自控實(shí)驗(yàn)1--典型環(huán)節(jié)的模擬研究

1、北京XX大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱： 典型環(huán)節(jié)的模擬研究 學(xué) 院： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 成 績(jī)： 年 月 日一實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 研究典型環(huán)節(jié)的特性，學(xué)習(xí)典型環(huán)節(jié)的電模擬方法。2. 熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備的性能和操作。典型環(huán)節(jié)名稱方塊圖傳遞函數(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）二各典型環(huán)節(jié)的方塊圖及傳函三實(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(duì)典型環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性的影響。改變被測(cè)環(huán)節(jié)的各項(xiàng)電路參數(shù)，畫(huà)出模擬電路圖，階躍響應(yīng)曲線，觀測(cè)結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告運(yùn)行LABACT程序，選擇自動(dòng)控制菜單下的線性系統(tǒng)的時(shí)域分析下的典型

2、環(huán)節(jié)的模擬研究中的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，就會(huì)彈出虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開(kāi)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(cè)孔測(cè)量波形。具體用法參見(jiàn)用戶手冊(cè)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1-1所示。圖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(hào)（OUT），作為系統(tǒng)的信號(hào)輸入（Ui）；該信號(hào)為零輸出時(shí)，將自動(dòng)對(duì)模擬電路鎖零。 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過(guò)波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 量程選擇開(kāi)關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波寬

3、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1-1安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線，表如下。（a）安置短路套 （b）測(cè)孔聯(lián)線模塊號(hào)跨接座號(hào)A5S4，S12B5S-ST信號(hào)輸入（Ui）B5（OUT）A5（H1）示波器聯(lián)接×1檔A5（OUTB）B3（CH1）B5（OUT）B3（CH2）（3）運(yùn)行、觀察、記錄： 打開(kāi)虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開(kāi)始，觀測(cè)A5B輸出端（Uo）的實(shí)際響應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)：按下表改變圖1-1所示的被測(cè)系統(tǒng)比例系數(shù)，觀測(cè)結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。必做參數(shù)R0R1輸入U(xiǎn)i比例系數(shù)K計(jì)算值測(cè)量值200K

4、100K4V0.50.5273200K4V11.0255 圖（1） R0=200K，R1=100K時(shí)的波形 圖（2） R0=200K，R1=200K時(shí)的波形 2)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1-2所示。圖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(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）所產(chǎn)生的周期性矩形波信號(hào)（OUT），作為系統(tǒng)的信號(hào)輸入（Ui）；該信號(hào)為零輸出時(shí)，將自動(dòng)對(duì)模擬電路鎖零。 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過(guò)波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 量程選擇開(kāi)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

5、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1-2安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線，表如下。（a）安置短路套 （b）測(cè)孔聯(lián)線信號(hào)輸入（Ui）B5（OUT）A5（H1）示波器聯(lián)接×1檔A5（OUTB）B3（CH1）B5（OUT）B3（CH2） 模塊號(hào)跨接座號(hào)A5S4，S6，S10B5S-ST（3）運(yùn)行、觀察、記錄： 打開(kāi)虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開(kāi)始，觀測(cè)A5B輸出端（Uo）響應(yīng)曲線，等待完整波形出來(lái)后，移動(dòng)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(dòng)虛擬示波器兩根縱游標(biāo)，從階躍開(kāi)始到輸出曲線

6、的交點(diǎn)，量得慣性環(huán)節(jié)模擬電路時(shí)間常數(shù)T。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)：按下表改變圖1-2所示的被測(cè)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)及比例系數(shù)，觀測(cè)結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。必做參數(shù)R0R1C輸入U(xiǎn)i比例系數(shù)K慣性常數(shù)T計(jì)算值測(cè)量值計(jì)算值測(cè)量值200K200K14V11.02550.20.210211.02550.40.420 圖（3）C=1時(shí)的波形 圖（4）C=2時(shí)的波形3)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1-3所示。圖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(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(hào)（OUT），代替信號(hào)發(fā)生器（B1）中

7、的人工階躍輸出作為系統(tǒng)的信號(hào)輸入（Ui）；該信號(hào)為零輸出時(shí)，將自動(dòng)對(duì)模擬電路鎖零。 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過(guò)波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 量程選擇開(kāi)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(zhǎng)！ “量程選擇”開(kāi)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1-3安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線，表如下。（a）安置短路套 （b）測(cè)孔聯(lián)線信號(hào)輸入（Ui）B5（OUT

