自动控制实验-典型环节的模拟研究

实验一典型环节的模拟研究一．实验目的1．通过搭建典型环节模拟电路，熟悉并掌握自动控制综合实验台的使用方法。2．通过对典型环节的软件仿真研究，熟悉并掌握ACES软件的使用方法。3．了解并掌握各典型环节的传递函数及其特性，观察和分析各典型环节的响应曲线，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。二．实验内容1．搭建各种典型环节的模拟电路，观测并记录各种典型环节的阶跃响应曲线。2．调节模拟电路参数，研究参数变化对典型环节阶跃响应的影响。3．运行ACES软件中的软件仿真功能，完成各典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与模拟电路观测的结果作比较。三．实验步骤在实验中观测实验结果时，可选用普通示波器，也可选用本实验台上的虚拟示波器。如果选用虚拟示波器，只要运行ACES程序，选择菜单列表中的相应实验项目，再选择开始实验，就会打开虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验台上的虚拟示波器CH1、CH2两通道观察被测波形。具体用法参见用户手册中的示波器部分。1．观察比例环节的阶跃响应曲线实验中所用到的功能区域：阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2。典型比例环节模拟电路如图1-1-1所示，比例环节的传递函数为：0()()iUsKUs图1-1-1典型比例环节模拟电路（1）设置阶跃信号源：A．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V”；B．将阶跃信号区的“0～5V”端子与实验电路A1的“IN13”端子相连接；C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V”端子产生阶跃信号。（2）搭建典型比例环节模拟电路：A．将实验电路A1的“OUT1”端子与实验电路A2的“IN23”端子相连接；B．按照图1-1-1选择拨动开关：K=1时：将A1的S6、S13拨至开的位置，将A2的S7、S11拨至开的位置；K=0.5时：将A1的S6、S14拨至开的位置，将A2的S7、S11拨至开的位置。（3）连接虚拟示波器：将实验电路A2的“OUT2”与示波器通道CH1相连接。（4）输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测输出阶跃响应曲线并进行记录。（5）运行典型比例环节阶跃特性软件仿真，记录理想阶跃响应曲线。2．观察积分环节的阶跃响应曲线实验中所用到的功能区域：阶跃信号、函数发生器、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2。典型积分环节模拟电路如图1-1-2所示，积分环节的传递函数为：0()1()iUsUsTS图1-1-2典型积分环节模拟电路（1）设置阶跃信号源：A．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V”；B．将阶跃信号区的“0～5V”端子与实验电路A1的“IN13”端子相连接；C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V”端子产生阶跃信号。（2）搭建典型积分环节模拟电路：A．将实验电路A1的“OUT1”端子与实验电路A2的“IN23”端子相连接；B．按照图1-1-2选择拨动开关：C1=1.0uF时：将A1的S6、S9拨至开的位置，将A2的S7、S11拨至开的位置；C1=2.0uF时：将A1的S6、S10拨至开的位置，将A2的S7、S11拨至开的位置。（3）连接虚拟示波器：将实验电路A2的“OUT2”与示波器通道CH1相连接。（4）输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测输出阶跃响应曲线并进行记录。（注：在每次触发阶跃开关后，须要上下拨动函数发生器区的函数启动停止开关一次，以释放电容C1中的电量，保证积分环节模拟电路对下一次的阶跃信号产生正确响应。）（5）运行典型积分环节阶跃特性软件仿真，记录理想阶跃响应曲线。3．观察比例积分环节的阶跃响应曲线实验中所用到的功能区域：阶跃信号、函数发生器、虚拟示波器、实验电路A3、实验电路A5。典型比例积分环节模拟电路如图1-1-3所示，比例积分环节的传递函数为：0()1()iUsKUsTS图1-1-3典型比例积分环节模拟电路（1）设置阶跃信号源：A．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V”；B．将阶跃信号区的“0～5V”端子与实验电路A3的“IN31”端子相连接；C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V”端子产生阶跃信号。（2）搭建典型比例积分环节模拟电路：A．将实验电路A3的“OUT3”端子与实验电路A5的“IN53”端子相连接；B．按照图1-1-3选择拨动开关：C1=1.0uF时：将A3的S1、S15拨至开的位置，将A5的S6、S15拨至开的位置；C1=2.0uF时：将A3的S1、S15拨至开的位置，将A5的S6、S14拨至开的位置。（3）连接虚拟示波器：将实验电路A5的“OUT5”与示波器通道CH1相连接。（4）输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测输出阶跃响应曲线并进行记录。（注：在每次触发阶跃开关后，须要上下拨动函数发生器区的函数启动停止开关一次，以释放电容C1中的电量，保证比例积分环节模拟电路对下一次的阶跃信号产生正确响应。）（5）运行典型比例积分环节阶跃特性软件仿真，记录理想阶跃响应曲线。4．观察微分环节的阶跃响应曲线实验中所用到的功能区域：阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2。典型微分环节模拟电路如图1-1-4所示，微分环节的传递函数为：0()()iUsTSUs图1-1-4典型微分环节模拟电路（1）设置阶跃信号源：A．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V”；B．将阶跃信号区的“0～5V”端子与实验电路A1的“IN11”端子相连接；C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V”端子产生阶跃信号。（2）搭建典型微分环节模拟电路：A．将实验电路A1的“OUT1”端子与实验电路A2的“IN23”端子相连接；B．按照图1-1-4选择拨动开关：R1=20K时：将A1的S1、S14拨至开的位置，将A2的S7、S11拨至开的位置；R1=100K时：将A1的S2、S14拨至开的位置，将A2的S7、S11拨至开的位置。（3）连接虚拟示波器：将实验电路A2的“OUT2”与示波器通道CH1相连接。