浙江大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告—典型環(huán)節(jié)控制模擬實(shí)驗(yàn)

1、P13實(shí)驗(yàn)名稱： 典型環(huán)節(jié)的模擬實(shí)驗(yàn) 姓名： xxx 學(xué)號(hào)： 311xxxxxxxxx 裝 訂 線專業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 姓名： xxx 學(xué)號(hào)： 311xxxxxxx 日期：2013年10月24日星期四 地點(diǎn)： 玉泉教二213 實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱： 控制理論（乙） 指導(dǎo)老師： xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 成績(jī)： 實(shí)驗(yàn)名稱： 典型環(huán)節(jié)的模擬實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)類型： 探索驗(yàn)證 同組學(xué)生姓名： 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅ū靥睿┒?shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填）四、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析（必填）七、討論、心得一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵髮?shí)驗(yàn)?zāi)康模?熟

2、悉慢掃描示波器的性能和使用方法；2掌握典型環(huán)節(jié)的電模擬方法及其參數(shù)測(cè)試方法；3測(cè)量典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，了解參數(shù)變化對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響。實(shí)驗(yàn)要求：1畫出各種典型環(huán)節(jié)的模擬電路，并注明參數(shù)；2實(shí)測(cè)各種典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。并注明時(shí)間坐標(biāo)和輸入信號(hào)幅值；3分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)思考題寫出心得、體會(huì)。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理根據(jù)數(shù)學(xué)模型的相似原理，我們應(yīng)用電子元件模擬工程系統(tǒng)中的典型環(huán)節(jié)，然后加入典型測(cè)試信號(hào)，測(cè)試環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)。反之從實(shí)測(cè)的輸出響應(yīng)也可以求得未知環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及其各個(gè)參數(shù)。模擬典型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的方法有兩種：第一種方法，利用模擬裝置中的運(yùn)算部件，采用逐項(xiàng)積分法，進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，構(gòu)成典

3、型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)模擬結(jié)構(gòu)圖；第二種方法將運(yùn)算放大器與不同的輸入網(wǎng)絡(luò)、反饋網(wǎng)絡(luò)組合，構(gòu)成傳遞函數(shù)模擬線路圖，這種方法可以稱為復(fù)合網(wǎng)絡(luò)法。我們的實(shí)驗(yàn)第二種方法：實(shí)驗(yàn)原理：本實(shí)驗(yàn)采用復(fù)合網(wǎng)絡(luò)來模擬各種典型環(huán)節(jié)，即設(shè)置運(yùn)算放大器不同的輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)來模擬各種典型環(huán)節(jié)(注意環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的極性)。一、慣性環(huán)節(jié)的模擬慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 （2-3-1）其中 K一靜態(tài)放大倍數(shù) T慣性時(shí)間常數(shù)慣性環(huán)節(jié)的模擬電路如圖2-3-1所示模擬電路的傳遞函數(shù)為 （2-3-2）比較（2-3-1）式和（2-3-2）式，得K=R2/R1； T=R2C (a)模擬電路 (b)輸出響應(yīng) 圖2-3-1慣性環(huán)節(jié)的模擬電路及

4、響應(yīng)當(dāng)輸入負(fù)階躍信號(hào)時(shí)，其輸出響應(yīng)如圖2-3-1(b)所示。從圖中可知，T和K是響應(yīng)曲線的兩個(gè)特征量。T表示階躍信號(hào)輸入后，響應(yīng)按指數(shù)上升的快慢，它可從響應(yīng)曲線實(shí)測(cè)得到。二、積分環(huán)節(jié)的模擬積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 （2-3-3） 其中一積分時(shí)間常數(shù) (a)模擬電路 (b)輸出響應(yīng)圖2-3-2 積分環(huán)節(jié)的模擬電路及響應(yīng)積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖如圖2-3-2(a)所示，模擬電路的傳遞函數(shù)為 （2-3-4）比較（2-3-3）和（2-3-4）二式，得當(dāng)輸入負(fù)階躍信號(hào)時(shí)，其輸出響應(yīng)如圖2-3-2(b)所示。從圖中可知，積分時(shí)間常數(shù)是積分環(huán)節(jié)的特征量，它表示階躍輸入后響應(yīng)按線性上升的快慢，可從響應(yīng)曲線上求出，即響

