典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真課案

金隊科技劈腕學(xué)生實驗報告（理工類）課程名稱： 自動控制原理專業(yè)班級:14電氣（2）學(xué)生學(xué)號：學(xué)生姓名：所屬院部： 機(jī)電工程學(xué)院指導(dǎo)教師: 吳洪兵2015 ——2016學(xué)年 第二學(xué)期金陵科技學(xué)院教務(wù)處制實驗項目名稱：典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真實驗學(xué)時: 2同組學(xué)生姓名：實驗地點：PAC電氣控制實驗室實驗日期：2016年5月26日實驗成績：批改教師： 吳洪兵 批改時間:一、 實驗?zāi)康暮鸵?熟悉典型環(huán)節(jié)的電路模擬；2熟悉MATLAB中的simulink仿真。二、 實驗儀器和設(shè)備計算機(jī)一臺三、 實驗過程比例環(huán)節(jié)(又叫放大環(huán)節(jié))定義:具有比例運(yùn)算關(guān)系的元部件稱為比例環(huán)節(jié)。特點:輸出量按一定比例復(fù)現(xiàn)輸入量，無滯后、失真現(xiàn)象。運(yùn)動方程：c(t)=Kr(t) K——放大系數(shù)傳遞函數(shù)：G0=K放大電路其它一些比例環(huán)節(jié):慣性環(huán)節(jié)(又叫非周期環(huán)節(jié))定義:慣性環(huán)節(jié)的微分方程是一階的，且輸出響應(yīng)需要一定的時間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，故稱為一階慣性環(huán)節(jié)。特點：此環(huán)節(jié)中含有一個獨立的儲能元件，以致對突變的輸入來說，輸出不能立即復(fù)現(xiàn)，存在時間上的延遲。運(yùn)動方程為：丁')+c(t)=r(t)傳遞函數(shù)：G傳遞函數(shù)：G0=』T——，慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)RC電路RC電路其它一些慣性環(huán)節(jié)LL積分環(huán)節(jié)定義:符合積分運(yùn)算關(guān)系的環(huán)節(jié)稱為積分環(huán)節(jié)。傳遞函數(shù):G(s)傳遞函數(shù):G(s)=Ts(()特點：動態(tài)過程中，輸出量的變化速度和輸入量成正比。運(yùn)動方程：U。()=；』*(頃其中，T為積分環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，表示積分的快慢程度。微分環(huán)節(jié)定義:符合微分運(yùn)算關(guān)系的環(huán)節(jié)稱為微分環(huán)節(jié)。特點：動態(tài)過程中，輸出量正比于輸入量的變化速度。運(yùn)動方程為：U()=C叫(() 其中，t---微分環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，表示微分c d(t)速率的大小。傳遞函數(shù)：G(s)=TSR微分運(yùn)算放大器 測速發(fā)電機(jī)

R微分運(yùn)算放大器 測速發(fā)電機(jī)振蕩環(huán)節(jié)特點：振蕩環(huán)節(jié)是由二階微分方程描述的系統(tǒng)。包含兩個獨立的儲能元件，當(dāng)輸入量發(fā)生變化時，兩個儲能元件的能量進(jìn)行交換，使輸出帶有振蕩的性質(zhì)。TOC\o"1-5"\h\zd2c(t) dc(t)運(yùn)動方程為：①2 +2&①2 +c(t)=r(t)ndt2 ndt傳遞函數(shù)：G0=——-^| 其中，〈是阻尼比，①是無阻尼自然振\o"CurrentDocument"S2+2w&S+32 n蕩頻率RL.n Lur CZ/cU -i-I0 R-L-C電路延遲環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)：G(s)=e-Ts1

o1

o 1+TSG(s)=1+TS+T2S2+T3S3+2! 3!所以，延遲環(huán)節(jié)在一定條件下可近似為慣性環(huán)節(jié)四、實驗結(jié)果與分析(1)比例環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)：G(1)比例環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)：G0=KSimulink比例環(huán)節(jié)仿真圖Uc(t)43.532.521.510.5LK=2K=3 K=400123456789 10比例環(huán)節(jié)單位階躍響應(yīng)曲線 t關(guān)于比例環(huán)節(jié)的分析：比例環(huán)節(jié)的輸入量與輸出量成正比，不失真也不延滯，所以比例環(huán)節(jié)又稱為放大環(huán)節(jié)或無慣性環(huán)節(jié)。無彈性變形的杠桿、電位器、不計飽和的電子放大器、測速發(fā)電機(jī)(輸出為電壓、輸入為轉(zhuǎn)速時)等都可認(rèn)為是比例環(huán)節(jié)。

