信號、系統(tǒng)與控制實驗教程

前言

　　隨著科學與計算機技術的發(fā)展，教育部越來越重視對高校學生綜合能力的培養(yǎng)。對工科院校的信息工程類、電氣類、自動化類等專業(yè)的學生來說，動手能力更顯重要。教育部立項的電工電子基地建設項目中，也覆蓋了“信號與系統(tǒng)”和“自動控制原理”這兩門課程。前者已成為電類學科的公共課程，后者是理論性和工程應用性都很強的技術基礎課。加強這兩門課的實驗，不但有助于理論聯(lián)系實際，升華理論教學，而且有助于培養(yǎng)學生的科學實驗和工程實踐能力。通過多年的教學實踐和近8年的基地建設，我們編寫了這本教材，一方面是想把我們的成果奉獻給社會，另一方面也算是我們對基地建設的一個匯報?！　”緯缮掀拖缕獌刹糠纸M成。上篇“信號與系統(tǒng)實驗”分為3章，共20個實驗。下篇“自動控制原理實驗”分為4章，共20個實驗?！　　靶盘柵c系統(tǒng)實驗”是南京航空航天大學“信號與系統(tǒng)”課程教學實踐、教學改革的成果之一。近年來，隨著信息科學與技術的發(fā)展，“信號與系統(tǒng)”已迅速發(fā)展為所有電類學科的公共課程。該課程的特點是理論性強，內容描述較為抽象。如何加強該門課的實踐環(huán)節(jié)，是該門課教學改革的重要議題。多年來，我們著眼于課程的基本概念與重點難點問題，嘗試應用c語言、EwB、M似B等軟件平臺開發(fā)新實驗，并引入虛擬儀器用于硬件實驗，力求使學生通過實驗課，加深對理論課的理解，提高對課程理論的應用能力?！　　白詣涌刂圃韺嶒灐笔悄暇┖娇蘸教齑髮W控制理論及應用教研室全體同志長期努力工作的結晶，其中蘊藏著我們幾十年來理論教學與實驗教學積累的豐富經(jīng)驗。有科研成果的融入，還有功能較強、操作方便的自制儀器的介紹。其內容覆蓋面廣，涉及到線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、多變量系統(tǒng)中狀態(tài)空間方面的內容。從深度來說，有難度較小的驗證性實驗，有難度較大的設計性實驗，還有適合做課程設計的綜合性實驗。實驗方式有模擬實驗，數(shù)字實驗，仿真實驗，實際系統(tǒng)實驗，還有目前控制界最流行的MATLAB應用軟件實驗及SIMuLINK仿真實驗等。后四章中第4章簡要介紹控制理論的一般概念，第5章介紹控制理論實驗的測試方法，第6章介紹常用實驗儀器，第7章為控制理論的20個實驗?！　”緯赏貘P如、王小揚主編。上篇全部由王小揚編寫，下篇由王鳳如、王瑛合編?！　|南大學自動控制系袁曉輝教授審閱了本書的上篇，東南大學自動化研究所蔣珉副教授審閱了下篇。他們在百忙之中審閱了全稿，并提出了許多寶貴的意見和建議，特此向他們表示衷心的感謝。吳慶憲教授對全書的指導思想提出了許多寶貴的意見，在編寫過程中得到鄧為民、蔡勛、丁勇、王從慶和劉春生等老師的積極支持，在此一并表示深深的謝意?！　∮捎诰幷叩乃接邢蓿瑫r間倉促，在編寫過程中錯誤和不足之處在所難免，歡迎讀者給予批評指正。

內容概要

本書是國家電工電子教學基地實驗系列教材之一，是為高等院校工科電類專業(yè)編寫的一本實驗教材，主要目的是培養(yǎng)學生實驗能力和創(chuàng)新能力。     上篇“信號與系統(tǒng)實驗”分為三章，在內容安排上有一定的系統(tǒng)性。第1章是實驗技術介紹，包括3個應用實驗，第 2章是時域分析與信號分析內容的 6個實驗，第 3章是系統(tǒng)分析與 MATLAB應用的11個實驗。 　　下篇“自動控制原理”分為四章，第4章簡要介紹控制理論的一般概念，第5章介紹控制理論實驗的測試方法，第6章介紹常用實驗儀器，第7章為控制理論的20個實驗。 本實驗內容適用各類本科、大專乃至研究生等開設“信號與系統(tǒng)”“自動控制原理”、“控制系統(tǒng)工程”和“現(xiàn)代控制理論”等相關課程的院校使用?？筛鶕?jù)不同學時選擇適合自己的實驗內容，通過實驗可大大提高學生的動手能力、分析問題的能力以及綜合設計能力，使理論教學效果得到鞏固與提高。

