CN109658769A - 一种低阶lti连续系统特性综合性实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低阶LTI连续系统特性综合性实验装置，包括依次连接的实验控制模块、便携式多功能实验设备和LTI连续系统仿真模块，其中，所述便携式多功能实验设备包括：激励信号发生器、响应信号采集器和可编程直流电源；所述LTI连续系统仿真模块包括：PCB端子连接器；低阶LTI连续系统特性实验电路，模拟低阶LTI连续系统，基于所述实验激励信号，实现低阶LTI连续系统的特性验证实验；时域信号采集通道选择电路，实现不同观测信号的选择。与现有技术相比，本发明具有便携式、多功能、接口简单、性价比高等优点，适合用于低阶LTI连续系统特性的课堂示例和课后实验教学，便于学生开展设计性和创新性实验。

Description

一种低阶LTI连续系统特性综合性实验装置

技术领域

本发明属于实验教学技术领域，尤其是涉及一种低阶LTI连续系统特性综合性实验装置。

背景技术

线性时不变(LTI)系统是《信号与系统》和《自动控制原理》课程中的学习和研究对象，其中一阶/二阶系统是构成复杂系统的基本单元，无论是实验教学还是工程实践，应用极为普遍，学习一阶/二阶系统的性能分析有助于加强对一般系统特性的理解和掌握，具有重要的实际意义。以二阶系统为例，其数学模型可以用二阶微分方程表示，转换为S域传递函数的标准形式如公式(1)所示：

其中，T为时间常数，也称为无阻尼自由振荡周期，ξ为阻尼比，ω_n＝1/T为系统的自然频率(无阻尼固有频率)。二阶系统的特征方程可求得极点(特征根)为：

由此可知，系统时间响应性能主要取决于阻尼比ξ和自然频率ω_n这两个参数：ξ＞1时为过阻尼系统，响应是非振荡衰减的(两个不相等负实数根)；ξ＝1时为临界阻尼系统，响应是临界非振荡过程(两个相等负实数根)；0＜ξ＜1时为欠阻尼系统，响应是振荡衰减的(一对共轭复数根)，此时其衰减振荡的角频率(阻尼振荡频率)阶跃信号输入时的动态指标计算公式如下所列：峰值时间：最大超调量：超调量：σ_P％＝M_P·100％，调节时间：(5％误差带)；ξ＝0时为零阻尼系统，响应中只含有复指数振荡项(一对共轭虚数根)；ξ＜0时为负阻尼系统，响应发散，系统不稳定。

时域分析是三大分析方法之一，在时域中研究问题，重点讨论系统在输入信号作用下的过渡过程响应形式，其特点在于直观与精确，例如对于欠阻尼二阶系统对象，阻尼比ξ/自然频率ω_n/阻尼振荡频率ω_d参数和各项动态性能指标均可以从阶跃响应波形上直接判读或间接计算得到，如图1中所示。

常规的一阶/二阶系统响应实验多采用信号与系统实验箱实现，如THKSS型信号与系统实验箱、DICE-T3型信号与系统实验仪等，激励信号由实验箱内部产生或者外接信号发生器输入，通过外部示波器观察系统的响应和各项动态指标，由于实验箱内部电路结构和参数为固定形式，功能简单，只能局限于简单的验证性实验，实验内容难以扩展为设计性实验或者创新性实验；专利CN101017623B公开一种自动控制原理的实验仪器及方法，涉及一种自动控制原理的实验仪器及方法，引入了虚拟示波器和虚拟信号发生器的功能，但其各功能模块架构仍然和现有产品类似，不够精简；专利CN201853399U公开一种自动控制原理实验模块，支持多个自动控制原理实验，但其实验平台使用NI ELVIS，成本较高，同时便携性不佳。另一方面，采用MATLAB等软件实现的纯软件仿真实验灵活多样，但局限于理论模型计算，对所依托的实际硬件电路和物理信号不能直接测试和分析。另外，由于使用实验箱电路时一般还需要配套外部仪器，如信号发生器、数字示波器、直流稳压电源等，才能正常工作，成本较高，同时学生只能到实验室现场才能进行实验。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低阶LTI连续系统特性综合性实验装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种低阶LTI连续系统特性综合性实验装置，包括依次连接的实验控制模块、便携式多功能实验设备和LTI连续系统仿真模块，其中，

