TKKL-4型实验箱实验指导书_实验一

基于THKKL-4型控制理论·计算机控制技术实验箱自动控制原理实验指导书
浙江天煌科技实业有限公司编写
张立庞亚丽改编
吉林大学珠海学院电子信息系
2009-09-01
目录
实验一典型系统动态和稳态性能分析
实验二线性定常系统的瞬态响应和稳定性分析实验三控制系统的频率特性分析
实验四自动控制系统的校正
实验五时域分析法MATLAB仿真实验
实验六根轨迹分析法MATLAB仿真实验
实验七频率特性分析法MATLAB仿真实验
实验一 典型系统动态和稳态性能分析
一、实验目的
1．掌握控制系统中各典型环节的有源电路模拟设计、参数计算方法。

2．掌握通过测量典型环节的阶跃响应曲线来测试系统动态和稳态性能指标的技能。

3．深入了解和体验系统参数对系统性能的影响。

二、实验前准备
1. 基于集成运放的基本运算电路
基本运算电路主要指比例、加、减、乘、除、积分、微分、对数、指数等电路。

比例运算电路是其它基本运算电路的基础。

本实验主要用到比例、加、减、积分、微分等运算电路。

（1）比例运算电路
有反向输入、同相输入、差分输入三种基本形式。

图2.1是反向比例运算电路。

根据虚断原则，知： i i -+==0
因为i +=0，可知u +=0
根据虚短原则，有 u u +-==0
则有
f i o
f f R R u u u R R R R -=
+
=++1
110
因此， f o i R u u R =-
1
该电路的输出电压与输入电压幅值成正比，相位相差0
180，放大倍数f o
uf
i R u A u R ==-1。

当f R R =1时，此电路为单位增益倒相器，也称反相器。

图2.2是同相比例运算电路。

根据虚短和虚断原则，有如下关系： i u u +=
o f
R u u R R -=
+1
1
u u +-=
i
u o
u
R 图2.1 反相比例运算电路
i
u o
u f
图2.2 同相比例运算电路
f
f o i i R R R u u u R R ⎛⎫+=
=+ ⎪ ⎪⎝
⎭11
11
f f o
uf i R R R u A u R R ⎛⎫+=
==+ ⎪ ⎪⎝
⎭1111 当f R =0时，有o i u u =，此时称该电路为电压跟随器。

至于差分输入比例运算电路，本质上是一种减法电路，将在下面介绍。

（2）加法运算电路 根据虚短虚断原则，有
s s o f
u u u
R R R ++=12120 f f o s s R R u u u R R =-
-
121
2
如果f R R R ==12，则有=-+()o s s u u u 12，可见电路可以实现电压信号的求和运算。

当≠R R 12时，可以实现电压信号的加权求和。

显然，求和电路的输入电压个数不限于两路。

（3）减法运算电路 1）通过反相求和实现减法运算
电路由一个反相器和一个加法运算电路组成。

=-
-
=-
+
f f f f f o s o s s R R R R R u u u u u R R R R R 2222121215
3
5
3
1
通过选择合适的R 1、R 3、R 5、f R 1、f R 2，容易实现=-o s s u u u 12。

2）利用差动输入实现减法运算 f s s o f f
R R R u u u R R R R R R =++++23
121233
因此，有
s u 1
o
u
图2.3 加法运算电路
s u 2
s u
图2.4 反相求和式减法电路
u
R s u o
u 图2.5 差动式减法运算电路
s u R
f f o s s R R R R u u u R R R R +=
⋅-+32
121233
（4）积分运算电路
i
u o
u
图2.6 积分运算电路
o i
u i dt u dt C
R C
=-
=-
⎰⎰1111
式中，R C τ=1称为积分器的时间常数，它决定了积分速度。

（5）微分运算电路
o
u 图2.7 基本微分运算电路
c i o R du du
u R i R C R C dt dt
==-=-221
21 2．写出下表所示各典型环节的传递函数。

3、写出下面典型环节模拟电路对应的传递函数。

4. THKKL-4型控制理论·计算机控制实验箱资源
U1：信号发生器
U2：正弦信号发生器
U3：阶跃信号产生单元
U4：给定单元
U5～U9:通用单元电路
U10：非线性环节
U11：P、I、D元件
U12：反相器
U13：A/D转换单元
U14：采样保持器
U15：D/A转换单元
U16：交/直流数字电压表（200mV，2V，20V三档）
U17：-5V电源
U18：逻辑电平指示单元（A0～A3共4路） U20：直流电机和步进电机
U21：虚拟示波器
U22：温度采样单元
U23：6路可调电位器（47K两路，220K两路，470K两路）
5. 学习GWINSTEK GOS-6051型双踪示波器使用方法
三、实验仪器
THKKL-4型控制理论·计算机控制实验箱1只
GWINSTEK GOS-6051型双踪示波器1台
四、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。

实验步骤：
①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，此时运放处于工作状态。

②按表二中的各典型环节的模拟电路图将线接好。

③按图4.1接好阶跃信号产生电路，然后将模拟电路输入端(U
)
i
与阶跃信号的输出端Y相连接；
④模拟电路的输出端(Uo)接至示波器，观察阶跃信号是否能够
产生并调整阶跃幅值为一合适值（一般2V左右即可）。

⑤按下(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。

⑥改变比例参数，重新观测结果。

⑦用同样方法和步骤得到积分、比例积分、比例微分和惯性环节的实际响应曲线，将上述实
际响应曲线绘制在下表中。

2．观察PID 环节的阶跃响应曲线。

实验步骤：
① 将U1单元的ST 端与S 端用短路块短接，S 11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S 12和电位器W 11调节，信号幅值由电位器W
12调节。

以信号幅值小、信号周期较长比较适宜。

②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（U i ），用示波器观测PID 输出端(Uo)，并将观测曲线绘制到下表中。

④改变比例参数，重新观测结果。

五、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？
11。