1、自动控制原理实验实验名称：典型环节的模拟研究学 校：西安邮电大学学 院：自动化学院班 级：测控 1201 班姓 名：晁义飞学 号：06122018时 间：2014 年 4 月 15 日典型环节的模拟研究一. 实验目的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二实验内容及步骤观察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.。改变被测环节的各项电路参数，画出模拟电路图，阶跃响应曲线，观测结果。运行 LABACT 程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析
2、下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的 CH1 测孔测量波形。（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传递函数： ； 单位阶跃响应： 01(S)RKUGiO K)t(U实验步骤：（注：S ST 用短路套短接）（1）将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT） ，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。 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 （指示灯亮） 。 量程选择开关 S2 置下
3、档，调节“设定电位器 1”，使之矩形波宽度1 秒。 调节 B5 单元的“矩形波调幅 ”电位器使矩形波输出电压= 4V（D1 单元右显示） 。（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1 A5 S4，S122 B5 S-ST（3）运行、观察、记录： 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） ，观测 A5B 输出端（Uo）的实际响应曲线。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。比例系数 KR0 R1 输入 Ui计算值 测量值100K 4V 0.5 0.51200K200K 4V 1
4、1.011 信号输入（Ui）B5（OUT）A5（H1）2 A5（OUTB）B3（CH1 ）3示波器联接1 档 B5（OUT）B3（CH2 ）100K 2V 2 1.9250K200K 1V 4 3.752)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 3-1-2 所示。图 3-1-2 典型惯性环节模拟电路传递函数： 单位阶跃响应：CRTKSUGiO101() )1()0TteKtU实验步骤：（注：S ST 用短路套短接。 ）（1）将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT） ，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。 在显示与功能选择（ D1）单元
5、中，通过波形选择按键选中矩形波 （矩形波指示灯亮） 。 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（D1 单元左显示） 。 调节 B5 单元的“矩形波调幅 ”电位器使矩形波输出电压= 4V（D1 单元右显示） 。（2）构造模拟电路：按图 3-1-4 安置短路套及测孔联线。（3）运行、观察、记录：打开虚拟示波器的界面，点击开始，按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮时（ 0+4V 阶跃） ，观测 A5B 输出端（Uo）响应曲线，等待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到输出稳态值0.632 处，得到与输出曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到输出曲线的交
6、点，量得惯性环节模拟电路时间常数 T。实验报告：比例系数 K 惯性常数 TR0 R1 C 输入 Ui计算值 测量值 计算值 测量值1u 1 1.02 0.2 0.14200K 200K2u 4V 1 1.05 0.4 0.37100K 2V 2 1.87 0.1 0.1050K200K 1u 1V 4 3.67 0.2 0.183)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 3-1-3 所示。图 3-1-3 典型积分环节模拟电路传递函数： 单位阶跃响应：CRTSUGiiO01() tTi1)(U0实验步骤：（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）
7、，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。 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） 。 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。 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 3-1-3 安置短路套及测孔联线。（3）运行、观察、记录： 打开虚拟示波器的界面，点击开始，观测 A5B 输出端（Uo）响应曲线，等待完整波形出来后，点击停止，移动虚拟示波器横游标到 0V 处，再移动另一根横游标
8、到V=1V （与输入相等）处，得到与输出曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到输出曲线的交点，量得积分环节模拟电路时间常数 Ti。积分常数 TiR0 C 输入 Ui计算值 测量值1u 200 189200K2u 400 3921u 100 84100K2u1V200 179 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 3-1-4 所示.。图 3-1-4 典型比例积分环节模拟电路传递函数： CRTKTiSUGiiO101)1()(S单位阶跃响应： （tt实验步骤：（注：S ST 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
9、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。 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） 。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（D1 单元左显示） 。 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 3-1-4 安置短路套及测孔联线。（3）运行、观察、记录： 打开虚拟示波器的界面，点击开始，观测 A5B 输出端（Uo）响应曲线，等待完整波形出来后，点击停止。移动虚拟示波器横游
10、标到输入电压比例系数 K 处，再移动另一根横游标到（输入电压比例系数 K输入电压）处，得到与积分曲线的两个交点。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。比例系数 K 积分常数 TiR0 R1 C 输入 Ui计算值 测量值 计算值 测量值1u 1 0.98 200 189200K2u 1 0.97 400 3791u 2 1.86 200 186100K 200K2u1V2 1.88 400 3765)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 3-1-5 所示。图 3-1-5 典型比例微分环节模拟电路实验步骤：（注：S ST 用短路套
11、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) 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） 。 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） 。 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 3-1-5 安置短路套及测孔联线。（3）运行、观察、记录：虚拟示波器的时间量程选4档。 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） ，等待完整波形出
12、来后，把输出最高端电压减去稳态输出电压，然后乘以 0.632，得到 V。 移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到 V 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 t。 已知 KD=10，则图 3-1-5 的比例微分环节模拟电路微分时间常数： tKTD（6） 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 3-1-6 所示。图 3-1-6 PID（比例积分微分）环节模拟电路实验步骤：（注：S ST 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
13、（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。 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 。 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 0.4 秒左右。 调节 B5 单元的“矩形波调幅 ”电位器使矩形波输出电压= 0.3V（D1 单元右显示） 。（2）构造模拟电路：按图 3-1-6 安置短路套及测孔联线。（3）运行、观察、记录：。 打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测 A2B 输出端（Uo） 。 等待完整波形出来后，点击停止，移动虚拟示波器两根横游标使之 V=Kp输入电压，得到与积分的曲线的两个交
14、点。 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。 将 A2 单元的 S9 短路套套上，点击开始，用示波器观测系统的 A2B 输出端（Uo） ，等待完整波形出来后，把最高端电压减去稳态输出电压，然后乘以 0.632，得到V。 移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到 V 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 。 已知 KD，则图 3-1-6 的比例微分环节模拟电路微分时间常数： 。DdKT三、实验曲线及数据记录：四、实验总结：通过本次试验，是我对课堂上学到的知识掌握更加通透，理解更加深刻，熟练地掌握了六种典型环节的阶跃响应曲线及各自对应的特性。实验结果与计算结果有一定偏差，也属可允许范围内，在今后的试验中会更加细心谨慎。