書籍目錄

上篇　信號與系統(tǒng)實驗　第1章  實驗技術基礎（預備實驗）    1.1  信號與系統(tǒng)常用儀器的介紹與使用    1.2　EWB的基本操作    1.3　EWB操作應用練習    1.4　MATLAB使用簡介    1.5　連續(xù)信號的可視化表示（MATLAB使用練習）      1.6　虛擬儀器的使用　第2章  時域分析與信號分析實驗    2.1　時域分析    2.2　卷積積分的數(shù)值計算    2.3　電信號的合成與分解    2.4　周期信號的頻譜分析    2.5　信號頻譜的測試    2.6　用沃爾什函數(shù)合成信號　第3章  系統(tǒng)分析與MATLAB分析實驗    3.1　線性系統(tǒng)頻率特性的測試    3.2　低通濾波器設計    3.3　連續(xù)時間系統(tǒng)模擬    3.4　系統(tǒng)的零狀態(tài)響應    3.5　求系統(tǒng)的零、極點    3.6　線性系統(tǒng)的三種不同方式之間的轉換    3.7　信號通過線性系統(tǒng)    3.8　調幅信號通過振蕩回路    3.9　采樣定理實驗    3.10　離散卷積    3.11　應用MATLAB語言求卷積下篇  自動控制原理實驗　第4章　控制系統(tǒng)的一般概念    4.1　控制系統(tǒng)的分類    4.2　組成控制系統(tǒng)的典型元部件及其物理實現(xiàn)　第5章　控制系統(tǒng)動態(tài)特性的基本測試方法　　5.1　動態(tài)特性的時域測試    5.2　動態(tài)特性的頻域測試　第6章　實驗常用儀器簡介    6.1　超低頻信號發(fā)生器    6.2　筆式記錄儀    6.3　慢掃描電子示波器    6.4　光電轉速傳感器和轉速數(shù)字顯示儀    6.5　XSJ—1型小功率直流隨動系統(tǒng)    6.6　JM—1型自動控制原理模擬學習機    6.7　JM—S離散系統(tǒng)理論模擬學習機    6.8　JM—M現(xiàn)代控制理論模擬學習機    6.9　自動控制原理虛擬實驗平臺　第7章  自動控制原理實驗    7.1  自動控制系統(tǒng)演示實驗    7.2　小功率直流隨動系統(tǒng)研究　……參考書目

章節(jié)摘錄

　　第1章 實驗技術基礎（預備實驗）　　本章介紹信號與系統(tǒng)實驗課程常用的實驗技術基礎：包括常用儀器的使用方法，EWB的基本操作與應用，MATLAB的基本使用與練習，虛擬儀器的介紹與使用等。除虛擬儀器外，每項實驗技術介紹后，都緊跟一個應用實驗，做到即講即用，為完成實驗課的任務奠定良好的基礎?！　?.1 信號與系統(tǒng)常用儀器的介紹與使用　　1.1.1 實驗目的　?。?）了解脈沖信號發(fā)生器，高頻信號發(fā)生器等信號產生器的功能，掌握對這些信號源的基本使用方法?！　。?）熟悉示波器，毫伏表等測量儀器的功能，掌握此類測量儀器的使用要領?！　?.1.2 部分常用儀器的介紹與使用　　1.脈沖信號發(fā)生器　　脈沖信號發(fā)生器可以產生幅度A，脈寬f，頻率F（周期T）都可以調節(jié)的脈沖信號。通過調節(jié)脈沖信號的各個參數(shù)，可以輸出上、下沿較快的矩形脈沖信號，也可以輸出上升沿、下降沿較慢的梯形波、三角波、鋸齒波等信號波形。如：占空比——這個脈沖信號的重要參數(shù)，是用f／T來定義的，可以通過對脈寬、頻率等旋鈕的調節(jié)得到占空比滿足要求的脈沖信號。當矩形脈沖信號的占空比f/T=50％時，此時的矩形脈沖信號就稱為方波。當方波的周期遠大于階躍響應的瞬態(tài)過程所經(jīng)歷的時間時，方波就可以近似地代替階躍信號。當矩形脈沖信號的占空比小于10％時，稱為窄脈沖，此時窄脈沖的間隔時間遠大于沖激響應的瞬態(tài)過程所經(jīng)歷的時間，可以近似地代替沖激信號?！　∫訢Fl511A型脈沖信號發(fā)生器為例，它可以產生頻率為300 Hz～10 MHz，幅度為l～5 V（峰-峰值），占空比為3％-90％連續(xù)可調的脈沖信號。該儀器對輸出信號各參數(shù)的調節(jié)旋鈕有5組，信號輸出端的波形與每組旋鈕都有關，使用的基本操作規(guī)程如下：　　（1）該儀器的輸出阻抗為50∏，使用時必須在信號的輸出端（見圖1.1.1中“18”）接上50∏匹配器，否則波形將產生畸變?！　。?）脈沖信號的波形與幅度、脈沖寬度及頻率等多個參數(shù)有關，信號輸出時必須把脈沖信號發(fā)生器的輸出端接到示波器的一個測試通道上，邊觀察顯示屏上的波形，邊調節(jié)信號發(fā)生器的各個旋鈕，才能確定所需的信號波形。

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