实验报告1--典型环节的模拟研究

1南昌大学实验报告学生姓名：梁志甲学号：6101113153专业班级：电气134实验类型：■验证□综合□设计□创新实验日期：实验成绩：一、实验项目名称：典型环节的模拟研究二、实验要求1．了解和掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及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三、主要仪器设备及耗材1．计算机一台（WindowsXP操作系统）2．AEDK-labACT自动控制理论教学实验系统一套3．LabACT6_08软件一套四、实验内容和步骤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实验步骤：注：‘SST’不能用“短路套”短接！（1）用信号发生器（B1）的‘阶跃信号输出’和‘幅度控制电位器’构造输入信号（Ui）：B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。阶跃信号输出（B1的Y测孔）调整为4V（调节方法：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y测孔）。（2）构造模拟电路：按图3-1-1安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线模块号跨接座号1A1S4，S7（电阻R1=100K）2A6S2，S6（3）运行、观察、记录：（注：CH1选‘×1’档。时间量程选‘×1’档）①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），1信号输入（Ui）B1（Y）→A1（H1）2运放级联A1（OUT→A6（H1）2用示波器观测A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）。②改变比例系数（改变运算模拟单元A1的反馈电阻R1），重新观测结果，填入实验报告。2)．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实验步骤：注：‘SST’不能用“短路套”短接！（1）用信号发生器（B1）的‘阶跃信号输出’和‘幅度控制电位器’构造输入信号（Ui）：B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。阶跃信号输出（B1的Y测孔）调整为4V（调节方法：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y测孔）。（2）构造模拟电路：按图3-1-4安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线模块号跨接座号1A1S4，S8，S10（电容C=1uf）2A6S2，S6（3）运行、观察、记录：（注：CH1选‘×1’档。时间量程选‘×1’档）①打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测A6输出端（Uo），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4V（输入）×0.632处，，得到与惯性的曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得惯性环节模拟电路时间常数T。A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）。②改变时间常数及比例系数（分别改变运算模拟单元A1的反馈电阻R1和反馈电容C），重新观测结果，填入实验报告。3)．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实验步骤：注：‘SST’用短路套短接！（1）为了避免积分饱和，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1信号输入（Ui）B1（Y）→A1（H1）2运放级联A1（OUT）→A6（H1）3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。①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）。②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）。③调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=1V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图3-1-5安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线（3）运行、观察、记录：（注：CH1选‘×1’档。时间量程选‘×1’档）①打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测A6输出端（Uo），调节调宽电位器使宽度从0.3秒开始调到积分输出在虚拟示波器顶端（即积分输出电压接近+5V）为止。②等待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到0V处，再移动另一根横游标到ΔV=1V（与输入相等）处，得到与积分的曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）。③改变时间常数（分别改变运算模拟单元A1的输入电阻Ro和反馈电容C），重新观测结果，填入实验报告。（可将运算模拟单元A1的输入电阻的短路套（S4）去掉，将可变元件库（A11）中的可变电阻跨接到A1单元的H1和IN测孔上，调整可变电阻继续实验。）4)．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实验步骤：注：‘SST’用短路套短接！（1）为了避免积分饱和，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。①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）。②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秒秒左右（D1单元左显示）。③调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=1V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图3-1-8安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线1信号输入（Ui）B5（OUT）→A1（H1）2运放级联A1（OUT）→A6（H1）模块号跨接座号1A1S4，S10（电容C=1uf）2A6S2，S63B5‘S-ST’1信号输入（Ui）B5（OUT→A5（H1）2运放级联A5（OUT）→A6（H1）4（3）运行、观察、记录：（注：CH1选‘×1’档。时间量程调选‘×1’档）①打开虚拟示波器的单迹界面，点击开始，用示波器观测A6输出端（Uo）。②待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到1V（与输入相等）处，再移动另一根横游标到ΔV=Kp×输入电压处，得到与积分曲线的两个交点。③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。④改变时间常数及比例系数（分别改变运算模拟单元A5的输入电阻Ro和反馈电容C），重新观测结果，填入实验报告。5)．观察比例微分环节的阶跃响应曲线典型比例微分环节模拟电路如图3-1-9所示。图3-1-9典型比例微分环节模拟电路实验步骤：注：‘SST’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)①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）。②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）。③调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=0.5V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图3-1-9安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线（3）运行、观察、记录：CH1选‘×1’档。时间量程选‘／4’档。①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ΔV=2.7V。②移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到ΔV=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Δt=0.048S。③已知KD=10，则图3-1-9的比例微分环节模拟电路微分时间常数：0.48StKTDD模块号跨接座号1A5S4，S8，S9（电容C=2uf）2A6S2，S63B5‘S-ST’模块号跨接座号1A4S4，S92A6S2，S63B5‘S-ST’1信号输入(Ui)B5（OUT）→A4（H1）2运放级联A4（OUT）→A6（H1）56)．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3-1-11PID（比例积分微分）环节模拟电路实验步骤：注：‘SST’用短路套短接！（1）为了避免积分饱和，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。①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）。②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0.1秒左右（D1单元左显示）。③调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=0.2V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图3-1-11安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线模块号跨接座号1A2当电阻R1=10K时S1，S72A6S2，S63B5‘S-ST’（3）运行、观察、记录：（CH1选‘×1’档。时间量程选‘／4’档）①打开虚拟示波器的单迹界面，点击开始，用示波器观测A6输出端（Uo）。②等待完整波形出来后，移动虚拟示波器两根横游标使之ΔV=Kp×输入电压，，得到与积分的曲线的两个交点。③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。注意：该实验由于微分的时间太短，较难捕捉到，必须把波形扩展到最大（/4档），但有时仍无法显示微分信号。定量观察就更难了，因此，建议用一般的示波器观察。④改变时间常数及比例系数（分别改变运算模拟单元A2的输入电阻Ro和反馈电阻R1），重新观测结果，填入实验报告。1信号输入（Ui）B5（OUT）→A2（H1）2运放级联A2（OUT）→A6（H1）6五、实验数据及处理结果比例环节的阶跃响应曲线7惯性环节的阶跃响应曲线积分环节的阶跃响应曲线8比例积分环节的阶跃响应曲线比例微分环节的阶跃响应曲线9PID（比例积分微分）环节的响应曲线六、思考、讨论或体会或对改进实验的建议有的波形不是很明显，实验器材内部如果有的元器件有损坏，结果出不来还要查出哪里的问题。七、参考资料1．《自动控制理论》，王时胜、曾明如、王俐等，江西科技出版社2．《自动控制理论》，夏德钤主编，机械工业出版社3．《自动控制理论》，胡寿松，航空工业出版社