所述便携式多功能实验设备包括：

激励信号发生器，在所述实验控制模块的控制下，产生发送至所述LTI连续系统电路仿真模块的实验激励信号；

响应信号采集器，在所述实验控制模块的控制下，采集所述LTI连续系统电路仿真模块的输入端和输出端的实际信号；

可编程直流电源，在所述实验控制模块的控制下，向所述LTI连续系统电路仿真模块提供直流工作电源；

所述LTI连续系统仿真模块包括：

PCB端子连接器，实现与所述便携式多功能实验设备的电气连接；

低阶LTI连续系统特性实验电路，模拟低阶LTI连续系统，基于所述实验激励信号，实现低阶LTI连续系统的特性验证实验；

时域信号采集通道选择电路，实现所述低阶LTI连续系统特性实验电路上不同观测信号的选择。

进一步地，所述激励信号发生器、响应信号采集器和可编程直流电源集成于一便携式设备本体中。

进一步地，所述便携式多功能实验设备通过USB接口与所述实验控制模块连接。

进一步地，所述低阶LTI连续系统特性实验电路包括无源RLC低阶系统模拟模块、有源运放低阶系统模拟模块和自定义低阶系统模拟模块，所述无源RLC低阶系统模拟模块、有源运放低阶系统模拟模块和自定义低阶系统模拟模块的输入端和电源端直接与PCB端子连接器连接，输出端通过时域信号采集通道选择电路与PCB端子连接器连接；

基于所述低阶LTI连续系统特性实验电路完成的实验包括一阶/二阶LTI连续系统的时域响应特性观察与测试、一阶/二阶LTI连续系统的频率响应特性观察与测试、二阶LTI连续系统的典型分析与综合设计、二阶LTI连续系统内部状态轨迹显示和低阶LTI连续系统模型建模及验证。

进一步地，所述无源RLC低阶系统模拟模块包括无源电子元器件和跳线开关，所述无源电子元器件包括电阻、电感和电容，通过跳线开关的通断实现无源RC一阶系统或RLC二阶系统的模拟。

进一步地，所述有源运放低阶系统模拟模块包括比例电路、积分电路、一阶惯性电路和跳线开关，通过串联、并联和/或反馈形式实现有源电路低阶系统的模拟。

进一步地，所述自定义低阶系统模拟模块包括用于放置自定义电路的空间，该空间边缘设置有与所述PCB端子连接器连接的多个端口，所述端口包括激励信号输入端口、采集信号输出端口和电源端口。

进一步地，所述PCB端子连接器、低阶LTI连续系统特性实验电路和时域信号采集通道选择电路集成在一便携式印刷电路线路板。

进一步地，所述印刷电路线路板上表面丝印有用于进行低阶LTI连续系统特性实验的电路原理图和简要说明文字内容。

进一步地，所述实验控制模块包括运行有设备驱动程序和测试控制软件的计算机。

与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：

1、本发明兼顾《信号与系统》和《自动控制原理》课程中验证演示性实验和综合创新性实验之间的技术联系和需求，利用便携式多功能实验设备，软件和硬件结合，变传统的简单验证性实验为综合创新性设计实验，观测与分析实际的物理信号对象，设计与实现低阶LTI连续系统特性综合性实验装置。

2、本发明可以根据实验需要，利用便携式多功能实验设备，软件和硬件结合，完成一阶/二阶LTI连续系统的时域响应特性观察与测试、一阶/二阶LTI连续系统的频率响应特性观察与测试、二阶LTI连续系统的典型分析与综合设计、二阶LTI连续系统内部状态轨迹显示、低阶LTI连续系统模型建模及验证等多项实验。

3、本发明的低阶LTI连续系统特性实验电路按信号流的方向进行设计，包括并行连接的无源RLC低阶系统模拟模块、有源运放低阶系统模拟模块和自定义低阶系统模拟模块，电路连接关系清楚，功能明确。以RLC无源器件为基础设计与实现的实验功能电路，形式简单，适于完成多项基础课程实验项目；采用运算放大器和RC等元件的有源运放模拟电路特性更好，可构成比例、积分、一阶惯性等典型环节，通过串联/并联/反馈形式组合为复杂系统，完成多样化综合实验；当需要设计与测试自定义系统时，实验者可自己搭建电路完成自定义低阶系统模拟模块，实验方式更加灵活。

4、本发明中的便携式多功能实验设备综合了信号发生器、差分输入多通道数字示波器/信号频谱分析仪/系统网络特性分析仪和可编程正负直流电源功能，通过计算机在线调整设定和输出实验电路所需的连续时间激励信号f(t)的波形类型和参数，实验电路中的各路信号波形被便携式多功能实验设备同时采集、并同屏显示时域波形、频域波形和波形参数计算结果，实验电路所需的直流+/-5V工作电源也由便携式多功能实验设备提供。便携式多功能实验设备为设计性和创新性实验提供一个便携式移动实践平台。本发明有效克服了现有技术中整机电路设计复杂、综合成本高、性能单一、移动不便的问题，具有便携式、智能化、多功能、接口简单、实验项目易于扩展的特点。

