微机与自动控制原理实验报告书
江南大学继续教育与网络教育学院微机与自动控制原理实验报告书实验名称：实验一典型环节的模拟研究实验二典型系统瞬态响应和稳定性学习中心：无锡市现代远程教育中心专业：机械制造与自动化批次：201309 姓名：曹佳军证件号码：320283************学号：913911484 同实验者姓名：黄海光、高雁、曹佳军、吴惠刚、蒋国荣、朱国兴、刘贞元实验时间：总评成绩：评阅教师：成绩评定文字图表数据处理内容完整实验一典型环节的模拟研究一、实验目的 1. 了解并掌握TAP-2教学实验系统模拟电路的使用方法，掌握典型环节模拟电路的构成方法，培养学生实验技能。
2.
熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。
3. 了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验仪器设备实验设备名称 1. 超低频示波器一台 2. 直流稳压电源一台 3. 万用表一块规格型号编号备注三、实验原始数据实验前选定典型换接模拟电路的元件参数各两组。
1. 比例环节Ui(S)KUo(S)图1-1A 比例环节方块图Uo(s)?K Ui(s)比例环节的模拟电路图如图1-1B所示，其传递函数为： 1 R1R0Ui-+R10K-+R10KUoR0=100k
R1=100K；和得当输入为单位阶跃信号，即Ui(t)?1(t)时，则K?Ui(s)?1/s，式得到R1R0 1Uo(s)?K? s所以输出响应为Uo(t)?K 其输出波形如图1-1C。
输出1kUi(t)Uo(t)t图1-1C 比例环节输出波形图 2. 积分环节1TS图1-2A 积分环节方块图Uo(s)1? Ui(s)T?s积分环节的模拟电路如图1-2B
所示。
2 10?FCUi?????R010KR10KRUo图1-2B 积分环节模拟电路积分环节模拟电路的传递函数为Uo(s)1 ?Ui(s)R0C?s比较式和得T?R0?C 当输入为单位阶跃信号，即即Ui(t)?1(t)时，Ui(s)?1/s，则式得到Uo(s)?11? 所以输出响应为T?ss1Uo(t)??t TUo1/T1t图1-2C 积分环节输出波形其输出波形如图1-2C 3. 比例积分环节R1C10KKUiUi1TS图1-3A PI 方块图UoR010KUoR0=200k R1=200K, C=1?F Uo1/TUo积分环节的模拟电路如图1-3B所示。
积分环节模拟电路的传递函数为: Uo(s)R1Cs?1R11???
Ui(s)R0C?sR0R0C?s 3 1图1-3C PI输出波形t 比较式和得?K?R1/R0 ?T?R?C0?当输入为单位阶跃信号，即即Ui(t)?1(t)时，Ui(s)?1/s，则式得到Uo(s)?(K?11)? T?ss 所以输出响应为
Uo1/TUo1t Uo(t)?K?1?t T 图1-3C PI输出波形其输出波形如图1-3C 4. 比例微分环节1UiKTS图1-4A PD方块图Uo 1UiKTS图1-4A PD方块图Uo 其传递函数为Uo(s)?K(1?T?s) Ui(s)比例微分环节的模拟电路如图1-4B所示。
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CR310KUiR010KUoR0=10k
R1=20K, (10K), R2=10K, C=1?F, R3=200?图1-4B PD模拟电路图其传递函数为: Uo(s)R1?R2RRCs?(1?12)
Ui(s)R0R1?R2R3Cs?1考虑到R3??R1,R2，所以Uo(s)R1?R2RR?(1?12Cs)
Ui(s)R0R1?R2比较式和得R1?R2?K??R0? ??T?R1?R2?R1?R2? 当输入为单位阶跃信号，即即Ui(t)?1(t)时，Ui(s)?1/s，则式得到
Uo(s)?(K?Ts)?所以输出响应为1K??KT ss Uo(t)?KT?(t)?K 其中?(t)为单位脉冲函数。
式为理想的比例微分环节的输出响应，考虑到比例微分环节的实际模拟电路，则实际的输出响应为：R1?R2R1?R2?R3CUo(t)??e R0R1?R2t图1-4C和图1-4D分别式比例微分环节的理想输出波形和实际输出波形。
5 5. 惯性环节KTS?1图1-5A 惯性环节方块图其传递函数为Uo(s)K ?Ui(s)1?T?s 比例微分环节的模拟电路如图1-5B所示。
R1C10KUiR010KUoR0=200k
R1=200K, (10K) C=1?F,(2?F)图1-5B 惯性环节模拟电路其传递函数为: Uo(s)R/R?10
Ui(s)R1Cs?1?K?R1/R0 ?T?R?C1? 比较式和得当输入为单位阶跃信号，即即Ui(t)?1(t)时，Ui(s)?1/s，则式得到Uo(s)?K1?
