典型環(huán)節(jié)的模擬研究 自動控制原理實驗報告

1、典型環(huán)節(jié)的模擬研究一. 實驗目的1 了解和掌握各典型環(huán)節(jié)模擬電路的構成方法、傳遞函數(shù)表達式及輸出時域函數(shù)表達式2 觀察和分析各典型環(huán)節(jié)的階躍響應曲線，了解各項電路參數(shù)對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響二實驗內容及步驟觀察和分析各典型環(huán)節(jié)的階躍響應曲線，了解各項電路參數(shù)對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響.。改變被測環(huán)節(jié)的各項電路參數(shù)，畫出模擬電路圖，階躍響應曲線，觀測結果，填入實驗報告運行l(wèi)abact程序，選擇自動控制菜單下的線性系統(tǒng)的時域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究中的相應實驗項目，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始即可使用本實驗機配套的虛擬示波器（b3）單元的ch1測孔測量波形。具體用法參見用戶手冊中的示波器部分

2、1)觀察比例環(huán)節(jié)的階躍響應曲線典型比例環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-1所示。圖3-1-1 典型比例環(huán)節(jié)模擬電路傳遞函數(shù)： ； 單位階躍響應： 實驗步驟：注：s st用短路套短接?。?）將函數(shù)發(fā)生器（b5）所產生的周期性矩形波信號（out），作為系統(tǒng)的信號輸入（ui）；該信號為零輸出時，將自動對模擬電路鎖零。 在顯示與功能選擇（d1）單元中，通過波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 量程選擇開關s2置下檔，調節(jié)“設定電位器1”，使之矩形波寬度1秒（d1單元左顯示）。 調節(jié)b5單元的“矩形波調幅”電位器使矩形波輸出電壓= 4v（d1單元右顯示）。（2）構造模擬電路：按圖3-1-1安置短路套及測孔聯(lián)

3、線，表如下。（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線模塊號跨接座號1a5s4，s122b5s-st1信號輸入（ui）b5（out）a5（h1）2示波器聯(lián)接1檔a5（outb）b3（ch1）3b5（out）b3（ch2）（3）運行、觀察、記錄： 打開虛擬示波器的界面，點擊開始，按下信號發(fā)生器（b1）階躍信號按鈕（0+4v階躍），觀測a5b輸出端（uo）的實際響應曲線。示波器的截圖詳見虛擬示波器的使用。實驗報告要求：按下表改變圖3-1-1所示的被測系統(tǒng)比例系數(shù)，觀測結果，填入實驗報告。r0r1輸入ui比例系數(shù)k計算值測量值200k100k4v0.50.5273200k4v11.025550k100k2v2

4、2.0115200k1v44.023r0=200k r1=100k ui=4vr0=200k r1=200k ui=4vr0=50k r1=100k ui=2vr0=50k r1=200k ui=1v2)觀察慣性環(huán)節(jié)的階躍響應曲線典型慣性環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-2所示。圖3-1-2 典型慣性環(huán)節(jié)模擬電路傳遞函數(shù)： 單位階躍響應：實驗步驟：注：s st用短路套短接！（1）將函數(shù)發(fā)生器（b5）所產生的周期性矩形波信號（out），作為系統(tǒng)的信號輸入（ui）；該信號為零輸出時，將自動對模擬電路鎖零。 在顯示與功能選擇（d1）單元中，通過波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 量程選擇開關s2置下檔

5、，調節(jié)“設定電位器1”，使之矩形波寬度1秒（d1單元左顯示）。 調節(jié)b5單元的“矩形波調幅”電位器使矩形波輸出電壓= 4v（d1單元右顯示）。（2）構造模擬電路：按圖3-1-4安置短路套及測孔聯(lián)線，表如下。1信號輸入（ui）b5（out）a5（h1）2示波器聯(lián)接1檔a5（outb）b3（ch1）3b5（out）b3（ch2）（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線模塊號跨接座號1a5s4，s6，s102b5s-st（3）運行、觀察、記錄： 打開虛擬示波器的界面，點擊開始，按下信號發(fā)生器（b1）階躍信號按鈕時（0+4v階躍），觀測a5b輸出端（uo）響應曲線，等待完整波形出來后，移動虛擬示波器橫游標到輸

