典型環(huán)節(jié)的模擬研究 實(shí)驗(yàn)報(bào)告材料

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1、word 第三章 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn) 3.1 線性系統(tǒng)的時(shí)域分析 一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1． 了解和掌握各典型環(huán)節(jié)模擬電路的構(gòu)成方法、傳遞函數(shù)表達(dá)式與輸出時(shí)域函數(shù)表達(dá)式 2． 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 二．典型環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖與傳遞函數(shù) 方 框 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〕 三．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 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)

2、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(hù)手冊(cè)中的示波器局部。 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3-1-1所示。 圖3-1-1 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！ 〔1〕將函數(shù)發(fā)生器〔B5〕所產(chǎn)

3、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。 ① 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〕。 ② 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〕。 ③ 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3-1-1安置短路套與測(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) 1 A5 S4，S12 2 B5 ‘S

4、-ST’ 1 信號(hào)輸入〔Ui〕 B5〔OUT〕→A5〔H1〕 2 示波器聯(lián)接 ×1檔 A6〔OUT〕→B3〔CH1〕 3 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，按下信號(hào)發(fā)生器〔B1〕階躍信號(hào)按鈕〔0→+4V階躍〕，觀測(cè)A5B輸出端〔Uo〕的實(shí)際響應(yīng)曲線Uo〔t〕見(jiàn)圖3-1-2。示波器的截圖詳見(jiàn)虛擬示波器的使用。 圖3-1-2 比例環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)曲線圖 圖3-1-3 慣性環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)曲線 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：按下表改變圖3-1-1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。 R0 R1

5、輸入U(xiǎn)i 比例系數(shù)K 計(jì)算值 測(cè)量值 200K 100K 4V 200K 4V 1 50K 100K 2V 2 200K 1V 4 R0=200K , R1=100K ,Ui=4vR0=200K , R1=200K ,Ui=4v R0=50K , R1=100K ,Ui=2v R0=50K , R1=200K ,Ui=1v 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3-1-4所示。 圖3-1-4 典型慣性環(huán)節(jié)模擬電路 傳遞函數(shù)：?jiǎn)挝浑A躍響應(yīng)： 實(shí)驗(yàn)步驟：注：‘S

6、 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。 ① 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〕。 ② 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〕。 ③ 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3-1-4安置短路套與測(cè)孔聯(lián)線，表如下。 1 信號(hào)輸入〔Ui〕 B5〔OUT〕→A5〔H1〕 2 示波器聯(lián)接 ×1檔 A5B〔OUT

7、B〕→B3〔CH1〕 3 B5〔OUT〕→B3〔CH2〕 〔a〕安置短路套 〔b〕測(cè)孔聯(lián)線 模塊號(hào) 跨接座號(hào) 1 A5 S4，S6，S10 2 B5 ‘S-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，按下信號(hào)發(fā)生器〔B1〕階躍信號(hào)按鈕時(shí)〔0→+4V階躍〕，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)始到輸出曲線的交點(diǎn)，量得慣性環(huán)節(jié)模擬電路時(shí)間常數(shù)T。A5B輸出端響應(yīng)曲線Uo(t〕見(jiàn)圖3-1-3。示波器的截圖詳見(jiàn)虛擬

8、示波器的使用。 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：按下表改變圖3-1-4所示的被測(cè)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)與比例系數(shù)，觀測(cè)結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 R0 R1 C 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 200K 200K 1u 4V 1 2u 1 50K 100K 1u 2V 2 200K 1V 4 R0=200K , R1=200K ,Ui=4v, C=1u R0=200K , R1=200K ,Ui=4v, C=2u R0=50K , R1=100K ,Ui=2v, C=1u R0=50K

9、, R1=200K ,Ui=1v, C=1u 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3-1-5所示。 圖3-1-5 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！ 〔1〕為了防止積分飽和，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。 ① 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〕。 ② 量程選擇開(kāi)關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器

10、1〞，使之矩形波寬度＞1秒〔D1單元左顯示〕。 ③ 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3-1-5安置短路套與測(cè)孔聯(lián)線，表如下。 〔a〕安置短路套 〔b〕測(cè)孔聯(lián)線 1 信號(hào)輸入〔Ui〕 B5〔OUT〕→A5〔H1〕 2 示波器聯(lián)接 ×1檔 A5B〔OUTB〕→B3〔CH1〕 3 B5〔OUT〕→B3〔CH2〕 模塊號(hào) 跨接座號(hào) 1 A5 S4，S10 2 B5 ‘S-ST’ 〔3〕運(yùn)行、觀察、記錄： 打開(kāi)虛擬示波器

11、的界面，點(diǎn)擊開(kāi)始，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ΔV=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。A5B 輸出響應(yīng)曲線Uo(t)見(jiàn)圖3-1-6。示波器的截圖詳見(jiàn)虛擬示波器的使用。 圖3-1-6 積分環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線 圖3-1-7 比例積分環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：按下表改變圖3-1-5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。 R0 C 輸入U(xiǎn)i 積分常數(shù)Ti 計(jì)算值 測(cè)量值 200K 1u

