典型環(huán)節(jié)的模擬研究實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、第三章 自動控制原理實(shí)驗(yàn)3.1 線性系統(tǒng)的時(shí)域分析3.1.1典型環(huán)節(jié)的模擬研究一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解和掌握各典型環(huán)節(jié)模擬電路的構(gòu)成方法、傳遞函數(shù)表達(dá)式及輸出時(shí)域函數(shù)表達(dá)式2 觀察和分析各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，了解各項(xiàng)電路參數(shù)對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響二典型環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖及傳遞函數(shù)方 框 圖傳遞函數(shù)比例（P）積分（I）比例積分（PI）比例微分（PD）慣性環(huán)節(jié)（T）比例積分微分（PID） 三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟觀察和分析各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，了解各項(xiàng)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(xiàng)電路參數(shù)，畫出模擬電路圖，階躍響應(yīng)曲線，觀測結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告運(yùn)行LABACT程序，選擇自動控制菜單

2、下的線性系統(tǒng)的時(shí)域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究中的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，就會彈出虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始即可使用本實(shí)驗(yàn)機(jī)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。1)觀察比例環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)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(yīng)： 實(shí)驗(yàn)步驟：注：S ST用短路套短接?。?）將函數(shù)發(fā)生器（B5）所產(chǎn)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(shí)，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(guān)S2置

3、下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波寬度1秒（D1單元左顯示）。 調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅”電位器使矩形波輸出電壓= 4V（D1單元右顯示）。（2）構(gòu)造模擬電路：按圖3-1-1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，S122B5S-ST1信號輸入（Ui）B5（OUT）A5（H1）2示波器聯(lián)接×1檔A6（OUT）B3（CH1）3B5（OUT）B3（CH2）（3）運(yùn)行、觀察、記錄： 打開虛擬示波器的界面，點(diǎn)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(shí)際響應(yīng)曲線Uo（t）見圖3-1-2。示波器的

4、截圖詳見虛擬示波器的使用。 圖3-1-2 比例環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)曲線圖 圖3-1-3 慣性環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)曲線實(shí)驗(yàn)報(bào)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(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。R0R1輸入U(xiǎn)i比例系數(shù)K計(jì)算值測量值200K100K4V0.50.51200K4V11.0250K100K2V21.93200K1V44.06 R0=200K , R1=100K ,Ui=4v R0=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(yīng)曲線典型慣性環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-4所示。圖3-1-

5、4 典型慣性環(huán)節(jié)模擬電路傳遞函數(shù)： 單位階躍響應(yīng)：實(shí)驗(yàn)步驟：注：S ST用短路套短接?。?）將函數(shù)發(fā)生器（B5）所產(chǎn)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(shí)，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(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波寬度1秒（D1單元左顯示）。 調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅”電位器使矩形波輸出電壓= 4V（D1單元右顯示）。（2）構(gòu)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A

6、5B（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(yùn)行、觀察、記錄： 打開虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始，按下信號發(fā)生器（B1）階躍信號按鈕時(shí)（0+4V階躍），等待完整波形出來后，移動虛擬示波器橫游標(biāo)到輸出穩(wěn)態(tài)值×0.632處，得到與輸出曲線的交點(diǎn)，再移動虛擬示波器兩根縱游標(biāo)，從階躍開始到輸出曲線的交點(diǎn)，量得慣性環(huán)節(jié)模擬電路時(shí)間常數(shù)T。A5B輸出端響應(yīng)曲線Uo(t）見圖3-1-3。示波器的截圖詳見虛擬示波器的使用。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：按下表改變圖3-1-4所示的被測系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)及比例系數(shù)，觀測結(jié)

7、果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。R0R1C輸入U(xiǎn)i比例系數(shù)K慣性常數(shù)T計(jì)算值測量值計(jì)算值測量值200K200K1u4V11.0150.20.222u11.0150.40.4150K100K1u2V22.0320.10.11200K1V44.0630.20.20 R0=200K , R1=200K ,Ui=4v, C=1u R0=200K , R1=200K ,Ui=4v, C=2u R0=50K , R1=100K ,Ui=2v, C=1u R0=50K , R1=200K ,Ui=1v, C=1u3)觀察積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線 典型積分環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-5所示。圖3-1-5 典型積分環(huán)節(jié)模擬電路傳遞

8、函數(shù)： 單位階躍響應(yīng)： 實(shí)驗(yàn)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(chǎn)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(shí)，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(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波寬度1秒（D1單元左顯示）。 調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅”電位器使矩形波輸出電壓= 1V（D1單元右顯示）。（2）構(gòu)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）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線1信號輸入（

9、Ui）B5（OUT）A5（H1）2示波器聯(lián)接×1檔A5B（OUTB）B3（CH1）3B5（OUT）B3（CH2）模塊號跨接座號1A5S4，S102B5S-ST（3）運(yùn)行、觀察、記錄： 打開虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始，等待完整波形出來后，點(diǎn)擊停止，移動虛擬示波器橫游標(biāo)到0V處，再移動另一根橫游標(biāo)到V=1V（與輸入相等）處，得到與輸出曲線的交點(diǎn)，再移動虛擬示波器兩根縱游標(biāo)，從階躍開始到輸出曲線的交點(diǎn)，量得積分環(huán)節(jié)模擬電路時(shí)間常數(shù)Ti。A5B 輸出響應(yīng)曲線Uo(t)見圖3-1-6。示波器的截圖詳見虛擬示波器的使用。 圖3-1-6 積分環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線 圖3-1-7 比例積分環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線實(shí)驗(yàn)報(bào)告