5、應(yīng)上升到階躍輸入幅值時(shí)所需的時(shí)間。積分環(huán)節(jié)的特點(diǎn)是，不管輸入幅值多小，輸出就不斷地按線性增長(zhǎng)，輸入幅值愈小，增長(zhǎng)的速率愈小，只有輸入為零時(shí)，輸出才停止增長(zhǎng)而保持其原來的數(shù)值。從圖中可看出運(yùn)算放大器最終達(dá)到飽和值。三、比例積分環(huán)節(jié)的模擬比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 （2-3-5）其中 K比例系數(shù)； 積分時(shí)間常數(shù) (a)模擬電路 (b)輸出響應(yīng) 圖2-3-3 比例積分環(huán)節(jié)的模擬電路及響應(yīng)比例積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖如圖2-3-3(a)所示。模擬電路的傳遞函數(shù)為 （2-3-6）比較（2-3-5）和（2-3-6）兩式得 當(dāng)輸入負(fù)階躍信號(hào)時(shí)，其輸出響應(yīng)如圖2-3-3(b)所示。從該圖中可以得到比例積分環(huán)節(jié)的特征

6、參數(shù)K和。必須注意：在測(cè)試積分環(huán)節(jié)和比例積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)時(shí)，由于存在儲(chǔ)能元件C，因此每次輸入階躍響應(yīng)時(shí)，必須保證為零，否則將因的初始值不同使每次測(cè)得的響應(yīng)不同。四、比例積分微分環(huán)節(jié)的模擬比例積分微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 （2-3-7）比例系數(shù)；積分時(shí)間常數(shù)；微分時(shí)間常數(shù)該環(huán)節(jié)的模擬電路如圖2-3-4所示，當(dāng)滿足，ui(t)uo(t)CC1R3R2R10uo(t)t (a)模擬電路圖 (b)理想的輸出響應(yīng)圖2-3-4 比例積分微分環(huán)節(jié)的模擬電路及理想的響應(yīng) 時(shí)，該電路的傳遞函數(shù)為 （2-3-8）比較（2-3-7）和（2-3-8）兩式得 對(duì)于理想的比例積分微分環(huán)節(jié)，當(dāng)輸入負(fù)階躍信號(hào)時(shí)其輸出響應(yīng)如圖2

7、-3-4(b)所示，在輸入躍變時(shí)，它的輸出響應(yīng)能夠以無限大的變化率在瞬間躍至，又在此瞬間下降至按某一比例Kp分配的電壓值，并立即按積分時(shí)間常數(shù)Ti規(guī)律線性增長(zhǎng)。而模擬比例積分微分環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)，在輸入躍變時(shí)只能以有限的變化率上升至運(yùn)算放大的飽和值就不再增長(zhǎng)，經(jīng)過一段時(shí)間，又以有限的變化率下降。這是因?yàn)槟M電路是在滿足、的條件下，忽略了小時(shí)間常數(shù)才得到近似的PID數(shù)學(xué)模型式，而且運(yùn)算放大器也不是理想的，因此實(shí)際比例積分微分環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線與圖2-3-4(b)略有不同。綜上所述，典型環(huán)節(jié)的模擬方法是：根據(jù)典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)作為運(yùn)算放大器的輸入阻抗與反饋?zhàn)杩?，使模擬電路的傳遞函數(shù)與被模

