[發明專利]一種低階LTI連續系統特性綜合性實驗裝置

在審

• 申請號: 201910053712.2
• 申請日: 2019-01-21
• 公開（公告）號: CN109658769A
• 公開（公告）日: 2019-04-19
• 發明（設計）人: 張志明;李蓉艷
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G09B9/00
• 分類號: G09B9/00
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 翁惠瑜

本發明涉及一種低階LTI連續系統特性綜合性實驗裝置，包括依次連接的實驗控制模塊、便攜式多功能實驗設備和LTI連續系統仿真模塊，其中，所述便攜式多功能實驗設備包括：激勵信號發生器、響應信號采集器和可編程直流電源；所述LTI連續系統仿真模塊包括：PCB端子連接器；低階LTI連續系統特性實驗電路，模擬低階LTI連續系統，基于所述實驗激勵信號，實現低階LTI連續系統的特性驗證實驗；時域信號采集通道選擇電路，實現不同觀測信號的選擇。與現有技術相比，本發明具有便攜式、多功能、接口簡單、性價比高等優點，適合用于低階LTI連續系統特性的課堂示例和課后實驗教學，便于學生開展設計性和創新性實驗。

技術領域

本發明屬于實驗教學技術領域，尤其是涉及一種低階LTI連續系統特性綜合性實驗裝置。

背景技術

線性時不變(LTI)系統是《信號與系統》和《自動控制原理》課程中的學習和研究對象，其中一階/二階系統是構成復雜系統的基本單元，無論是實驗教學還是工程實踐，應用極為普遍，學習一階/二階系統的性能分析有助于加強對一般系統特性的理解和掌握，具有重要的實際意義。以二階系統為例，其數學模型可以用二階微分方程表示，轉換為S域傳遞函數的標準形式如公式(1)所示：

其中，T為時間常數，也稱為無阻尼自由振蕩周期，ξ為阻尼比，ω_n＝1/T為系統的自然頻率(無阻尼固有頻率)。二階系統的特征方程可求得極點(特征根)為：

由此可知，系統時間響應性能主要取決于阻尼比ξ和自然頻率ω_n這兩個參數：ξ＞1時為過阻尼系統，響應是非振蕩衰減的(兩個不相等負實數根)；ξ＝1時為臨界阻尼系統，響應是臨界非振蕩過程(兩個相等負實數根)；0＜ξ＜1時為欠阻尼系統，響應是振蕩衰減的(一對共軛復數根)，此時其衰減振蕩的角頻率(阻尼振蕩頻率)階躍信號輸入時的動態指標計算公式如下所列：峰值時間：最大超調量：超調量：σ_P％＝M_P·100％，調節時間：(5％誤差帶)；ξ＝0時為零阻尼系統，響應中只含有復指數振蕩項(一對共軛虛數根)；ξ＜0時為負阻尼系統，響應發散，系統不穩定。

時域分析是三大分析方法之一，在時域中研究問題，重點討論系統在輸入信號作用下的過渡過程響應形式，其特點在于直觀與精確，例如對于欠阻尼二階系統對象，阻尼比ξ/自然頻率ω_n/阻尼振蕩頻率ω_d參數和各項動態性能指標均可以從階躍響應波形上直接判讀或間接計算得到，如圖1中所示。

常規的一階/二階系統響應實驗多采用信號與系統實驗箱實現，如THKSS型信號與系統實驗箱、DICE-T3型信號與系統實驗儀等，激勵信號由實驗箱內部產生或者外接信號發生器輸入，通過外部示波器觀察系統的響應和各項動態指標，由于實驗箱內部電路結構和參數為固定形式，功能簡單，只能局限于簡單的驗證性實驗，實驗內容難以擴展為設計性實驗或者創新性實驗；專利CN101017623B公開一種自動控制原理的實驗儀器及方法，涉及一種自動控制原理的實驗儀器及方法，引入了虛擬示波器和虛擬信號發生器的功能，但其各功能模塊架構仍然和現有產品類似，不夠精簡；專利CN201853399U公開一種自動控制原理實驗模塊，支持多個自動控制原理實驗，但其實驗平臺使用NI ELVIS，成本較高，同時便攜性不佳。另一方面，采用MATLAB等軟件實現的純軟件仿真實驗靈活多樣，但局限于理論模型計算，對所依托的實際硬件電路和物理信號不能直接測試和分析。另外，由于使用實驗箱電路時一般還需要配套外部儀器，如信號發生器、數字示波器、直流穩壓電源等，才能正常工作，成本較高，同時學生只能到實驗室現場才能進行實驗。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種低階LTI連續系統特性綜合性實驗裝置。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：