自动控制原理实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真
实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真
一、实验目的
1、熟悉THSSC-4型信号与系统·控制理论·计算机控制技术实验箱及上位机软件的使用;
2、熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟;
3、测量各典型环节的阶跃响应曲线,并了解参数变化对其动态特性的影响。 二、实验设备
1、THSSC-4型信号与系统·控制理论·计算机控制技术实验箱;
2、PC机一台(含上位机软件)、USB数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB接口线;
3、双踪慢扫描示波器一台(可选); 三、实验内容
1、设计并组建各典型环节的模拟电路;
2、测量各典型环节的阶跃响应,并研究参数变化对其输出响应的影响;
3、在上位机仿真界面上,填入各典型环节数学模型的实际参数,据此完成它们对阶跃响应的软件仿真,并与模拟电路测试的结果相比较。 四、实验原理
自控系统就是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应,将对系统的设计与分析就是十分有益的。
本实验中的典型环节都就是以运放为核心元件构成,其原理框图 如图1-1所示。图中Z1与Z2表示由R、C构成的复数阻抗。
1、比例(P)环节 图1-1
比例环节的特点就是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。它的传递函
UO(S)?K Ui(S)数与方框图分别为:
G(S)?
当Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号,且比例系数为K时的响应曲线如图1-2所示。
图1-2
2、积分(I)环节
积分环节的输出量与其输的传递函数与方框图分别为:
G(s)?UO(S)1
?Ui(S)Ts入量对时间的积分成正比。它
设Ui(S)为一单位阶跃信线如图1-3所示。
图1-3
号,当积分系数为T时的响应曲
3、比例积分(PI)环节
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比例积分环节的传递函数与方框图分别为:
G(s)?UO(S)R2CS?1R21R21????(1?) Ui(S)R1CSR1R1CSR1R2CS其中T=R2C,K=R2/R1
设Ui(S)为一单位阶跃信号,图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T时的PI输出响应曲线。
图1-4
4、比例微分(PD)环节
比例微分环节的传递函数与方框图分别为:
G(s)?K(1?TS)?R2(1?R1CS) 其中K?R2/R1,TD?R1C R1
设Ui(S)为一单位阶跃信号,图1-5示出了比例系数(K)为2、微分系数为TD时PD的输出响应曲线。
图1-5
5、比例积分微分(PID)环节 比例积分微分(PID)环节的
传递函数与方框图分别为:
G(s)?Kp?其中Kp?1?TDS TISR1C1?R2C2,TI?R1C2,TD?R2C1
R1C2(R2C2S?1)(R1C1S?1)
R1C2SRC?R1C11 ?22??R2C1S
R1C2R1C2S ?设Ui(S)为一单位阶跃信号,图1-6示出了比例系数(K)为1、微分系数为TD、积分系数为
TI时PID的输出。
图1-6
6、 惯性环节
惯性环节的传递函数与方框图分别为:
G(s)?UO(S)K ?Ui(S)TS?1当Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号,且放大系数(K)为1、时间常数为T时响应曲 线如图1-7所示。
自动控制原理实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真
图1-7
五、结果分析
1、各典型环节的multisim仿真波形与电路图: (1)比例环节。电路图与信号图如下:
图表 1比例系数2的电路图
图表 2比例系数2
(注:图表2中,实际Channel_A的信号幅度为2V,见下图,由于仿真器的显示总就是滞后于波形的变化,为了凸显系统对阶跃那一瞬间的响应,因此还未等仿真器显示出实际结果就截图了,导致显示的内容与图像不符,之后的几张图,倘若出现类似情况则都就是同一缘由所致,不再复述。)
自动控制原理实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真
图表 3比例系数2(说明)
图表 4比例系数5的电路图
自动控制原理实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真
图表 5比例系数5
总结:比例环节的电路很简单,原理也很简单,也不存在下面将要出现的越界情况,因而仿真结果与理想的结果非常接近。至于Channel_A实际接收到的数据与理想数据有一点点偏差,如图表五4、980V与5V的差别,则可以认为就是系统自身的结构问题导致的误差,可以忽略。
图表 6比例环节,K=2
这就是matlab的仿真,输入信号为单位阶跃信号,比例系数K=2,与multisim一致。 (2)积分环节。信号图与电路图如下:
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