模擬計(jì)算機(jī)模擬仿真 桌面

1、自動(dòng)控制原理二階系統(tǒng)模擬仿真實(shí)驗(yàn)自動(dòng)控制原理二階系統(tǒng)模擬仿真實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：主樓實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：主樓625房間房間 實(shí)驗(yàn)課時(shí)與上課時(shí)間一致實(shí)驗(yàn)課時(shí)與上課時(shí)間一致 指導(dǎo)書(shū)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告：實(shí)驗(yàn)時(shí)購(gòu)買(mǎi)（一元）指導(dǎo)書(shū)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告：實(shí)驗(yàn)時(shí)購(gòu)買(mǎi)（一元） 指導(dǎo)教師：胡振坤指導(dǎo)教師：胡振坤 典型二階系統(tǒng)的模擬仿真 前言：模擬控制系統(tǒng)的工作原理 自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，并不依賴(lài)于特定的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)環(huán)境。我們這里要介紹電路分立元件模擬裝置。 物理系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)形式是多種多樣的，機(jī)械、電氣、熱力學(xué)等等，但就其數(shù)學(xué)模型的描述，即表征它們狀態(tài)的微分方程在數(shù)學(xué)形式上是相同的，這給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)很大的方便。我們利用高性能的運(yùn)算

2、放大器，配合不同的輸入、輸出阻抗網(wǎng)絡(luò)，來(lái)模擬控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，再有多個(gè)環(huán)節(jié)組成系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行模擬仿真。 本實(shí)驗(yàn)就是由電子元件構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)加法、積分、微分等聯(lián)合運(yùn)算，完成給定不同參數(shù)的系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。第一節(jié) 控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的模擬 模擬機(jī)可以模擬實(shí)現(xiàn)：比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分、微分、振蕩環(huán)節(jié) 、典型非線性環(huán)節(jié)，理想繼電器特性的模擬、死區(qū)的模擬?？梢詫?shí)現(xiàn)反號(hào)，加法，積分、PID等模擬運(yùn)算。一、實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介： 自控原理多功能實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示，該系統(tǒng)中由計(jì)算機(jī)通過(guò)串口或USB接口與自制的A/D、D/A接口板，實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器、示波器的功能，充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，由計(jì)算機(jī)

3、完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和計(jì)算處理，在實(shí)驗(yàn)時(shí)就可以將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析值進(jìn)行對(duì)比，提高了實(shí)驗(yàn)效率，配套實(shí)驗(yàn)軟件人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)便。 圖1-1實(shí)驗(yàn)箱全貌A/D、D/A接口板二、二、實(shí)驗(yàn)使用部件：（1）模擬機(jī)一臺(tái)：實(shí)驗(yàn)箱上有十二個(gè)積分器，四個(gè)變阻器，和若干不同阻值的電阻、電容； （2）電腦一臺(tái)，數(shù)據(jù)采集傳輸，由實(shí)驗(yàn)箱上的采集卡完成，通過(guò)USB端口通訊；（3）PC機(jī)安裝CP210X驅(qū)動(dòng)程序，以及模擬示波器軟件，生成桌面圖標(biāo)（4）數(shù)字式萬(wàn)用表一只；（5）導(dǎo)線若干。 （6）雙擊A圖標(biāo)，打開(kāi)模擬示波器界面，完成參數(shù)設(shè)定，運(yùn)行后記錄數(shù)據(jù)，繪制波形。三、實(shí)驗(yàn)?zāi)M圖使用符號(hào)及量化： 1反號(hào)器由運(yùn)算放大器組成

4、的線路如圖1所示：反饋元件電阻 圖1反號(hào)器由圖1可知 )()(1trRRtCf當(dāng)： 則有 量化之后 繼續(xù)減小輸入電阻值，放大倍數(shù)繼續(xù)增大。 在畫(huà)模擬圖時(shí)，反號(hào)器用如圖2的符號(hào)加以表示，即一個(gè)底邊在左側(cè)的標(biāo)準(zhǔn)的等邊三角形。 圖2 反號(hào)器符號(hào)1RRf)()(trtC100k1 RRf10k100k1RRf，1102 加法器由運(yùn)算放大器組成的加法器線路如圖3所示 圖3 加法器電路由圖3可知，加法器的輸出為：其中： i =1,2,n 輸入電阻R1、R2、R3、Ri 為不同的阻值，信號(hào)被放大不同倍數(shù)。niiiiiiifffftrktrktrktrktrktrRRtrRRtrRRtrRRtC1332211

5、332211)()()()()()()()()()(ifiRRk加法器用圖4所示符號(hào)加以表示： 圖4 加法器符號(hào) 3 積分器 由運(yùn)算放大器組成的積分器線路如圖5所示。反饋元件是電容， 圖5 積分器電路 由圖可知積分器的輸出為：其中 i=1,2n ; 當(dāng) C=10F ， R1 =100k時(shí)： 當(dāng) C=10F ， R1 =10k 時(shí)：繼續(xù)減小輸入電阻值，放大倍數(shù)繼續(xù)增大。11010115-51CR niiiidttrkidttrCRdttrCRdttrCRdttrCRtC1332211)()(1)(1)(1)(1)(RiCTKii11101011010111 -5-41CR 積分器用圖6所示的符號(hào)