6、出穩(wěn)態(tài)值0.632處，得到與輸出曲線的交點，再移動虛擬示波器兩根縱游標，從階躍開始到輸出曲線的交點，量得慣性環(huán)節(jié)模擬電路時間常數(shù)t。實驗報告要求：按下表改變圖3-1-2所示的被測系統(tǒng)時間常數(shù)及比例系數(shù)，觀測結果，填入實驗報告。r0r1c輸入ui比例系數(shù)k慣性常數(shù)t計算值測量值計算值測量值200k200k1u4v11.02250.20.1902u11.02250.40.41050k100k1u2v22.01150.10.100200k1v44.02300.20.200r0=200k r1=200k c=1u ui=4vr0=200k r1=200k c=2u ui=4vr0=50k r1=100

7、k c=1u ui=1vr0=50k r1=200k c=1u ui=1v3)觀察積分環(huán)節(jié)的階躍響應曲線 典型積分環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-3所示。圖3-1-3 典型積分環(huán)節(jié)模擬電路傳遞函數(shù)： 單位階躍響應： 實驗步驟：注：s st用短路套短接！（1）為了避免積分飽和，將函數(shù)發(fā)生器（b5）所產生的周期性矩形波信號（out），代替信號發(fā)生器（b1）中的人工階躍輸出作為系統(tǒng)的信號輸入（ui）；該信號為零輸出時，將自動對模擬電路鎖零。 在顯示與功能選擇（d1）單元中，通過波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 量程選擇開關s2置下檔，調節(jié)“設定電位器1”，使之矩形波寬度1秒（d1單元左顯示）。（注

8、：為了使在積分電容上積分的電荷充分放掉，鎖零時間應足夠大，即矩形波的零輸出寬度時間足夠長！ “量程選擇”開關置于下檔時，其零輸出寬度恒保持為2秒?。?調節(jié)b5單元的“矩形波調幅”電位器使矩形波輸出電壓= 1v（d1單元右顯示）。（2）構造模擬電路：按圖3-1-3安置短路套及測孔聯(lián)線，表如下。（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線1信號輸入（ui）b5（out）a5（h1）2示波器聯(lián)接1檔a5（outb）b3（ch1）3b5（out）b3（ch2）模塊號跨接座號1a5s4，s102b5s-st（3）運行、觀察、記錄： 打開虛擬示波器的界面，點擊開始，觀測a5b輸出端（uo）響應曲線，等待完整波形出來后

9、，點擊停止，移動虛擬示波器橫游標到0v處，再移動另一根橫游標到v=1v（與輸入相等）處，得到與輸出曲線的交點，再移動虛擬示波器兩根縱游標，從階躍開始到輸出曲線的交點，量得積分環(huán)節(jié)模擬電路時間常數(shù)ti。實驗報告要求：按下表改變圖3-1-3所示的被測系統(tǒng)時間常數(shù)，觀測結果，填入實驗報告。r0c輸入ui積分常數(shù)ti計算值測量值200k1u1v0.20.2102u0.4 0.420100k1u0.1 0.1102u0.20.220r0=200k c=1u ui=1v r0=200k c=2u ui=1v r0=100k c=1u ui=1v r0=100k c=2u ui=1v4)觀察比例積分環(huán)節(jié)的階

10、躍響應曲線 典型比例積分環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-4所示.。圖3-1-4 典型比例積分環(huán)節(jié)模擬電路傳遞函數(shù)： 單位階躍響應：實驗步驟：注：s st用短路套短接！（1）為了避免積分飽和，將函數(shù)發(fā)生器（b5）所產生的周期性矩形波信號（out），代替信號發(fā)生器（b1）中的人工階躍輸出作為系統(tǒng)的信號輸入（ui）；該信號為零輸出時將自動對模擬電路鎖零。 在顯示與功能選擇（d1）單元中，通過波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。量程選擇開關s2置下檔，調節(jié)“設定電位器1”，使之矩形波寬度1秒（d1單元左顯示）。（注：為了使在積分電容上積分的電荷充分放掉，鎖零時間應足夠大，即矩形波的零輸出寬度時間足夠長！

