实验一 控制系统典型环节的模拟
一、实验目的
(1)熟悉超低频扫描示波器的使用方法。
(2)掌握用运放组成控制系统典型环节的模拟电路。
(3)测量典型环节的阶跃响应曲线。
(4)通过实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响。
二、实验所需挂件及附件
三、实验线路及原理
以运算放大器为核心元件,由其不同的R-C输入网络和反馈网络组成的各种典型环节,如图1所示。图中Z1和Z2为复数阻抗,它们都是由R、C构成。
基于图中A点的电位为虚地,略去流入运放的电流,则由图1得:
由上式可求得由下列模拟电
路组成典型环节的传递函数及其单位阶
跃响应。
(1)比例环节 图1、运放的反馈连接
比例环节的模拟电路如图2所示:
图2 比例环节
(2)惯性环节
取参考值R1=100K,R2=100K,C=1uF
图3 惯性环节
(3)积分环节
图4、积分环节
(4)比例微分环节(PD),其接线图如图及阶跃响应如图5所示。
图5 比例微分环节
(5)比例积分环节,其接线图单位阶跃响应如图6所示。
图6 比例积分环节
四、实验内容
(1)分别画出比例、惯性、积分和微分环节的模拟电路图。
(2)按下列各典型环节的传递函数,调节相应的模拟电路的参数,观察并记录其单位阶跃响应波形。
①比例环节 G1(S)=1和G2(S)=2
②积分环节 G1(S)=1/S和G2(S)=1/(0.5S)
③比例微分环节 G1(S)=2+S和G2(S)=1+2S
④惯性环节 G1(S)=1/(S+1)和G2(S)=1/(0.5S+1)
⑤比例积分环节(PI)G(S)=1+1/S和G(S)=2(1+1/2S)
五、思考题
(1)用运放模拟典型环节时,其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出的?
(2)积分环节和惯性环节主要差别是什么?在什么条件下,惯性环节可以近似地视为积分环节?在什么条件下,又可以视为比例环节?
(3)如何根据阶跃响应的波形,确定积分环节和惯性环节的时间常数?
六、实验报告
(1)画出五种典型环节的实验电路图,并注明相应的参数。
(2)画出各典型环节的单位阶跃响应波形,并分析参数对响应曲线的影响。
(3)写出实验的心得与体会。
实验二 二阶系统的瞬态响应分析
一、实验目的
(1)熟悉二阶模拟系统的组成。
(2)研究二阶系统分别工作在ξ=1, 0<ξ <1, 和ζ > 1三种状态下的单位阶跃响应。
(3)增益K对二阶系统单位阶跃响应的超调量σ%、峰值时间tp和调整时间ts。
二、实验所需挂件及附件
三、实验线路及原理
图1 二阶系统的模拟电路
改变电阻R1的值,从而得到过阻尼(ξ>1)、临界阻尼(ξ=1)和欠阻尼(0<ξ<1)三种情况下的阶跃响应曲线。
图2 0 <ξ< 1时的阶跃响应曲线
图3 ξ≥1时的阶跃响应曲线
四、思考题
(1)如果阶跃输入信号的幅值过大,会在实验中产生什么后果?
(2)在电子模拟系统中,如何实现负反馈和单位负反馈?
(3)试根据模拟电路推导K(开环增益)、ξ与系统参数的关系表达式。
五、实验方法
(1)根据图1,调节相应的参数;
(2)令ui(t)=1V,在示波器上观察不同K时的单位阶跃响应的波形;
六、实验报告
(1)画出二阶系统在不同K(开环增益)值下的瞬态响应曲线,并注明时间坐标轴。
(2)写出本实验的心得与体会。
第二篇:实验一 典型环节的模拟
实验一 典型环节的模拟
一、实验目的
(1)学习典型线性环节的模拟方法
(2)研究电阻和电容对典型线性环节阶跃响应的影响
二、实验设备
(1)XMN-2型学习机;
(2)CAE-USE辅助实验系统
(3)万用表
(4)计算机
三、实验内容
(1)比例环节;
(2)积分环节;
(3)比例积分环节;
(4)比例微分环节;
(5)比例积分微分环节;
(6)一阶惯性环节。
四、实验步骤
(1)模拟比例环节:按照图1-1给出的电路图将连线接通,并按参数选择元件,检查后开始进入采集数据。
参数:Rf=510KΩ;Ri=1MΩ。(提示:Kp=0.51)
(2)积分环节:按照图1-2给出的电路接好线路,并按提示参数选择元件,检查后采集数据。
参数选择:Ri=1MΩ;Cf=1μF。(提示:Ti=1)
图1-1 比例环节接线示意图 图1-2 积分环节接线示意图
(3)比例积分环节:请按照图1-3所给电路图将红色线路接通,并按提供参数选择元件,检查确认后,采集数据。
图1-3 比例积分环节接线示意图 图1-4 比例微分环节接线示意图
参数选择:Rf=1MΩ;Ri=1MΩ;Cf=4.7μF。(提示:Kp=1;Ti=4.7)
(4)比例微分环节:请按图1-4所给电路将或红色线路接通,并按提供参数选择元件,检查后确认,采集数据。
参数选择:R1=R2=Ri=Rf=1MΩ;C=2μF。(提示:Kp=2;Td=3;Tf=2)
(5)比例积分微分环节:请按图1-5所给电路将红色线路接通,并按提供参数选择元件,检查后确认,采集数据。
图1-5 比例积分微分环节接线示意图 图1-6 一阶惯性环节接线示意图
参数选择:Rf=R1=R2=1MΩ;Ri=4MΩ;Cf=C=4.7μF。
(提示:Kp=1;Ti=18.8;Td=3.525;Tf=4.7)
一阶惯性环节:请按图1-6所给电路将红色线路接通,并按提供参数选择元件,检查后确认,采集数据。
参数选择:Rf=Ri=1MΩ;Cf=1μF。(提示:K=1;T=1)
五、数据采集及处理
六、实验报告
1、计算出各典型环节的传递函数
2、画出实验所测量的积分环节、比例积分环节、比例积分微分环节和惯性环节的阶跃响应曲线,并在曲线上标出其相应的时间常数。
七、实验结果参考