5、传统的实验方法中，产生连续时间激励信号f(t)的信号源需要通过外部仪器或者实验箱电路产生：实验箱电路产生的波形类型有限，功能相对简单并且不方便调整参数；外部仪器产生的波形更加丰富，但是其体积过大不利于携带，一般只适合实验室现场操作。当连续时间信号f(t)需要输出为更多类型的信号(阶跃信号、脉冲信号和斜坡信号等)或者自定义的复杂波形(如白噪声信号、M序列信号等)时，普通信号发生器和实验箱电路不能满足综合性实验和创新性实验的使用要求。本发明的激励信号f(t)的产生集成于多功能采集设备本体中，由计算机控制，可以直接修改所输出激励信号f(t)的信号类型、信号频率、输出幅度、直流偏置电压等参数，操作简单，调整方便，功能更加丰富，便携性好。

6、传统的实验方法中，观察电路中的实际信号波形需要通过外部示波器实现，但外部专用示波器体积较大，携带不便，只适合实验室现场操作，同时其波形显示屏幕分辨率有限，时域波形显示测量和频域分析结果显示一般只能分时分屏显示，不方便显示记录和回调数据。本发明的信号的时域波形采集集成于多功能采集设备本体中，由计算机控制，可以直接读取和记录实验数据波形，并进行波形数据参数解算，以及频域上的信号频谱分析等，操作界面所显示的元素更加丰富，可同时采集多路信号并显示其时域波形和频域分析结果，操作简单，调整方便，便携性好。

7、本发明的可编程直流电源集成于多功能采集设备本体中，在计算机软件的控制下输出直流+/-5V工作电源提供给实验系统模块，输出幅值可调。与常规可编程直流电源相比，体积小，操作简单，调整方便，便携性好。

9、本发明的低阶LTI连续系统特性实验电路、时域信号采集通道选择电路、PCB端子连接器集成于一便于随身携带的印刷电路线路板(PCB)上，电路模块化，可靠性高，体积小，便于携带。

9、本发明的低阶LTI连续系统特性实验电路中的关键电子元器件放置于印刷电路线路板上表面，印刷电路线路板上表面丝印有实验电路的电路原理图和简要说明文字内容，使用者可以直接判读电路原理图，辅助搭建实验电路、正确接线和完成实验操作。

附图说明

图1为二阶LTI欠阻尼(0<ξ<1)系统的时域性能指标示意图；

图2为本发明系统架构示意框图；

图3为本发明无源RLC低阶系统模拟模块的一种电路示意图；

图4为本发明有源运放低阶系统模拟模块的一种电路示意图；

图5为本发明自定义低阶系统模拟模块示意图；

图中：1、LTI连续系统仿真模块，2、便携式多功能实验设备，3、实验控制模块，4、低阶LTI连续系统特性实验电路，5、PCB端子连接器，6、时域信号采集通道选择电路，7、无源RLC低阶系统模拟模块，8、有源运放低阶系统模拟模块，9、自定义低阶系统模拟模块，10、激励信号发生器，11、响应信号采集器，12、正负直流电源，13、USB电缆，14、计算机，15、设备驱动程序，16、测试控制软件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图2所示，本实施例提供一种低阶LTI连续系统特性综合性实验装置，该装置包括LTI连续系统电路仿真模块1、便携式多功能实验设备2和实验控制模块3，便携式多功能实验设备2分别连接LTI连续系统电路仿真模块1和实验控制模块3。

本实施例中，所述的LTI连续系统电路仿真模块1包括低阶LTI连续系统特性实验电路4、PCB端子连接器5和时域信号采集通道选择电路6，提供低阶LTI连续系统特性实验的电路系统硬件平台。

所述低阶LTI连续系统特性实验电路4包括并行设置的无源RLC低阶系统模拟模块7、有源运放低阶系统模拟模块8和自定义低阶系统模拟模块9，所述低阶LTI连续系统特性实验电路4通过所述PCB端子连接器5与所述便携式多功能实验设备2连接，所述时域信号采集通道选择电路6分别连接激励信号发生器、无源RLC低阶系统模拟模块、有源运放低阶系统模拟模块和自定义低阶系统模拟模块中的信号测试点，通过所述PCB端子连接器5与所述便携式多功能实验设备2连接，所述时域信号采集通道选择电路6包括多个手动短路跳线开关，用于选择所述低阶LTI连续系统特性实验电路4中需要观测的信号，并通过所述PCB端子连接器5与口袋式的便携式多功能实验设备2连接。

