反馈控制理论B

1项目作业（第2周）反馈控制理论B完成人：完成时间：21.安装Multisim软件，建立工作目录。借阅参考书或下载资料，列出资料目录；综述Multisim是什么，能做什么。解：资料目录：NI_Circuit_Design_Suite_14_0_1_汉化破解版；NI_Circuit_Design_Suite_14_0_1.exe；Chinese-simplified；NILicenseActivator1.2。（1）Multisim是以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。（2）使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。2.设计电路仿真方案，利用5个电阻元件验证KVL。解：根据KVL关系得，串联的元件我们视它为一条支路在一条支路中电流处处相等，结点电电流之和为0，一个回路中各处电压之和为0.电路设计及其结果如图2所示图2五电阻构成电路由图中结果可得：结点1处电流之和I1+I2+I3=0，得出结论：结点处电流之和为0。同样，在回路1中，3各支路电压U4+U5+U6=0，得出结论：回路中各处电压之和为0。KVL定律成立。3.在Multisim中用三极管元件构建一个如图所示的分压偏置共射极放大电路，[1]计算其直流工作点Q相关各参数和交流增益；解：通过对静态工作点得计算得出下图3-11的结果图3-11静态工作点的计算过程计算结果及计算过程如图3-11所示。该电路的最小信号模型及其交流电压增益计算如图3-12所示图3-12交流信号最小模型[2]设置电压信号源10mV，频率1kHz，用虚拟示波器测试其输入输出关系，描述示波器所示曲线的特征【注：包括从虚拟示波器上读出的频率、幅值、形状特征等】解：通过对相关数值的设定以及相关器件值的设定，得出图3-2所示的测量结果4图3-2虚拟示波器测试输入输出结果针对测试结果可知：输出信号与输入信号反向，但是输出周期与输入周期相同，及频率相等；输出幅值为500mV，其中输入幅值为12.0mV；输入与输出函数均为正弦函数。测试结果与计算结果相近。4.下载阅读不少于1份OP07的datasheet，利用运放OP07分别构建一个增益为+10和-10倍增益的放大电路，并验证效果。解：OP07资料图4-1图4-1OP07相关资料5通过对资料的学习即研究，我们设计的电路，以及经过仿真实验得到下面的结果，如图4-2和图4-3图4-2+10倍增益的放大电路图4-3-10倍增益的放大电路从该结果中可以明显看出U1=V3*10，U2=V3*(-10)。65.下载阅读不少于1份LM324的datasheet，利用LM324构建一个加法电路，并验证效果。解：下图5-1为LM324相关下载资料图5-1LM324相关资料7通过电路设计以及对电路进行的模拟仿真得到图5-2的结果图5-2LM324的加法电路根据实验结果，U2=（V1+V2）*10，即得到了我们想要的加法电路。6.利用OP07构建一个电压跟随器，分别测试（Vpk10mv、1kHz)、(Vpk10mv、1MHz)、(VpK1V、1kHz)·(VpklV、200kHz)这四组输入信号的跟随效果，描述差别。解：根据电路即仿真得到下图结果图6-1OP07电压跟随器10mV1kHz8图6-2OP07电压跟随器10mV1MHz图6-3OP07电压跟随器1V1kHz9图6-4OP07电压跟随器1V200kHz图6-1和图6-3输出信号还是正常的正弦信号，其他两个实验结果得到的输出信号均不是正弦信号，跟随效果失效，输出信号失真，其中图6-2（1MHz）得到的输出信号严重与输入信号不符，跟随效果特别不明显。7.设计电路仿真方案，构建一个一阶无源RC低通滤波电路，利用阶跃电压信号，验证理解惯性环节的含义；变换一组R、C参数，比较与之前响应曲线的差异。解：什么是惯性环节？如何验证惯性环节？惯性环节的输出一开始并不与输入同步按比例变化，直到过渡过程结束,y(t)才能与x(t)保持比例。这就是惯性地反映。惯性环节的时间常数就是惯性大小的量度。凡是具有惯性环节特性的实际系统，都具有一个存储元件或称容量元件，进行物质或能量的存储，如电容、热容等。由于系统的阻力，流入或流出存储元件的物质或能量不可能为无穷大，存储量的变化必须经过一段时间才能完成，这就是惯性存在的原因。根据电路图设计在Multisim软件上的仿真，得到图7的效果图7-1惯性环节仿真10从图中我们可以看到输出得到了一个对数函数的曲线，前期比较平缓（惯性），后期呈现出直线下降的趋势。通过对电阻和电容值的改变我们又得到一组结果如图7-2图7-2电阻电容值改变的惯性环节仿真从图中我们可以看到，输出信号在开始平缓的部分时间特别短暂，相对于开始一组结果，时间更加短，而且后续的下降速度也比刚才的快很多。R1的改变，对输出结果的影响很大。8.