-.z第三章自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)3.1線(xiàn)性系統(tǒng)的時(shí)域分析典型環(huán)節(jié)的模擬研究一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夂驼莆崭鞯湫铜h(huán)節(jié)模擬電路的構(gòu)成方法、傳遞函數(shù)表達(dá)式及輸出時(shí)域函數(shù)表達(dá)式觀(guān)察和分析各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，了解各項(xiàng)電路參數(shù)對(duì)典型環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性的影響二．典型環(huán)節(jié)的構(gòu)造圖及傳遞函數(shù)方框圖傳遞函數(shù)比例〔P〕積分〔I〕比例積分〔PI〕比例微分〔PD〕慣性環(huán)節(jié)〔T〕比例積分微分〔PID〕三．實(shí)驗(yàn)容及步驟觀(guān)察和分析各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，了解各項(xiàng)電路參數(shù)對(duì)典型環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性的影響.。改變被測(cè)環(huán)節(jié)的各項(xiàng)電路參數(shù)，畫(huà)出模擬電路圖，階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，觀(guān)測(cè)結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告運(yùn)行LABACT程序，選擇自動(dòng)控制菜單下的線(xiàn)性系統(tǒng)的時(shí)域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究中的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)工程，就會(huì)彈出虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開(kāi)場(chǎng)即可使用本實(shí)驗(yàn)機(jī)配套的虛擬示波器〔B3〕單元的CH1測(cè)孔測(cè)量波形。具體用法參見(jiàn)用戶(hù)手冊(cè)中的示波器局部。1)．觀(guān)察比例環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)典型比例環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-1所示。圖3-1-1典型比例環(huán)節(jié)模擬電路傳遞函數(shù)：；單位階躍響應(yīng)：實(shí)驗(yàn)步驟：注：‘SST’用短路套短接！〔1〕將函數(shù)發(fā)生器〔B5〕所產(chǎn)生的周期性矩形波信號(hào)〔OUT〕，作為系統(tǒng)的信號(hào)輸入〔Ui〕；該信號(hào)為零輸出時(shí)，將自動(dòng)對(duì)模擬電路鎖零。①在顯示與功能選擇〔D1〕單元中，通過(guò)波形選擇按鍵選中‘矩形波’〔矩形波指示燈亮〕。②量程選擇開(kāi)關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1〞，使之矩形波寬度＞1秒〔D1單元左顯示〕。③調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅〞電位器使矩形波輸出電壓=4V〔D1單元右顯示〕?！?〕構(gòu)造模擬電路：按圖3-1-1安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線(xiàn)，表如下?！瞐〕安置短路套〔b〕測(cè)孔聯(lián)線(xiàn)模塊號(hào)跨接座號(hào)1A5S4，S122B5‘S-ST’1信號(hào)輸入〔Ui〕B5〔OUT〕→A5〔H1〕2示波器聯(lián)接×1檔A6〔OUT〕→B3〔CH1〕3B5〔OUT〕→B3〔CH2〕〔3〕運(yùn)行、觀(guān)察、記錄：翻開(kāi)虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開(kāi)場(chǎng)，按下信號(hào)發(fā)生器〔B1〕階躍信號(hào)按鈕〔0→+4V階躍〕，觀(guān)測(cè)A5B輸出端〔Uo〕的實(shí)際響應(yīng)曲線(xiàn)Uo〔t〕見(jiàn)圖3-1-2。示波器的截圖詳見(jiàn)虛擬示波器的使用。圖3-1-2比例環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)圖圖3-1-3慣性環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：按下表改變圖3-1-1所示的被測(cè)系統(tǒng)比例系數(shù)，觀(guān)測(cè)結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。R0R1輸入U(xiǎn)i比例系數(shù)K計(jì)算值測(cè)量值200K100K4V0.50.51200K4V11.0250K100K2V21.93200K1V44.06R0=200K,R1=100K,Ui=4vR0=200K,R1=200K,Ui=4vR0=50K,R1=100K,Ui=2vR0=50K,R1=200K,Ui=1v2)．