11、 “量程選擇”開關置于下檔時，其零輸出寬度恒保持為2秒?。?調節(jié)b5單元的“矩形波調幅”電位器使矩形波輸出電壓 = 1v（d1單元右顯示）。（2）構造模擬電路：按圖3-1-4安置短路套及測孔聯(lián)線，表如下。（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線模塊號跨接座號1a5s4，s82b5s-st1信號輸入（ui）b5（out）a5（h1）2示波器聯(lián)接1檔a5（outb）b3（ch1）3b5（out）b3（ch2）（3）運行、觀察、記錄： 打開虛擬示波器的界面，點擊開始，觀測a5b輸出端（uo）響應曲線，等待完整波形出來后，點擊停止。移動虛擬示波器橫游標到輸入電壓比例系數(shù)k處，再移動另一根橫游標到（輸入電壓比例

12、系數(shù)k輸入電壓）處，得到與積分曲線的兩個交點。再分別移動示波器兩根縱游標到積分曲線的兩個交點，量得積分環(huán)節(jié)模擬電路時間常數(shù)ti。實驗報告要求：按下表改變圖3-1-4所示的被測系統(tǒng)時間常數(shù)及比例系數(shù)，觀測結果，填入實驗報告。r0r1c輸入ui比例系數(shù)k積分常數(shù)ti計算值測量值計算值測量值200k200k1u1v110.20.2102u110.4 0.420100k1u220.2 0.2102u220.4 0.410r0=200k r1=200k c=1u ui=1vr0=200k r1=200k c=2u ui=1vr0=100k r1=200k c=1u ui=1vr0=100k r1=200

13、k c=2u ui=1v5)觀察比例微分環(huán)節(jié)的階躍響應曲線典型比例微分環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-5所示。圖3-1-5 典型比例微分環(huán)節(jié)模擬電路實驗步驟：注：s st用短路套短接!（1）將函數(shù)發(fā)生器（b5）單元的矩形波輸出作為系統(tǒng)輸入r。（連續(xù)的正輸出寬度足夠大的階躍信號) 在顯示與功能選擇（d1）單元中，通過波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 量程選擇開關s2置下檔，調節(jié)“設定電位器1”，使之矩形波寬度1秒左右（d1單元左顯示）。 調節(jié)b5單元的“矩形波調幅”電位器使矩形波輸出電壓 = 0.5v（d1單元右顯示）。（2）構造模擬電路：按圖3-1-5安置短路套及測孔聯(lián)線，表如下。（a）安置

14、短路套 （b）測孔聯(lián)線模塊號跨接座號1a4s4，s92a6s2，s63b5s-st1信號輸入(ui)b5（out）a4（h1）2運放級聯(lián)a4（out）a6（h1）3示波器聯(lián)接1檔a6（out）b3（ch1）4b5（out）b3（ch2）（3）運行、觀察、記錄：虛擬示波器的時間量程選4檔。 打開虛擬示波器的界面，點擊開始，用示波器觀測系統(tǒng)的a6輸出端（uo），等待完整波形出來后，把輸出最高端電壓減去穩(wěn)態(tài)輸出電壓，然后乘以0.632，得到v。 移動虛擬示波器兩根橫游標，從最高端開始到v處為止，得到與微分的指數(shù)曲線的交點，再移動虛擬示波器兩根縱游標，從階躍開始到曲線的交點，量得t。 已知kd=10，

15、則圖3-1-5的比例微分環(huán)節(jié)模擬電路微分時間常數(shù)：6)觀察pid（比例積分微分）環(huán)節(jié)的響應曲線pid（比例積分微分）環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-6所示。圖3-1-6 pid（比例積分微分）環(huán)節(jié)模擬電路實驗步驟：注：s st用短路套短接?。?）為了避免積分飽和，將函數(shù)發(fā)生器（b5）所產生的周期性矩形波信號（out），代替信號發(fā)生器（b1）中的人工階躍輸出作為系統(tǒng)的信號輸入（ui）；該信號為零輸出時將自動對模擬電路鎖零。 在顯示與功能選擇（d1）單元中，通過波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 量程選擇開關s2置下檔，調節(jié)“設定電位器1”，使之矩形波寬度0.4秒左右（d1單元左顯示）。 調節(jié)b5

