典型環(huán)節(jié)的模擬研究 實驗報告材料

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1、word 第三章 自動控制原理實驗 3.1 線性系統(tǒng)的時域分析 一. 實驗?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)表達式與輸出時域函數(shù)表達式 2． 觀察和分析各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，了解各項電路參數(shù)對典型環(huán)節(jié)動態(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．實驗內(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，了解各項電路參數(shù)對

2、典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響.。 改變被測環(huán)節(jié)的各項電路參數(shù)，畫出模擬電路圖，階躍響應(yīng)曲線，觀測結(jié)果，填入實驗報告 運行LABACT程序，選擇自動控制菜單下的線性系統(tǒng)的時域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究中的相應(yīng)實驗項目，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始即可使用本實驗機配套的虛擬示波器〔B3〕單元的CH1測孔測量波形。具體用法參見用戶手冊中的示波器局部。 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)： 實驗步驟：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〔OUT〕，作為系統(tǒng)的信號輸入〔Ui〕；該信號為零輸出時，將自動對模擬電路鎖零。 ① 在顯示與功能選擇〔D1〕單元中，通過波形選擇按鍵選中‘矩形波’〔矩形波指示燈亮〕。 ② 量程選擇開關(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安置短路套與測孔聯(lián)線，表如下。 〔a〕安置短路套 〔b〕測孔聯(lián)線 模塊號 跨接座號 1 A5 S4，S12 2 B5 ‘S

4、-ST’ 1 信號輸入〔Ui〕 B5〔OUT〕→A5〔H1〕 2 示波器聯(lián)接 ×1檔 A6〔OUT〕→B3〔CH1〕 3 B5〔OUT〕→B3〔CH2〕 〔3〕運行、觀察、記錄： 打開虛擬示波器的界面，點擊開始，按下信號發(fā)生器〔B1〕階躍信號按鈕〔0→+4V階躍〕，觀測A5B輸出端〔Uo〕的實際響應(yīng)曲線Uo〔t〕見圖3-1-2。示波器的截圖詳見虛擬示波器的使用。 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 實驗報告要求：按下表改變圖3-1-1所示的被測系統(tǒng)比例系數(shù)，觀測結(jié)果，填入實驗報告。 R0 R1

5、輸入Ui 比例系數(shù)K 計算值 測量值 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)：單位階躍響應(yīng)： 實驗步驟：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〔OUT〕，作為系統(tǒng)的信號輸入〔Ui〕；該信號為零輸出時，將自動對模擬電路鎖零。 ① 在顯示與功能選擇〔D1〕單元中，通過波形選擇按鍵選中‘矩形波’〔矩形波指示燈亮〕。 ② 量程選擇開關(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安置短路套與測孔聯(lián)線，表如下。 1 信號輸入〔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〕測孔聯(lián)線 模塊號 跨接座號 1 A5 S4，S6，S10 2 B5 ‘S-ST’ 〔3〕運行、觀察、記錄： 打開虛擬示波器的界面，點擊開始，按下信號發(fā)生器〔B1〕階躍信號按鈕時〔0→+4V階躍〕，等待完整波形出來后，移動虛擬示波器橫游標到輸出穩(wěn)態(tài)值×0.632處，，得到與輸出曲線的交點，再移動虛擬示波器兩根縱游標，從階躍開始到輸出曲線的交點，量得慣性環(huán)節(jié)模擬電路時間常數(shù)T。A5B輸出端響應(yīng)曲線Uo(t〕見圖3-1-3。示波器的截圖詳見虛擬

8、示波器的使用。 實驗報告要求：按下表改變圖3-1-4所示的被測系統(tǒng)時間常數(shù)與比例系數(shù)，觀測結(jié)果，填入實驗報告。 R0 R1 C 輸入Ui 比例系數(shù)K 慣性常數(shù)T 計算值 測量值 計算值 測量值 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)： 實驗步驟：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〔OUT〕，代替信號發(fā)生器〔B1〕中的人工階躍輸出作為系統(tǒng)的信號輸入〔Ui〕；該信號為零輸出時，將自動對模擬電路鎖零。 ① 在顯示與功能選擇〔D1〕單元中，通過波形選擇按鍵選中‘矩形波’〔矩形波指示燈亮〕。 ② 量程選擇開關(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安置短路套與測孔聯(lián)線，表如下。 〔a〕安置短路套 〔b〕測孔聯(lián)線 1 信號輸入〔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 跨接座號 1 A5 S4，S10 2 B5 ‘S-ST’ 〔3〕運行、觀察、記錄： 打開虛擬示波器