12、 1V 2u 100K 1u 2u R0=200K, C=1u, Ui=1v R0=200K, C=2u, Ui=1v R0=100K, C=1u, Ui=1v R0=100K, C=2u, Ui=1v 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3-1-8所示.。 圖3-1-8 典型比例積分環(huán)節(jié)模擬電路 傳遞函數(shù)：?jiǎn)挝浑A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

13、電路鎖零。 ① 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〕。 ②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！〕 ③ 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3-1-8安置短路套與測(cè)孔聯(lián)線，表如下。 〔a〕安置短路套 〔b〕測(cè)孔

14、聯(lián)線 模塊號(hào) 跨接座號(hào) 1 A5 S4，S8 2 B5 ‘S-ST’ 1 信號(hào)輸入〔Ui〕 B5〔OUT〕→A5〔H1〕 2 示波器聯(lián)接 ×1檔 A5B〔OUTB〕→B3〔CH1〕 3 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，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×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。典型比例積分環(huán)節(jié)模擬電

15、路A5B輸出響應(yīng)曲線Uo(t)見(jiàn)圖3-1-7 。示波器的截圖詳見(jiàn)虛擬示波器的使用。 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：按下表改變圖3-1-8所示的被測(cè)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)與比例系數(shù)，觀測(cè)結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 R0 R1 C 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 200K 200K 1u 1V 1 2u 1 100K 1u 2 2u 2 R0=200K, R1=200K C=1u, Ui=1v R0=200K, R1=200K C=2u, Ui=1v R0=100K, R1=200K

16、 C=1u, Ui=1v R0=100K, R1=200K C=2u, Ui=1v 5)．觀察比例微分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線 為了便于觀察比例微分的階躍響應(yīng)曲線，本實(shí)驗(yàn)增加了一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，其模擬電路如圖3-1-9所示。 圖3-1-9 典型比例微分環(huán)節(jié)模擬電路 比例微分環(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?！策B續(xù)的正輸出寬度足夠大的階躍信號(hào)) ① 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

17、波指示燈亮〕。 ② 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〕。 ③ 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3-1-9安置短路套與測(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) 1 A4 S4，S9 2 A6 S2，S6 3 B5 ‘S-ST’ 1 信號(hào)輸入(Ui) B5〔OUT〕→A4〔H1〕 2 運(yùn)放級(jí)聯(lián) A4〔OUT〕→A6〔H1〕 3 示波器聯(lián)接 ×1

18、檔 A6〔OUT〕→B3〔CH1〕 4 B5〔OUT〕→B3〔CH2〕 〔3〕運(yùn)行、觀察、記錄：虛擬示波器的時(shí)間量程選‘／4’檔。 ① 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〕，響應(yīng)曲線見(jiàn)圖3-1-10。等待完整波形出來(lái)后，把最高端電壓〔4.77V〕減去穩(wěn)態(tài)輸出電壓〔0.5V〕，然后乘以0.632，得到ΔV=2.7V。 ② 移動(dòng)虛擬示波器兩根橫游標(biāo)，從最高端開(kāi)始到ΔV=2.7V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τ=Δt=0.048S。 ③ KD=10，如此圖3-1-9的比例微分

19、環(huán)節(jié)模擬電路微分時(shí)間常數(shù)： 圖3-1-10 比例微分環(huán)節(jié)模擬電路響應(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3-1-11所示。 圖3-1-11 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！ 〔1〕為了防止積分飽和，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。 ① 在顯示與功能選擇〔D1〕

20、單元中，通過(guò)波形選擇按鍵選中‘矩形波’〔矩形波指示燈亮〕。 ② 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〕。 ③ 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3-1-11安置短路套與測(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) 1 A2 S4，S8 2 B5 ‘S-ST’ 1 信號(hào)輸入〔Ui〕 B5〔OUT〕→A2〔H1〕 2 示波器聯(lián)接 ×1檔 A2B〔OUTB〕→B

21、3〔CH1〕 3 B5〔OUT〕→B3〔CH2〕 〔3〕運(yùn)行、觀察、記錄： ① 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〕。 ② 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ΔV=Kp×輸入電壓，得到與積分的曲線的兩個(gè)交點(diǎn)。 ③ 再分別移動(dòng)示波器兩根縱游標(biāo)到積分的曲線的兩個(gè)交點(diǎn)，量得積分環(huán)節(jié)模擬電路時(shí)間常數(shù)Ti，見(jiàn)圖3-1-12〔a〕。示波器的截圖詳見(jiàn)虛擬示波器的使用。 ④ 將A2單元的S9短路套套上，點(diǎn)擊開(kāi)始，用示波器觀測(cè)系統(tǒng)的A2B輸出端〔Uo〕，響應(yīng)曲線見(jiàn)圖3-1-12〔b〕。等待完整波形出來(lái)后，，點(diǎn)擊停止，把最高端電壓〔3.59V〕減去穩(wěn)態(tài)輸出電壓〔0.6V=Kp*Ui〕，然后乘以0.632，得到ΔV=1.88V。 ⑤ ⑥ KD=6，如此圖3-1-11的比例微分環(huán)節(jié)模擬電路微分時(shí)間常數(shù)：。 圖3-1-12〔a〕 比例積分微分環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線 圖3-1-12〔b〕 比例微分環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線 19 / 19