（4）输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测输出阶跃响应曲线并进行记录。（5）运行典型微分环节阶跃特性软件仿真，记录理想阶跃响应曲线。5．观察比例微分环节的阶跃响应曲线实验中所用到的功能区域：阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A3、实验电路A2。典型比例微分环节模拟电路如图1-1-5所示，比例微分环节的传递函数为：0()(1)()iUsKTSUs图1-1-5（a）典型比例微分环节模拟电路图1-1-5（b）典型比例微分环节模拟电路（1）设置阶跃信号源：A．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V”，调节阶跃信号区的调幅旋钮，使“可调输出”端子的输出电压值为3V；B．将阶跃信号区的“可调输出”端子与实验电路A3的端子相连接；搭建图1-1-5（a）时应与A3的“IN32”相连搭建图1-1-5（b）时应与A3的“IN31”相连C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“可调输出”端子产生3V的阶跃信号。（2）搭建典型比例微分环节模拟电路：A．将实验电路A3的“OUT3”端子与实验电路A2的“IN23”端子相连接；B．选择拨动开关：图1-1-5（a）：将A3的S4、S13拨至开的位置，将A2的S7、S11拨至开的位置；图1-1-5（b）：将A3的S1、S14拨至开的位置，将A2的S7、S11拨至开的位置。（3）连接虚拟示波器：将实验电路A2的“OUT2”与示波器通道CH1相连接。（4）输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测输出阶跃响应曲线并进行记录。（5）运行典型比例微分环节阶跃特性软件仿真，记录理想阶跃响应曲线。6．观察比例微分积分环节的阶跃响应曲线实验中所用到的功能区域：阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A3、实验电路A2。典型比例微分积分环节模拟电路如图1-1-6所示，比例微分积分环节的传递函数为：0()1()pdiiUSKTSUSTS图1-1-6（a）典型比例微分积分环节模拟电路图1-1-6（b）典型比例微分积分环节模拟电路（1）设置阶跃信号源：A．将阶跃信号区的选择开关拨至“-5V～5V”；B．将阶跃信号区的“-5V～5V”端子与实验电路A3的“IN31”端子相连接；C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“-5V～5V”端子产生阶跃信号。（2）搭建典型比例微分积分环节模拟电路：A．将实验电路A3的“OUT3”端子与实验电路A2的“IN23”端子相连接；B．按照图1-1-3选择拨动开关：图1-1-6（a）：将A3的S2、S8拨至开的位置，将A2的S7、S11拨至开的位置；图1-1-6（b）：将A3的S1、S9拨至开的位置，将A2的S7、S11拨至开的位置。（3）连接虚拟示波器：将实验电路A2的“OUT2”与示波器通道CH1相连接。（4）输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测输出阶跃响应曲线并进行记录。（5）运行典型比例微分积分环节阶跃特性软件仿真，记录理想阶跃响应曲线。7．观察惯性环节的阶跃响应曲线实验中所用到的功能区域：阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2。典型惯性环节模拟电路如图1-1-7所示，惯性环节的传递函数为：0()()1iUsKUsTS图1-1-7典型惯性环节模拟电路（1）设置阶跃信号源：A．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V”；B．将阶跃信号区的“0～5V”端子与实验电路A1的“IN13”端子相连接；C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V”端子产生阶跃信号。（2）搭建典型惯性环节模拟电路：A．将实验电路A1的“OUT1”端子与实验电路A2的“IN23”端子相连接；B．按照图1-1-7选择拨动开关：C1=1.0uF时：将A1的S6、S9、S13拨至开的位置，将A2的S7、S11拨至开的位置；C1=2.0uF时：将A1的S6、S10、S13拨至开的位置，将A2的S7、S11拨至开的位置。（3）连接虚拟示波器：将实验电路A2的“OUT2”与示波器通道CH1相连接。（4）输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测输出阶跃响应曲线并进行记录。（5）运行典型惯性环节阶跃特性软件仿真，记录理想阶跃响应曲线。8．观察二阶振荡环节的阶跃响应曲线实验中所用到的功能区域：阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3。典型二阶振荡环节模拟电路如图1-1-8所示，二阶振荡环节的传递函数为：2022()()2ninnUsUsSS图1-1-8典型二阶振荡环节模拟电路（1）设置阶跃信号源：A．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V”；B．将阶跃信号区的“0～5V”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接；C．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V”端子产生阶跃信号。（2）搭建典型二阶振荡环节模拟电路：A．将A3的“OUT3”与A1的“IN13”相连接，将A1的“OUT1”与A2的“IN21”相连接，将A2的“OUT2”与A3的“IN33”相连接；B．按照图1-1-8选择拨动开关：R4=200K时：将A3的S5、S6、S10，A1的S6、S9，A2的S3、S8、S13拨至开的位置；R4=50K时：将A3的S5、S6、S10，A1的S7、S9，A2的S3、S8、S13拨至开的位置。（3）连接虚拟示波器：将实验电路A2的“OUT2”与示波器通道CH1相连接。（4）输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测输出阶跃响应曲线并进行记录。（5）运行典型二阶振荡环节阶跃特性软件仿真，记录理想阶跃响应曲线。四．实验结果绘出各种典型环节理想的和实测的阶跃响应曲线典型环节理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线比例环节K=1K=0.5积分环节C1=1.0uFC1=2.0uF比例积分环节C1=1.0uFC1=2.0uF微分环节R1=20KR1=100K比例微分环节图（a）图（b）比例微分积分环节图（a）图（b）惯性环节C1=1.0uFC1=2.0uF二阶振荡环节R4=200KR4=50K