深圳大学实验报告课程名称:自动控制原理
实验项目名称:典型环节的电路模拟实验学院:机电
专业:自动化
指导教师:
报告人:学号:班级:
实验时间:
实验报告提交时间:
教务部制
实验一典型环节的电路模拟实验
一、实验目的
1.学习构成典型线性环节的模拟电路。
2.研究阻、容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。
3.学习典型线性环节阶跃响应的测量方法,并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的
传递函数。
4.
二、实验内容
1.完成比例环节的电路模拟实验,并研究参数变化对其阶跃特性的影响。
2.完成积分环节的电路模拟实验,并研究参数变化对其阶跃特性的影响。
3.完成比例积分环节电路模拟实验,并研究参数变化对其阶跃特性的影响。
4.完成比例微分环节电路模拟实验,并研究参数变化对其阶跃特性的影响。
5.完成惯性环节电路模拟实验,并研究参数变化对其阶跃特性的影响。
6.完成比例积分微分环节电路模拟实验,并研究参数变化对其阶跃特性的影响。
7.
三、实验仪器
1.ZY17AutoC12BB自动控制原理实验箱。
2.双踪低频慢扫示波器。
3.数字万用表。
4.
四、实验原理
1.比例环节
下载后图可变大
图1.1.2
图1.1.1`
比例环节的阶跃响应图
比例环节的传递函数为:
()()
K s U s U I O =。
比例环节的方块图、阶跃响应及模拟电路图分别如图1.1.1、图1.1.2和图1.1.3所示。
其中0
12R R R K +=
,试验参数取R 2=200K ,R 1=100K ,R 0=100K ,R=10K 或100K 。
2. 积分环节
积分环节的传递函数为:
()()
TS
s U s U I O 1=。
积分环节的方块图、阶跃响应及模拟电路
图分别如图1.2.1、图 1.2.2和图1.2.3所示。
其中()110C R R T +=,试验参数取R 0=100K 可调,R 1=100K ,C 1=1uF ,R=10K 或100K 。
图1.2.2
图1.2.1` 积分环节的阶跃响应图
图1.1.3
3. 比例积分环节
比例积分环节的传递函数为:
()()
TS
K s U s U I O 1+
=
比例积分环节的方块图、阶跃响应及模拟电路图分别如图1.3.1、图1.3.2和图1.3.3
所示。
其中0
12R R R K +=
,()110C R R T +=试验参数取R 0=100K 可调,R 1=100K ,
R 2=200K ,C 1=1uF ,R=10K 或100K 。
图1.3.3
4. 比例微分环节
比例微分环节的传递函数为:
()
()⎪⎭⎫ ⎝
⎛
+=TS K s U s U I O 11
比例环节的阶跃响应图
图1.3.1 图1.3.2
图1.2.3
比例微分环节的方块图、阶跃响应及模拟电路图分别如图1.4.1、图1.4.2和图1.4.3所示。
其中0
132R R R R K ++=
,13
232C R R R R T +=
,试验参数取R 0=10K 可调,R 1=10K ,
R 2=10K ,R 3=10K ,R 4=200Ω,C 1=1uF ,R=10K 或100K 。
对应理想的和实际的比例微分环节的阶跃响应图分别如图1.4.2a 和1.4.2b 所示。
图1.4.3
5. 惯性环节
惯性环节的传递函数为:
()()
1
+=
TS K s U s U I O
惯性环节的方块图、阶跃响应及模拟电路图分别如图1.5.1、图1.5.2和图1.5.3所示。
其中0
12R R R K +=
,12C R T =试验参数取R 0=100K 可调,R 1=100K ,R 2=200K ,
C 1=1uF ,R=10K 或100K 。
下载后图可变大
6. 比例积分微分(PID )环节
比例积分微分环节的传递函数为:
()()
S T TS
K s U
s U d P I
O ++
=1
下载后图可
变大
比例积分微分环节的方块图、阶跃响应及模拟电路图分别如图1.6.1、图1.6.2和图1.6.3所示。
其中0
1R R K P =
,()101C R R T I +=,20
132C R R R R T D +=
试验参数取R 0=100K 可调,
R 1=100K ,R 2=100K ,R 3=10K ,R 4=1K ,C 1=1uF ,C 2=10uF ,R=10K 或100K 。
对应理想的和实际的比例积分微分环节的阶跃响应图分别如图1.6.2a 和图1.6.2b 所示。
五、 实验步骤
1.