本实施例的低阶LTI连续系统特性实验电路4包括无源RLC低阶系统模拟模块7、有源运放低阶系统模拟模块8和自定义低阶系统模拟模块9，可满足多种实验需求，如完成一阶/二阶LTI连续系统的时域响应特性观察与测试、一阶/二阶LTI连续系统的频率响应特性观察与测试、二阶LTI连续系统的典型分析与综合设计、二阶LTI连续系统内部状态轨迹显示、低阶LTI连续系统模型建模及验证等实验。含有储能元件电感L和电容C的电路有着广泛的应用，如振荡器、滤波电路、调谐放大器等，在用微分方程或系统函数进行建模和分析时，和机械、液压、气动等实际系统具有相同的数学模型，微分方程的阶数由电路中独立的储能元件个数决定。以此为基础设计与实现的实验功能电路，可很容易地采用实物元器件在面包板或实验台上搭建真实电路，进行电路测试或分析，配合口袋仪器实验室，可完成多项基础课程实验项目；而当使用电路环节模拟复杂系统时，受电子器件的物理特性约束，采用RLC元件构成的无源电路系统只能近似接近理想特性，而采用运算放大器、电阻、电容等模拟器件的有源电路系统特性更好，可构成比例、积分、一阶惯性等典型环节，通过串联/并联/反馈形式组合为复杂系统，完成多样化综合实验；当需要设计与测试自定义系统时，可以在自定义接口驱动下，实验者自己选择元器件，搭建完成自定义电路，实验方式更加灵活。

本实施例中，所述便携式多功能实验设备2包括激励信号发生器10、响应信号采集器11和可编程正负直流电源12，本实施例中，所述激励信号发生器10为单通道任意信号发生器，响应信号采集器11包括差分输入多通道数字示波器、信号频谱分析仪和系统特性分析仪。所述激励信号发生器10在所述实验控制模块3的控制下产生设定激励信号并传送至所述LTI连续系统电路仿真模块2中；响应信号采集器11在所述计算机系统3的控制下采集所述LTI连续系统电路仿真模块1中的实际信号并显示其时域波形，同时进行波形参数分析计算；所述可编程正负直流电源12在所述计算机系统3的控制下输出电路系统提供正常工作时所需的直流+/-5V工作电源，提供给所述LTI连续系统电路仿真模块1。

本实施例中，所述的激励信号发生器10、响应信号采集器11和可编程正负直流电源12集成于一便携式设备本体中。该便携式设备本体为USB接口便携式多功能口袋仪器实验室，实现输出产生实验电路所需的设定激励信号、采集并分析实验电路中的实际信号波形(时域解算和FFT频谱)和直流+/-5V工作电源的功能，不再需要外部设备即可实现信号发生器、示波器、频谱分析仪、系统特性分析仪和可编程直流电源功能。所述便携式多功能实验设备器设备本体为便携式多功能USB接口实验仪器设备集合2，通过USB电缆13与所述实验控制模块3连接。

本实施例中，所述实验控制模块3使用计算机14，运行有便携式多功能实验设备的设备驱动程序15和用于控制产生所述激励信号及对所述响应信号进行采集分析处理的测试控制软件16。

实施例2

如图2所示，本实施例中，所述的LTI连续系统电路仿真模块1由低阶LTI连续系统特性实验电路4、PCB端子连接器5和时域信号采集通道选择电路6组成，集成于一便于随身携带的印刷电路线路板(PCB)上，LTI连续系统电路仿真模块1的关键电子元器件放置于印刷电路线路板上表面，印刷电路线路板上表面丝印有实验电路的电路原理图和简要说明文字内容。其余同实施例1。

本实施例中，所述的PCB端子连接器5，提供所述的激励信号发生器10、响应信号采集器11和可编程正负直流电源12所对应的功能引脚，与所述的便携式多功能实验设备2的采集设备本体连接后，为所述低阶LTI连续系统特性实验电路4提供激励信号和正负直流电源，所述的时域信号采集通道选择电路6的输出作为实验所要采集的响应信号接入到所述的PCB端子连接器5的对应功能引脚。

实施例3

本实施例中，所述的无源RLC低阶系统模拟模块7由无源电子元器件电阻R、电感L、电容C以及跳线开关搭建电路实现无源RC一阶系统/RLC二阶系统，形式简单，配合口袋仪器实验室，适于完成多项基础课程实验项目：①无源RC一阶系统/RLC二阶系统的数学建模与时域求解(理论解析)；②采用无源器件搭建与调试简单实验系统；③一阶/二阶系统在阶跃信号、脉冲信号和斜坡信号等典型激励信号下的输出波形响应，了解一阶/二阶系统的响应特性；④利用阶跃响应法、频域分析法求解系统函数表达式中的重要参数(阻尼比ξ、自然频率ω_n)和其他各项动态性能指标。其余同实施例1和实施例2。

