1 实验一 典型环节仿真研究.docx
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1实验一典型环节仿真研究
实验一典型环节仿真研究
一、实验目的:
1.熟悉MATLAB桌面和命令窗口,初步了解SIMULINK功能模块的使用方法。
2.通过实验熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线、斜坡响应曲线,传递函数及其特性。
3.研究分析参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、Simulink的使用
●熟悉软件界面
1.Currentdirectory当前目录
新建:
右键-new-M-file【matlab文件】→Modle【simulink文件】--Folder【文件夹】
2.workspace工程空间【作用:
暂时存放整个过程中生成的变量或者结果。
重启后无数据。
】
3.commandhistory命令历史
4.commandwindow命令窗口【作用:
写入命令】
5.simulink仿真【地点:
第二行、工具栏中的
图标】
●操作步骤
1.点击桌面上MATLAB图标;
2.进入【Currentdirectory当前目录】窗口→新建Modle文件【空白处右键-new-Modle文件】
→双击打开【Modle】窗口;
3.点击【simulink仿真】按钮→出现【SimulinkLibraryBrowser】窗口;
4.参照实验原理图,用鼠标将【SimulinkLibraryBrowser】窗口的模块拖入【Untitled】窗口;
(1)输入信号R
【SimulinkLibraryBrowser】窗口→【Simulink】工具箱→【Sources】模块→选择输入信号(step阶跃信号)→拖入【Untitled】窗口
设置方法:
【Untitled】窗口→双击【step】模块→出现属性对话框
→设置【steptime】阶跃起始时间,【initialvalues】初始值和【stepvalues】阶跃值
(2)传递函数G
【SimulinkLibraryBrowser】窗口→【Simulink】工具箱→【Continuous】模块→【TransferFcn】传递函数→拖入【Untitled】窗口
设置方法:
【Untitled】窗口→双击【step】模块→出现属性对话框
→设置传递函数的分子【numerator】、分母【denominator】多项式的系数
(3)输出信号C
【SimulinkLibraryBrowser】窗口→【Simulink】工具箱→【Sinks】模块→【Scope】示波器
→拖入【Untitled】窗口
设置方法:
【Untitled】窗口→双击【step】模块→出现属性对话框
→设置【HorizontalRange】水平范围、【VerticalRange】垂直范围
(4)其他模块:
【Mux】多路转换器模块、Gain】放大模块、【Sum】求和模块
5.模块连接
将光标移到一个模块的输出端(>)按下鼠标左键拖动鼠标到另一个模块的输入端(>),松开鼠标左键就可以完成两个模块的连接
6.仿真
(1)【Untitled】窗口→【Simulation】菜单→【Start】按钮→开始仿真→点击示波器观察图像
(2)【Untitled】窗口→工具栏中
图标→开始仿真→点击示波器观察图像
三、实验原理
1.比例环节的传递函数为
其对应的模拟电路及SIMULINK图形如下图1-1所示。
2.惯性环节的传递函数为
其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-2所示。
3.积分环节(I)的传递函数为
其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-3所示。
4.微分环节(D)的传递函数为
其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-4所示。
5.比例+微分环节(PD)的传递函数为
其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-5所示。
6.比例+积分环节(PI)的传递函数为
其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-6所示。
四、实验内容
按下列各典型环节的传递函数,建立相应的SIMULINK仿真模型,观察并记录其单位阶跃响应波形。
1.比例环节(P)阶跃相应曲线
传递函数:
G(S)=-R2/R1=KK为比例系数
1)R1=100KΩ,R2=100KΩ;特征参数实际值:
K=-1.
2)R1=100KΩ,R2=200KΩ;即K=-2.
〖分析〗:
经软件仿真,比例环节中的输出为常数比例增益K;比例环节的特性参数也为K,表征比例环节的输出量能够无失真、无滞后地按比例复现输入量。
2.惯性环节(T)阶跃相应曲线
传递函数:
G(S)=-K/(TS+l)K=R2/R1,T=R2C
说明:
特征参数为比例增益K和惯性时间常数T。
1)R2=R1=100KΩ,C=1µF;特征参数实际值:
K=-1,T=0.1。
2)R2=R1=100KΩ,C=0.1µF;特征参数实际值:
K=-1,T=0.01。
〖分析〗:
惯性环节的阶跃相应是非周期的指数函数,当t=T时,输出量为0.632K,当t=3~4T时,输出量才接近稳态值。
比例增益K表征环节输出的放大能力,惯性时间常数T表征环节惯性的大小,T越大表示惯性越大,延迟的时间越长,反之亦然。
3.积分环节(I)阶跃相应曲线
传递函数:
G(S)=-l/TS,T=RC
说明:
特征参数为积分时间常数T。
1)R=100KΩ,C=1µF;特征参数实际值:
T=0.1。
2)R=100KΩ,C=0.1µF;特征参数实际值:
T=0.01。
〖分析〗:
只要有一个恒定输入量作用于积分环节,其输出量就与时间成正比地无限增加,当t=T时,输出量等于输入信号的幅值大小。
积分时间常数T表征环节积累速率的快慢,T越大表示积分能力越强,反之亦然。
4.积分环节(PI)阶跃相应曲线
传递函数:
G(S)=K(l+l/TSK=-R2/R1,T=R2C
说明:
特征参数为比例增益K和积分时间常数T。
1)R2=R1=100KΩ,C=1µF;特征参数实际值:
K=-1,T=0.1。
2)R2=R1=100KΩ,C=0.1µF;特征参数实际值:
K=-1,T=0.01。
〖分析〗:
比例积分环节的输出是在比例作用的基础上,再叠加积分作用,其输出量随时间的增加无限地增加。
但是实际上放大器都有饱和特性,积分后的输出量不可能无限增加。
5.微分环节(D)阶跃相应曲线
传递函数:
G(S)=-TST=RC1
说明:
特征参数为微分时间常数T。
1)R=100KΩ,C2=0.01µF,C1=1µF;特征参数实际值:
T=0.1。
2)R=100KΩ,C2=0.01µF,C1=0.1µF;特征参数实际值:
T=0.01。
〖分析〗:
微分环节在输入信号维持恒值情况下,输出信号按指数规律随时间推移逐步下降,经过一段时间后,稳定输出为0。
实际微分环节不具备理想微分环节的特征,但是仍能够在输入跃变时,于极短时间内形成一个较强的脉冲输出。
其特征参数T表征了输出脉冲的面积。
6.比例微分环节(PD)阶跃相应曲线
传递函数:
G(S)=K(TS+1)K=-R2/R1,T=R2C1。
说明:
特征参数为比例增益K和微分时间常数T。
1)R2=R1=100KΩ,C2=0.01µF,C1=1µF;特征参数实际值:
K=-1,T=0.1。
2)R2=R1=100KΩ,C2=0.01µF,C1=0.1µF;特征参数实际值:
K=-1,T=0.01。
〖分析〗:
比例微分环节是在微分作用的基础上,再叠加比例作用,其稳定输出与输入信号成比例关系。
五、实验报告
1.画出各典型环节的SIMULINK仿真模型。
2.记录各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。
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