反饋控制理論BWord版

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項目作業(yè)（第2周）完成人：整理為word格式整理為word格式整理為word格式完成時間：整理為word格式整理為word格式整理為word格式1.安裝Multisim軟件，建立工作目錄。借閱參考書或下載資料，列出資料目錄；綜述Multisim是什么，能做什么。解：資料目錄：NI_Circuit_Design_Suite_14_0_1_漢化破解版；NI_Circuit_Design_Suite_14_0_1.exe；Chinese-simplified；NILicenseActivator1.2。Multisim是以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。設(shè)計電路仿真方案，利用5個電阻元件驗證KVL。解：根據(jù)KVL關(guān)系得，串聯(lián)的元件我們視它為一條支路在一條支路中電流處處相等，結(jié)點(diǎn)電電流之和為0，一個回路中各處電壓之和為0.電路設(shè)計及其結(jié)果如圖2所示整理為word格式整理為word格式整理為word格式圖2五電阻構(gòu)成電路由圖中結(jié)果可得：結(jié)點(diǎn)1處電流之和I1+I2+I3=0，得出結(jié)論：結(jié)點(diǎn)處電流之和為0。同樣，在回路1中，各支路電壓U4+U5+U6=0，得出結(jié)論：回路中各處電壓之和為0。KVL定律成立。3.在Multisim中用三極管元件構(gòu)建一個如圖所示的分壓偏置共射極放大電路，[1]計算其直流工作點(diǎn)Q相關(guān)各參數(shù)和交流增益；解：通過對靜態(tài)工作點(diǎn)得計算得出下圖3-11的結(jié)果整理為word格式整理為word格式整理為word格式圖3-11靜態(tài)工作點(diǎn)的計算過程計算結(jié)果及計算過程如圖3-11所示。該電路的最小信號模型及其交流電壓增益計算如圖3-12所示圖3-12交流信號最小模型[2]設(shè)置電壓信號源10mV，頻率1kHz，用虛擬示波器測試其輸入輸出關(guān)系，描述示波器所示曲線的特征【注：包括從虛擬示波器上讀出的頻率、幅值、形狀特征等】解：通過對相關(guān)數(shù)值的設(shè)定以及相關(guān)器件值的設(shè)定，得出圖3-2所示的測量結(jié)果整理為word格式整理為word格式整理為word格式圖3-2虛擬示波器測試輸入輸出結(jié)果針對測試結(jié)果可知：輸出信號與輸入信號反向，但是輸出周期與輸入周期相同，及頻率相等；輸出幅值為500mV，其中輸入幅值為12.0mV；輸入與輸出函數(shù)均為正弦函數(shù)。測試結(jié)果與計算結(jié)果相近。4.下載閱讀不少于1份OP07的datasheet，利用運(yùn)放OP07分別構(gòu)建一個增益為+10和-10倍增益的放大電路，并驗證效果。解：OP07資料圖4-1整理為word格式整理為word格式整理為word格式圖4-1OP07相關(guān)資料通過對資料的學(xué)習(xí)即研究，我們設(shè)計的電路，以及經(jīng)過仿真實驗得到下面的結(jié)果，如圖4-2和圖4-3圖4-2+10倍增益的放大電路整理為word格式整理為word格式整理為word格式圖4-3-10倍增益的放大電路從該結(jié)果中可以明顯看出U1=V3*10，U2=V3*(-10)。5.下載閱讀不少于1份LM324的datasheet，利用LM324構(gòu)建一個加法電路，并驗證效果。解：下圖5-1為LM324相關(guān)下載資料整理為word格式整理為word格式整理為word格式圖5-1LM324相關(guān)資料通過電路設(shè)計以及對電路進(jìn)行的模擬仿真得到圖5-2的結(jié)果整理為word格式整理為word格式整理為word格式圖5-2LM324的加法電路根據(jù)實驗結(jié)果，U2=（V1+V2）*10，即得到了我們想要的加法電路。6.利用OP07構(gòu)建一個電壓跟隨器，分別測試（Vpk10mv、1kHz)、(Vpk10mv、1MHz)、(VpK1V、1kHz)·(VpklV、200kHz)這四組輸入信號的跟隨效果，描述差別。解：根據(jù)電路即仿真得到下圖結(jié)果整理為word格式整理為word格式整理為word格式圖6-1OP07電壓跟隨器10mV1kHz圖6-2OP07電壓跟隨器10mV1MHz整理為word格式整理為word格式整理為word格式圖6-3OP07電壓跟隨器1V1kHz圖6-4OP07電壓跟隨器1V200kHz圖6-1和圖6-3輸出信號還是正常的正弦信號，其他兩個實驗結(jié)果得到的輸出信號均不是正弦信號，跟隨效果失效，輸出信號失真，其中圖6-2（1MHz）得到的輸出信號嚴(yán)重與輸入信號不符，跟隨效果特別不明顯。