如图3所示，本实施例的电路中，输入激励信号Vin连接到电阻R0的一端，电阻R0的另一端和可调精密电位器VR1相连接串联构成等效电阻R＝R0+VR1，再和电感L1的一端串联，电感L1的另一端和电容C1的一端连接，作为电路的输出Vout，电容C1的另一端接地，跳线开关S2与串联后的电阻R0和可调精密电位器VR1两端并联，跳线开关S1与电感L1的两端并联。当跳线开关S1和S2断开时，实验电路为典型的RLC串联二阶系统，其系统传递函数可表示为：

与二阶系统传递函数的标准形式公式(1)相比较可知，自然频率阻尼比其中R＝R0+VR1可调，VR1最大值＝20kΩ，L＝L1＝10mH，C＝C1＝10nF。L和C值固定的情况下，系统的自然频率不变，理论计算值为(换算为)；计算R的理论值可知ξ＝1时R＝2kΩ，ξ＝0时R＝0Ω(可直接短接S2)，实验过程中精密电位器VR1的阻值从10kΩ开始逐渐减小至零，即可改变系统阻尼比ξ，使系统分别处于过阻尼、临界阻尼、欠阻尼、无阻尼状态，观察和记录系统在典型激励信号下的输出响应波形并计算。当跳线开关S1短接，S2断开时，实验电路简化为典型的RC串联电路一阶系统，实验分析方法与此类似，实验过程中精密电位器VR1的阻值从最大值开始逐渐减小至零，即可改变系统电路参数，观察和记录系统在加入典型激励信号情况下的输出响应波形并计算。

本实施例中，实验基本流程为：1、理论解析，按照给定的电路参数进行数学建模与时域求解；2、采用无源器件搭建调试电路，并连接好实验设备和计算机；3、设定并产生典型激励信号，观察和记录电路系统在加入典型激励信号情况下的输出响应波形并计算；4、改变电路参数，重新进行实验；5、撤收实验电路和设备；6、分析记录数据并按要求撰写实验报告。

实施例4

本实施例中，所述的无源RLC低阶系统模拟模块7可实现二阶网络系统状态变量分析实验项目，获得不同参数系统的状态轨迹。其余同实施例3。

如图3所示，本实施例的电路中，当跳线开关S1和S2断开时，所述的无源RLC低阶系统模拟模块7设置为典型的RLC串联二阶系统，存在独立储能元件(电感L、电容C)，电路中选择电容C上的电压u_c(t)和电感L中的电流i_L(t)作为系统网络的状态变量。描述系统的方法除了系统函数模型外，还可以使用系统的状态变量或状态空间分析法，变化的物理过程在第一时刻所处的“状态”(状况、形态或姿态)，都可以用若干被称为“状态变量”的物理量来描述，当选定状态变量后，给出状态变量的初始状态和加入激励形式，即可完全确定系统的全部响应行为。系统网络在每一时刻所处的状态可以用状态空间中的一个点来表达，随着时间的变化，点的移动形成一个轨迹，称为“状态轨迹”。二阶系统网络的状态空间就是一个平面，状态轨迹是平面上的一条曲线。

本实施例中，实验基本流程为：1、理论解析，按照给定的电路参数进行数学建模与时域求解；2、采用无源器件搭建调试电路，并连接好实验设备和计算机；3、设定并产生对称方波信号激励，观察和记录电路系统在加入激励信号情况下的二阶系统网络状态轨迹输出；4、调节电路中的精密电位器阻值，改变系统阻尼比ξ，使系统分别处于过阻尼、临界阻尼、欠阻尼、无阻尼状态，重新进行实验；5、撤收实验电路和设备；6、分析记录数据并按要求撰写实验报告。

