自动控制原理实验报告实验一二三分析文档格式.docx

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2013年12月15日

典型环节的模拟研究

一.实验目的

1．了解和掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式

2．观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响

二．实验内容及步骤

观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响.。

改变被测环节的各项电路参数，画出模拟电路图，阶跃响应曲线，观测结果，填入实验报告

运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。

具体用法参见用户手册中的示波器部分

1）．观察比例环节的阶跃响应曲线

典型比例环节模拟电路如图3-1-1所示。

图3-1-1典型比例环节模拟电路

传递函数：

；

单位阶跃响应：

实验步骤：

注：

‘SST’用短路套短接！

（1）将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），作为系统的信号输入（Ui）；

该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。

①在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波’（矩形波指示灯亮）。

②量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度＞1秒（D1单元左显示）。

③调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=4V（D1单元‘右显示）。

（2）构造模拟电路：

按图3-1-1安置短路套及测孔联线，表如下。

（a）安置短路套（b）测孔联线

模块号

跨接座号

1

A5

S4，S12

2

B5

‘S-ST’

信号输入（Ui）

B5（OUT）→A5（H1）

示波器联接

×

1档

A5（OUTB）→B3（CH1）

3

B5（OUT）→B3（CH2）

（3）运行、观察、记录：

打开虚拟示波器的界面，点击开始，按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮（0→+4V阶跃），观测A5B输出端（Uo）的实际响应曲线。

示波器的截图详见虚拟示波器的使用。

实验报告要求：

按下表改变图3-1-1所示的被测系统比例系数，观测结果，填入实验报告。

R0

R1

输入Ui

比例系数K

计算值

测量值

200K

100K

4V

0.5

0.5273

50K

2V

1V

4

4.023

R0=200KR1=100KUi=4V

R0=50KR1=200KUi=1V

2）．观察惯性环节的阶跃响应曲线

典型惯性环节模拟电路如图3-1-2所示。

图3-1-2典型惯性环节模拟电路

①在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。

③调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=4V（D1单元右显示）。

按图3-1-4安置短路套及测孔联线，表如下。

S4，S6，S10

打开虚拟示波器的界面，点击开始，

按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮时（0→+4V阶跃），观测A5B输出端（Uo）响应曲线，等待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到输出稳态值×

0.632处，得到与输出曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到输出曲线的交点，量得惯性环节模拟电路时间常数T。

将被测系统时间常数及比例系数，观测结果，填入实验报告。

C

惯性常数T

1u

1.0225

0.2

0.190

2u

0.4

0.1

4.0230

0.200

R0=200KR1=200KC=1uUi=4V

R0=50KR1=200KC=1uUi=1V

3）．观察积分环节的阶跃响应曲线

典型积分环节模拟电路如图3-1-3所示。

图3-1-3典型积分环节模拟电路

（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（Ui）；

③调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=1V（D1单元右显示）。

按图3-1-3安置短路套及测孔联线，表如下。

S4，S10

打开虚拟示波器的界面，点击开始，观测A5B输出端（Uo）响应曲线，等待完整波形出来后，点击停止，移动虚拟示波器横游标到0V处，再移动另一根横游标到ΔV=1V（与输入相等）处，得到与输出曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到输出曲线的交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。

按下表改变图3-1-3所示的被测系统时间常数，观测结果，填入实验报告。

积分常数Ti

0.210

0.110

R0=200KC=1uUi=1V

R0=100KC=1uUi=1V

4）．观察比例积分环节的阶跃响应曲线

典型比例积分环节模拟电路如图3-1-4所示.。

图3-1-4典型比例积分环节模拟电路

该信号为零输出时将自动对模拟电路锁零。

②量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度＞1秒（D1单元左显示）。

③调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=1V（D1单元右显示）。

S4，S8

打开虚拟示波器的界面，点击开始，观测A5B输出端（Uo）响应曲线，等待完整波形出来后，点击停止。

移动虚拟示波器横游标到输入电压×

比例系数K处，再移动另一根横游标到（输入电压×

比例系数K＋输入电压）处，得到与积分曲线的两个交点。

再分别移动示波器两根纵游标到积分曲线的两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。

0.210

R0=200KR1=200KC=1uUi=1V

R0=100KR1=200KC=1uUi=1V

三．实验分析

必须说明的是，此虚拟示波器采用双迹示波器，即分别通过CH1和CH2采集。

输出两条轨迹线，即绿色和蓝色。

CH1采集的是输出信号，CH2采集的是输入信号。

实验分析：

1.对于比例环节的阶跃响应曲线，从图上可以看出，改变比例系数，就是改变了输入信号的电压幅度，即：

输入信号阶跃的幅度与比例系数成正比变化。

比例系数为0.5时，输出信号的电压幅度是输入信号的0.5倍；

比例系数为1时，输出信号不变，即原信号输出；

比例系数为2时，输出信号的电压幅度是输入信号的2倍；

比例系数为4时，输出信号的电压幅度是输入信号的四倍。

2.对于惯性环节的阶跃响应曲线，从图上能看出，惯性系数越大，到达稳态的时间越长。

也就可以理解惯性环节的作用了。

给系统加入惯性环节，目的就是加长它到稳态的时间，有延迟的作用。

惯性环节的阶跃响应曲线的电压幅度也和比例系数成正比关系，并且上升的高度绝不会超过稳态值。

3.对于积分环节的阶跃响应曲线，从实验波形图可以观察出积分常数越大，信号的斜率越小，信号从0态到1态所用的时间越长。

积分环节也可用来延迟信号，只是与惯性环节不同，积分环节的阶跃响应曲线是一条斜率一定的直线。

4.对于比例积分环节的阶跃响应曲线，从四张图比较可得到以下结论，①比例系数K的变化导致阶跃信号零点的变化。

根据波形图，具体变化是，比例系数K为1时，零点上升到1V，比例系数为2时零点，零点上升到2V。

②积分常数的变化导致阶跃信号斜率的变化，根据波形图，具体变化是，积分系数越大，阶跃信号斜率越小。

当阶跃曲线上到5V就保持稳定了，否则持续上升直到完成一个阶跃周期。

二阶系统瞬态响应和稳定性

一．实验目的

1、了解和掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法及Ⅰ型二阶闭环系统的传递函数标准式。

2、研究Ⅰ型二阶闭环系统的结构参数--无阻尼振荡频率ωn、阻尼比ξ对过渡过程的影响。

3、掌握欠阻尼Ⅰ型二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标Mp、tp、ts的计算。

4、观察和分析Ⅰ型二阶闭环系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼的瞬态响应曲线，及在阶跃信号输入时的动态性能指标Mp、tp、ts值，并与理论计算值作比对。

二、实验