6、加以表示：是一個(gè)等邊三角形，后面的豎直邊再加一道平行線，像是在表示，反饋元件為電容,它對(duì)信號(hào)有積分作用。 圖6 積分器符號(hào)4.系數(shù)補(bǔ)償 系統(tǒng)改變參數(shù)設(shè)置，需要配置不同的系數(shù)值，可以利用比例放大或積分放大的倍數(shù)計(jì)算，調(diào)整電阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)。比例放大的放大倍數(shù)為電阻值比（反饋比輸入）；積分放大的倍數(shù)由 決定。RC1 畫(huà)模擬圖有以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng) ：1.在模擬圖上一定要正確判別反饋的正負(fù)，牢記經(jīng)過(guò)一個(gè)放大器變號(hào)一次，系統(tǒng)要完成負(fù)反饋，前向通道和反饋通道，放大器總和一定為奇數(shù)。2.利用改變輸入電阻值，完成不同放大倍數(shù)的需求，用最少的運(yùn)算放大器完成所要求的模擬任務(wù) 3.比例器和積分器的號(hào)碼順序要一致，輸入及輸出

7、的聯(lián)線清楚，出現(xiàn)問(wèn)題是方便排查。 四、控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)模擬電路：1.比例環(huán)節(jié)的模擬電路如圖4-1 圖4-1比例環(huán)節(jié)電路)(tC. )(trRRiif)(tri 2. 積分環(huán)節(jié)的模擬電路如圖4-2 圖4-2積分環(huán)節(jié)的電路積分環(huán)節(jié)的輸出： dttrCRtCii)(1)(3.比例積分環(huán)節(jié)的模擬電路如圖4-3 圖4-3比例積分環(huán)節(jié)電路TsKsG1)(12RRK 111CRT4. 慣性環(huán)節(jié)的模擬電路如圖4-4 圖4-4慣性環(huán)節(jié)電路 1)(TsKsG12RRK 211CRT1)(TsKsG第二節(jié) 模擬計(jì)算機(jī)的仿真實(shí)驗(yàn)一 、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 學(xué)習(xí)用模擬計(jì)算機(jī)仿真線性系統(tǒng)的方法；2 研究二階系統(tǒng)的阻尼比和無(wú)阻尼自

8、然頻率對(duì) 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。3 深化課堂講授的有關(guān)二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的內(nèi)容 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：1畫(huà)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)系統(tǒng)模擬圖以典型的二階系統(tǒng)為例，二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為式1-1： （1-1） 2222)()(nnnsssRsC交叉相乘 （1-2）進(jìn)行拉式反變換，對(duì)應(yīng)時(shí)域中的微分方程式： （1-3） 整理： （1-4）我們需要找到等式右面的三項(xiàng)，此方程可解。先看第一項(xiàng)：輸入信號(hào)，我們使用階躍信號(hào)，有信號(hào)發(fā)生器直接提供 。)()()(2)(222sRsCssCsCsnnn)()()(2)(22trtCtCtCnnn )()(2)()(2tCtCtrtCnn 二階系統(tǒng)模擬圖2( )-nc tr(t)c(t)

9、2( )2( )( )( )nnc tr tc tc t2n2n2( )nc t這個(gè)積分器所有輸入之和為回路中奇數(shù)個(gè)運(yùn)放構(gòu)成負(fù)反饋！系數(shù)1與反饋信號(hào)相乘，就是等式右面的第二項(xiàng)，系數(shù)2與輸入信號(hào)相乘，消去系數(shù)，得到了等式右面的第三項(xiàng)。由此，這個(gè)表達(dá)式可以模擬機(jī)上排題了。以第一組實(shí)驗(yàn)參數(shù)為例，說(shuō)明系數(shù)的設(shè)置若取系數(shù)1： 系數(shù)2： 5 . 03n32n92n 11.1k,1091x2x2RFCCR，33.3k,1031x1x1RFCCR，第一組參數(shù)電路圖如圖2-1所示:圖2-1 第一組參數(shù)電路圖 2、排題 啟動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)箱，然后首先設(shè)置好各個(gè)系數(shù)。系數(shù)器設(shè)定的精確度對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有很大的影響，這一步要耐心

10、。系數(shù)設(shè)置完畢之后，開(kāi)始看圖連線。3、用模擬示波器觀測(cè)輸出波形 按模擬圖排題無(wú)誤之后，然后打開(kāi)應(yīng)用軟件，給系統(tǒng)加階躍信號(hào)，這樣，就可以用模擬示波器觀測(cè)二階系統(tǒng)的輸出波形了。每臺(tái)設(shè)備的隨機(jī)誤差不同，實(shí)測(cè)值略有不同。4、實(shí)驗(yàn)要求： （1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?（2）參數(shù)設(shè)定（3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄（4）理論計(jì)算及誤差分析 （5）響應(yīng)曲線的繪制（6）簡(jiǎn)答題，詳見(jiàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。%100)()(-)(cctcpp4、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：（1）.兩人一組，做完實(shí)驗(yàn)，桌面收拾干凈，恢復(fù)到像來(lái)的時(shí)候一樣，才能離開(kāi)。（2）.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因?yàn)橄禂?shù)器的精度、每臺(tái)設(shè)備的差異以及觀察者的視覺(jué)誤差等因素，每組同學(xué)得到的數(shù)據(jù)不完全相同，不超出規(guī)定范圍都是正確的。（3）.實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在做完實(shí)驗(yàn)一周之內(nèi)交，各班負(fù)責(zé)人實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在做完實(shí)驗(yàn)一周之內(nèi)交，各班負(fù)