Ts?1s Uo所以输出响应为Uo(t)?K(1?e?t) T 其输出波形如图1-5C。
6. 比例积分微分环节其传递函数为 6 t图1-5C 惯性环节输出波形Uo(s)1?K??TDs Ui(s)TI?s 比例积分环节的模拟电路如图1-6B所示。
KpUiTDS1TS 图1-6A 积分环节方块图Uo KpUiTDS1TS图1-6A 积分环节方块图Uo 积分环节模拟电路的传递函数为: Uo(s)R1?R2R?CRC?s?11???12?11
Ui(s)R0R0C1?sR0R3C2?s?1考虑到R1??R2??R3，则式可以近似为：Uo(s)R1R?R1???12C2?s
Ui(s)R0R0C1?sR0R1C1R2C2R3
10KRRUoUiR010KR1>>R2>>R3R0=10k R1=20K, (10K) R2=1KR3=200???C1=1?F C2=1?F 图1-6B PID模拟电路图7 R1C1R2C2R310KRRUoUiR010KR1>>R 2>>R3R0=10k R1=20K, (10K) R2=1KR3=200???C1=1?F C2=1?F
图1-6B PID模拟电路图比较式和得??K?R/Rp10?? ?TI?R0?C?RR? TD?12C2?R0?当输入为单位阶跃信号，即即Ui(t)?1(t)时，Ui(s)?1/s，则式得到Uo(s)11?(K??TDs)? Ui(s)TI?ss所以输出响应为Uo(t)?TD?(t)?KP?1?t TI 其中?(t)为单位脉冲函数。
式为理想的比例积分微分环节的输出响应，考虑到比例积分微分环节的实际模拟电路），则实际输出响应为：?R1?R2R1?C2R1C11Uo(s)???t ?[1?(?1)eR3?C2
R0R0C1R0?C1R3C2t 图1-6C为理想PID输出波形，图1-6D为实际PID模拟电路的输出波形。
8 UoUot图1-6C 理想PID输出波形t图1-6D 实际PID输出波形四、实验观测记录环节参数R1=100K P R1=200K C=1μF I C=2μF 阶跃响应波形理想实测环节参数C=1μF PI C=2μF
R1=10K PD R1=20K 阶跃响应波形理想实测9
环节参数R1=10K PID R1=20K C=1μF T C=2μF 阶跃响应波形理想实测五、思考题1．运算放大器组成的各种换接的传递函数是再什么条件下推导出的？怎样选用运算放大器？输入电阻、反馈电阻的阻值范围可以任意选用吗？答：运算放大器组成的各种换接和传递函数是在输入阻抗高，输出阻抗低的条件下推导出来的，通常选用通用放大器，但输入电阻，反馈电阻的阻值不可以任意选用，会影响时间常数。
2．图1-1B, 1-2B,图1-3B，图1-4B，图1-5B，图1-6B中若无后面一个比例换接，其传递函数有什么差别？答：导致相位相反。
3．惯性环节在什么情况下可以近似为比例环节？而在什么情况下可近似为积分环节？答：当T很小时，惯性环节可以近似为比例环
节当T很大的时候，惯性环节可以近似为积分环节。
10 实验二典型系统瞬态响应和稳定性一、实验目的 1. 学习瞬态性能指标的测试技能。
了解参数对系统瞬态性能及稳定性的影响。
二、实验仪器设备实验设备名称MFT CS教学实验板直流稳压电源示波器万用表规格型号编号备注三、实验原始数据实验前按给定参数算出二阶系统的性能指标，Mp，tp，ts的理论值。
应用模拟电路来模拟典型二阶系统和典型三阶系统。
Ui1T0SK1T1S?1Uo图2-1 二阶系统四、实验观测记录1．二阶系统11 K K? 1/S R ?n 1/S ? C(tp) C(?) V V Mp tp ts 理论值实测值理论值实测值理论值实测值250 25 10 15 % 50% 2 % 5%/ / / / / 11050 5 10 25 10 2．三阶系统R 1 2 / / /K? K 输出波形稳定性100 5 稳定47 12
临界12 25 20 不稳定五、思考题1、在实验线路中如何确保系统实现负反馈？如果反馈回路中有偶数个运算放大器，则构成什么反馈？
2、如图2-1所示二阶系统，改变增益会发生不稳定现象吗？
3、有那些措施增加系统稳定度？它们对系统的性能还有什么影响？答：改进措施:1,比例+微分控制:具有提前修正作用,可改善性能2,速度反馈控制:可增大系统阻尼比3,加入校正装置
4、实验中阶跃输入信号的幅值范围应该如何考虑？答：不要超过芯片电源电压13。