控制系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)的模擬實驗報告

1、控制系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)的 模擬實驗報告課程名稱：控制理論乙指導(dǎo)老師：成績：實驗名稱：控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的模擬實驗類型:同組學(xué)生姓名：一.實驗H的和要求（必填）（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填）步驟五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理（必填）二、實驗內(nèi)容和原理四、操作方法和實驗六.實驗結(jié)果與分析七、討論、心得 一、實驗LI的和要求1. 熟悉超低頻掃描示波器的使用方法2. 掌握用運放組成控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的電子電路3 測量典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線4.銅鼓哦是暗夜男了解典型環(huán)節(jié)中參數(shù)的變化對輸出動態(tài)性能的影響二、實驗內(nèi)容和原理以運算放大器為核心元件，山其不同的RC輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的各種典型環(huán) 節(jié)，如下圖所示。右圖中可以

2、得到：由上式可求得有下列模擬電路組成的典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及其單位階躍響應(yīng)1. 積分環(huán)節(jié)連接電路圖如下圖所示和第一個實驗相同，電源為峰峰值為30V的階躍函數(shù)電源，運放為LM358型號運放。 在這次實驗中，R2并不出現(xiàn)在電路中，所以我們可以同時調(diào)節(jié)R1的值和C的值來改變該 傳遞函數(shù)的其他參量值。具體表達(dá)式為：式中：T = RC山表達(dá)式可以畫出在階躍函數(shù)的激勵下，電路所出現(xiàn)的階躍響應(yīng)圖像實驗要求積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)需要達(dá)到(1)(5) = 1 (2) 0,(5)= s°0.52. 比例微分環(huán)節(jié)連接電路圖如下圖所示在該電路中，實驗器材和第一次實驗與第二次實驗不變，R2仍然固定為不改變。R1與C

3、并聯(lián)之后與運算放大器的負(fù)端相連，R2接在運放的輸出端和負(fù)輸入端兩端，起到了負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用。具體表達(dá)式為:式中，K =且,T = R,C山表達(dá)式可以畫出在階躍函數(shù)的激勵下，電路所出現(xiàn)的階躍響應(yīng)圖像實驗要求慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)需要達(dá)到(1) G(s) = 2 + s (2) G?($) = l + 2$3. 慣性環(huán)節(jié)連接電路圖如圖所示在該圖中，電源山控制理論電子模擬箱中的階躍響應(yīng)電源來代替，電源的峰峰值為30V；在模擬電子箱中，運算放大器采用LM358型號的運算放大器。在控制理論電子模擬 箱中，R2是一個固定值，固定為1MQ,所以我們可以調(diào)整R1和C來改變階躍響應(yīng)函數(shù)圖 像的其他參數(shù)。電阻R2和電容

4、C并聯(lián)接入在運放的負(fù)輸入端和輸出端之間，起到了負(fù)反 饋調(diào)節(jié)作用。具體導(dǎo)出式如下式中，K =冬，T = R、C山表達(dá)式可以畫出在階躍函數(shù)的激勵下，電路所出現(xiàn)的階躍響應(yīng)圖像實驗要求慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)需要達(dá)到(1)=(2) G7(5)= L5 + 105s + l三、主要儀器設(shè)備1. 控制理論電子模擬實驗箱一臺2. 超低頻慢掃描示波器一臺3. 萬用表一只四、操作方法和實驗步驟1. 積分環(huán)節(jié)（1）按照電路原理圖，將實際的電路圖連接起來（2）根據(jù)實驗要求的傳遞函數(shù)算出&與C的值。在實驗1中，T二RC二1,所以取R產(chǎn)1MQ, C二luF；在實驗2中，T二RC二，所以取R1二1MQ,C二u F （山

5、兩個1 u F的電容串聯(lián)得到u F的電容）（3）將示波器的兩個表筆接入輸出端和輸入端（4）接通電源，按下按鈕，觀察在階躍函數(shù)的直流電源激勵下，輸出端的階躍響應(yīng)。2. 比例微分環(huán)節(jié)（1）按照電路原理圖，將實際的電路圖連接起來（2）根據(jù)實驗要求的傳遞函數(shù)算出R, R與C的值。由于&固定為1MQ,所以只能調(diào)整 &和C的值來完成實驗。在實驗1中，K二2, T=l,所以取R產(chǎn)，RM, C=l/Ri=2 P F （由兩個1MQ并聯(lián)起來得到Q的電阻，山兩個1UF并聯(lián)起來得到2uF的電容） 在實驗 2 中，K二 1, T二2,所以 RlR：二 1MQ, C二1 uF（3）將示波器的兩個表筆接入

6、輸出端和輸入端（4）接通電源，按下按鈕，觀察在階躍函數(shù)的直流電源激勵下，輸出端的階躍響應(yīng)。3. 慣性環(huán)節(jié)（1）按照電路原理圖，將實際的電路圖連接起來（2）根據(jù)實驗要求的傳遞函數(shù)算出R、R：與C的值。實驗箱中&電阻固定為1MQ。在實驗 1 中，T=l, K=l,所以 R產(chǎn)IEMQ, C=1 UF；在實驗2中，T二，K二1,所以&二R：二1MQ, C二u F （由兩個1 u F的電容串聯(lián)得到u F的電 容）（3）將示波器的兩個表筆接入輸出端和輸入端（4）接通電源，按下按鈕，觀察在階躍函數(shù)的直流電源激勵下，輸出端的階躍響應(yīng)。五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理1. 積分環(huán)節(jié)(2) %)云2. 比例

