實驗一 典型環(huán)節(jié)及其階躍響應

實驗一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應預習要求閱讀實驗指導書第一、二章，了解自動控制原理實驗箱的構(gòu)成及使用方法。復習運算放大器的功能及特性（開環(huán)增益高、輸入阻抗大、輸出阻抗?。╊A習實驗原理部分，了解模擬實驗的基本原理。根據(jù)實驗指導書的各典型環(huán)節(jié)模擬電路，算出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。實驗目的掌握控制模擬實驗的基本原理和一般方法。學習構(gòu)成控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的模擬電路，了解電路參數(shù)對控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)特性的影響。學習典型環(huán)節(jié)階躍響應的測量方法，并學會由階躍響應曲線計算典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。實驗設(shè)備DICE-AT2型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺計算機一臺RS232串口線實驗原理模擬實驗的基本原理控制系統(tǒng)模擬實驗采用復合網(wǎng)絡(luò)法來模擬各種典型環(huán)節(jié)，即利用運算放大器組成不同的輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)模擬各種典型環(huán)節(jié)，然后按照給定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖將這些模擬環(huán)節(jié)連接起來，便得到了相應的模擬系統(tǒng)，再將輸入信號加到模擬系統(tǒng)的輸入端，并利用計算機等測量儀器，測量系統(tǒng)的輸出，便可得到系統(tǒng)的動態(tài)響應曲線及性能指標。若改變系統(tǒng)的參數(shù)，還可進一步分析研究參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。各典型環(huán)節(jié)的方塊圖及傳遞函數(shù)各典型環(huán)節(jié)的模擬電路圖及輸入響應實驗內(nèi)容與步驟各典型環(huán)節(jié)的實驗連線比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)運放按模擬電路圖依次使用運放單元U4，U8構(gòu)建，在U4中分別選取R1=100K和R1=200K進行實驗。慣性環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)運放依次使用運放單元U4，U8構(gòu)建，選取R1=100K，并在U4中分別選取電容C=1uF和C=2uF進行實驗（電容值為C=2uF時，在電容排使用兩個1uF電容并聯(lián)即可）。積分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)運放依次使用運放單元U4，U8構(gòu)建，在U4中分別選取電容C=1uF和C=2uF進行實驗。在做該實驗時很容易積分飽和，所以有時需要放電。比例積分環(huán)節(jié)比例積分環(huán)節(jié)運放依次使用運放單元U4，U8構(gòu)建，在U4中通過電阻R1后，使用“短路套線”，將U5中的1uF的電容與U4中取到的R1支路串接在一起（如下圖所示），并分別選取電容C=1uF和C=2uF進行實驗（電容值為C=2uF時，在電容排使用兩個1uF電容并聯(lián)即可，在U5中“短路套線”下面加個“短路塊”）。比例微分環(huán)節(jié)比例微分環(huán)節(jié)運放依次使用運放單元U3、U6、U8構(gòu)建，在U3中選取的R1，在U6中的選取電阻和電容作為R2、R3和C，通過“短路套線”將U3與U6中的兩部分連接在一起，并與U8的IN端相連接，模擬電路的輸出端（Uo）為U8的OUT端。分別選取R1=10K和R1=20K進行實驗。PID環(huán)節(jié)比例微分積分環(huán)節(jié)運放依次使用運放單元U3、U4、U6、U8構(gòu)建，在U3中選取的R1，在U4中選取一個電容C，在U6中的選取電阻和電容作為R2、R3和C，通過“短路套線”將U3、U4與U6中的部分連接在一起，并與U8的IN端相連接，模擬電路的輸出端（Uo）為U8的OUT端。分別選取R1=10K和R1=20K進行實驗。觀測比例、積分、比例積分、比例微分和慣性環(huán)節(jié)的階躍響應曲線。階躍信號的產(chǎn)生將信號源單元（U1）的ST端（插針）與＋5V端（插針）用“短路塊”短接，使模擬電路中的場效應管（3DJ6）夾斷，這時運放處于工作狀態(tài)。可采用圖1-1所示電路，它由“單脈沖單元”（U12SP）及“電位器單元”（U11P）組成。圖1-1具體線路形成：在U12SP單元中，將Hl與+5V插針用“短路塊”短接，H2插針用排線接至Ul1P單元的X插針；在Ul1P單元中，將Z插針和GND插針用“短路塊”短接，最后由插座的Y端輸出信號。以后實驗若再用到階躍信號時，方法同上，不再贅述。實驗步驟分別按各典型環(huán)節(jié)的模擬電路圖將線接好（先按比例，PID先不接）。將模擬電路輸入端（Ui）與階躍信號的輸出端Y相連接；模擬電路的輸出端（Uo）接至示波器單元（U22)的CH1或CH2。試驗箱通過串口線連接至電腦，運行計算機上的DICE計算機控制實現(xiàn)軟件。根據(jù)選擇的CH1或CH2選擇串口COM1或COM2。測試計算機與實驗箱的通信是否正常，通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進行實驗。打開示波器窗口，如下圖所示。打開試驗箱電源，按下按鈕（或松開按鈕）SP時，用示波器觀測輸出端的實際響應曲線U(t)，并將結(jié)果記下。改變比例參數(shù)，重新觀測結(jié)果。同理得出積分、比例積分、比例微分和慣牲環(huán)節(jié)的實際響應曲線，它們的理想曲線和實際響應曲線見表1-1。觀測PID環(huán)節(jié)的響應曲線。此時模擬電路的輸入端（Ui）采用U1信號源單元產(chǎn)生的周期性方波信號。Ul信號源單元的ST的插針改為與S插針用“短路塊”短接，S11波段開關(guān)置于“方波”檔，“OUT”端的輸出電壓即為階躍信號電壓，信號周期由波段開關(guān)S12和電位器W11調(diào)節(jié)，信號幅值由電位器W12調(diào)節(jié)。以信號幅值小、信號周期較長比較適宜）。參照PID模擬電路圖，將PID環(huán)節(jié)搭接好。將步驟1中產(chǎn)生的周期性方波信號加到PID環(huán)節(jié)的輸入端（Ui），用示波器觀測PID模擬電路的輸出端（Uo），改變電路參數(shù)，重新觀察并記錄。實驗報告根據(jù)實驗記錄畫出各典型環(huán)節(jié)的響應曲線，標明輸入信號的幅值、輸出響應曲線的時間和幅值信息，分析參數(shù)變化對響應曲線的影響。由階躍響應曲線計算出慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并與由電路計算的理論結(jié)果相比較。慣性環(huán)節(jié)的