11、的界面，點擊開始，等待完整波形出來后，點擊停止，移動虛擬示波器橫游標到0V處，再移動另一根橫游標到ΔV=1V〔與輸入相等〕處，得到與輸出曲線的交點，再移動虛擬示波器兩根縱游標，從階躍開始到輸出曲線的交點，量得積分環(huán)節(jié)模擬電路時間常數(shù)Ti。A5B 輸出響應(yīng)曲線Uo(t)見圖3-1-6。示波器的截圖詳見虛擬示波器的使用。 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 實驗報告要求：按下表改變圖3-1-5所示的被測系統(tǒng)時間常數(shù)，觀測結(jié)果，填入實驗報告。 R0 C 輸入Ui 積分常數(shù)Ti 計算值 測量值 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)：單位階躍響應(yīng)： 實驗步驟：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〔OUT〕，作為系統(tǒng)的信號輸入〔Ui〕；該信號為零輸出時將自動對模擬

13、電路鎖零。 ① 在顯示與功能選擇〔D1〕單元中，通過波形選擇按鍵選中‘矩形波’〔矩形波指示燈亮〕。 ②量程選擇開關(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，鎖零時間應(yīng)足夠大，即矩形波的零輸出寬度時間足夠長！ “量程選擇〞開關(guān)置于下檔時，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安置短路套與測孔聯(lián)線，表如下。 〔a〕安置短路套 〔b〕測孔

14、聯(lián)線 模塊號 跨接座號 1 A5 S4，S8 2 B5 ‘S-ST’ 1 信號輸入〔Ui〕 B5〔OUT〕→A5〔H1〕 2 示波器聯(lián)接 ×1檔 A5B〔OUTB〕→B3〔CH1〕 3 B5〔OUT〕→B3〔CH2〕 〔3〕運行、觀察、記錄： 打開虛擬示波器的界面，點擊開始，等待完整波形出來后，點擊停止。移動虛擬示波器橫游標到輸入電壓×比例系數(shù)K處，再移動另一根橫游標到〔輸入電壓×比例系數(shù)K×2〕處，得到與積分曲線的兩個交點。 再分別移動示波器兩根縱游標到積分曲線的兩個交點，量得積分環(huán)節(jié)模擬電路時間常數(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)見圖3-1-7 。示波器的截圖詳見虛擬示波器的使用。 實驗報告要求：按下表改變圖3-1-8所示的被測系統(tǒng)時間常數(shù)與比例系數(shù)，觀測結(jié)果，填入實驗報告。 R0 R1 C 輸入Ui 比例系數(shù)K 積分常數(shù)Ti 計算值 測量值 計算值 測量值 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，本實驗增加了一個小慣性環(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)： 微分時間常數(shù)： 慣性時間常數(shù)： 單位階躍響應(yīng)： 實驗步驟：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) ① 在顯示與功能選擇〔D1〕單元中，通過波形選擇按鍵選中‘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安置短路套與測孔聯(lián)線，表如下。 〔a〕安置短路套 〔b〕測孔聯(lián)線 模塊號 跨接座號 1 A4 S4，S9 2 A6 S2，S6 3 B5 ‘S-ST’ 1 信號輸入(Ui) B5〔OUT〕→A4〔H1〕 2 運放級聯(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〕運行、觀察、記錄：虛擬示波器的時間量程選‘／4’檔。 ① 打開虛擬示波器的界面，點擊開始，用示波器觀測系統(tǒng)的A6輸出端〔Uo〕，響應(yīng)曲線見圖3-1-10。等待完整波形出來后，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 移動虛擬示波器兩根橫游標，從最高端開始到ΔV=2.7V處為止，得到與微分的指數(shù)曲線的交點，再移動虛擬示波器兩根縱游標，從階躍開始到曲線的交點，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)： 慣性時間常數(shù)： 單位階躍響應(yīng)： 實驗步驟：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〔OUT〕，代替信號發(fā)生器〔B1〕中的人工階躍輸出作為系統(tǒng)的信號輸入〔Ui〕；該信號為零輸出時將自動對模擬電路鎖零。 ① 在顯示與功能選擇〔D1〕

20、單元中，通過波形選擇按鍵選中‘矩形波’〔矩形波指示燈亮〕。 ② 量程選擇開關(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安置短路套與測孔聯(lián)線，表如下。 〔a〕安置短路套 〔b〕測孔聯(lián)線 模塊號 跨接座號 1 A2 S4，S8 2 B5 ‘S-ST’ 1 信號輸入〔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〕運行、觀察、記錄： ① 打開虛擬示波器的界面，點擊開始，用示波器觀測A2B輸出端〔Uo〕。 ② 等待完整波形出來后，點擊停止，移動虛擬示波器兩根橫游標使之ΔV=Kp×輸入電壓，得到與積分的曲線的兩個交點。 ③ 再分別移動示波器兩根縱游標到積分的曲線的兩個交點，量得積分環(huán)節(jié)模擬電路時間常數(shù)Ti，見圖3-1-12〔a〕。示波器的截圖詳見虛擬示波器的使用。 ④ 將A2單元的S9短路套套上，點擊開始，用示波器觀測系統(tǒng)的A2B輸出端〔Uo〕，響應(yīng)曲線見圖3-1-12〔b〕。等待完整波形出來后，，點擊停止，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