设计电路仿真方案，利用运放构建一个反相积分器，验证理解积分环节的含义。解：积分环节是什么？积分环节又有哪些含义？积分环节控制系统的一类典型环节，积分环节的传递函数。其中:为拉普拉斯变换中的算子变量，k为一比例常数.积分环节的输出量与输人量的时间积分值成比例，积分环节在消除控制系统中的静态误差方面极为有效，常使用在距离、转角等物理量的精确无静差跟踪上.最简单的积分环节可由一个电容充电过程来表征.实际使用时，常由宽频带放大器经过电容器反馈而构成。通过电路设计及电路仿真，得出下图8-1的结果11图8-1反向积分器测试结果从图中可以得出输出信号先是直线上升，后缓慢下降，然而输入信号先是直线上升，后保持不变，前期输出直线上升可能随输入信号的直线上升导致的，后期输入信号平缓稳定，根据积分电路特性，输出信号开始缓慢下降。9.设计电路仿真方案，利用运放构建一个无源RC高通滤波电路，验证理解比例微分环节含义。解：比例微分是什么？又有什么含义？比例环节的特点是，其输出不失真、不延迟、成比例的复现输入信号的变化，即信号的传递没有惯性。比例环节的微分方程为：c(t)=Kr(t)式中，K为放大倍数。对比例环节的微分方程进行拉普拉斯变换，得：C(s)=KR(s)因此，比例环节的传递函数为：G(s)=C(s)/R(s)=K12为了理解比例微分环节含义，设计了以下电路图且得到仿真效果（图9-1）图9-1比例积分电路仿真由测试结果可知，输出信号开始较高，后逐渐降低，但输出信号依然是正弦形式输出。得出比例微分环节特性。10.构建二个LRC二阶电路，通过调整仿真参数，使其输出振荡波形以表明其在一定条件下相当于振荡环节。解：根据相关电路的设计及仿真效果如图10图10LRC二阶电路13通过查阅资料了解到，振荡环节控制系统的一类典型环节.振荡环节的传递函数其中:s为拉普拉斯变换中的算子变量，T和ζ为常量，分别称为时间常数和阻尼系数.振荡环节的输人量发生变化时，输出量常会呈现周期性变化，其频率仅与环节有关，与信号的幅值和变化速度无关.振荡环节对应于二阶常微分方程，它具有振荡特征的充分必要条件是ζ1，即传递函数的分母多项式有虚根或共扼复数根.当ζ0时，振荡环节出现持续以至发散的振荡，系统为不稳定.当1参0时，振荡环节相应于衰减性振荡，系统可稳定工作，但一般希望对它的振荡频率、幅值和衰减速度进行限制，以免造成不良的后果。从图片结果可看出，输出信号出现明显振荡效果，后渐渐趋于稳定。11.设计电路仿真方案，证明两个RC电路直接连接会具有负载效应(自动控制原理，鄢景华,P26.图2.3-3.)解：怎样的现象才是具有负载效应？负载效应是指：仅当由于负载的变化而引起输出稳定量的变化的效应称为负载效应。测量系统和被测对象之间、测量系统内部各环节之间互相联接必然产生相互作用。接入的测量装置，构成被测对象的负载；后接环节总是成为前面环节的负载，并对前面环节的工作状态产生影响。两者总是存在着能量交换和互相影响，以致系统的传递函数不再是各组成环节传递函数的叠加（如并联时）或相乘（如串联时）。于是我们便得到图11-1的结果图11-1二阶负载效应14电路中电容消耗了一部分的电流和电阻，消耗了电流源的功率，电容具有负载效应。12.对门题中，电路进行改进，消除负载效应，设计电路仿真方案验证。【注：要求具有完整的过程能够说明问题。提示：充分应用工具软件，形成明显的对比效果】解：通过上题的理解，对以消除负载效应，我们做了如下实验，去掉该处的电容。电路的负载效应主要是消耗电源的功率，去除元件对电源的功率消耗就是消除负载效应，因此去除该处的电容可以达到效果。结果如图12-1图12-1消除负载效应从结果中我们可以看出，电流值有所增大，但是电压值却减小特别明显，得到的电压值特别小，考虑到万用表具有自身的电阻效果，该电压值可以忽略不记，电压值为0，该出没有负载效应。13.利用Mindjet绘制第2章所学内容的思维导图，总结归纳知识点。解：第二章内容总结如下：151614.用Mindjet做一个本团队第二周运行状态的总结，幅面不超过1页A4纸。解：关于本周工作总结如下：本周相比上一周给予团队的感觉号很多，本周大家的工作分配明确，并且大家也都学到了一些相关知识，学习的东西也并不是单一方面的，有模电及电路知识的复习，主要还是大家都对Multisim软件有所了解了，大家都能够上手自己连接电路，自己使用软件仿真电路，这是我们学到的主要知识。通过本次作业的完成，我们也有深刻的体会：曾经学过的东西，当时没使用到，并不代表未来也不会使用到。开始做作业时，模电和电路的知识我们几乎是忘得一干二净，然后我们又重新找出课本翻阅书籍，在此过程中我们花费了不少的时间，但是我们却也学会了不少的东西，虽然是过去学习过的。还是那句话“温故而知悉，可以为师矣”。这次作业中，也可能存在一些不足，由于大家得工作还不是那么系统，有些地方也许连接不上，或是某各地方连接的不够紧凑，相信下次我们能够做的更好，给老师一份满意的答卷。