simulation\Paramters命令设置各模块的参数和仿真参数。给模型取一个名字，保存起来。选Simulation\Start命令，进行仿真。

六、实验报告

1、所采用方法的基本思路和计算公式。
2、仿真步骤及说明。
3、仿真过程及仿真结果分析
要点：
（1）学习4阶龙格-库塔法的基本思路和计算公式；
（2）为了保证仿真的稳定,分析线性定常系统,其最大仿真步长为多少?
4、实验的心得体会。

实验二  小功率随动系统的仿真

一、实验目的

掌握时域离散相似法仿真模型在SIMULINK中的实现方法，学习含有非线性环节的控制系统的仿真方法，加深理解离散相似法的原理及特点。计算线性系统开环切割频率及过度过程时间的估计值（5%），并按离散相似法选择仿真步长的原则预先选择仿真步长。考虑回环特性时，计算系统的自激振荡频率和振荡的幅值。

二、实验内容

1、线性系统
已知一个小功率随动系统，其结构如下图

其中，，，，仿真R(t)=10´1(t)作用下，输出Y(t)的跟踪过程。
2、非线性系统
    考虑在上述线性系统中第4个环节后有一个回环非线性环节，仿真R(t)=10´1(t)作用下，输出Y(t)的跟踪过程。

    回环特性又称为环（间隙）特性。该特性如图1（a）所示。其数学表达式为

式中，为间隙宽度，K为输出特性的斜率，b为常数。

当输入e(t)增大并超过之后，输出x(t)与输入e(t)成比例，随着输入量的增大输出量沿特性①上升。当输入增大到某值后开始减小时，输出量则保持不变，直至输入量减小了2之后，输出量方沿特性②下降。

机械传动中的齿轮间隙是典型的回环特性。图1（b）表示具有这种特性的传动装置。回环特性的存在，会使系统稳态误差增大，相位滞后增大，系统暂态特性变坏，甚至使系统不稳定或产生自振荡，因此应消除或减弱它的影响。

图1 回环特性

三、实验原理

运用SIMULINK仿真工具进行实验。

四、实验设备和仪器

微型计算机、MATLAB软件。

五、实验方法

运行MATLAB，在MATLAB窗口中按SimuLink按钮，启动SimuLink库浏览器，在浏览器窗口上选create a new modem命令，得到一个空模型，从Library: SimuLink窗口中找到需要的模块，将这些模块拖到空模型窗口中。将空模型窗口中的排好，并按要求连接。在保存好的模型窗口中，选Simulation\Paramters命令设置各模块的参数和仿真参数。给模型取一个名字，保存起来。选Simulation\Start命令，进行仿真。

六、实验报告

1、所采用方法的基本思路和计算公式。
2、仿真步骤及说明。
3、仿真过程及仿真结果分析
要点：
（1）计算线性系统开环切割频率及过度过程时间的估计值（5%）；
（2）并按离散相似法选择仿真步长的原则预先选择仿真步长；
（3）考虑回环特性时，计算系统的自激振荡频率和振荡的幅值。
4、实验的心得体会。

实验三  PID 控制器的设计与仿真

一、实验目的

掌握控制系统PID校正的一般方法，进一步体会各种校正对系统性能的影响，加深对PID控制器中各参数对系统性能影响的理解。

二、实验内容

一个角度跟踪系统如图所示

其中可调放大系数K₁=1，K₂=800，滤波器时间常数T_L=0.2224秒，伺服电机电机拖动系统时间常数T_M=0.2秒。对该系统的校正前，后的动态特性进行仿真。

基本要求

设计一个PID调节器进行串联校正。要求校正后的系统满足指标：

（1）幅值稳定裕度 G>18dB

（2）相角稳定裕度 g>50º

（3）系统的跟踪误差Es<0.002。

三、实验原理

运用SIMULINK仿真工具进行实验。

四、实验设备和仪器

微型计算机、MATLAB软件。

五、实验方法

运行MATLAB，在MATLAB窗口中按SimuLink按钮，启动SimuLink库浏览器，在浏览器窗口上选create a new modem命令，得到一个空模型，从Library: SimuLink窗口中找到需要的模块，将这些模块拖到空模型窗口中。将空模型窗口中的排好，并按要求连接。在保存好的模型窗口中，选Simulation\Paramters命令设置各模块的参数和仿真参数。给模型取一个名字，保存起来。选Simulation\Start命令，进行仿真。

六、实验报告

1、所采用方法的基本思路和计算公式。
2、仿真步骤及说明。
3、仿真过程及仿真结果分析

要点：
（1）学习PID控制器的理论方法；
（2）画出校正前、后系统的Bode图，校正前、后系统的相角裕度，分析系统的稳定性。
4、实验的心得体会。

实验四  最小拍控制器的仿真

一、实验目的

掌握零阶保持器的原理，进一步体会采样周期与仿真步长之间的关系，加深对系统的连续部分和离散部分在仿真中处理方法的理解。

二、实验内容

已知一个系统如下图所示

 

其中 为离散控制器，G_h(s)是零阶保持器，G(s)=10/s，试分别作出这个系统在输入为r(t)=1(t)、2t下的响应曲线，取采样周期T=0.5。

三、实验原理

运用SIMULINK仿真工具进行实验。

四、    实验设备和仪器

微型计算机、MATLAB软件。

五、实验方法

运行MATLAB，在MATLAB窗口中按SimuLink按钮，启动SimuLink库浏览器，在浏览器窗口上选create a new modem命令，得到一个空模型，从Library: SimuLink窗口中找到需要的模块，将这些模块拖到空模型窗口中。将空模型窗口中的排好，并按要求连接。在保存好的模型窗口中，选Simulation\Paramters命令设置各模块的参数和仿真参数。给模型取一个名字，保存起来。选Simulation\Start命令，进行仿真。

六、实验报告

1、所采用方法的基本思路和计算公式。
2、仿真步骤及说明。
3、仿真过程及仿真结果分析
要点：
（1）系统的动态响应在几个采样周期内结束？
（2）系统的稳态响应有无波纹，D(z)是什么控制器？
（3）如果被控对象的参数变化为G(s)=9.8/s，情况会发生什么变化？说明什么问题？
4、实验的心得体会。