微机和自动控制原理实验指导1703.docVIP

微机与自动控制原理 实 验 指 导 书 江南大学 继续教育与网络教育学院 二0一二年三月 实验一 典型环节的模拟研究 一、实验目的 了解并掌握TAP-2教学实验系统模拟电路的使用方法，掌握典型环节模拟电路的构成方法，培养学生实验技能。 熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。 了解参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、实验要求 观察各种典型环节的阶跃响应曲线。 观察参数变化对典型环节阶跃响应的影响。 三、实验仪器 超低频示波器一台 直流稳压电源（15V）一台 万用表一块 四、实验原理和电路 本实验是利用运算放大器的基本特性（开环增益高，输入阻抗达，输出阻抗小等），设置不同的反馈网络来模拟各种典型环节。 典型环节方块图及其模拟电路如下： 比例（P）环节。其方块图如图1-1A所示 （1-1） 比例环节的模拟电路图如图1-1B所示，其传递函数为： （1-2） 比较式（1-1）和（1-2）得 （1-3） 当输入为单位阶跃信号，即时，，则由式（1-1）得到 所以输出响应为 （1-4） 其输出波形如图1-1C。 2．积分（I）环节。其方块图如图1-2A所示。 其传递函数为 （1-5） 积分环节的模拟电路如图1-2B所示。 积分环节模拟电路的传递函数为 （1-6） 比较式（1-5）和（1-6）得 （1-7） 当输入为单位阶跃信号，即即时，，则由式（1-5）得到 所以输出响应为 （1-8） 其输出波形如图1-2C 比例积分（PI）环节。其方块图如图1-3A所示。 其传递函数为： （1-9） 积分环节的模拟电路如图1-3B所示。 积分环节模拟电路的传递函数为: （1-10） 比较式（1-9）和（1-10）得 （1-11） 当输入为单位阶跃信号，即即时，，则由式（1-5）得到 所以输出响应为 （1-12） 其输出波形如图1-3C 比例微分（PD）环节。其方块图如图1-4A所示。 其传递函数为 （1-13） 比例微分环节的模拟电路如图1-4B所示。 其传递函数为: （1-14） 考虑到，所以 （1-15） 比较式（1-13）和（1-15）得 （1-16） 当输入为单位阶跃信号，即即时，，则由式（1-5）得到 所以输出响应为 （1-17） 其中为单位脉冲函数。 式（1-17）为理想的比例微分环节的输出响应，考虑到比例微分环节的实际模拟电路（式（1-14），则实际的输出响应为： （1-18） 图1-4C和图1-4D分别式比例微分环节的理想输出波形和实际输出波形。 惯性（T）环节。其方块图如图1-5A所示。 其传递函数为 （1-19） 比例微分环节的模拟电路如图1-5B所示。 其传递函数为: （1-20） 比较式（1-13）和（1-15）得 （1-21） 当输入为单位阶跃信号，即即时，，则由式（1-19）得到 所以输出响应为 （1-22） 其输出波形如图1-5C。 6. 比例积分微分（PID）环节。其方块图如图1-6A所示。 其传递函数为 （1-23） 比例积分环节的模拟电路如图1-6B所示。 积分环节模拟电路的传递函数为: （1-24） 考虑到，则式（1-24）可以近似为： （1-25） 比较式（1-23）和（1-25）得 （1-26） 当输入为单位阶跃信号，即即时，，则由式（1-23）得到 所以输出响应为 （1-27） 其中为单位脉冲函数。 式（1-27）为理想的比例积分微分环节的输出响应，考虑到比例积分微分环节的实际模拟电路（式（1-24）），则实际输出响应为： （1-28） 图1-6C为理想PID输出波形，图1-6D为实际PID模拟电路的输出波形。 五、实验内容与步骤 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。（选用第一组阻容参数）。 准备： 首先检测阶跃信号是否正常。阶跃信号电路如图1-7所示。按照图示电路连接好线路，用示波器观察到阶跃信号。 步骤： 按图1-1B接线 将模拟电路输入端()与图1-7的Y端相联接；输出端接示波器 按下复位按钮时，用示波器观测输出端的响应曲线，且记录。 分别按照图1-2B,图1-3B，图1-4B，图1-5B，图1-6B连接电路，重复步骤（2）（3）。 改变参数（换接第二组参数），重新观察数据并纪录。 六、实验报告要求 1．实验前选定典型换接模拟电路的元件（电阻，电容）参数各两组，并推导换接传递函数参数与模拟电路电阻，电容值的关系以及画出理想阶跃响应曲线。 2．实验观测记录。 3．实验结果分析、讨论和建议。 七、思考题