试验一控制系统典型环节的模拟试验.DOCVIP

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）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)(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