典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究一·實驗目的

1．通過實驗熟悉并掌握實驗裝置和上位機軟件的使用方法。2．通過實驗熟悉各種典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及其特性，掌握電路模擬和軟件仿真研究方法。二·實驗要求

1．設計各種典型環(huán)節(jié)的模擬電路。2．完成各種典型環(huán)節(jié)模擬電路的階躍特性測試，并研究參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)階躍特性的影響。3．在上位機界面上，填入各個環(huán)節(jié)的實際（非理想）傳遞函數(shù)參數(shù)，完成典型環(huán)節(jié)階躍特性的軟件仿真研究，并與電路模擬研究的結果作比較。三·實驗原理

無上位機時，利用實驗箱上的信號源單元U2所輸出的周期階躍信號作為環(huán)節(jié)輸入，即連接箱上U2的“階躍”與環(huán)節(jié)的輸入端（例如對比例環(huán)節(jié)即圖1.1.2的Ui），同時連接U2的“鎖零（G）”與運放的鎖零G。然后用示波器觀測該環(huán)節(jié)的輸入與輸出（例如對比例環(huán)節(jié)即測試圖1.1.2的Ui和Uo有上位機時，必須在熟悉上位機界面操作的基礎上，充分利用上位機提供的虛擬示波器與信號發(fā)生器功能。為了利用上位機提供的虛擬示波器與信號發(fā)生器功能，接線方式將不同于上述無上位機情況。四·實驗所用儀器