7.設(shè)計電路仿真方案，構(gòu)建一個一階無源RC低通濾波電路，利用階躍電壓信號，驗證理整理為word格式整理為word格式整理為word格式解慣性環(huán)節(jié)的含義；變換一組R、C參數(shù)，比較與之前響應(yīng)曲線的差異。解：什么是慣性環(huán)節(jié)？如何驗證慣性環(huán)節(jié)？慣性環(huán)節(jié)的輸出一開始并不與輸入同步按比例變化，直到過渡過程結(jié)束,y(t)才能與x(t)保持比例。這就是慣性地反映。慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)就是慣性大小的量度。凡是具有慣性環(huán)節(jié)特性的實際系統(tǒng)，都具有一個存儲元件或稱容量元件，進(jìn)行物質(zhì)或能量的存儲，如電容、熱容等。由于系統(tǒng)的阻力，流入或流出存儲元件的物質(zhì)或能量不可能為無窮大，存儲量的變化必須經(jīng)過一段時間才能完成，這就是慣性存在的原因。根據(jù)電路圖設(shè)計在Multisim軟件上的仿真，得到圖7的效果圖7-1慣性環(huán)節(jié)仿真從圖中我們可以看到輸出得到了一個對數(shù)函數(shù)的曲線，前期比較平緩（慣性），后期呈現(xiàn)出直線下降的趨勢。通過對電阻和電容值的改變我們又得到一組結(jié)果如圖7-2整理為word格式整理為word格式整理為word格式圖7-2電阻電容值改變的慣性環(huán)節(jié)仿真從圖中我們可以看到，輸出信號在開始平緩的部分時間特別短暫，相對于開始一組結(jié)果，時間更加短，而且后續(xù)的下降速度也比剛才的快很多。R1的改變，對輸出結(jié)果的影響很大。設(shè)計電路仿真方案，利用運(yùn)放構(gòu)建一個反相積分器，驗證理解積分環(huán)節(jié)的含義。解：積分環(huán)節(jié)是什么？積分環(huán)節(jié)又有哪些含義？積分環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)的一類典型環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。其中:為拉普拉斯變換中的算子變量，k為一比例常數(shù).積分環(huán)節(jié)的輸出量與輸人量的時間積分值成比例，積分環(huán)節(jié)在消除控制系統(tǒng)中的靜態(tài)誤差方面極為有效，常使用在距離、轉(zhuǎn)角等物理量的精確無靜差跟蹤上.最簡單的積分環(huán)節(jié)可由一個電容充電過程來表征.實際使用時，常由寬頻帶放大器經(jīng)過電容器反饋而構(gòu)成。通過電路設(shè)計及電路仿真，得出下圖8-1的結(jié)果整理為word格式整理為word格式整理為word格式圖8-1反向積分器測試結(jié)果從圖中可以得出輸出信號先是直線上升，后緩慢下降，然而輸入信號先是直線上升，后保持不變，前期輸出直線上升可能隨輸入信號的直線上升導(dǎo)致的，后期輸入信號平緩穩(wěn)定，根據(jù)積分電路特性，輸出信號開始緩慢下降。9.設(shè)計電路仿真方案，利用運(yùn)放構(gòu)建一個無源RC高通濾波電路，驗證理解比例微分環(huán)節(jié)含義。解：比例微分是什么？又有什么含義？比例環(huán)節(jié)的特點(diǎn)是，其輸出不失真、不延遲、成比例的復(fù)現(xiàn)輸入信號的變化，即信號的傳遞沒有慣性。比例環(huán)節(jié)的微分方程為：c(t)=Kr(t)式中，K為放大倍數(shù)。對比例環(huán)節(jié)的微分方程進(jìn)行拉普拉斯變換，得：C(s)=KR(s)因此，比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：G(s)=C(s)/R(s)=K整理為word格式整理為word格式整理為word格式為了理解比例微分環(huán)節(jié)含義，設(shè)計了以下電路圖且得到仿真效果（圖9-1）圖9-1比例積分電路仿真由測試結(jié)果可知，輸出信號開始較高，后逐漸降低，但輸出信號依然是正弦形式輸出。得出比例微分環(huán)節(jié)特性。10.構(gòu)建二個LRC二階電路，通過調(diào)整仿真參數(shù)，使其輸出振蕩波形以表明其在一定條件下相當(dāng)于振蕩環(huán)節(jié)。