典型环节的模拟研究 实验报告材料

word第三章 自动控制原理实验3.1 线性系统的时域分析一. 实验目的1 了解和掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式与输出时域函数表达式2 观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响二典型环节的结构图与传递函数方 框 图传递函数比例P积分I比例积分PI比例微分PD惯性环节T比例积分微分PID 三实验内容与步骤观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响.。改变被测环节的各项电路参数，画出模拟电路图，阶跃响应曲线，观测结果，填入实验报告运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器B3单元的CH1测孔测量波形。具体用法参见用户手册中的示波器局部。1)观察比例环节的阶跃响应曲线典型比例环节模拟电路如图3-1-1所示。图3-1-1 典型比例环节模拟电路传递函数： ； 单位阶跃响应： 实验步骤：注：S ST用短路套短接！1将函数发生器B5所产生的周期性矩形波信号OUT，作为系统的信号输入Ui；该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择D1单元中，通过波形选择按键选中矩形波矩形波指示灯亮。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1，使之矩形波宽度1秒D1单元左显示。 调节B5单元的“矩形波调幅电位器使矩形波输出电压= 4VD1单元右显示。2构造模拟电路：按图3-1-1安置短路套与测孔联线，表如下。a安置短路套 b测孔联线模块号跨接座号1A5S4，S122B5S-ST1信号输入UiB5OUTA5H12示波器联接1档A6OUTB3CH13B5OUTB3CH23运行、观察、记录： 打开虚拟示波器的界面，点击开始，按下信号发生器B1阶跃信号按钮0+4V阶跃，观测A5B输出端Uo的实际响应曲线Uot见图3-1-2。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。图3-1-2 比例环节阶跃响应曲线图 图3-1-3 惯性环节阶跃响应曲线实验报告要求：按下表改变图3-1-1所示的被测系统比例系数，观测结果，填入实验报告。R0R1输入Ui比例系数K计算值测量值200K100K4V200K4V150K100K2V2200K1V4R0=200K , R1=100K ,Ui=4vR0=200K , R1=200K ,Ui=4vR0=50K , R1=100K ,Ui=2vR0=50K , R1=200K ,Ui=1v2)观察惯性环节的阶跃响应曲线典型惯性环节模拟电路如图3-1-4所示。图3-1-4 典型惯性环节模拟电路传递函数：单位阶跃响应：实验步骤：注：S ST用短路套短接！1将函数发生器B5所产生的周期性矩形波信号OUT，作为系统的信号输入Ui；该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择D1单元中，通过波形选择按键选中矩形波矩形波指示灯亮。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1，使之矩形波宽度1秒D1单元左显示。 调节B5单元的“矩形波调幅电位器使矩形波输出电压= 4VD1单元右显示。2构造模拟电路：按图3-1-4安置短路套与测孔联线，表如下。1信号输入UiB5OUTA5H12示波器联接1档A5BOUTBB3CH13B5OUTB3CH2a安置短路套 b测孔联线模块号跨接座号1A5S4，S6，S102B5S-ST3运行、观察、记录： 打开虚拟示波器的界面，点击开始，按下信号发生器B1阶跃信号按钮时0+4V阶跃，等待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到输出稳态值0.632处，得到与输出曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到输出曲线的交点，量得惯性环节模拟电路时间常数T。A5B输出端响应曲线Uo(t见图3-1-3。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。实验报告要求：按下表改变图3-1-4所示的被测系统时间常数与比例系数，观测结果，填入实验报告。R0R1C输入Ui比例系数K惯性常数T计算值测量值计算值测量值200K200K1u4V12u150K100K1u2V2200K1V4 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 , R1=200K ,Ui=1v, C=1u3)观察积分环节的阶跃响应曲线典型积分环节模拟电路如图3-1-5所示。图3-1-5 典型积分环节模拟电路传递函数： 单位阶跃响应：实验步骤：注：S ST用短路套短接！1为了防止积分饱和，将函数发生器B5所产生的周期性矩形波信号OUT，代替信号发生器B1中的人工阶跃输出作为系统的信号输入Ui；该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择D1单元中，通过波形选择按键选中矩形波矩形波指示灯亮。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1，使之矩形波宽度1秒D1单元左显示。 调节B5单元的“矩形波调幅电位器使矩形波输出电压= 1VD1单元右显示。2构造模拟电路：按图3-1-5安置短路套与测孔联线，表如下。a安置短路套 b测孔联线1信号输入UiB5OUTA5H12示波器联接1档A5BOUTBB3CH13B5OUTB3CH2模块号跨接座号1A5S4，S102B5S-ST3运行、观察、记录： 打开虚拟示波器的界面，点击开始，等待完整波形出来后，点击停止，移动虚拟示波器横游标到0V处，再移动另一根横游标到V=1V与输入相等处，得到与输出曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到输出曲线的交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。A5B 输出响应曲线Uo(t)见图3-1-6。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。图3-1-6 积分环节响应曲线 图3-1-7 比例积分环节响应曲线实验报告要求：按下表改变图3-1-5所示的被测系统时间常数，观测结果，填入实验报告。