當(dāng)慣性環(huán)節(jié)的輸入量為單位階躍函數(shù)時，該環(huán)節(jié)的輸出量將按指數(shù)曲線上升，在經(jīng)過3個T時，響應(yīng)曲線達(dá)到穩(wěn)態(tài)值得95%，或經(jīng)過4個T時，響應(yīng)曲線達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的98%，即輸出響應(yīng)具有慣性，時間常數(shù)T越大慣性越大。RC電路、RL電路、直流電動機(jī)電樞電路(當(dāng)電樞電感可忽略不計時)都可看做慣性環(huán)節(jié)。

Simulink積分環(huán)節(jié)仿真圖當(dāng)積分環(huán)節(jié)的輸入信號為單位階躍函數(shù)時，則輸出為t，它隨著時間直線增長。響應(yīng)的增長速度由;1決定，即T越小，上升越快。當(dāng)輸入突然除去時，積分停止，輸出維持不變，故有記憶功能。對于理想的積分環(huán)節(jié)，只要有輸入信號存在，不管多大，輸出總要不斷上升，直至無限。當(dāng)然，對于實際部件，由于能量有限、飽和限制等，輸出是不可能達(dá)到無限的。傳遞函數(shù)：G(s)=TSSimulink微分環(huán)節(jié)仿真圖關(guān)于微分環(huán)節(jié)的分析:G(s)Simulink微分環(huán)節(jié)仿真圖關(guān)于微分環(huán)節(jié)的分析:G(s)= ，TS+1式中，T為時間微分常數(shù)。T越小，響應(yīng)曲線越陡峭。當(dāng)T<<1時，G(s)=TS，可近似為理想微分環(huán)節(jié)。理想微分環(huán)節(jié)的輸出量與輸入量的一階導(dǎo)數(shù)成正比。輸入是單位階躍函數(shù)，則理想微分環(huán)節(jié)的輸出c(t)=T5(t)，其中8(t)是單位脈沖函數(shù)。由于微分環(huán)節(jié)預(yù)示輸入信號的變化趨勢，所以常用來改善控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。 八f) ①2傳遞函數(shù)：G皓)= S2+23&S+ 八f) ①2傳遞函數(shù)：G皓)= S2+23&S+32觀察其振蕩環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)情況。再取相同的&，觀察3n不同大小下的單在此仿真中，先?、賜相同，取不同的&,位階躍響應(yīng)情況。①阻尼比&分別取為0、0.1、0.5、1、1.5、2.0，Step400s2+4Us+1UUTransferFcn5S+30S+100TransferFcn4——400——-s2+2s+1UUTransferFcn1——400 ~s2+100~TransferFcn—100_-s2+20s+100TransferFcn3——100 s2+10s+100TransferFcn2——100 3n皆為10Scope振蕩環(huán)節(jié)3n保持不變的單位階躍響應(yīng)曲線②無阻尼自然振蕩頻率°分別取10、20、40,取&=0.1。nStepScopeUc(1.81.61.4②無阻尼自然振蕩頻率°分別取10、20、40,取&=0.1。nStepScopeUc(1.81.61.41.210.80.60.40.200123456789 10振蕩環(huán)節(jié)&保持不變的單位階躍響應(yīng)曲線 tSimulink&保持不變的振蕩環(huán)節(jié)仿真圖關(guān)于振蕩環(huán)節(jié)的分析：由圖知在一定z值下，欠阻尼系統(tǒng)比臨界阻尼系統(tǒng)更快地達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。與z值在一定范圍內(nèi)的欠阻尼系統(tǒng)相比，過阻尼系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍，動作很緩慢，所以一般的控制系統(tǒng)大都設(shè)計成欠阻尼系統(tǒng)。此外，對于z相同而°n不同的二階系統(tǒng)，由于具有相同的振蕩模式和過調(diào)，其相對穩(wěn)定程度相同。

(6)延滯環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)：G(s)=e-TsSimulink延滯環(huán)節(jié)仿真圖Uc(t)1_T=1T=20.9T=3 step0.80.70.60.50.40.30.20.10