8、擬環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)具有同一表達(dá)式，然后根據(jù)被模擬環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的參數(shù)，計(jì)算出模擬電路各元件的參數(shù)值。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1了解雙線示波器的使用方法和性能；2參考第一章、第二章有關(guān)內(nèi)容畫出測(cè)試電路圖及典型環(huán)節(jié)的模擬電路圖；3按各種典型環(huán)節(jié)接好實(shí)驗(yàn)線路，以電子模擬實(shí)驗(yàn)裝置上的階躍信號(hào)作為輸入，用慢描示波器觀察并記錄典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形。1) 觀察并記錄慣性環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形，和2) 觀察并記錄積分環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形，和3) 觀察并記錄比例積分環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形，和 4) 觀察并記錄比例積分微分環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形。參考圖2-3-4，參考參數(shù)下：R1= R2=200k, R3=5 k,C1=1uF, C2=10uF ；R1= R2=

9、 R3=200k, ,C1=1uF, C2=10uF三、 主要儀器設(shè)備1電子模擬實(shí)驗(yàn)裝置一臺(tái)；2型超低頻慢掃描示波器一臺(tái)；3萬用表一只。四、 操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟1了解實(shí)驗(yàn)電子模擬裝置面板圖(圖4-1-2)。裝置上的無源阻容元件可供每個(gè)運(yùn)算放大器選用，由于運(yùn)算放大器是有源器件，故連在某運(yùn)算放大器上的阻容元件只能供該運(yùn)算放大器選用，其它運(yùn)算放大器均不能選用。2實(shí)驗(yàn)裝置的階躍信號(hào)線路如圖4-1-1所示。由圖可知，常開按鈕和常閉按鈕是聯(lián)動(dòng)的，按住按鈕時(shí)，為負(fù)階躍輸出，放開按鈕時(shí)為正階躍輸出。調(diào)節(jié)電位器W1和W2可調(diào)節(jié)階躍信號(hào)的幅值。圖4-1-1 階躍信號(hào)線路圖3 先了解雙線示波器的使用方法和性能；4觀

10、察并記錄慣性環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形，電路圖如下：取R1=500k，R2=1M，C=1uF，以電子模擬實(shí)驗(yàn)裝置上的階躍信號(hào)作為輸入，用慢描示波器觀察并記錄典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形。5觀察并記錄慣性環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形，電路圖如下：取R1=500k，R2=500，C=1uF，以電子模擬實(shí)驗(yàn)裝置上的階躍信號(hào)作為輸入，用慢描示波器觀察并記錄典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形。6觀察并記錄積分環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形，電路圖如下：取R1=1M，C=1uF，以電子模擬實(shí)驗(yàn)裝置上的階躍信號(hào)作為輸入，用慢描示波器觀察并記錄典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形。7觀察并記錄積分環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形，電路圖如下：取R1=500K，C=1uF，以電子模擬實(shí)驗(yàn)裝置上的階躍信號(hào)作為輸入，

11、用慢描示波器觀察并記錄典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形。8觀察并記錄比例積分環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形，電路圖如下：取R1=1M，,R2=1M，C=1uF，以電子模擬實(shí)驗(yàn)裝置上的階躍信號(hào)作為輸入，用慢描示波器觀察并記錄典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形。9觀察并記錄比例積分環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形， 電路圖如下：取R1=500K，,R2=1M，C=1uF，以電子模擬實(shí)驗(yàn)裝置上的階躍信號(hào)作為輸入，用慢描示波器觀察并記錄典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形。10觀察并記錄比例積分微分環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形。電路圖如下：取R1= R2=200k, R3=5 k,C1=1uF, C2=10uF，以電子模擬實(shí)驗(yàn)裝置上的階躍信號(hào)作為輸入，用慢描示波器觀察并記錄典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形。11觀察并記錄比例積分微分環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形。電路圖如下：取R1= R2= R3=200k, ,C1=1uF, C2=10uF，以電子模擬實(shí)驗(yàn)裝置上的階躍信號(hào)作為輸入，用慢描示波器觀察并記錄典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)波形。五、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄：序號(hào)環(huán)節(jié)類型傳遞函數(shù)實(shí)際波形1.慣性環(huán)節(jié)2.慣性環(huán)節(jié)3.積分環(huán)節(jié)4.積分環(huán)節(jié)5.比例積分環(huán)節(jié)6.比例積分環(huán)節(jié)7.比例積分微分環(huán)節(jié)R1= R2=200k, R3=5 k,