本实施例中，实施例1中的响应信号采集器11采用差分输入多通道，可以对电路中的电压降响应信号进行直接测量，保证实验功能的正常完成和精度要求。

实施例5

本实施例中，所述的无源RLC低阶系统模拟模块7可实现低阶LTI系统特性测试实验项目，学习与掌握测试系统频率响应的方法。其余同实施例3。

本实施例的电路中，时域信号采集通道选择电路6选择无源RLC低阶系统模拟模块7电路中的输入激励信号Vin和输出响应信号Vout送入后级处理。系统的频率响应由幅频特性|H(jω)|和相频特性组成，分别表征了系统对输入信号的放大特性和延时特性，有着重要的理论价值和实用价值。系统的过渡过程与频率响应有确定的关系，一阶和二阶系统可直接用数学方法来解析求解，高阶系统的求解过程则需要很多时间，在工程实践中实际意义不大。建立在频率响应基础上的分析和设计方法，称为频率响应法，根据频率响应的特征量来直接估计系统过渡过程的性能，再分析系统的稳定性和其他特性，是信号与系统以及自动控制理论中的基本方法之一。常规的实验手段测量线性系统频率响应，需要在所考察的频率范围内选择若干个频率值，分别测量各个频率下输入信号(正弦信号)和系统稳态输出(正弦信号)的振幅和相位角值，绘出所对应的频率响应曲线。这样的实验过程繁琐并且误差较大，限制了实验效果。使用实施例1中的响应信号采集器11中的系统网络特性分析仪功能，基于正弦扫频法，其激励信号受软件控制，按所设置的频率范围和样本点数参数自动扫频输出，系统的激励信号和响应信号分别接入到两路输入通道，由软件自动采集和计算，可直接获得系统的波特图(幅频特性和相频特性)曲线，实验结果可与时域理论解析、Mulitsim等电路软件仿真结果相对比分析。

实施例6

本实施例中，所述的有源运放低阶系统模拟模块8采用运算放大器、电阻、电容等模拟器件，构成比例、积分、一阶惯性等典型环节，通过串联/并联/反馈形式组合为有源电路低阶系统。其余同实施例1和实施例2。

如图4所示，本实施例的电路中，有源运放低阶系统模拟模块8构建一个典型的I型二阶闭环系统电路，包括：运算放大器U1A为核心的输入缓冲电路模块；运算放大器U2A和电阻R1、R2构成单位增益同相放大电路模块；运算放大器U2B和电阻R3、电容C3及C4构成一阶积分环节模块；运算放大器U2C和电阻R5、电容C5及精密可调电位器VR4构成一阶惯性环节模块；运算放大器U2D和电阻R6、R7构成单位增益同相放大电路模块；运算放大器U1B为核心的输出缓冲电路模块；以上电路依次级联，另外还包括由电阻R4和跳线开关S3构成的反馈支路。电路元器件的参数选型如下：R1＝R2＝R4＝200kΩ，R3＝500kΩ，R5＝100kΩ，R6＝R7＝10kΩ，C3＝C4＝C5＝1.0uF，VR4最大值＝100kΩ；运算放大器U2选用四运放芯片TL084，包括U2A、U2B、U2C和U2D，电源为+/-5V双电源供电；电压跟随器电路由运放U1为核心组成，选用二运放芯片TL072，包括U1A和U1B，电源为+/-5V双电源供电。本实施例中，实验过程中将开关S3闭合导通构建I型二阶闭环系统，先解算其数学模型：

其中系统增益

将电位器V_R4的阻值分别设置为2kΩ,4kΩ,10kΩ，按前述公式获得理论计算值，填入实验数据表中备用。连接好便携式多功能实验仪器设备和实验电路系统后，通过软件控制输出±5V直流电源和阶跃激励信号，同时开启示波器软件功能显示系统响应波形和计算波形参数，对于欠阻尼二阶系统对象，各项动态性能指标可以从阶跃响应波形上直接判读，其阻尼比ξ/自然频率ω_n/阻尼振荡频率ω_d等参数可间接计算得到，解算结果同样填入到实验数据表中。进一步的，还可以利用示波器的Export功能，将信号数字采样值以文件形式存储到计算机，再用Matlab、LabVIEW等工具软件或者C语言编程读出并进行离线处理，利用所学理论知识定性定量分析实验信号数据。

该I型二阶系统的典型分析与综合设计实验需要综合运用时域和频域分析方法，由学生自主完成设计实验、分析与解释数据的工作，最后通过信息综合得到合理有效结论，实验包括如下内容：①典型二阶系统模拟电路的构成方法及I型二阶开环/闭环系统的传递函数建模与仿真，②I型二阶开环/闭环系统的结构参数(自然频率ω_n、阻尼比ξ)对系统响应过渡过程的影响研究；③掌握欠阻尼I型二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标M_P、t_P、t_s的计算；④解算数学模型，获得理论计算值，填入实验数据表中备用；⑤设计实验电路，搭建实物系统，连接好便携式多功能实验设备2和实验电路系统1后，通过软件控制输出±5V直流电源和阶跃激励信号，同时开启示波器软件功能显示系统响应波形和计算波形参数；⑥调节电路中的精密电位器阻值，改变系统阻尼比ξ，分别观察和分析I型二阶闭环系统在阶跃信号输入时，欠阻尼，临界阻尼，过阻尼状态的瞬态响应曲线及其动态性能指标t_r、M_P、t_P、t_s值，并与理论计算值作对比；⑦撤收实验电路和设备；⑧分析记录数据并按要求撰写实验报告。多样化综合实验要求学生必须先对二阶电路系统建模，使用Matlab或Multisim软件设计并仿真系统函数，分析和讨论系统参数对系统频响特性的影响和相应的设计指标，并在仿真成功后再准备好相应的元器件和连接线装配调试，对最终得到的响应信号结果进行分析和讨论，从而深刻掌握输入激励、输出响应信号与系统在时域、频域的对应关系及物理意义。

