自动控制实验

自动控制理论综合实验报告开课实验室：自动化专业实验室年月日实验题目实验一典型环节的电路模拟与软件仿真研究一．实验目的1．通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。2．通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。二．实验内容1．设计各种典型环节的模拟电路。2．完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。3．在上位机界面上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。三．实验步骤1．熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录设计并连接各种典型环节（包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。注意实验接线前必须先将实验箱上电，以对运放仔细调零。然后断电，再接线。接线时要注意不同环节、不同测试信号对运放锁零的要求。在输入阶跃信号时，除比例环节运放可不锁零（G可接-15V）也可锁零外，其余环节都需要考虑运放锁零。2．利用实验设备完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。无上位机时，利用实验箱上的信号源单元U2所输出的周期阶跃信号作为环节输入，即连接箱上U2的“阶跃”与环节的输入端（例如对比例环节即图1.1.2的Ui），同时连接U2的“锁零（G）”与运放的锁零G。然后用示波器观测该环节的输入与输出（例如对比例环节即测试图1.1.2的Ui和Uo）。注意调节U2的周期阶跃信号的“频率”电位器RP5与“幅值”电位器RP2，以保证观测到完整的阶跃响应过程。有上位机时，必须在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能，接线方式将不同于上述无上位机情况。仍以比例环节为例，此时将Ui连到实验箱U3单元的O1（D/A通道的输出端），将Uo连到实验箱U3单元的I1（A/D通道的输入端），将运放的锁零G连到实验箱U3单元的G1（与O1同步），并连好U3单元至上位机的USB2.0通信线。接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。界面上的操作步骤如下：①按通道接线情况:通过上位机界面中“通道选择”选择任一组任一路A/D输入作为环节的输出,选择任一路D/A作为环节的输入.不同的通道,图形显示控件中波形的颜色将不同；将另一输出通道直接送倒输入通道(显示示波器信号源发出的输入波形)。②硬件接线完毕后,检查USB口通讯连线和实验箱电源后，运行上位机软件程序,如果有问题请求指导教师帮助。③进入实验模式后，先对显示模式进行设置：选择“X-t模式”；选择“T/DIV”为1s/1HZ。④完成上述实验设置，然后设置实验参数，在界面的右边可以设置系统测试信号参数，选择“测试信号”为“周期阶跃信号”，选择“占空比”为50%，选择“T/DIV”为“1000ms”，选择“幅值”为“3V”，可以根据实验需要调整幅值，以得到较好的实验曲线，将“偏移”设为“0”。以上除必须选择“周期阶跃信号”外，其余的选择都不是唯一的。要特别注意，除单个比例环节外，对其它环节和系统都必须考虑环节或系统的时间常数，如仍选择“输入波形占空比”为50%，那么“T/DIV”至少是环节或系统中最大时间常数的6～8倍。这样，实验中才能观测到阶跃响应的整个过程。⑤以上设置完成后，按LabVIEW上位机软件中的“RUN”运行图标来运行实验程序，然后点击右边的“Start”按钮来启动实验，动态波形得到显示，直至周期响应过程结束，如上述参数设置合理就可以在主界面图形显示控件中间得到环节的“阶跃响应”。⑥利用LabVIEW软件中的图形显示控件中光标“Cursor”功能（详见软件使用说明书）观测实验结果；改变实验箱上环节参数，重复⑤的操作；如发现实验参数设置不当，看不到“阶跃响应”全过程，可重复④、⑤的操作。⑦按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件，操作方法参阅软件使用说明书。3．分析实验结果，完成实验报告。四．附录1．比例(P)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例环节的传递函数为：KsUsUiO)()(其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.1.1、图1.1.2和图1.1.3所示，于是01RRK，实验参数取R0＝100k，R1＝200k，R=10k。图1.1.2R1P+uiR0-++RR-+uouot图1.1.30t图1.1.1KUisUos1.1.2分析：输出量与输入量之间的关系是一种固定的比列关系，输出能量能无失真，无滞后地按一定的比例复现输入量。放大系数K=R1/R02．积分(I)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应积分环节的传递函数为：TssUsUiO1)()(其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.2.1、图1.2.2和图1.2.3所示，于是CRT0，实验参数取R0＝100k，C＝1uF，R=10k。1.2.2Ts图1.2.11UisUos图1.2.30uott图1.2.2CI+uiR0-++RR-+uo分析：积分环节特点：输出量与输入量的积分成正比例，输出量取决于输入量对时间的积分过程。T=R0C3．比例积分(PI)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例积分环节的传递函数为：TsKUUiO1其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.3.1、图1.3.2和图1.3.3所示，于是01RRK，CRT0实验参数取R0＝200k，R1＝200k，C＝1uF，R=10k。1.3.2分析：在测试比例积分换界的阶跃响应时，由于存在储能原件C，每次输入阶跃响应时，必须保证uc为零。图1.3.2PI+uiR0-R1++CRR-+uo图1.3.30uottKTs图1.3.11UosUis4．比例微分(PD)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例微分环节的传递函数为：)1(TsKUUiO其方块图和模拟电路分别如图1.4.1、图1.4.2所示。其模拟电路是近似的（即实际PD环节），取321,RRR，则有CRRRRTRRRK2121021,，实验参数取R0＝10k，R1＝10k，R2＝10k，R3＝1K，C＝10uF，R=10k。对应理想的和实际的比例微分(PD)环节的阶跃响应分别如图1.4.3a、图1.4.3b所示。实际PD环节的传递函数为：图1.4.2PD+uiR0C-R3R1++RR2R-+uo图1.4.3b0uott图1.4.3a0uottTs图1.4.11UisKUos1212012312233112030()1()()(1)()()oiUsRRRRCsUsRRRRCsRRRRRRCsRRRRCsR（供软件仿真参考）1.4.2分析：从频域特性分析，它供给调节系统的相角是超前角90度，因此能缩短回路的操作周期，增加调节系统的响应速度。5．惯性环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应惯性环节的传递函数为：1TsKUUiO图1.5.2PI+uiR0-+C+R1RR-+uo图1.5.30uottTs+1图1.5.1KUisUos其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.5.1、图1.5.2和图1.5.3所示，其中CRTRRK101,，实验参数取R0＝200k，R1＝200k，C＝1uF，R=10k。1.5.2分析：当输入量突变时，输出量不会突变，只按指数规律逐渐变化。6．比例积分微分(PID)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例积分微分环节的传递函数为：sTsTKsUsUdiPiO1)()(其方块图和模拟电路分别如图1.6.1、图1.6.2所示。其模拟电路是近似的（即实际PID环节），取321RRR，将近似上述理想PID环节有20211001,,CRRRTCRTRRKdiP，实验参数取R0＝200k，R1＝100k，R2＝10k，R3＝1k，C1＝1uF，C2＝10uF，R=10k。对应理想的和实际的比例积分微分(PID)环节的阶跃响应分别如图1.6.3a、图1.6.3b所示。实际PID环节的传递函数为：1222110010132()1(1)()(1)oiUsRRRCRCsUsRRCsRCRCs（供软件仿真参考）TdsKPTis1UisUos图1.6.11.6.2分析：在输入跃变时，它的输出响应能够以无限大的变化率瞬间跃至无限大，又再次瞬间下降至按某一比列kp分配的电压值，并立即按积分时间长数TI规律性增长。而模拟比例微分积分环节的输出响应，在输出跃变时只能以有限的变化率上升至运算放大的饱和值就不再增长，经过一段时间，又以无限的变化率下降。图1.6.3a0uott图1.6.2PID+uiR0C-R3CR1++RR2R-+uo图1.6.3b0uott