PC微機（含實驗系統(tǒng)上位機軟件）、ACT-I實驗箱、USB2.0通訊線五·實驗步驟和方法

1．設計各種典型環(huán)節(jié)的模擬電路。2．完成各種典型環(huán)節(jié)模擬電路的階躍特性測試，并研究參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)階躍特性的影響。3．在上位機界面上，填入各個環(huán)節(jié)的實際（非理想）傳遞函數(shù)參數(shù)，完成典型環(huán)節(jié)階躍特性的軟件仿真研究，并與電路模擬研究的結果作比較。具體步驟：1．熟悉實驗箱，利用實驗箱上的模擬電路單元，參考本實驗附錄設計并連接各種典型環(huán)節(jié)（包括比例、積分、比例積分、比例微分、比例積分微分以及慣性環(huán)節(jié)）的模擬電路。注意實驗接線前必須先將實驗箱上電，以對運放仔細調(diào)零。然后斷電，再接線。接線時要注意不同環(huán)節(jié)、不同測試信號對運放鎖零的要求。在輸入階躍信號時，除比例環(huán)節(jié)運放可不鎖零（G可接-15V）也可鎖零外，其余環(huán)節(jié)都需要考慮運放鎖零。2．利用實驗設備完成各典型環(huán)節(jié)模擬電路的階躍特性測試，并研究參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)階躍特性的影響。無上位機時，利用實驗箱上的信號源單元U2所輸出的周期階躍信號作為環(huán)節(jié)輸入，即連接箱上U2的“階躍”與環(huán)節(jié)的輸入端（例如對比例環(huán)節(jié)即圖1.1.2的Ui），同時連接U2的“鎖零（G）”與運放的鎖零G。然后用示波器觀測該環(huán)節(jié)的輸入與輸出（例如對比例環(huán)節(jié)即測試圖1.1.2的Ui和Uo）。注意調(diào)節(jié)U2的周期階躍信號的“頻率”電位器RP5與“幅值”電位器RP2有上位機時，必須在熟悉上位機界面操作的基礎上，充分利用上位機提供的虛擬示波器與信號發(fā)生器功能。為了利用上位機提供的虛擬示波器與信號發(fā)生器功能，接線方式將不同于上述無上位機情況。仍以比例環(huán)節(jié)為例，此時將Ui連到實驗箱U3單元的O1（D/A通道的輸出端），將Uo連到實驗箱U3單元的I1（A/D通道的輸入端），將運放的鎖零G連到實驗箱U3單元的G1（與O1同步），并連好U3單元至上位機的USB2.0通信線。接線完成，經(jīng)檢查無誤，再給實驗箱上電后，啟動上位機程序，進入主界面。界面上的操作步驟如下：①按通道接線情況:通過上位機界面中“通道選擇”選擇任一組任一路A/D輸入作為環(huán)節(jié)的輸出,選擇任一路D/A作為環(huán)節(jié)的輸入.不同的通道,圖形顯示控件中波形的顏色將不同；將另一輸出通道直接送倒輸入通道(顯示示波器信號源發(fā)出的輸入波形)。②硬件接線完畢后,檢查USB口通訊連線和實驗箱電源后，運行上位機軟件程序,如果有問題請求指導教師幫助。③進入實驗模式后，先對顯示模式進行設置：選擇“X-t模式”；選擇“T/DIV”為1s/1HZ。④完成上述實驗設置，然后設置實驗參數(shù)，在界面的右邊可以設置系統(tǒng)測試信號參數(shù)，選擇“測試信號”為“周期階躍信號”，選擇“占空比”為50%，選擇“T/DIV”為“1000ms”，選擇“幅值”為“3V”，可以根據(jù)實驗需要調(diào)整幅值，以得到較好的實驗曲線，將“偏移”設為“0”。以上除必須選擇“周期階躍信號”外，其余的選擇都不是唯一的。要特別注意，除單個比例環(huán)節(jié)外，對其它環(huán)節(jié)和系統(tǒng)都必須考慮環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的時間常數(shù)，如仍選擇“輸入波形占空比”為50%，那么“T/DIV”至少是環(huán)節(jié)或系統(tǒng)中最大時間常數(shù)的6～8倍。這樣，實驗中才能觀測到階躍響應的整個過程。⑤以上設置完成后，按LabVIEW上位機軟件中的“RUN”運行圖標來運行實驗程序，然后點擊右邊的“Start”按鈕來啟動實驗，動態(tài)波形得到顯示，直至周期響應過程結束，如上述參數(shù)設置合理就可以在主界面圖形顯示控件中間得到環(huán)節(jié)的“階躍響應”。⑥利用LabVIEW軟件中的圖形顯示控件中光標“Cursor”功能（詳見軟件使用說明書）觀測實驗結果；改變實驗箱上環(huán)節(jié)參數(shù)，重復⑤的操作；如發(fā)現(xiàn)實驗參數(shù)設置不當，看不到“階躍響應”全過程，可重復④、⑤的操作。⑦按實驗報告需要，將圖形結果保存為位圖文件，操作方法參閱軟件使用說明書。3．分析實驗結果，完成實驗報告。附錄：1．比例(P)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、方塊圖、模擬電路和階躍響應比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：其方塊圖、模擬電路和階躍響應，分別如圖1.1.1、圖1.1.2和圖1.1.3所示，于是，實驗參數(shù)取R0＝100k，R1＝200k，R=10k。2．積分(I)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、方塊圖、模擬電路和階躍響應積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：其方塊圖、模擬電路和階躍響應，分別如圖1.2.1、圖1.2.2和圖1.2.3所示，于是，實驗參數(shù)取R0＝100k，C＝1uF，R=10k。3．比例積分(PI)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、方塊圖、模擬電路和階躍響應比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：其方塊圖、模擬電路和階躍響應，分別如圖1.3.1、圖1.3.2和圖1.3.3所示，于是，實驗參數(shù)取R0＝200k，R1＝200k，C＝1uF，R=10k。4．比例微分(PD)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、方塊圖、模擬電路和階躍響應比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：其方塊圖和模擬電路分別如圖1.4.1、圖1.4.2所示。其模擬電路是近似的（即實際PD環(huán)節(jié)），取，則有，實驗參數(shù)取R0＝10k，R1＝10k，R2＝10k，R3＝1K，C＝10uF，R=10k。對應理想的和實際的比例微分(PD)環(huán)節(jié)的階躍響應分別如圖1.4.3a、圖1.4.3b實際PD環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：（供軟件仿真參考）5．慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、方塊圖、模擬電路和階躍響應慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：其方塊圖、模擬電路和階躍響應，分別如圖1.5.1、圖1.5.2和圖1.5.3所示，其中，實驗參數(shù)取R0＝200k，R1＝200k，C＝1uF，R=10k。6．比例積分微分(PID)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、方塊圖、模擬電路和階躍響應比例積分微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：其方塊圖和模擬電路分別如圖1.6.1、圖1.6.2所示。其模擬電路是近似的（即實際PID環(huán)節(jié)），取，將近似上述理想PID環(huán)節(jié)有，實驗參數(shù)取R0＝200k，R1＝100k，R2＝10k，R3＝1k，C1＝1uF，C2＝10uF，R=10k。對應理想的和實際的比例積分微分(PID)環(huán)節(jié)的階躍響應分別如圖1.6.3a、圖1.6.3b實際PID環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：（供軟件仿真參考）六·實驗注意事項

在實驗過程中，要聽從老師的指導，嚴格按照實驗步驟進行，不能任意更改，不熟悉的儀器設備，應先請老師知道后使用，切勿隨意亂動。實驗室如有問題發(fā)生，應首先用自己學過的知識，獨立思考加以解決，努力培養(yǎng)獨立分析問題和解決問題的能力，如自己不能解決可