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

word第三章 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)3.1 線(xiàn)性系統(tǒng)的時(shí)域分析一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 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(xiàn)，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(xiàn)，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.。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(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)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)生的周期性矩形波信號(hào)OUT，作為系統(tǒng)的信號(hào)輸入U(xiǎn)i；該信號(hào)為零輸出時(shí)，將自動(dòng)對(duì)模擬電路鎖零。 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。 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。 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= 4VD1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(xiàn)，表如下。a安置短路套 b測(cè)孔聯(lián)線(xiàn)模塊號(hào)跨接座號(hào)1A5S4，S122B5S-ST1信號(hào)輸入U(xiǎn)iB5OUTA5H12示波器聯(lián)接×1檔A6OUTB3CH13B5OUTB3CH23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(xiàn)Uot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(xiàn)圖 圖3-1-3 慣性環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)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。R0R1輸入U(xiǎn)i比例系數(shù)K計(jì)算值測(cè)量值200K100K4V200K4V150K100K2V2200K1V4R0=200K , R1=100K ,Ui=4vR0=200K , R1=200K ,Ui=4vR0=50K , R1=100K ,Ui=2vR0=50K , R1=200K ,Ui=1v2)觀察慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)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 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U(xiǎn)i；該信號(hào)為零輸出時(shí)，將自動(dòng)對(duì)模擬電路鎖零。 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。 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。 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= 4VD1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(xiàn)，表如下。1信號(hào)輸入U(xiǎn)iB5OUTA5H12示波器聯(lián)接×1檔A5BOUTBB3CH13B5OUTB3CH2a安置短路套 b測(cè)孔聯(lián)線(xiàn)模塊號(hào)跨接座號(hào)1A5S4，S6，S102B5S-ST3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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)Uo(t見(jiàn)圖3-1-3。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3-1-4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。R0R1C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)觀察積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)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U(xiǎn)i；該信號(hào)為零輸出時(shí)，將自動(dòng)對(duì)模擬電路鎖零。 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。 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。 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= 1VD1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(xiàn)，表如下。a安置短路套 b測(cè)孔聯(lián)線(xiàn)1信號(hào)輸入U(xiǎn)iB5OUTA5H12示波器聯(lián)接×1檔A5BOUTBB3CH13B5OUTB3CH2模塊號(hào)跨接座號(hào)1A5S4，S102B5S-ST3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0V處，再移動(dòng)另一根橫游標(biāo)到V=1V與輸入相等處，得到與輸出曲線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn) 圖3-1-7 比例積分環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線(xiàn)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。R0C輸入U(xiǎn)i積分常數(shù)Ti計(jì)算值測(cè)量值200K1u1V2u100K1u2uR0=200K, C=1u, Ui=1vR0=200K, C=2u, Ui=1vR0=100K, C=1u, Ui=1vR0=100K, C=2u, Ui=1v4)觀察比例積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)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U(xiǎn)i；該信號(hào)為零輸出時(shí)將自動(dòng)對(duì)模擬電路鎖零。 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。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！ 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 = 1VD1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(xiàn)，表如下。a安置短路套 b測(cè)孔聯(lián)線(xiàn)模塊號(hào)跨接座號(hào)1A5S4，S82B5S-ST1信號(hào)輸入U(xiǎn)iB5OUTA5H12示波器聯(lián)接×1檔A5BOUTBB3CH13B5OUTB3CH23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(xiàn)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(xiàn)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)模擬電路A5B輸出響應(yīng)曲線(xiàn)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。R0R1C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)觀察比例微分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)為了便于觀察比例微分的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，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。連續(xù)的正輸出寬度足夠大的階躍信號(hào)) 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。 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。 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 = 0.5VD1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(xiàn)，表如下。a安置短路套 b測(cè)孔聯(lián)線(xiàn)模塊號(hào)跨接座號(hào)1A4S4，S92A6S2，S63B5S-ST1信號(hào)輸入(Ui)B5OUTA4H12運(yùn)放級(jí)聯(lián)A4OUTA6H13示波器聯(lián)接×1檔A6OUTB3CH14B5OUTB3CH23運(yùn)行、觀察、記錄：虛擬示波器的時(shí)間量程選4檔。 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(xiàn)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V=2.7V。 移動(dòng)虛擬示波器兩根橫游標(biāo)，從最高端開(kāi)始到V=2.7V處為止，得到與微分的指數(shù)曲線(xiàn)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(xiàn)的交點(diǎn)，量得=t=0.048S。 KD=10，如此圖3-1-9的比例微分環(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(xiàn)6)觀察PID比例積分微分環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線(xiàn)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U(xiǎn)i；該信號(hào)為零輸出時(shí)將自動(dòng)對(duì)模擬電路鎖零。 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。 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。 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= 0.3VD1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(xiàn)，表如下。a安置短路套 b測(cè)孔聯(lián)線(xiàn)模塊號(hào)跨接座號(hào)1A2S4，S82B5S-ST1信號(hào)輸入U(xiǎn)iB5OUTA2H12示波器聯(lián)接×1檔A2BOUTBB3CH13B5OUTB3CH23運(yùn)行、觀察、記錄： 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。 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V=Kp×輸入電壓，得到與積分的曲線(xiàn)的兩個(gè)交點(diǎn)。 再分別移動(dòng)示波器兩根縱游標(biāo)到積分的曲線(xiàn)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3-1-12a。示波器的截圖詳見(jiàn)虛擬示波器的使用。 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(xiàn)見(jiàn)圖3-1-12b。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V=1.88V。 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3-1-12a 比例積分微分環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線(xiàn) 圖3-1-12b 比例微分環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線(xiàn)19 / 19