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实验目的: 1.熟悉并掌握THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台及上位机软件的使用方法。 2.熟悉各典型环节的电路传递函数及其特性,掌握典型环节的电路模拟与软件仿真研究。 3.测量各典型环节的阶跃响应曲线,并了解参数变化对其动态特性的影响。 实验原理: 自控系统是由比例、积分、微分、惯性等典型环节按一定的关系连接而成。熟悉这些环节对阶跃输入的响应,对分析线性系统将是十分有益的。 在附录中介绍了典型环节的传递函数、理论的阶跃响应曲线和环节的模拟电路图。 实验内容: 1.设计并组建各典型环节的模拟电路; 2.测量各典型环节的阶跃响应,并研究参数变化对其输出响应的影响; 3.在上位机界面上,填入各典型环节数学模型的实际参数,据此完成它们对阶跃响应的软件仿真,并与模拟电路测试的结果相比较。 实验报告要求: 1.画出各典型环节的实验电路图,并注明参数。 2.写出各典型环节的传递函数。 3.根据测得的典型环节单位阶跃响应曲线,分析参数变化对动态特性的影响。 本实验报告是通过matlab仿真完成,内含相关实验结果
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实验一 线性定常系统典型环节特性实验
一、实验目的
1.熟悉并掌握 THBDC-1 型控制理论·计算机控制技术实验平台及上位机软件的使用
方法。
2.熟悉各典型环节的电路传递函数及其特性,掌握典型环节的电路模拟与软件仿真研
究。
3.测量各典型环节的阶跃响应曲线,并了解参数变化对其动态特性的影响。
二、实验设备
1.THBDC-1 型控制理论·计算机控制技术实验平台
2.PC 机 1 台(含上位机软件) USB 数据采集卡 37 针通信线 1 根 16 芯数据排线 USB
接口线
3.双踪慢扫描示波器 1 台(可选)
4.万用表 1 只
三、实验内容
1.设计并组建各典型环节的模拟电路;
2.测量各典型环节的阶跃响应,并研究参数变化对其输出响应的影响;
3.在上位机界面上,填入各典型环节数学模型的实际参数,据此完成它们对阶跃响应
的软件仿真,并与模拟电路测试的结果相比较。
四、实验原理
自控系统是由比例、积分、微分、惯性等典型环节按一定的关系连接而成。熟悉这些环
节对阶跃输入的响应,对分析线性系统将是十分有益的。
在附录中介绍了典型环节的传递函数、理论的阶跃响应曲线和环节的模拟电路图。
五、实验步骤
1.熟悉实验台,利用实验台上的各电路单元,构建所设计比例环节(可参考本实验附录)
的模拟电路并连接好实验电路;待检查电路接线无误后,接通实验台的电源总开关,并开启
±5V,±15V 直流稳压电源。
2.把采集卡接口单元的输出端 DA1、输入端 AD2 与电路的输入端 U
i
相连,电路的输
出端 U
o
则与采集卡接口单元中的输入端 AD1 相连。连接好采集卡接口单元与 PC 上位机的
通信线。待接线完成并检查无误后,操作“THBDC-1”软件。具体操作步骤如下;
1)打开 PC 机,运行软件“THBDC-1”。
2)运行“系统”—“通道设置”命令,选择相应的数据采集通道(如双通道,通道
1-2),然后点击“开始采集”按钮,进行数据采集。
3)运行“窗口”—“虚拟示波器”命令。在左边选择 X-t 显示模式,在右边选择相应
的数据显示通道,同时点击相应的“显示”按钮;然后点击“虚拟示波器”左边的“开始”
按钮开始采集实验数据。
3)运行“窗口”—“信号发生器”命令,在信号波形类型中选择“周期阶跃信号”;信
号幅度为“1V”;信号占空比为“100%”,其它选项的不变。
4)改变虚拟示波器的显示量程(μS/div 或 ms/div)及输入波形的放大系数,以便更清晰
地观测波形(一般选择 128ms/d)。
5)点击“虚拟示波器”上的“暂停”及“存储”按钮,保存实验波形。
3.参照本实验步骤 1、2,依次构建相应的积分环节、比例积分环节、比例微分环节、
比例积分微分环节及惯性环节;并观察各个环节实验波形及参数。
注意:凡是带积分环节的,都需要在实验前按下“锁零按钮”对电路的积分电容放电;
实验时再次按下“锁零按钮”取消锁零。
4.点击“仿真平台”按钮,根据环节的传递函数,在“传递函数”栏中填入该环节的
相关参数,如比例积分环节的传递函数为:
则在“传递函数”栏的分子中填入“0.1,1”, 分母中填入“0.1,0”即可,然后点击
“仿真”按钮,即可观测到该环节的仿真曲线,并可与实验观察到的波形相比较。
注意:仿真实验只针对传递函数的分子阶数小于等于分母阶数的情况,若分子阶数大
于分母阶数(如含有微分项的传递函数),则不能进行仿真实验,否则出错。
5.根据实验时存储的波形及记录的实验数据完成实验报告。
六、实验报告要求
1.画出各典型环节的实验电路图,并注明参数。
2.写出各典型环节的传递函数。
3.根据测得的典型环节单位阶跃响应曲线,分析参数变化对动态特性的影响。
七、实验思考题
1.用运放模拟典型环节时,其传递函数是在什么假设条件下近似导出的?