16、單元的“矩形波調幅”電位器使矩形波輸出電壓= 0.3v（d1單元右顯示）。（2）構造模擬電路：按圖3-1-6安置短路套及測孔聯(lián)線，表如下。1信號輸入（ui）b5（out）a2（h1）2示波器聯(lián)接1檔a2b（outb）b3（ch1）3b5（out）b3（ch2）（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線模塊號跨接座號1a2s4，s82b5s-st（3）運行、觀察、記錄：。 打開虛擬示波器的界面，點擊開始，用示波器觀測a2b輸出端（uo）。 等待完整波形出來后，點擊停止，移動虛擬示波器兩根橫游標使之v=kp輸入電壓，得到與積分的曲線的兩個交點。 再分別移動示波器兩根縱游標到積分的曲線的兩個交點，量得積分環(huán)節(jié)

17、模擬電路時間常數(shù)ti。 將a2單元的s9短路套套上，點擊開始，用示波器觀測系統(tǒng)的a2b輸出端（uo），等待完整波形出來后，把最高端電壓減去穩(wěn)態(tài)輸出電壓，然后乘以0.632，得到v。 移動虛擬示波器兩根橫游標，從最高端開始到v處為止，得到與微分的指數(shù)曲線的交點，再移動虛擬示波器兩根縱游標，從階躍開始到曲線的交點，量得。 已知kd，則圖3-1-6的比例微分環(huán)節(jié)模擬電路微分時間常數(shù)：。三實驗分析必須說明的是，此虛擬示波器采用雙跡示波器，即分別通過ch1和ch2采集。輸出兩條軌跡線，即綠色和藍色。ch1采集的是輸出信號，ch2采集的是輸入信號。實驗分析：1.對于比例環(huán)節(jié)的階躍響應曲線，從圖上可以看出，

18、改變比例系數(shù)，就是改變了輸入信號的電壓幅度，即：輸入信號階躍的幅度與比例系數(shù)成正比變化。比例系數(shù)為0.5時，輸出信號的電壓幅度是輸入信號的0.5倍；比例系數(shù)為1時，輸出信號不變，即原信號輸出；比例系數(shù)為2時，輸出信號的電壓幅度是輸入信號的2倍；比例系數(shù)為4時，輸出信號的電壓幅度是輸入信號的四倍。 2.對于慣性環(huán)節(jié)的階躍響應曲線，從圖上能看出，慣性系數(shù)越大，到達穩(wěn)態(tài)的時間越長。也就可以理解慣性環(huán)節(jié)的作用了。給系統(tǒng)加入慣性環(huán)節(jié)，目的就是加長它到穩(wěn)態(tài)的時間，有延遲的作用。慣性環(huán)節(jié)的階躍響應曲線的電壓幅度也和比例系數(shù)成正比關系，并且上升的高度絕不會超過穩(wěn)態(tài)值。 3.對于積分環(huán)節(jié)的階躍響應曲線，從實驗波形圖可以觀察出積分常數(shù)越大，信號的斜率越小，信號從0態(tài)到1態(tài)所用的時間越長。積分環(huán)節(jié)也可用來延遲信號，只是與慣性環(huán)節(jié)不同，積分環(huán)節(jié)的階躍響應曲線是一條斜率一定的直線。4.對于比例積分環(huán)節(jié)的階躍響應曲線，從四張圖比較可得到以下結論，比例系數(shù)k的變化導致階躍信號零點的變化。根據波形圖，具體變化是，比例系數(shù)k為1時，零點上升到1v，比例系數(shù)為2時零點，零點上升到2v。積分常數(shù)的變化導致階躍信號斜率的變化，根據波形圖，具