姓名: 學號:
一、 實驗名稱:
典型環節的電路模擬
二、 實驗目的:
1.熟悉「thbdc-1」型訊號與系統控制理論·計算機控制技術實驗平台及上位機軟體的使用;
2. 熟悉各典型環節的階躍響應特性及其電路模擬;
3. 測量各典型環節的階躍響應曲線,並了解引數變化對其動態特性的影響。
三、實驗裝置:
1.「thbdc-1」型控制理論·計算機控制技術實驗平台;
2. pc機一台(含上位機軟體)、usb資料採集卡、37針通訊線1根、16芯資料排線、usb介面線;
3. 雙蹤慢掃瞄示波器一台(可選);
四、實驗內容:
1. 設計並組建各典型環節的模擬電路;
2. 測量各典型環節的階躍響應,並研究引數變化對其輸出響應的影響;
五、實驗步驟及結果:
自控系統是由比例、積分、微分、慣性等環節按一定的關係組建而成。熟悉這些典型環節的結構及其對階躍輸入的響應,將對系統的設計和分析是十分有益的。
本實驗中的典型環節都是以運放為核心元件構成,其原理框圖如圖1-1所示。
圖中z1和z2表示由r、c構成的複數阻抗。
1. 比例(p)環節圖1-1
比例環節的特點是輸出不失真、不延遲、成比例地復現輸出訊號的變化。它的傳遞函式與方框圖分別為:
根據比例環節的方框圖,選擇實驗台上的通用電路單元設計並組建相應的模擬電路,如下圖所示:
圖中後乙個單元為反相器,其中r0=200k。
1)若比例係數k=1時,電路中的引數取:r1=100k,r2=100k。單位階躍響應曲線如下:
2)若比例係數k=2時,電路中的引數取:r1=100k,r2=200k。單位階躍響應曲線如下:
2. 積分(i)環節
積分環節的輸出量與其輸入量對時間的積分成正比。它的傳遞函式與方框圖分別為:
根據積分環節的方框圖,選擇實驗台上的通用電路單元設計並組建相應的模擬電路,如下圖所示:
圖中後乙個單元為反相器,其中r0=200k。
1) 若積分時間常數t=1s時,電路中的引數取:r=100k,c=10uf(t=rc=100k×10uf=1),單位階躍響應曲線如下:
2)若積分時間常數t=0.1s時,電路中的引數取:r=100k,c=1uf(t=rc=100k×1uf=0.1),單位階躍響應曲線如下:
3. 比例積分(pi)環節
比例積分環節的傳遞函式與方框圖分別為:
其中t=r2c,k=r2/r1
根據比例積分環節的方框圖,選擇實驗台上的通用電路單元設計並組建相應的模擬電路,如下圖所示:
圖中後乙個單元為反相器,其中r0=200k。
1) 若取比例係數k=1、積分時間常數t=1s時,電路中的引數取:r1=100k,r2=100k,c=10uf(k= r2/ r1=1,t=r1c=100k×10uf=1),單位階躍響應曲線如下:
2)若取比例係數k=1、積分時間常數t=0.1s時,電路中的引數取:r1=100k,r2=100k,c=1uf(k= r2/ r1=1,t=r1c=100k×1uf=0.
1s)。其單位階躍響應曲線如下:
4. 比例微分(pd)環節
比例微分環節的傳遞函式與方框圖分別為:
其中根據比例微分環節的方框圖,選擇實驗台上的通用電路單元設計並組建其模擬電路,如下圖所示:
圖中後乙個單元為反相器,其中r0=200k。
1) 若比例係數k=1、微分時間常數t=1s時,電路中的引數取:r1=100k,r2=100k,c=10uf(k= r2/ r1=1,t=r1c=100k×10uf=1s)。其單位階躍響應曲線如下:
2)若比例係數k=0.5、微分時間常數t=1s時,電路中的引數取:r1=200k,r2=100k,c=10uf(k= r2/ r1=0.