7、積分環(huán)節(jié)(I) G(s) = 2 + s(2)G2(s) = + 2s3. 慣性環(huán)節(jié)六、實驗結(jié)果與分析1. 實驗結(jié)果分析(2) %*需（1）積分環(huán)節(jié) G（S）= 1S理論值：上升時間為13s,輸出電壓為15V。實際值：輸出電壓為,上升時間為。誤差為%與）=10.5理論值：上升時間為,輸出電丿玉為15Vo實際值：輸出電壓為,上升時間為。誤差為%與(2) 比例積分環(huán)節(jié)(1) q (s) = 2 + s理論值：上升時間70ms,上升電壓15V實際值：上升時間，上升電壓。誤差為%和亂 G、（s） = 1 + 2s理論值：上升時間110ms,上升電壓15V實際值：上升時間為132ms,上升電壓為。誤差為

8、%和（3）慣性環(huán)節(jié)®G1（5）= -L5 + 1理論值：時間常數(shù)為Is,上升時間為4s,上升電壓IV實際值：上升時間為,上升電壓為。 G2（5）=0.55 + 1理論值：時間常數(shù)為,上升時間為2s,上升電壓IV實際值：上升時間為,上升電壓為。2. 實驗誤差分析（1）運算放大器工作狀態(tài)下并不是理想狀態(tài)，導(dǎo)致實際值和理論值相差較多。（2）示波器的讀數(shù)時，釆用了光標(biāo)測量的方法。用肉眼估計是否達(dá)到平衡值，造成 了一定的誤差。（3）慣性環(huán)節(jié)的誤差比較大，可能是我們沒有等到儲能式電容全部將電量完全放出就開通了電源，繼續(xù)了下一步實驗，導(dǎo)致上升時間和理論值相比，誤差很大，棋至出現(xiàn)了 差錯。（4）積分

9、環(huán)節(jié)和比例積分環(huán)節(jié)的上升電壓均沒有達(dá)到15V,原因可能是微小電流在 較大電阻值上產(chǎn)生了壓降，從而使被測值與理論值存在誤差。（5）比例積分環(huán)節(jié)的輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定之后，出現(xiàn)了一定范圍內(nèi)的波動，使得波形 非常復(fù)雜。原因可能是因為電容在不斷充電和放電的過程中，造成了一定范圉內(nèi)的阻尼震 蕩。3. 實驗思考題分析（1）用運放模擬典型環(huán)節(jié)時，其傳遞函數(shù)實在那兩個假設(shè)條件下近似導(dǎo)出的答：假定運放具有理想的“虛短”和“虛斷”特性；運放的靜態(tài)量為零，輸入量、輸 出量和反饋量都可以用瞬時值表示其動態(tài)變化。（2）積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差別是什么在什么條件縣，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為 積分環(huán)節(jié)在什么條件下，乂可以視為比例

10、環(huán)節(jié)答：慣性環(huán)節(jié)的特點是，當(dāng)輸入作階躍變化時，輸出信號不能立刻達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，穩(wěn)態(tài) 輸出以指數(shù)規(guī)律變化，而級分環(huán)節(jié)，當(dāng)輸入為單位階躍信號的時候，輸出為輸入對時間的 積分，輸出信號隨時間呈現(xiàn)直線增長，當(dāng)t趨向于無窮大的時候，慣性環(huán)節(jié)可以近似的視 為積分環(huán)節(jié)，當(dāng)趨于0的時候，慣性環(huán)節(jié)可以近似的視為比例環(huán)節(jié)。（3）如何根據(jù)階躍響應(yīng)的波形，確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)答：用示波器的“時標(biāo)”開關(guān)測出渡過時間t。由公式T二t/4計算時間常數(shù)。七、討論、心得1. 階躍響應(yīng)的輸入不宜過大，否則會燒壞運算放大器。2. 電容式儲能元件，使用完之后一定要先對其進(jìn)行放點處理，才能進(jìn)行下一次實驗。3. 波形觀察末端會出現(xiàn)阻尼震蕩，是電容充電和放電的時候出現(xiàn)的惜況。4. 慣性環(huán)節(jié)的特點是，當(dāng)輸入x (t)作階躍變化時候，輸出y (t)不能立刻達(dá)到穩(wěn) 態(tài)值，瞬態(tài)輸出以指數(shù)規(guī)律變化。二積分環(huán)節(jié)，當(dāng)輸入為單位階躍信號的額時候，輸出為 輸入對時間的積分，輸出波形隨時間呈現(xiàn)增長。5. 當(dāng)t趨向于無窮大時(s趨近于0)，慣性環(huán)節(jié)可以近似視為積