自控原理实验指导书G1分解

实验一 典型环节的模拟研究

实验学时：2 实验类型：验证 实验要求：选修

一、实验目的：

１、学习典型环节的模拟电路的构成方法及参数测试方法。 ２、熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。 ３、了解参数变化对典型环节动态特性的影响。 ４、学习超低频示波器和超低频信号发生器的使用方法。 二、实验仪器：

１、电子模拟装置 １台 自制

２、超低频双踪示波器 １台 型号DF4313D ３、函数信号发生器

１台 型号JY8112D

三、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、输入阻抗大、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： １、比例（Ｐ）环节 微分方程 c(t)＝kr(t) 传递函数

K )

s (R )

s (C = 模拟电路如图1-1所示:

K )

s (R )

s (C -= 12

R R K =

R1＝51K R0＝270K R2＝51K 、510K

R2

由于输入信号r(t)是从运算放大器的反相端输入，所以输出信号在相位上正好相反，传递函数中出现负号。有时为了观测方便，也可以在输出端串一个反相器如图1-2所示。

图1--2

从输入端加入阶跃信号，观测不同的比例系数Ｋ时的输出波形，并作记录。 (绘制曲线时，应将输入、输出信号绘制于同一坐标系中，以下记录波形时都这样处理)。 ２、积分(I)环节 微分方程 )t (r )

t (d )

t (dc T

= 传递函数

Ts

1

)s (R )s (C = 模拟电路如图1-3所示:

Ts

1

)s (R )s (C -= 其中:T=R 1C 改变电阻R1或电容C 的大小, 可以得到不同的积分时间常数T 。 输入阶跃信号，观测T=0.5秒、5秒时的输出波形, 并作记录。

３、惯性(T)环节(一阶系统)

微分方程 )t (kr )t (c dt

)t (dc .T =+

传递函数

1

Ts K

)s (R )s (C += 模拟电路如图1-4所示:

R2

C

1

Ts K

)s (R )s (C +-= 其中: 1

2

R R K =

T=R 2 C

从输入端加入阶跃信号(或方波信号)。

①保持k=1不变, 分别观测T=0.5秒、5秒时的输出波形, 并作记录。 ②保持T=R 2C=0.5秒不变, 分别观测K=1, 10时的输出波形, 并作记录。 波形记录应比较准确，特别是时间刻度的测定。 ４、比例积分(PI)环节 传递函数

TS

1

K )S (R )S (C += 模拟电路如图1-5所示:

)TS

1K ()S (R )S (C +-=

其中: 1

2R R

K - T=R 1 C

５、比例微分(PD)环节 传递函数

)TS K ()

S (R )

S (C += 模拟电路如图1-6所示:

)TS K ()

S (R )

S (C +-= 其中:

1

3

2R R R + C R R R R T 3

23

2⨯+=

四、实验步骤

１、检查电源是否接好。

２、按模拟线路图接线, 仔细检查,

确认接线无误后方能接通电源开始进行测试。附实验记录表格(供参考)

C

注:模拟装置、超低频信号发生器及示波器的使用方法请参考附录1-1,1-2,1-3。

五、实验报告：

写出实验报告一份，至少包括下述各项内容。

１、应有本实验的原理方块图，实际接线图及相应的文字说明。

２、将实验所得数据、曲线整理成便于阅读、对比的一览表。

３、写出实验后的收获、心得体会和对实验的意见建议。

实验二：二阶系统阶跃响应分析

实验学时：2

实验类型：设计

实验要求：必修

一、实验目的：

1、学会用电子模拟装置(以集成运算放大器为主体)构成一个闭环模拟二阶系统的方法。

2、掌握测试二阶系统时域性能指标的方法。

3、通过实验进一步加深对二阶系统特性的认识和理解以及系统参数对系统特性的影响。

4、掌握各种仪器的使用。

二、实验仪器：

1、电子模拟装置1台自制

2、超低频双踪示波器1台型号DF4313D

3、超低频信号发生器1台型号JY8112D

4、万用表1只型号DT-8 3 0

三、实验原理：

二阶系统的原理方框图如图2-1所示

图2-1 二阶系统原理方块图(0<ζ<1) 一个二阶系统外加一个阶跃输入时，即有一个输出响应，它表征了该系统的控制特性。当系统的参数变化时，其控制特性也随之变化。

决定一个二阶系统特性的主要参数有二个，一个是阻尼比ζ，另一个是无阻尼自振频率

ω

n 。当这两个参数变化时,二阶系统阶跃响应的诸特征量(如最大超调量σp ，调节时间ts 等)都将随之变化。当系统的其它参数固定不变时，可以通过改变系统的放大倍数Ｋ来选取所需的ζ和ωn 值。（建议惯性时间T=0.5S ） 系统的闭环传递函数为： 1222

12k k K

TS S k k TS S K Φ=

=++++ 其中ζ和ωn 的表达式分别为：11

2TK

ξ=

n K T

ω=

对应于不同的阻尼比ζ时的二阶系统单位阶跃响应曲线（理论曲线）如图2-2•所示:

图2-2 二阶系统的单位阶跃响应曲线

四、实验要求：

本实验所用的闭环模拟二阶系统实验电路是在电子模拟装置上用运算放大器分别组成一个积分环节，一个惯性环节，然后串联构成闭合回路而成，其原理结构如图2-1所示，注意，实际的实验电路不是原理方块图的简单组合。

二阶系统的实验电路图由学生实验前设计。构成系统诸环节的放大倍数Ki （ i=1、2、……）中至少有一个应是可调的，以便在实验时选取不同的阻尼比ζ值。 五、实验内容与方法：

１、 用超低频双踪示波器同时观察并大致描绘二阶系统的阶跃响应曲线与理论曲线作比较； ２、 在超低频双踪示波器上分别记下对应于不同ζ值时表征系统阶跃响应的主要性能指标，