典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真課案

金隊(duì)科技劈腕學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告（理工類）課程名稱： 自動(dòng)控制原理專業(yè)班級(jí):14電氣（2）學(xué)生學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：所屬院部： 機(jī)電工程學(xué)院指導(dǎo)教師: 吳洪兵2015 ——2016學(xué)年 第二學(xué)期金陵科技學(xué)院教務(wù)處制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí): 2同組學(xué)生姓名：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：PAC電氣控制實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)日期：2016年5月26日實(shí)驗(yàn)成績(jī)：批改教師： 吳洪兵 批改時(shí)間:一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?熟悉典型環(huán)節(jié)的電路模擬；2熟悉MATLAB中的simulink仿真。二、 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、 實(shí)驗(yàn)過(guò)程比例環(huán)節(jié)(又叫放大環(huán)節(jié))定義:具有比例運(yùn)算關(guān)系的元部件稱為比例環(huán)節(jié)。特點(diǎn):輸出量按一定比例復(fù)現(xiàn)輸入量，無(wú)滯后、失真現(xiàn)象。運(yùn)動(dòng)方程：c(t)=Kr(t) K——放大系數(shù)傳遞函數(shù)：G0=K放大電路其它一些比例環(huán)節(jié):慣性環(huán)節(jié)(又叫非周期環(huán)節(jié))定義:慣性環(huán)節(jié)的微分方程是一階的，且輸出響應(yīng)需要一定的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，故稱為一階慣性環(huán)節(jié)。特點(diǎn)：此環(huán)節(jié)中含有一個(gè)獨(dú)立的儲(chǔ)能元件，以致對(duì)突變的輸入來(lái)說(shuō)，輸出不能立即復(fù)現(xiàn)，存在時(shí)間上的延遲。運(yùn)動(dòng)方程為：丁')+c(t)=r(t)傳遞函數(shù)：G傳遞函數(shù)：G0=』T——，慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)RC電路RC電路其它一些慣性環(huán)節(jié)LL積分環(huán)節(jié)定義:符合積分運(yùn)算關(guān)系的環(huán)節(jié)稱為積分環(huán)節(jié)。傳遞函數(shù):G(s)傳遞函數(shù):G(s)=Ts(()特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)過(guò)程中，輸出量的變化速度和輸入量成正比。運(yùn)動(dòng)方程：U。()=；』*(頃其中，T為積分環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，表示積分的快慢程度。微分環(huán)節(jié)定義:符合微分運(yùn)算關(guān)系的環(huán)節(jié)稱為微分環(huán)節(jié)。特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)過(guò)程中，輸出量正比于輸入量的變化速度。運(yùn)動(dòng)方程為：U()=C叫(() 其中，t---微分環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，表示微分c d(t)速率的大小。傳遞函數(shù)：G(s)=TSR微分運(yùn)算放大器 測(cè)速發(fā)電機(jī)

R微分運(yùn)算放大器 測(cè)速發(fā)電機(jī)振蕩環(huán)節(jié)特點(diǎn)：振蕩環(huán)節(jié)是由二階微分方程描述的系統(tǒng)。包含兩個(gè)獨(dú)立的儲(chǔ)能元件，當(dāng)輸入量發(fā)生變化時(shí)，兩個(gè)儲(chǔ)能元件的能量進(jìn)行交換，使輸出帶有振蕩的性質(zhì)。TOC\o"1-5"\h\zd2c(t) dc(t)運(yùn)動(dòng)方程為：①2 +2&①2 +c(t)=r(t)ndt2 ndt傳遞函數(shù)：G0=——-^| 其中，〈是阻尼比，①是無(wú)阻尼自然振\o"CurrentDocument"S2+2w&S+32 n蕩頻率RL.n Lur CZ/cU -i-I0 R-L-C電路延遲環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)：G(s)=e-Ts1

o1

o 1+TSG(s)=1+TS+T2S2+T3S3+2! 3!所以，延遲環(huán)節(jié)在一定條件下可近似為慣性環(huán)節(jié)四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析(1)比例環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)：G(1)比例環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)：G0=KSimulink比例環(huán)節(jié)仿真圖Uc(t)43.532.521.510.5LK=2K=3 K=400123456789 10比例環(huán)節(jié)單位階躍響應(yīng)曲線 t關(guān)于比例環(huán)節(jié)的分析：比例環(huán)節(jié)的輸入量與輸出量成正比，不失真也不延滯，所以比例環(huán)節(jié)又稱為放大環(huán)節(jié)或無(wú)慣性環(huán)節(jié)。無(wú)彈性變形的杠桿、電位器、不計(jì)飽和的電子放大器、測(cè)速發(fā)電機(jī)(輸出為電壓、輸入為轉(zhuǎn)速時(shí))等都可認(rèn)為是比例環(huán)節(jié)。