8、）A5（H1）示波器聯(lián)接×1檔A5（OUTB）B3（CH1）B5（OUT）B3（CH2）模塊號(hào)跨接座號(hào)A5S4，S10B5S-ST（3）運(yùn)行、觀察、記錄： 打開(kāi)虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開(kāi)始，觀測(cè)A5B輸出端（Uo）響應(yīng)曲線，等待完整波形出來(lái)后，點(diǎn)擊停止，移動(dòng)虛擬示波器橫游標(biāo)到0V處，再移動(dòng)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(dòng)虛擬示波器兩根縱游標(biāo)，從階躍開(kāi)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。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)：按下表改變圖1-3所示的被測(cè)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，觀測(cè)結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。必做參數(shù)R0C輸入U(xiǎn)i積分常數(shù)Ti計(jì)算值測(cè)量值200K11V0.20

9、.21020.40.420 圖（5）C=1時(shí)積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線 圖（6）C=2時(shí)積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線4)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1-4所示.。圖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(yīng)：實(shí)驗(yàn)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(chǎn)生的周期性矩形波信號(hào)（OUT），代替信號(hào)發(fā)生器（B1）中的人工階躍輸出作為系統(tǒng)的信號(hào)輸入（Ui）；該信號(hào)為零輸出時(shí)將自動(dòng)對(duì)模擬電路鎖零。 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過(guò)波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。量程選擇開(kāi)關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波

10、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1-4安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線，表如下。（a）安置短路套 （b）測(cè)孔聯(lián)線信號(hào)輸入（Ui）B5（OUT）A5（H1）示波器聯(lián)接×1檔A5（OUTB）B3（CH1）B5（OUT）B3（CH2）模塊號(hào)跨接座號(hào)A5S4，S8B5S-ST（3）運(yùn)行、觀察、記錄： 打開(kāi)虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開(kāi)始，觀測(cè)A5B輸出端（Uo）響應(yīng)曲線，等待完整波形出來(lái)后，點(diǎn)擊停止。移動(dòng)虛擬示波器橫游標(biāo)到輸入電壓×比例系數(shù)K處，再移動(dòng)另一根橫游標(biāo)到（輸入電壓×比例系數(shù)K&

11、#215;2）處，得到與積分曲線的兩個(gè)交點(diǎn)。再分別移動(dòng)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。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)：按下表改變圖1-4所示的被測(cè)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)及比例系數(shù)，觀測(cè)結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。必做參數(shù)R0R1C輸入U(xiǎn)i比例系數(shù)K積分常數(shù)Ti計(jì)算值測(cè)量值計(jì)算值測(cè)量值200K200K11V110.20.200100K2220.40.410 圖（7）. R0=200K，C=1時(shí)比例積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線 圖（8）. R0=100K，C=2時(shí)比例積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線5)觀察比例微分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線典型比例微分環(huán)節(jié)模擬電路如圖1-5所示。圖1-5 典型比例微分環(huán)節(jié)模擬電路比

12、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(hào)) 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過(guò)波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 量程選擇開(kāi)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1-5安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線，表如下。（a）安置短路套 （b）測(cè)孔聯(lián)線信號(hào)輸入(Ui)B5（OUT）A4（H1）

13、運(yùn)放級(jí)聯(lián)A4（OUT）A6（H1）示波器聯(lián)接×1檔A6（OUT）B3（CH1）B5（OUT）B3（CH2）模塊號(hào)跨接座號(hào)A4S4，S9A6S2，S6B5S-ST（3）運(yùn)行、觀察、記錄：虛擬示波器的時(shí)間量程選4檔。 打開(kāi)虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開(kāi)始，用示波器觀測(cè)系統(tǒng)的A6輸出端（Uo），等待完整波形出來(lái)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(dòng)虛擬示波器兩根橫游標(biāo)，從最高端開(kāi)始到V處為止，得到與微分的指數(shù)曲線的交點(diǎn)，再移動(dòng)虛擬示波器兩根縱游標(biāo)，從階躍開(kāi)始到曲線的交點(diǎn)，量得t。 已知KD=10，則圖1-5的比例微分環(huán)節(jié)模擬電路微分時(shí)間常數(shù)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)： 圖

14、（10）比例微分環(huán)節(jié)的階躍響應(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1-6所示。圖1-6 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(hào)（OUT），代替信號(hào)發(fā)生器（B1）中的人工階躍輸出作為系統(tǒng)的信號(hào)輸入（Ui）；該信號(hào)為零輸出時(shí)將自動(dòng)對(duì)模擬電路鎖零。 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過(guò)波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 量程選擇開(kāi)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1-6安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線，表如下。（a）安置短路套 （b）測(cè)孔聯(lián)線模塊號(hào)跨接座號(hào)A2S4，S8B5S-ST信號(hào)輸入（Ui）B5（OUT）A2（H1）示波器聯(lián)接×1檔A2B（OUTB）B3（CH1）B5（OUT）B3（CH2）（3）運(yùn)行、觀察、記錄： 打開(kāi)虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開(kāi)始，用示波器觀測(cè)A2B輸出端（Uo）。 等待完整波形出來(lái)后，點(diǎn)擊停止，移動(dòng)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