2.积分环节和惯性环节主要差别是什么?在什么条件下,惯性环节可以近似地视为积
分环节?而又在什么条件下,惯性环节可以近似地视为比例环节?
3.在积分环节和惯性环节实验中,如何根据单位阶跃响应曲线的波形,确定积分环节
和惯性环节的时间常数?
八、附录
1.比例(P)环节
比例环节的传递函数与方框图分别为
其模拟电路(后级为反相器)和单位阶跃响应曲线分别如图 1-1 所示。
其中
1
2
R
R
K �
;这里取 R
1
=100K,R
2
=200K,R
0
=200K。通过改变电路中 R
1
、R
2
的阻值,
可改变放大系数。
图 1-1 比例环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线
实验台上的参考单元:U10、U5
2.积分(I)环节
积分环节的传递函数与方框图分别为
K
su
su
sG
i
o
��
)(
)(
)(
Tssu
su
sG
i
o 1
)(
)(
)( ��
S
S
CSR
CSR
su
su
sG
i
o
1.0
11.01
)(
)(
)(
1
2 �
�
�
��
其模拟电路和单位阶跃响应分别如图 1-3 所示。
图 1-2 积分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线
其中 T=RC,这里取 C=10uF,R=100K,R
0
=200K。通过改变 R、C 的值可改变响应曲
线的上升斜率。
实验台上的参考单元:U7、U5
3.比例积分(PI)环节
积分环节的传递函数与方框图分别为
其模拟电路和单位阶跃响应分别如图 1-3 所示。
其中
1
2
R
R
K �
,T=R
1
C,这里取 C=10uF, R
1
=100K,R
2
=100K,R
0
=200K。通过改变
R
2
、R
1
、C 的值可改变比例积分环节的放大系数 K 和积分时间常数 T。
图 1-3 比例积分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线
实验台上的参考单元:U12、U5
4.比例微分(PD)环节
比例微分环节的传递函数与方框图分别为:
)1()1()( 1
1
2
CSR
R
R
TSKsG ����
其中
CRTRRK 112 ,/ ��
其模拟电路和单位阶跃响应分别如图 1-4 所示
图 1-4 比例微分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线
这里取 C=10uF, R
1
=100K,R
2
=200K,R
0
=200K。通过改变 R
2
、R
1
、C 的值可改变比
)
1
1(
11
)(
)(
)(
21
2
11
2
1
2
CSRR
R
CSRR
R
CSR
CSR
su
su
sG
i
o
����
�
��
例微分环节的放大系数 K 和微分时间常数 T。
实验台上的参考单元:U10、U5
5.比例积分微分(PID)环节
比例积分微分(PID)环节的传递函数与方框图分别为
ST
ST
KpsG
d
i
���
1
)(
其中
21
2211
CR
CRCR
Kp
�
�
,
21
CRT
i
�
,
12
CRT
d
�
SCR
SCRSCR
21
1122 )1)(1( ��
�
SCR
SCRCR
CRCR
12
2121
1122
1
��
�
�
S
S
1.0
1.0
1
2 ���
(当 K
P
=2,T
i
=0.1,T
d
=0.1 时)
其模拟电路和单位阶跃响应曲线分别如图 1-5 所示。
图 1-5 比例积分微分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线
其中 C
1
=1uF,C
2
=1uF,R
1
=100K,R
2
=100K, R
0
=200K。通过改变 R
2
、R
1
、C
1
、C
2
的
值可改变比例积分微分环节的放大系数 K、微分时间常数 T
d
和积分时间常数 T
i
。
实验台上的参考单元:U12、U5
6.惯性环节
惯性环节的传递函数与方框图分别为
其模拟电路和单位阶跃响应曲线分别如图 1-6 所示。
其中
1
2
R
R
K �
,T=R
2
C,这里取 C=1uF,R
1
=100K,R
2
=100K,R
0
=200K。通过改变 R
2
、
R
1
、C 的值可改变惯性环节的放大系数 K 和时间常数 T。
图 1-6 惯性环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线
实验台上的参考单元:U7、U5
1)(
)(
)(
�
��
TS
K
su
su
sG
i
o
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