5,t=r1c=100k×10uf=1s)。其單位階躍響應曲線如下:
5. 慣性環節
慣性環節的傳遞函式與方框圖分別為:
根據慣性環節的方框圖,選擇實驗台上的通用電路單元設計並組建其相應的模擬電路,如下圖所示:
圖中後乙個單元為反相器,其中r0=200k。
1)若比例係數k=1、時間常數t=1s時,電路中的引數取:r1=100k,r2=100k,c=10uf(k= r2/ r1=1,t=r2c=100k×10uf=1)。其單位階躍響應曲線如下:
2)若比例係數k=1、時間常數t=2s時,電路中的引數取:r1=100k,r2=200k,c=10uf(k= r2/ r1=2,t=r2c=200k×10uf=2)。其單位階躍響應曲線如下:
六、實驗結果分析:
1.比例環節:
由影象可知,當r2由100k變為200k(即比例係數由k=1變為k=2)時,輸出訊號變成原來的兩倍。
2.積分環節:
由影象可知,當c由10uf變為1uf(即積分時間常數由t=1s變為t=0.1s)時,輸出訊號上公升速率變快(即影象的斜率變大)。
3.比例積分環節:
由影象可知,當c由10uf變為1uf(即積分時間常數由t=1s變為t=0.1s)時,輸出訊號上公升速率變快(即影象的斜率變大)。
4.比例微分環節:
由影象可知,當r1由100k變為200k(即比例係數由k=1變為k=0.5)時,輸出訊號變小。
5.慣性環節:
由影象可知,當r2由100k變為200k(即時間常數由t=1s變為t=2s)時,輸出訊號上公升速率減慢,達到穩定時,輸出訊號的穩態值也變大。
七、實驗注意事項:
1. 為了更好的觀測實驗曲線,實驗時可適當調節軟體上的分頻係數(一般調至刻度「2」處);
2. 當實驗電路中有積分環節時,實驗前一定要用鎖零單元進行鎖零,實驗時要退去鎖零。
3. 在比例積分環節中,通過改變r2、r1、c的值可改變比例積分環節的放大係數k和積分時間常數t。
4. 在慣性環節中,通過改變r2、r1、c的值可改變慣性環節的放大係數k和時間常數t。
八、實驗心得:
1. 用運放模擬典型環節時,其傳遞函式是在什麼假設條件下近似匯出的?
答:(1)假定運放具有理想特性,即滿足「虛短」「虛斷」特性;(2)運放的靜態量為零,個輸入量、輸出量和反饋量都可以用瞬時值表示其動態變化。
2.積分環節和慣性環節主要差別是什麼?在什麼條件下,慣性環節可以近似地視為積分環節?而又在什麼條件下,慣性環節可以近似地視為比例環節?
答:慣性環節的特點是,當輸入x(t)作階躍變化時,輸出y(t)不能立刻達到穩態值,瞬態輸出以指數規律變化。而積分環節,當輸入為單位階躍訊號時,輸出為輸入對時間的積分,輸出y(t)隨時間呈直線增長。
當t趨於無窮大時,慣性環節可以近似地視為積分環節,當t趨於0時,慣性環節可以近似地視為比例環節。
3. 為什麼實驗中實際曲線與理論曲線有一定誤差?
答:實驗使用的裝置中的電器元件本身就受到干擾,對實驗曲線有影響,故有誤差。
自動控制實驗是《熱工過程自動控制原理》這門課程的實踐性學習的乙個部分。自控實驗是將書本上理論抽象的知識轉變為影象等具體的表現,既提高了我們的動手操作能力,又鞏固了這門課的理論知識。
這次實驗,我們主要熟悉了比例、積分、微分、慣性環節的階躍響應特性及其電路模擬;動手測量了各典型環節的階躍響應曲線,並從影象中了解了引數變化對其動態特性的影響。我們在這次實驗中學習了這些基本環節及其的一些簡單組合,對我們在自動控制課程中學習複雜的系統有很大的幫助。
系統動態特性的基本表達方式是微分方程,傳遞函式是常係數線性微分方程的一種表達形式。脈衝響應函式和階躍響應函式也是系統動態特性的表達方式。由本次實驗可知,用階躍響應曲線表示系統的動態特性比較形象,它也是了解和測試系統動態特性的一種常用方法。
自控實驗報告
自動控制原理實驗報告 姓名林澤斌 學號201203870308 指導教師何能通 專業班級自動化1203班 學院資訊工程學院 提交日期 2014年12月15 一 實驗目的 1.掌握瞬態效能指標的測試技能。2.掌握引數對系統瞬態效能及穩定性的影響。3.了解和觀測校正裝置對系統穩定性及瞬態特性的影響。二 ...
自控實驗報告參考
東南大學自動化學院 實驗報告 課程名稱 自動控制基礎 實驗名稱自動控制大型實驗 院 系 自動化學院專業 自動化 姓名 顧李晶學號 08007326 實驗室實驗組別 同組人員 陳慧 魯翔實驗時間 2010 年 6 月 14 日 評定成績審閱教師 目錄一 設計內容頁碼 二 熟悉環境頁碼 三 建立傳遞函式...
自控原理實驗報告
第六次實驗 實驗六 二階閉環系統的頻率特性曲線 一 實驗目的 1 了解和掌握i型二階閉環系統中的對數幅頻特性的計算。2 了解和掌握欠阻尼i型二階閉環系統中的自然頻率 阻尼比對諧振頻率和諧振峰值的影響,及和的計算。3 了解和掌握i型二階閉環系統對數幅頻曲線的構造及繪製方法。二 實驗要求 在實驗箱上按照...