當(dāng)慣性環(huán)節(jié)的輸入量為單位階躍函數(shù)時(shí)，該環(huán)節(jié)的輸出量將按指數(shù)曲線上升，在經(jīng)過(guò)3個(gè)T時(shí)，響應(yīng)曲線達(dá)到穩(wěn)態(tài)值得95%，或經(jīng)過(guò)4個(gè)T時(shí)，響應(yīng)曲線達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的98%，即輸出響應(yīng)具有慣性，時(shí)間常數(shù)T越大慣性越大。RC電路、RL電路、直流電動(dòng)機(jī)電樞電路(當(dāng)電樞電感可忽略不計(jì)時(shí))都可看做慣性環(huán)節(jié)。

Simulink積分環(huán)節(jié)仿真圖當(dāng)積分環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)為單位階躍函數(shù)時(shí)，則輸出為t，它隨著時(shí)間直線增長(zhǎng)。響應(yīng)的增長(zhǎng)速度由;1決定，即T越小，上升越快。當(dāng)輸入突然除去時(shí)，積分停止，輸出維持不變，故有記憶功能。對(duì)于理想的積分環(huán)節(jié)，只要有輸入信號(hào)存在，不管多大，輸出總要不斷上升，直至無(wú)限。當(dāng)然，對(duì)于實(shí)際部件，由于能量有限、飽和限制等，輸出是不可能達(dá)到無(wú)限的。傳遞函數(shù)：G(s)=TSSimulink微分環(huán)節(jié)仿真圖關(guān)于微分環(huán)節(jié)的分析:G(s)Simulink微分環(huán)節(jié)仿真圖關(guān)于微分環(huán)節(jié)的分析:G(s)= ，TS+1式中，T為時(shí)間微分常數(shù)。T越小，響應(yīng)曲線越陡峭。當(dāng)T<<1時(shí)，G(s)=TS，可近似為理想微分環(huán)節(jié)。理想微分環(huán)節(jié)的輸出量與輸入量的一階導(dǎo)數(shù)成正比。輸入是單位階躍函數(shù)，則理想微分環(huán)節(jié)的輸出c(t)=T5(t)，其中8(t)是單位脈沖函數(shù)。由于微分環(huán)節(jié)預(yù)示輸入信號(hào)的變化趨勢(shì)，所以常用來(lái)改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 八f) ①2傳遞函數(shù)：G皓)= S2+23&S+ 八f) ①2傳遞函數(shù)：G皓)= S2+23&S+32觀察其振蕩環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)情況。再取相同的&，觀察3n不同大小下的單在此仿真中，先取①n相同，取不同的&,位階躍響應(yīng)情況。①阻尼比&分別取為0、0.1、0.5、1、1.5、2.0，Step400s2+4Us+1UUTransferFcn5S+30S+100TransferFcn4——400——-s2+2s+1UUTransferFcn1——400 ~s2+100~TransferFcn—100_-s2+20s+100TransferFcn3——100 s2+10s+100TransferFcn2——100 3n皆為10Scope振蕩環(huán)節(jié)3n保持不變的單位階躍響應(yīng)曲線②無(wú)阻尼自然振蕩頻率°分別取10、20、40,取&=0.1。nStepScopeUc(1.81.61.4②無(wú)阻尼自然振蕩頻率°分別取10、20、40,取&=0.1。nStepScopeUc(1.81.61.41.210.80.60.40.200123456789 10振蕩環(huán)節(jié)&保持不變的單位階躍響應(yīng)曲線 tSimulink&保持不變的振蕩環(huán)節(jié)仿真圖關(guān)于振蕩環(huán)節(jié)的分析：由圖知在一定z值下，欠阻尼系統(tǒng)比臨界阻尼系統(tǒng)更快地達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。與z值在一定范圍內(nèi)的欠阻尼系統(tǒng)相比，過(guò)阻尼系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍，動(dòng)作很緩慢，所以一般的控制系統(tǒng)大都設(shè)計(jì)成欠阻尼系統(tǒng)。此外，對(duì)于z相同而°n不同的二階系統(tǒng)，由于具有相同的振蕩模式和過(guò)調(diào)，其相對(duì)穩(wěn)定程度相同。

(6)延滯環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)：G(s)=e-TsSimulink延滯環(huán)節(jié)仿真圖Uc(t)1_T=1T=20.9T=3 step0.80.70.60.50.40.30.20.10