R0C输入Ui积分常数Ti计算值测量值200K1u1V2u100K1u2uR0=200K, C=1u, Ui=1vR0=200K, C=2u, Ui=1vR0=100K, C=1u, Ui=1vR0=100K, C=2u, Ui=1v4)观察比例积分环节的阶跃响应曲线典型比例积分环节模拟电路如图3-1-8所示.。图3-1-8 典型比例积分环节模拟电路传递函数：单位阶跃响应：实验步骤：注：S ST用短路套短接！1将函数发生器B5所产生的周期性矩形波信号OUT，作为系统的信号输入Ui；该信号为零输出时将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择D1单元中，通过波形选择按键选中矩形波矩形波指示灯亮。量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1，使之矩形波宽度1秒D1单元左显示。注：为了使在积分电容上积分的电荷充分放掉，锁零时间应足够大，即矩形波的零输出宽度时间足够长！ “量程选择开关置于下档时，其零输出宽度恒保持为2秒！ 调节B5单元的“矩形波调幅电位器使矩形波输出电压 = 1VD1单元右显示。2构造模拟电路：按图3-1-8安置短路套与测孔联线，表如下。a安置短路套 b测孔联线模块号跨接座号1A5S4，S82B5S-ST1信号输入UiB5OUTA5H12示波器联接1档A5BOUTBB3CH13B5OUTB3CH23运行、观察、记录： 打开虚拟示波器的界面，点击开始，等待完整波形出来后，点击停止。移动虚拟示波器横游标到输入电压比例系数K处，再移动另一根横游标到输入电压比例系数K2处，得到与积分曲线的两个交点。再分别移动示波器两根纵游标到积分曲线的两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。典型比例积分环节模拟电路A5B输出响应曲线Uo(t)见图3-1-7 。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。实验报告要求：按下表改变图3-1-8所示的被测系统时间常数与比例系数，观测结果，填入实验报告。R0R1C输入Ui比例系数K积分常数Ti计算值测量值计算值测量值200K200K1u1V12u1100K1u22u2R0=200K, R1=200K C=1u, Ui=1vR0=200K, R1=200K C=2u, Ui=1vR0=100K, R1=200K C=1u, Ui=1vR0=100K, R1=200K C=2u, Ui=1v5)观察比例微分环节的阶跃响应曲线为了便于观察比例微分的阶跃响应曲线，本实验增加了一个小惯性环节，其模拟电路如图3-1-9所示。图3-1-9 典型比例微分环节模拟电路比例微分环节+惯性环节的传递函数：微分时间常数： 惯性时间常数： 单位阶跃响应：实验步骤：注：S ST用短路套短接!1将函数发生器B5单元的矩形波输出作为系统输入R。连续的正输出宽度足够大的阶跃信号) 在显示与功能选择D1单元中，通过波形选择按键选中矩形波矩形波指示灯亮。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1，使之矩形波宽度1秒左右D1单元左显示。 调节B5单元的“矩形波调幅电位器使矩形波输出电压 = 0.5VD1单元右显示。2构造模拟电路：按图3-1-9安置短路套与测孔联线，表如下。a安置短路套 b测孔联线模块号跨接座号1A4S4，S92A6S2，S63B5S-ST1信号输入(Ui)B5OUTA4H12运放级联A4OUTA6H13示波器联接1档A6OUTB3CH14B5OUTB3CH23运行、观察、记录：虚拟示波器的时间量程选4档。 打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测系统的A6输出端Uo，响应曲线见图3-1-10。等待完整波形出来后，把最高端电压4.77V减去稳态输出电压0.5V，然后乘以0.632，得到V=2.7V。 移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到V=2.7V处为止，得到与微分的指数曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得=t=0.048S。 KD=10，如此图3-1-9的比例微分环节模拟电路微分时间常数：图3-1-10 比例微分环节模拟电路响应曲线6)观察PID比例积分微分环节的响应曲线PID比例积分微分环节模拟电路如图3-1-11所示。图3-1-11 PID比例积分微分环节模拟电路典型比例积分环节的传递函数：惯性时间常数： 单位阶跃响应： 实验步骤：注：S ST用短路套短接！1为了防止积分饱和，将函数发生器B5所产生的周期性矩形波信号OUT，代替信号发生器B1中的人工阶跃输出作为系统的信号输入Ui；该信号为零输出时将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择D1单元中，通过波形选择按键选中矩形波矩形波指示灯亮。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1，使之矩形波宽度0.4秒左右D1单元左显示。 调节B5单元的“矩形波调幅电位器使矩形波输出电压= 0.3VD1单元右显示。2构造模拟电路：按图3-1-11安置短路套与测孔联线，表如下。a安置短路套 b测孔联线模块号跨接座号1A2S4，S82B5S-ST1信号输入UiB5OUTA2H12示波器联接1档A2BOUTBB3CH13B5OUTB3CH23运行、观察、记录： 打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测A2B输出端Uo。 等待完整波形出来后，点击停止，移动虚拟示波器两根横游标使之V=Kp输入电压，得到与积分的曲线的两个交点。 再分别移动示波器两根纵游标到积分的曲线的两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti，见图3-1-12a。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。 将A2单元的S9短路套套上，点击开始，用示波器观测系统的A2B输出端Uo，响应曲线见图3-1-12b。等待完整波形出来后，点击停止，把最高端电压3.59V减去稳态输出电压0.6V=Kp*Ui，然后乘以0.632，得到V=1.88V。 KD=6，如此图3-1-11的比例微分环节模拟电路微分时间常数：。图3-1-12a 比例积分微分环节响应曲线 图3-1-12b 比例微分环节响应曲线19 / 19