觀(guān)察慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)典型慣性環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-4所示。圖3-1-4典型慣性環(huán)節(jié)模擬電路傳遞函數(shù)：?jiǎn)挝浑A躍響應(yīng)：實(shí)驗(yàn)步驟：注：‘SST’用短路套短接！〔1〕將函數(shù)發(fā)生器〔B5〕所產(chǎn)生的周期性矩形波信號(hào)〔OUT〕，作為系統(tǒng)的信號(hào)輸入〔Ui〕；該信號(hào)為零輸出時(shí)，將自動(dòng)對(duì)模擬電路鎖零。①在顯示與功能選擇〔D1〕單元中，通過(guò)波形選擇按鍵選中‘矩形波’〔矩形波指示燈亮〕。②量程選擇開(kāi)關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1〞，使之矩形波寬度＞1秒〔D1單元左顯示〕。③調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅〞電位器使矩形波輸出電壓=4V〔D1單元右顯示〕?！?〕構(gòu)造模擬電路：按圖3-1-4安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線(xiàn)，表如下。1信號(hào)輸入〔Ui〕B5〔OUT〕→A5〔H1〕2示波器聯(lián)接×1檔A5B〔OUTB〕→B3〔CH1〕3B5〔OUT〕→B3〔CH2〕〔a〕安置短路套〔b〕測(cè)孔聯(lián)線(xiàn)模塊號(hào)跨接座號(hào)1A5S4，S6，S102B5‘S-ST’〔3〕運(yùn)行、觀(guān)察、記錄：翻開(kāi)虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開(kāi)場(chǎng)，按下信號(hào)發(fā)生器〔B1〕階躍信號(hào)按鈕時(shí)〔0→+4V階躍〕，等待完整波形出來(lái)后，移動(dòng)虛擬示波器橫游標(biāo)到輸出穩(wěn)態(tài)值×0.632處，，得到與輸出曲線(xiàn)的交點(diǎn)，再移動(dòng)虛擬示波器兩根縱游標(biāo)，從階躍開(kāi)場(chǎng)到輸出曲線(xiàn)的交點(diǎn)，量得慣性環(huán)節(jié)模擬電路時(shí)間常數(shù)T。A5B輸出端響應(yīng)曲線(xiàn)Uo(t〕見(jiàn)圖3-1-3。示波器的截圖詳見(jiàn)虛擬示波器的使用。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：按下表改變圖3-1-4所示的被測(cè)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)及比例系數(shù)，觀(guān)測(cè)結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。R0R1C輸入U(xiǎn)i比例系數(shù)K慣性常數(shù)T計(jì)算值測(cè)量值計(jì)算值測(cè)量值200K200K1u4V11.0150.20.222u11.0150.40.4150K100K1u2V22.0320.10.11200K1V44.0630.20.20R0=200K,R1=200K,Ui=4v,C=1uR0=200K,R1=200K,Ui=4v,C=2uR0=50K,R1=100K,Ui=2v,C=1uR0=50K,R1=200K,Ui=1v,C=1u3)．觀(guān)察積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)典型積分環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-5所示。圖3-1-5典型積分環(huán)節(jié)模擬電路傳遞函數(shù)：?jiǎn)挝浑A躍響應(yīng)：實(shí)驗(yàn)步驟：注：‘SST’用短路套短接！〔1〕為了防止積分飽和，將函數(shù)發(fā)生器〔B5〕所產(chǎn)生的周期性矩形波信號(hào)〔OUT〕，代替信號(hào)發(fā)生器〔B1〕中的人工階躍輸出作為系統(tǒng)的信號(hào)輸入〔Ui〕；該信號(hào)為零輸出時(shí)，將自動(dòng)對(duì)模擬電路鎖零。①在顯示與功能選擇〔D1〕單元中，通過(guò)波形選擇按鍵選中‘矩形波’〔矩形波指示燈亮〕。②量程選擇開(kāi)關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1〞，使之矩形波寬度＞1秒〔D1單元左顯示〕。③調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅〞電位器使矩形波輸出電壓=1V〔D1單元右顯示〕?！?〕構(gòu)造模擬電路：按圖3-1-5安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線(xiàn)，表如下?！瞐〕安置短路套〔b〕測(cè)孔聯(lián)線(xiàn)1信號(hào)輸入〔Ui〕B5〔OUT〕→A5〔H1〕2示波器聯(lián)接×1檔A5B〔OUTB〕→B3〔CH1〕3B5〔OUT〕→B3〔CH2〕模塊號(hào)跨接座號(hào)1A5S4，S102B5‘S-ST’〔3〕運(yùn)行、觀(guān)察、記錄：翻開(kāi)虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開(kāi)場(chǎng)，等待完整波形出來(lái)后，點(diǎn)擊停頓，移動(dòng)虛擬示波器橫游標(biāo)到0V處，再移動(dòng)另一根橫游標(biāo)到ΔV=1V〔與輸入相等〕處，得到與輸出曲線(xiàn)的交點(diǎn)，再移動(dòng)虛擬示波器兩根縱游標(biāo)，從階躍開(kāi)場(chǎng)到輸出曲線(xiàn)的交點(diǎn)，量得積分環(huán)節(jié)模擬電路時(shí)間常數(shù)Ti。