熟悉实验仪器,按照实验原理设计并连接各种典型环节(比例环节、积分环节、比例
积分环节、比例微分环节、比例积分微分环节以及惯性环节)的模拟电路。
按照实验
图1.6.2a
图1.6.2b
原理,此实验中比例环节可使用运放单元(一)、(二);积分环节可使用运放单元(一)、
(二);比例积分环节可使用运放单元(一)、(二);比例微分环节可使用运放单元(二)、
(三);惯性环节可使用运放单元(一)、(二);比例积分微分环节可使用运放单元(三)、
(六)及元器件单元。
2.利用实验仪器完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试,并研究参数变化对典型环节
阶跃特性的影响。
(1)同时按下电源单元中的按键开关S001,S002,再按下S003,调节可调电位器W001,
使T006(-12V-----+12V)输出电压为+1V,形成单位阶跃信号电路,然后将
S001,S002再次按下关闭电源。
(2)按照图 1.1.3(比例环节)连接好电路,按下电路中所用到的运放单元的按键开
关。
(3)用导线将连接好的模拟电路的输入端与T006相连接,电路的输出端与示波器相
连接。
(4)同时按下按键开关S001,S002时,用示波器观测输出端的阶跃响应曲线,并将结
(开闭按键开关S001和S002可以重复该实验以及以后所有的实验)
果记录下来。
3、分别按照图1.2.3(积分环节)、图1.3.3(比例积分环节)、图1.4.3(比例微分环节)、
图 1.5.3(惯性环节)、图 1.6.3(比例微分积分环节)连接电路图,重复步骤(2)、
(3)、(4).
4、分析实验结果,完成实验报告。
六、实验报告
(一)、画出惯性环节、积分环节、比例微分环节的模拟电路图,并画出惯
性环节、积分环节、比例微分环节的响应曲线。
(1)惯性环节:
模拟电路图:
其中RO=100K R=10K T=200.0us U=5.00V
响应曲线:
(2)积分环节
模拟电路图:
R0=0 R1=100K R=10K
响应曲线:
(3)比例积分环节
模拟电路图:
其中R=0K
响应曲线:其中T=100.0ms Rise(1)=60.00ms
(4)比例微分环节
模拟电路图:
其中R0=0K R1=10K R2=10K R3=10K T=500.0ms C=13.3μF UO=1V 相应如下:
(5)惯性环节
模拟电路图:
各数据大小如图
响应如下:
(6)比例积分微分(PID)环节
模拟电路图:
响应如下:
(二)、由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数,并与由电路计算的结果相比较,分析其差别。
七、实验思考题
1、用运放模拟典型环节时,其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出的?
解:(1)假定运放具有理想特性,即满足“虚短”“虚断”特性
(2)运放的静态量为零,个输入量、输出量和反馈量都可以用瞬时值表示其动态变化。
2、在什么条件下,惯性环节可以近似的视为积分环节?
解:T>>1时,G(k)=K/TS,视为积分环节.1>>T时,G(k)=K,视为比例环节.
3、如何根据阶跃响应的波形,确定积分环节和惯性关节的时间常数?
解:用示波器的“时标”开关测出过渡过程时间t(即98%UO时的时间),由公式T = t/4计算时间常数
八、实验心得:
通过这次试验,加深了我对构成典型线性环节的模拟电路的理解。
懂得了阻、容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。
学习了典型线性环节阶跃响应的测量方法,并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。