实施例7

如图5所示，本实施例中，所述的自定义低阶系统模拟模块9包括用于放置自定义电路的空间，该空间边缘设置有与所述PCB端子连接器连接的多个端口。提供的端子包括：含激励信号f(t)，信号地GND，直流正电源VDC+和直流负电源VDC-并连接到自定义模拟实验电路；提供输出端子：响应信号S31+/-和S32+/-并连接到时域信号采集通道选择电路4的输入。可以由学生在课后根据教学要求自主进行实验设计、分析和调试，自行搭建模拟电路接入到实验系统，将一般验证性实验扩展为课后自主综合性实验，从相对狭窄的课程理论内容扩展到宽口径专业基础和创新能力培养。其余同实施例3、实施例4、实施例5和实施例6。

实施例8

如图2所示，本实施例中，便携式多功能实验设备2的采集设备本体采用多功能USB接口数据采集设备Digilent Analog Discovery2口袋仪器实验室，通过USB电缆13与实验控制模块3连接，在软件系统的支持下，可以在实践环境下替代传统仪器，实现激励信号发生器、响应信号采集器和双路可编程直流电源功能。其余同实施例1和实施例2。

本实施例中，Analog Discovery2口袋仪器实验室的模拟输出通道1#(使用接口管脚W1和Ground)和模拟输出通道2#(使用接口管脚W2和Ground)作为信号发生器输出接口，Analog Discovery2的差分模拟输入通道CH1(使用接口管脚1+和1-)和差分模拟输入通道CH2(使用接口管脚2+和2-)作为双通道数字示波器的输入接口，该差分模拟输入通道CH1和CH2同时复用作为响应信号采集器的输入接口，Analog Discovery2的可编程直流电源输出直流+/-5V双路电压，其中正电压输出通道使用接口管脚V+和Ground，负电压输出通道使用接口管脚V-和Ground。使用口袋仪器实验室的信号发生器模块，代替传统实验方法中的外部仪器或者实验箱电路，生成的连续时间信号通过W1/GROUND模拟量输出端口输出，通过接线端子连线连接或者PCB板间连接器接插件5直接连接到低阶LTI连续系统特性实验电路1的激励信号输入接口，在实验控制模块3的软件Wavegen软面板界面中可以方便的设置和调整典型激励信号(阶跃信号、脉冲信号和斜坡信号等)的类型和参数。口袋仪器实验室的示波器(Scope)模块具备示波器的常用功能，用于数据采集及信号分析，操作方法与实验室中的真实示波器类似。两对模拟量差分输入通道(1+/1-和2+/2端口)可以同时获取及测量两路模拟电压信号，信号由信号采集通道选择单元选通，测量低阶LTI连续系统特性实验电路中的重要信号，利用杜邦线连接或排母排针对插，接入示波器输入端口同时测试并同屏显示其波形和参数。口袋仪器实验室的Spectrum(频谱分析仪)和Network(网络分析仪)分别用以分析系统信号的频率特性和测试系统的传递函数，其激励信号生成可复用信号发生器的模拟量输出端口，信号采集端口则与示波器的两对模拟差分输入通道复用。

实施例9

本实施例中，如图2所示，所述实验控制模块3使用个人计算机14，运行有所述便携式多功能实验设备的驱动程序15和用于控制产生所述激励信号及对所述响应信号进行采集分析处理的实验测试控制软件16，通过USB电缆13与所述便携式多功能实验设备器设备本体2连接，一阶/二阶系统响应综合创新性实验的硬件架构由便携式多功能实验设备2和低阶LTI系统响应实验功能电路模块1组成，实验控制模块3在实验测试控制软件16的控制下实现对一阶/二阶系统响应特性和系统状态变量轨迹的观察与分析，完成测试信号定量/定性采集与后处理功能。其余同实施例1和实施例2。