A5B輸出響應(yīng)曲線(xiàn)Uo(t)見(jiàn)圖3-1-6。示波器的截圖詳見(jiàn)虛擬示波器的使用。圖3-1-6積分環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線(xiàn)圖3-1-7比例積分環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線(xiàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：按下表改變圖3-1-5所示的被測(cè)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，觀(guān)測(cè)結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。R0C輸入U(xiǎn)i積分常數(shù)Ti計(jì)算值測(cè)量值200K1u1V0.20.202u0.40.42100K1u0.10.102u0.20.20R0=200K,C=1u,Ui=1vR0=200K,C=2u,Ui=1vR0=100K,C=1u,Ui=1vR0=100K,C=2u,Ui=1v4)．觀(guān)察比例積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)典型比例積分環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-8所示.。圖3-1-8典型比例積分環(huán)節(jié)模擬電路傳遞函數(shù)：?jiǎn)挝浑A躍響應(yīng)：實(shí)驗(yàn)步驟：注：‘SST’用短路套短接！〔1〕將函數(shù)發(fā)生器〔B5〕所產(chǎn)生的周期性矩形波信號(hào)〔OUT〕，作為系統(tǒng)的信號(hào)輸入〔Ui〕；該信號(hào)為零輸出時(shí)將自動(dòng)對(duì)模擬電路鎖零。①在顯示與功能選擇〔D1〕單元中，通過(guò)波形選擇按鍵選中‘矩形波’〔矩形波指示燈亮〕。②量程選擇開(kāi)關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1〞，使之矩形波寬度＞1秒〔D1單元左顯示〕。〔注：為了使在積分電容上積分的電荷充分放掉，鎖零時(shí)間應(yīng)足夠大，即矩形波的零輸出寬度時(shí)間足夠長(zhǎng)！“量程選擇〞開(kāi)關(guān)置于下檔時(shí)，其零輸出寬度恒保持為2秒！〕③調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅〞電位器使矩形波輸出電壓=1V〔D1單元右顯示〕?！?〕構(gòu)造模擬電路：按圖3-1-8安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線(xiàn)，表如下?！瞐〕安置短路套〔b〕測(cè)孔聯(lián)線(xiàn)模塊號(hào)跨接座號(hào)1A5S4，S82B5‘S-ST’1信號(hào)輸入〔Ui〕B5〔OUT〕→A5〔H1〕2示波器聯(lián)接×1檔A5B〔OUTB〕→B3〔CH1〕3B5〔OUT〕→B3〔CH2〕〔3〕運(yùn)行、觀(guān)察、記錄：翻開(kāi)虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開(kāi)場(chǎng)，等待完整波形出來(lái)后，點(diǎn)擊停頓。移動(dòng)虛擬示波器橫游標(biāo)到輸入電壓×比例系數(shù)K處，再移動(dòng)另一根橫游標(biāo)到〔輸入電壓×比例系數(shù)K×2〕處，得到與積分曲線(xiàn)的兩個(gè)交點(diǎn)。再分別移動(dòng)示波器兩根縱游標(biāo)到積分曲線(xiàn)的兩個(gè)交點(diǎn)，量得積分環(huán)節(jié)模擬電路時(shí)間常數(shù)Ti。典型比例積分環(huán)節(jié)模擬電路A5B輸出響應(yīng)曲線(xiàn)Uo(t)見(jiàn)圖3-1-7。示波器的截圖詳見(jiàn)虛擬示波器的使用。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：按下表改變圖3-1-8所示的被測(cè)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)及比例系數(shù)，觀(guān)測(cè)結(jié)果，填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。R0R1C輸入U(xiǎn)i比例系數(shù)K積分常數(shù)Ti計(jì)算值測(cè)量值計(jì)算值測(cè)量值200K200K1u1V10.22u10.4100K1u20.22u20.4R0=200K,R1=200KC=1u,Ui=1vR0=200K,R1=200KC=2u,Ui=1vR0=100K,R1=200KC=1u,Ui=1vR0=100K,R1=200KC=2u,Ui=1v5)．觀(guān)察比例微分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)為了便于觀(guān)察比例微分的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)增加了一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，其模擬電路如圖3-1-9所示。