實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)

實(shí)驗(yàn)一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)預(yù)習(xí)要求閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)第一、二章，了解自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱的構(gòu)成及使用方法。復(fù)習(xí)運(yùn)算放大器的功能及特性（開(kāi)環(huán)增益高、輸入阻抗大、輸出阻抗?。╊A(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理部分，了解模擬實(shí)驗(yàn)的基本原理。根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的各典型環(huán)節(jié)模擬電路，算出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆湛刂颇M實(shí)驗(yàn)的基本原理和一般方法。學(xué)習(xí)構(gòu)成控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的模擬電路，了解電路參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)特性的影響。學(xué)習(xí)典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)的測(cè)量方法，并學(xué)會(huì)由階躍響應(yīng)曲線(xiàn)計(jì)算典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備DICE-AT2型自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)計(jì)算機(jī)一臺(tái)RS232串口線(xiàn)實(shí)驗(yàn)原理模擬實(shí)驗(yàn)的基本原理控制系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)采用復(fù)合網(wǎng)絡(luò)法來(lái)模擬各種典型環(huán)節(jié)，即利用運(yùn)算放大器組成不同的輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)模擬各種典型環(huán)節(jié)，然后按照給定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖將這些模擬環(huán)節(jié)連接起來(lái)，便得到了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)，再將輸入信號(hào)加到模擬系統(tǒng)的輸入端，并利用計(jì)算機(jī)等測(cè)量?jī)x器，測(cè)量系統(tǒng)的輸出，便可得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)及性能指標(biāo)。若改變系統(tǒng)的參數(shù)，還可進(jìn)一步分析研究參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。各典型環(huán)節(jié)的方塊圖及傳遞函數(shù)各典型環(huán)節(jié)的模擬電路圖及輸入響應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟各典型環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)連線(xiàn)比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)運(yùn)放按模擬電路圖依次使用運(yùn)放單元U4，U8構(gòu)建，在U4中分別選取R1=100K和R1=200K進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。慣性環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)運(yùn)放依次使用運(yùn)放單元U4，U8構(gòu)建，選取R1=100K，并在U4中分別選取電容C=1uF和C=2uF進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（電容值為C=2uF時(shí)，在電容排使用兩個(gè)1uF電容并聯(lián)即可）。積分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)運(yùn)放依次使用運(yùn)放單元U4，U8構(gòu)建，在U4中分別選取電容C=1uF和C=2uF進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在做該實(shí)驗(yàn)時(shí)很容易積分飽和，所以有時(shí)需要放電。比例積分環(huán)節(jié)比例積分環(huán)節(jié)運(yùn)放依次使用運(yùn)放單元U4，U8構(gòu)建，在U4中通過(guò)電阻R1后，使用“短路套線(xiàn)”，將U5中的1uF的電容與U4中取到的R1支路串接在一起（如下圖所示），并分別選取電容C=1uF和C=2uF進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（電容值為C=2uF時(shí)，在電容排使用兩個(gè)1uF電容并聯(lián)即可，在U5中“短路套線(xiàn)”下面加個(gè)“短路塊”）。比例微分環(huán)節(jié)比例微分環(huán)節(jié)運(yùn)放依次使用運(yùn)放單元U3、U6、U8構(gòu)建，在U3中選取的R1，在U6中的選取電阻和電容作為R2、R3和C，通過(guò)“短路套線(xiàn)”將U3與U6中的兩部分連接在一起，并與U8的IN端相連接，模擬電路的輸出端（Uo）為U8的OUT端。分別選取R1=10K和R1=20K進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。PID環(huán)節(jié)比例微分積分環(huán)節(jié)運(yùn)放依次使用運(yùn)放單元U3、U4、U6、U8構(gòu)建，在U3中選取的R1，在U4中選取一個(gè)電容C，在U6中的選取電阻和電容作為R2、R3和C，通過(guò)“短路套線(xiàn)”將U3、U4與U6中的部分連接在一起，并與U8的IN端相連接，模擬電路的輸出端（Uo）為U8的OUT端。分別選取R1=10K和R1=20K進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。觀測(cè)比例、積分、比例積分、比例微分和慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。階躍信號(hào)的產(chǎn)生將信號(hào)源單元（U1）的ST端（插針）與＋5V端（插針）用“短路塊”短接，使模擬電路中的場(chǎng)效應(yīng)管（3DJ6）夾斷，這時(shí)運(yùn)放處于工作狀態(tài)?？刹捎脠D1-1所示電路，它由“單脈沖單元”（U12SP）及“電位器單元”（U11P）組成。圖1-1具體線(xiàn)路形成：在U12SP單元中，將Hl與+5V插針用“短路塊”短接，H2插針用排線(xiàn)接至Ul1P單元的X插針；在Ul1P單元中，將Z插針和GND插針用“短路塊”短接，最后由插座的Y端輸出信號(hào)。以后實(shí)驗(yàn)若再用到階躍信號(hào)時(shí)，方法同上，不再贅述。實(shí)驗(yàn)步驟分別按各典型環(huán)節(jié)的模擬電路圖將線(xiàn)接好（先按比例，PID先不接）。將模擬電路輸入端（Ui）與階躍信號(hào)的輸出端Y相連接；模擬電路的輸出端（Uo）接至示波器單元（U22)的CH1或CH2。試驗(yàn)箱通過(guò)串口線(xiàn)連接至電腦，運(yùn)行計(jì)算機(jī)上的DICE計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)軟件。根據(jù)選擇的CH1或CH2選擇串口COM1或COM2。測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常，通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。打開(kāi)示波器窗口，如下圖所示。打開(kāi)試驗(yàn)箱電源，按下按鈕（或松開(kāi)按鈕）SP時(shí)，用示波器觀測(cè)輸出端的實(shí)際響應(yīng)曲線(xiàn)U(t)，并將結(jié)果記下。改變比例參數(shù)，重新觀測(cè)結(jié)果。同理得出積分、比例積分、比例微分和慣牲環(huán)節(jié)的實(shí)際響應(yīng)曲線(xiàn)，它們的理想曲線(xiàn)和實(shí)際響應(yīng)曲線(xiàn)見(jiàn)表1-1。觀測(cè)PID環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線(xiàn)。此時(shí)模擬電路的輸入端（Ui）采用U1信號(hào)源單元產(chǎn)生的周期性方波信號(hào)。Ul信號(hào)源單元的ST的插針改為與S插針用“短路塊”短接，S11波段開(kāi)關(guān)置于“方波”檔，“OUT”端的輸出電壓即為階躍信號(hào)電壓，信號(hào)周期由波段開(kāi)關(guān)S12和電位器W11調(diào)節(jié)，信號(hào)幅值由電位器W12調(diào)節(jié)。以信號(hào)幅值小、信號(hào)周期較長(zhǎng)比較適宜）。參照PID模擬電路圖，將PID環(huán)節(jié)搭接好。將步驟1中產(chǎn)生的周期性方波信號(hào)加到PID環(huán)節(jié)的輸入端（Ui），用示波器觀測(cè)PID模擬電路的輸出端（Uo），改變電路參數(shù)，重新觀察并記錄。實(shí)驗(yàn)報(bào)告根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄畫(huà)出各典型環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線(xiàn)，標(biāo)明輸入信號(hào)的幅值、輸出響應(yīng)曲線(xiàn)的時(shí)間和幅值信息，分析參數(shù)變化對(duì)響應(yīng)曲線(xiàn)的影響。由階躍響應(yīng)曲線(xiàn)計(jì)算出慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并與由電路計(jì)算的理論結(jié)果相比較。慣性環(huán)節(jié)的