控制系统典型环节与系统的模拟

控制系统典型环节与系统的模拟

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、实验设备

KL-1控制理论实验箱1台

2.TDS1001B数字存储示波器1台

3.台式计算机

4.U盘1只

三、实验原理

1. 以运算放大器为核心，由其不同的输入R-C网络和反馈R-C网络构成控制系统的各种典型环节，用数字存储示波器测量各环节的阶跃响应曲线。

2. 操作过程注意事项。

A、接通TKKL-1实验箱的电源总开关。

B、接通TKKL-1实验箱上的直流电源开关。

C、接通TKKL-1实验箱上的阶跃信号发生器电源开关。

D、电位器顺时针调节时电阻值增大。

E、示波器探头接地端要与实验箱的地端牢固连接。

四、实验内容

1. 分别画出比例、积分、惯性、微分和振荡环节的电路原理图。

2. 按所设计的电路原理图接线，并在各电路的输入端输入阶跃信号，在电路的输出端观察并记录其单位阶跃响应的输出波形。

比例环节

G1(S)=1 和 G2(S)=2

积分环节

G1(S)=1/(S+1) 和 G2(S)=1/(0.51S+1)

惯性环节

G1(S)=1/S 和 G2(S)=1/(0.51S)

震荡环节

R1=100K, R2=1M, R3=100K, R4=100K, R5=1M, R6=100K, C1=1uF, C2=1uF

R1=100K, R2=1M, R3=100K, R4=100K, R5=1M, R6=100K, C1=2uF, C2=1uF 微分环节

G(s)=410(1+0.02S)/200

五、思考题

1. 用运算放大器模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出来的？

答：①假定运放具有理想特性，即满足“虚短”“虚断”特性。

②运放的静态量为零，输入量、输出量和反馈量都可以用瞬时值表示其动态变化。

2. 积分环节与惯性环节的主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节？在什么条件下，又可以视为比例环节？

答：惯性环节的特点是，当输入x(t)作阶跃变化时，输出y(t)不能立刻达到稳态值，瞬态输出以指数规律变化。而积分环节，当输入为单位阶跃信号时，输出为输入对时间的积分，输出y(t)随时间呈直线增长。当t趋于无穷大时，惯性环节可以近似地视为积分环节，当t趋于0时，惯性环节可以近似地视为比例环节。

3.如何根据阶跃响应的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数。

答：用示波器的“时标”开关测出过渡过程时间t，即98%U0时的时间，由公式T = t/4计算时间常。

六、实验心得

通过该实验的学习，进一步熟悉对电路的连接，熟悉了数字存储示波器的使用方法，懂得如何测量典型环节的阶跃响应曲线。实验中的控制理论实验箱简单易懂，操作方便。实验指导老师辅导的很到位，让我们很清楚的了解到实验的原理。