解：根據(jù)相關(guān)電路的設(shè)計及仿真效果如圖10整理為word格式整理為word格式整理為word格式圖10LRC二階電路通過查閱資料了解到，振蕩環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)的一類典型環(huán)節(jié).振蕩環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)其中:s為拉普拉斯變換中的算子變量，T和ζ為常量，分別稱為時間常數(shù)和阻尼系數(shù).振蕩環(huán)節(jié)的輸人量發(fā)生變化時，輸出量常會呈現(xiàn)周期性變化，其頻率僅與環(huán)節(jié)有關(guān)，與信號的幅值和變化速度無關(guān).振蕩環(huán)節(jié)對應(yīng)于二階常微分方程，它具有振蕩特征的充分必要條件是ζ<1，即傳遞函數(shù)的分母多項式有虛根或共扼復(fù)數(shù)根.當(dāng)ζ<0時，振蕩環(huán)節(jié)出現(xiàn)持續(xù)以至發(fā)散的振蕩，系統(tǒng)為不穩(wěn)定.當(dāng)1>參>0時，振蕩環(huán)節(jié)相應(yīng)于衰減性振蕩，系統(tǒng)可穩(wěn)定工作，但一般希望對它的振蕩頻率、幅值和衰減速度進(jìn)行限制，以免造成不良的后果。從圖片結(jié)果可看出，輸出信號出現(xiàn)明顯振蕩效果，后漸漸趨于穩(wěn)定。11.設(shè)計電路仿真方案，證明兩個RC電路直接連接會具有負(fù)載效應(yīng)(自動控制原理，鄢景華,P26.圖2.3-3.)解：怎樣的現(xiàn)象才是具有負(fù)載效應(yīng)？負(fù)載效應(yīng)是指：僅當(dāng)由于負(fù)載的變化而引起輸出穩(wěn)定量的變化的效應(yīng)稱為負(fù)載效應(yīng)。測量系統(tǒng)和被測對象之間、測量系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)之間互相聯(lián)接必然產(chǎn)生相互作用。接入的測量裝置，構(gòu)成被測對象的負(fù)載；后接環(huán)節(jié)總是成為前面環(huán)節(jié)的負(fù)載，并對前面環(huán)節(jié)的工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。兩者總是存在著能量交換和互相影響，以致系統(tǒng)的傳遞函數(shù)不再是各組成環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的疊加（如并聯(lián)時）或相乘（如串聯(lián)時）整理為word格式整理為word格式整理為word格式。于是我們便得到圖11-1的結(jié)果圖11-1二階負(fù)載效應(yīng)電路中電容消耗了一部分的電流和電阻，消耗了電流源的功率，電容具有負(fù)載效應(yīng)。12.對門題中，電路進(jìn)行改進(jìn)，消除負(fù)載效應(yīng)，設(shè)計電路仿真方案驗證?！咀ⅲ阂缶哂型暾倪^程能夠說明問題。提示：充分應(yīng)用工具軟件，形成明顯的對比效果】解：通過上題的理解，對以消除負(fù)載效應(yīng)，我們做了如下實驗，去掉該處的電容。電路的負(fù)載效應(yīng)主要是消耗電源的功率，去除元件對電源的功率消耗就是消除負(fù)載效應(yīng)，因此去除該處的電容可以達(dá)到效果。結(jié)果如圖12-1整理為word格式整理為word格式整理為word格式圖12-1消除負(fù)載效應(yīng)從結(jié)果中我們可以看出，電流值有所增大，但是電壓值卻減小特別明顯，得到的電壓值特別小，考慮到萬用表具有自身的電阻效果，該電壓值可以忽略不記，電壓值為0，該出沒有負(fù)載效應(yīng)。利用Mindjet繪制第2章所學(xué)內(nèi)容的思維導(dǎo)圖，總結(jié)歸納知識點(diǎn)。解：第二章內(nèi)容總結(jié)如下：整理為word格式整理為word格式整理為word格式整理為word格式整理為word格式整理為word格式用Mindjet做一個本團(tuán)隊第二周運(yùn)行狀態(tài)的總結(jié)，幅面不超過1頁A4紙。解：關(guān)于本周工作總結(jié)如下：本周相比上一周給予團(tuán)隊的感覺號很多，本周大家的工作分配明確，并且大家也都學(xué)到了一些相關(guān)知識，學(xué)習(xí)的東西也并不是單一方面的，有模電及電路知識的復(fù)習(xí)，主要還是大家都對Multisim軟件有所了解了，大家都能夠上手自己連接電路，自己使用軟件仿真電路，這是我們學(xué)到的主要知識。通過本次作業(yè)的完成，我們也有深刻的體會