10、要求：按下表改變圖3-1-5所示的被測系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，觀測結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。R0C輸入U(xiǎn)i積分常數(shù)Ti計(jì)算值測量值200K1u1V0.20.202u0.40.42100K1u0.10.102u0.20.20R0=200K , C=1u, Ui=1vR0=200K , C=2u, Ui=1vR0=100K , C=1u, Ui=1vR0=100K , C=2u, Ui=1v4)觀察比例積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線 典型比例積分環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-8所示.。圖3-1-8 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(yīng)：實(shí)驗(yàn)步驟：注：S ST用短路套短接?。?）將函數(shù)發(fā)生器（B5）所產(chǎn)生的周期性矩形

11、波信號（OUT），作為系統(tǒng)的信號輸入（Ui）；該信號為零輸出時(shí)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(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)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(shí)間應(yīng)足夠大，即矩形波的零輸出寬度時(shí)間足夠長！ “量程選擇”開關(guān)置于下檔時(shí)，其零輸出寬度恒保持為2秒?。?調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅”電位器使矩形波輸出電壓 = 1V（D1單元右顯示）。（2）構(gòu)造模擬電路：按圖3-1-8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1A5S

12、4，S82B5S-ST1信號輸入（Ui）B5（OUT）A5（H1）2示波器聯(lián)接×1檔A5B（OUTB）B3（CH1）3B5（OUT）B3（CH2）（3）運(yùn)行、觀察、記錄： 打開虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始，等待完整波形出來后，點(diǎn)擊停止。移動虛擬示波器橫游標(biāo)到輸入電壓×比例系數(shù)K處，再移動另一根橫游標(biāo)到（輸入電壓×比例系數(shù)K×2）處，得到與積分曲線的兩個(gè)交點(diǎn)。再分別移動示波器兩根縱游標(biāo)到積分曲線的兩個(gè)交點(diǎn)，量得積分環(huán)節(jié)模擬電路時(shí)間常數(shù)Ti。典型比例積分環(huán)節(jié)模擬電路A5B輸出響應(yīng)曲線Uo(t)見圖3-1-7 。示波器的截圖詳見虛擬示波器的使用。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：按

13、下表改變圖3-1-8所示的被測系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)及比例系數(shù)，觀測結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。R0R1C輸入U(xiǎn)i比例系數(shù)K積分常數(shù)Ti計(jì)算值測量值計(jì)算值測量值200K200K1u1V10.22u10.4100K1u20.22u20.4R0=200K , R1=200K C=1u, Ui=1vR0=200K , R1=200K C=2u, Ui=1vR0=100K , R1=200K C=1u, Ui=1vR0=100K , R1=200K C=2u, Ui=1v5)觀察比例微分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線為了便于觀察比例微分的階躍響應(yīng)曲線，本實(shí)驗(yàn)增加了一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，其模擬電路如圖3-1-9所示。圖3-1-9 典型比例

14、微分環(huán)節(jié)模擬電路比例微分環(huán)節(jié)+慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)： 微分時(shí)間常數(shù)： 慣性時(shí)間常數(shù)： 單位階躍響應(yīng)：實(shí)驗(yàn)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(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波寬度1秒左右（D1單元左顯示）。 調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅”電位器使矩形波輸出電壓 = 0.5V（D1單元右顯示）。（2）構(gòu)造模擬電路：按圖3-1-9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1A4

15、S4，S92A6S2，S63B5S-ST1信號輸入(Ui)B5（OUT）A4（H1）2運(yùn)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(yùn)行、觀察、記錄：虛擬示波器的時(shí)間量程選4檔。 打開虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始，用示波器觀測系統(tǒng)的A6輸出端（Uo），響應(yīng)曲線見圖3-1-10。等待完整波形出來后，把最高端電壓（4.77V）減去穩(wěn)態(tài)輸出電壓（0.5V），然后乘以0.632，得到V=2.7V。 移動虛擬示波器兩根橫游標(biāo)，從最高端開始到V=2.7V處為止，得到與微分的指數(shù)曲線的交點(diǎn)，再移動虛擬示波器兩根縱游標(biāo)，從階躍開始到

16、曲線的交點(diǎn)，量得=t=0.048S。 已知KD=10，則圖3-1-9的比例微分環(huán)節(jié)模擬電路微分時(shí)間常數(shù)：圖3-1-10 比例微分環(huán)節(jié)模擬電路響應(yīng)曲線6)觀察PID（比例積分微分）環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線PID（比例積分微分）環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-11所示。圖3-1-11 PID（比例積分微分）環(huán)節(jié)模擬電路典型比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)： 慣性時(shí)間常數(shù)： 單位階躍響應(yīng)： 實(shí)驗(yàn)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(chǎn)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(shí)將自動對模擬電路鎖零。 在顯示與功能選擇（

17、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(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波寬度0.4秒左右（D1單元左顯示）。 調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅”電位器使矩形波輸出電壓= 0.3V（D1單元右顯示）。（2）構(gòu)造模擬電路：按圖3-1-11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1A2S4，S82B5S-ST1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）（3）運(yùn)行、觀察、記錄： 打開虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開始，用示波器觀測A2B輸出端（Uo）。 等待完整波形出來后，點(diǎn)擊停止，移動虛擬示波器兩根橫游標(biāo)使之V=Kp×輸入電壓，得到與積分的曲線的兩個(gè)交點(diǎn)。 再分別移動示波器兩根縱游標(biāo)到積分的曲線的兩個(gè)交點(diǎn)，量得積分環(huán)節(jié)模擬電路時(shí)間常數(shù)Ti，見圖3-1-12（a）。示波器的截圖詳見虛擬示波器的使用。 將A2單元的S9短路套