圖3-1-9典型比例微分環(huán)節(jié)模擬電路比例微分環(huán)節(jié)+慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)：微分時(shí)間常數(shù)：慣性時(shí)間常數(shù)：?jiǎn)挝浑A躍響應(yīng)：實(shí)驗(yàn)步驟：注：‘SST’用短路套短接!〔1〕將函數(shù)發(fā)生器〔B5〕單元的矩形波輸出作為系統(tǒng)輸入R?！策B續(xù)的正輸出寬度足夠大的階躍信號(hào))①在顯示與功能選擇〔D1〕單元中，通過(guò)波形選擇按鍵選中‘矩形波’〔矩形波指示燈亮〕。②量程選擇開(kāi)關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1〞，使之矩形波寬度1秒左右〔D1單元左顯示〕。③調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅〞電位器使矩形波輸出電壓=0.5V〔D1單元右顯示〕?！?〕構(gòu)造模擬電路：按圖3-1-9安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線(xiàn)，表如下?！瞐〕安置短路套〔b〕測(cè)孔聯(lián)線(xiàn)模塊號(hào)跨接座號(hào)1A4S4，S92A6S2，S63B5‘S-ST’1信號(hào)輸入(Ui)B5〔OUT〕→A4〔H1〕2運(yùn)放級(jí)聯(lián)A4〔OUT〕→A6〔H1〕3示波器聯(lián)接×1檔A6〔OUT〕→B3〔CH1〕4B5〔OUT〕→B3〔CH2〕〔3〕運(yùn)行、觀(guān)察、記錄：虛擬示波器的時(shí)間量程選‘／4’檔。①翻開(kāi)虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開(kāi)場(chǎng)，用示波器觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的A6輸出端〔Uo〕，響應(yīng)曲線(xiàn)見(jiàn)圖3-1-10。等待完整波形出來(lái)后，把最高端電壓〔4.77V〕減去穩(wěn)態(tài)輸出電壓〔0.5V〕，然后乘以0.632，得到ΔV=2.7V。②移動(dòng)虛擬示波器兩根橫游標(biāo)，從最高端開(kāi)場(chǎng)到ΔV=2.7V處為止，得到與微分的指數(shù)曲線(xiàn)的交點(diǎn)，再移動(dòng)虛擬示波器兩根縱游標(biāo)，從階躍開(kāi)場(chǎng)到曲線(xiàn)的交點(diǎn)，量得τ=Δt=0.048S。③KD=10，則圖3-1-9的比例微分環(huán)節(jié)模擬電路微分時(shí)間常數(shù)：圖3-1-10比例微分環(huán)節(jié)模擬電路響應(yīng)曲線(xiàn)6)．觀(guān)察PID〔比例積分微分〕環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線(xiàn)PID〔比例積分微分〕環(huán)節(jié)模擬電路如圖3-1-11所示。圖3-1-11PID〔比例積分微分〕環(huán)節(jié)模擬電路典型比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)：慣性時(shí)間常數(shù)：?jiǎn)挝浑A躍響應(yīng)：實(shí)驗(yàn)步驟：注：‘SST’用短路套短接！〔1〕為了防止積分飽和，將函數(shù)發(fā)生器〔B5〕所產(chǎn)生的周期性矩形波信號(hào)〔OUT〕，代替信號(hào)發(fā)生器〔B1〕中的人工階躍輸出作為系統(tǒng)的信號(hào)輸入〔Ui〕；該信號(hào)為零輸出時(shí)將自動(dòng)對(duì)模擬電路鎖零。①在顯示與功能選擇〔D1〕單元中，通過(guò)波形選擇按鍵選中‘矩形波’〔矩形波指示燈亮〕。②量程選擇開(kāi)關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1〞，使之矩形波寬度0.4秒左右〔D1單元左顯示〕。③調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅〞電位器使矩形波輸出電壓=0.3V〔D1單元右顯示〕。〔2〕構(gòu)造模擬電路：按圖3-1-11安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線(xiàn)，表如下。〔a〕安置短路套〔b〕測(cè)孔聯(lián)線(xiàn)模塊號(hào)跨接座號(hào)1A2S4，S82B5‘S-ST’1信號(hào)輸入〔Ui〕B5〔OUT〕→A2〔H1〕2示波器聯(lián)接×1檔A2B〔OUTB〕→B3〔CH1〕3B5〔OUT〕→B3〔CH2〕〔3〕運(yùn)行、觀(guān)察、記錄：翻開(kāi)虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開(kāi)場(chǎng)，用示波器觀(guān)測(cè)A2B輸出端〔Uo〕。等待完整波形出來(lái)后，點(diǎn)擊停頓，移動(dòng)虛擬示波器兩根橫游標(biāo)使之ΔV=Kp×輸入電壓，得到與積分的曲線(xiàn)的兩個(gè)交點(diǎn)。再分別移動(dòng)示波器兩根縱游標(biāo)到積分的曲線(xiàn)的兩個(gè)交點(diǎn)，量得積分環(huán)節(jié)模擬電路時(shí)間常數(shù)Ti，見(jiàn)圖3-1-12〔a〕。示波器的截圖詳見(jiàn)虛擬示波器的使用。將A2單元