实施例10

本实施例中，低阶LTI连续系统特性实验电路4、PCB端子连接器5、时域信号采集通道选择电路6集成在一印刷电路线路板(PCB)上。本实施例的印刷电路线路板(PCB)，作为所述实验电路系统模块1的物理载体，采用双面PCB模块，主要元器件和连接器都置放于顶层，便于电路安装调试和信号引出测试。电路板上开有若干定位安装孔，用于安装紧固件。PCB端子连接器5包括印刷电路线路板板间连接器，用于所述LTI连续系统电路仿真模块1和所述便携式多功能实验设备2之间的电气接口连接，该印刷电路线路板板间连接器，通过双排弯排母和所述便携式多功能实验设备2的对应双排插针直接对插固定连接，排母上方有定位块，防止反插接错，避免飞线连接引起的导线松动或接错问题。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低阶LTI连续系统特性综合性实验装置，其特征在于，包括依次连接的实验控制模块、便携式多功能实验设备和LTI连续系统仿真模块，其中，

所述便携式多功能实验设备包括：

激励信号发生器，在所述实验控制模块的控制下，产生发送至所述LTI连续系统电路仿真模块的实验激励信号；

响应信号采集器，在所述实验控制模块的控制下，采集所述LTI连续系统电路仿真模块的输入端和输出端的实际信号；

可编程直流电源，在所述实验控制模块的控制下，向所述LTI连续系统电路仿真模块提供直流工作电源；

所述LTI连续系统仿真模块包括：

PCB端子连接器，实现与所述便携式多功能实验设备的电气连接；

低阶LTI连续系统特性实验电路，模拟低阶LTI连续系统，基于所述实验激励信号，实现低阶LTI连续系统的特性验证实验；

时域信号采集通道选择电路，实现所述低阶LTI连续系统特性实验电路上不同观测信号的选择。

2.根据权利要求1所述的低阶LTI连续系统特性综合性实验装置，其特征在于，所述激励信号发生器、响应信号采集器和可编程直流电源集成于一便携式设备本体中。

3.根据权利要求1所述的低阶LTI连续系统特性综合性实验装置，其特征在于，所述便携式多功能实验设备通过USB接口与所述实验控制模块连接。

4.根据权利要求1所述的低阶LTI连续系统特性综合性实验装置，其特征在于，所述低阶LTI连续系统特性实验电路包括无源RLC低阶系统模拟模块、有源运放低阶系统模拟模块和自定义低阶系统模拟模块，所述无源RLC低阶系统模拟模块、有源运放低阶系统模拟模块和自定义低阶系统模拟模块的输入端和电源端直接与PCB端子连接器连接，输出端通过时域信号采集通道选择电路与PCB端子连接器连接；

基于所述低阶LTI连续系统特性实验电路完成的实验包括一阶/二阶LTI连续系统的时域响应特性观察与测试、一阶/二阶LTI连续系统的频率响应特性观察与测试、二阶LTI连续系统的典型分析与综合设计、二阶LTI连续系统内部状态轨迹显示和低阶LTI连续系统模型建模及验证。

5.根据权利要求4所述的低阶LTI连续系统特性综合性实验装置，其特征在于，所述无源RLC低阶系统模拟模块包括无源电子元器件和跳线开关，所述无源电子元器件包括电阻、电感和电容，通过跳线开关的通断实现无源RC一阶系统或RLC二阶系统的模拟。

6.根据权利要求4所述的低阶LTI连续系统特性综合性实验装置，其特征在于，所述有源运放低阶系统模拟模块包括比例电路、积分电路、一阶惯性电路和跳线开关，通过串联、并联和/或反馈形式实现有源电路低阶系统的模拟。

7.根据权利要求4所述的低阶LTI连续系统特性综合性实验装置，其特征在于，所述自定义低阶系统模拟模块包括用于放置自定义电路的空间，该空间边缘设置有与所述PCB端子连接器连接的多个端口，所述端口包括激励信号输入端口、采集信号输出端口和电源端口。

8.根据权利要求1所述的低阶LTI连续系统特性综合性实验装置，其特征在于，所述PCB端子连接器、低阶LTI连续系统特性实验电路和时域信号采集通道选择电路集成在一便携式印刷电路线路板。

9.根据权利要求8所述的低阶LTI连续系统特性综合性实验装置，其特征在于，所述印刷电路线路板上表面丝印有用于进行低阶LTI连续系统特性实验的电路原理图和简要说明文字内容。

10.根据权利要求1所述的低阶LTI连续系统特性综合性实验装置，其特征在于，所述实验控制模块包括运行有设备驱动程序和测试控制软件的计算机。