实验一控制系统典型环节的模拟实验.doc

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1、实验一控制系统典型环节的模拟实验一、实验目的1．掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。2．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。二、实验内容1．对表一所示各典型环节的传递函数设计相应的模拟电路(参见表二)2．测试各典型环节在单位阶跃信号作用下的输出响应。3．改变各典型环节的相关参数，观测对输出响应的影响。三、实验内容及步骤1．观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶跃响应曲线。①准备：使运放处于工作状态。将信号发生器单元U1的ST端与+5V端用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管（K30A

2、）夹断，这时运放处于工作状态。②阶跃信号的产生：电路可采用图1-1所示电路，它由“阶跃信号单元”（U3）及“给定单元”（U4）组成。具体线路形成：在U3单元中，将H1与+5V端用1号实验导线连接，H2端用1号实验导线接至U4单元的X端；在U4单元中，将Z端和GND端用1号实验导线连接，最后由插座的Y端输出信号。以后实验若再用阶跃信号时，方法同上，不再赘述。实验步骤：①按表二中的各典型环节的模拟电路图将线接好(先接比例)。(PID先不接)②将模拟电路输入端(Ui)与阶跃信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端(Uo)接至示波器。③按下按钮(或

3、松开按钮)SP时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo(t)，且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果。④同理得积分、比例积分、比例微分和惯性环节的实际响应曲线，它们的理想曲线和实际响应曲线参见表三。2．观察PID环节的响应曲线。实验步骤：①将U1单元的周期性方波信号(U1单元的ST端改为与S端用短路块短接，S11波段开关置于“方波”档，“OUT”端的输出电压即为方波信号电压，信号周期由波段开关S11和电位器W11调节，信号幅值由电位器W12调节。以信号幅值小、信号周期较长比较适宜)。②参照表二中的PID模拟电路图，按相关参数要求将PID

4、电路连接好。③将①中产生的周期性方波信号加到PID环节的输入端（Ui），用示波器观测PID输出端(Uo)，改变电路参数，重新观察并记录。四、实验思考题：1．为什么PI和PID在阶跃信号作用下，输出的终值为一常量？2．为什么PD和PID在单位阶跃信号作用下，在t=0时的输出为一有限值？实验二线性定常系统的瞬态响应和稳定性分析一、实验目的1．通过二阶、三阶系统的模拟电路实验，掌握线性定常系统动、静态性能的一般测试方法。2．研究二阶、三阶系统的参数与其动、静态性能间的关系。二、实验原理1．二阶系统图2-1为二阶系统的方块图。由图可知，系统的开环

5、传递函数相应的闭环传递函数为二阶系统闭环传递函数的标准形式为比较式①、②得：表一列出了有关二阶系统在三种情况(欠阻尼，临界阻尼、过阻尼)下具体参数的表达式，以便计算理论值。图2-2为图2-1的模拟电路，其中τ=1s，T1=0.1s，K1分别为10、5、2.5、1，即当电路中的电阻R值分别为10K、20K、40K、100K时系统相应的阻尼比ξ为0.5、、1、1.58，它们的单位阶跃响应曲线为表二所示。②模拟电路图：2．三阶系统图2—3、图2—4分别为系统的方块图和模拟电路图。由图可知，该系统的开环传递函数为：系统的闭环特征方程：S(T1+1

6、)(T2S+1)+K=0即0.051S3+0.61S2+3+K=0由Routh稳定判据可知K≈12(系统稳定的临界值)系统产生等幅振荡，K＞12，系统不稳定，K＜12，系统稳定。三、实验内容1．通过对二阶系统开环增益的调节，使系统分别呈现为欠阻尼0＜ξ＜1(R=10K，K=10),临界阻尼ξ=1(R=40K，K=2.5)和过阻尼ξ＞1(R=100K，K=1)三种状态，并用示波器记录它们的阶跃响应曲线。2．能过对二阶系统开环增益K的调节，使系统的阻尼比ξ==0.707(R=20K，K=5)，观测此时系统在阶跃信号作用下的动态性能指标：超调量

7、Mp，上升时间tp和调整时间ts。3．研究三阶系统的开环增益K或一个慢性环节时间常数T的变化对系统动态性能的影响。4．由实验确定三阶系统稳定由临界K值，并与理论计算结果进行比较。四、实验步骤准备工作：将“信号发生器单元”U1的ST端和+5V端用“短路块”短接，并使运放反馈网络上的场效应管3DJ6夹断。1．二阶系统瞬态性能的测试①按图2-2接线，并使R分别等于100K、40K、10K用于示波器，分别观测系统的阶跃的输出响应波形。②调节R，使R=20K，(此时ξ=0.707)，然后用示波器观测系统的阶跃响应曲线，并由曲线测出超调量Mp，上升时

8、间tp和调整时间ts。并将测量值与理论计算值进行比较，参数取值及响应曲线参见表一、二。2．三阶系统性能的测试①按图2-4接线，并使R=30K。②用示波器观测系统在阶跃信号作用下的输出波形。③减