自動控制原理實驗一典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真

1、實瞼一典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真一.賣建q的1 .戡急THSSU4型信號與條統(tǒng)抵制理論計算機拉利技術(shù)實除笳及上住機軟件的使用；2 .熟悉各典型環(huán)節(jié)的階沃響應(yīng)特性及其電絳饃擬；3 .測量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，并了解參數(shù)變化對其動態(tài)肘性的號響。二、實瞼設(shè)備LTHSSG4型信號與京饒拉制理論,計算機抵制技術(shù)實除笳；2.PC機一臺(含上枝機軟件)、USB敷據(jù)采集卡、37針通信線1根、16芯敷據(jù)排線.USB接。線；3,雙除侵掃描示波及一臺(可選)；三.實瞼走1 ,設(shè)計并組式冬典型環(huán)節(jié)的模擬電路；2 .測量各典型環(huán)節(jié)的階沃響應(yīng)，并研究參數(shù)變化對其輸出響應(yīng)的影響；3 .在上位機仿真界面上，埴人各典型環(huán)

2、節(jié)教學攪型的實際參數(shù)，據(jù)此完成它們對階躍響應(yīng)的軟件仿真，并與模擬也路測忒的結(jié)果相比較。0、實瞼原理自拉條統(tǒng)是由比例、我分、微分、慣性等環(huán)節(jié)按一定的關(guān)東組定而成。熟悉這些典型環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)及其對階氏帶人的響應(yīng)，將對雜統(tǒng)的設(shè)計和分析是十分有益7.圖1-1的o本實驗中的典型環(huán)節(jié)都是以運放為核心元件構(gòu)成，其原理柩圖如圖1-1所示。圖中乙和Z2表示由R.C構(gòu)成的復數(shù)El抗。L比例(9)環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)的特點是帶出不失真、不延遲、成比例地復現(xiàn)輸出信號的變化。它的傳遹函.故與方柩圖分別為：G=霽:長.fT!?！碑擴i帶人痛輸入一個單位階疏信號，區(qū)比例余數(shù)為K時的響應(yīng)曲線如圖1-2所示。電壓四K“Q1Ui(t)/0圖

3、1-22.依分()環(huán)節(jié)將分環(huán)節(jié)的輸出量與其輸入量對時間的我分成正比。它的傳選亂數(shù)與方梃圖分別為:g(s)=7j=U(s)火s)設(shè)Ui(S)為一單位階及信號，當依分條效為T時的響應(yīng)曲線如圖1-3所示。圖1-33.比例左分(PI)環(huán)節(jié)比例依分環(huán)節(jié)的傳遞亂致與方梅西分別為：【J、(、(+1R、1Ry1Uo(t)Hi(O華K-2s電G(s)=+=(1+)4(S)RCSRRiCSRR1CS其中T=R2C,K=R2/Ri設(shè)Ui(S)為一單位階疏信號，圖1-4示出了比例條數(shù)(K)為1、響應(yīng)曲為。電壓切d1!1)/0圖1-44,比例微分(PD)環(huán)節(jié)比例微分環(huán)節(jié)的傳遞品效與方柩圖分別為：R、爾分條數(shù)為T時的PI

4、帶出G(s)=K(1+TS)=(1+RiCS)其中K=Rz/舟,介設(shè)Ui為一單低階氏信號，01-5示出了比例條數(shù)(K)為2.出響應(yīng)曲線。電樂阿1/0圖1-55.比例考分微分(PID)環(huán)節(jié)比例依分微分(PID)環(huán)節(jié)的傳遞心數(shù)與方框圖分別為：G(s)=K+與+7S/3其中Kp=RG+&J,T=RG，Td=R2C_RiGUi(s)_,.優(yōu)質(zhì)資料.微分條效為Td時PD的輸Tas1JaHs)Is(R2C2S+1)(RiCiS+1)RC2s&G+R1十十/xC.dR1C2R1C2S-1設(shè)UI(S)為一單住階沃信號，圖16示出了比例東致(K)為1、微分雜敷為Td、秋分條致為T|時PID的揄出。6.慣性環(huán)節(jié)慣

5、性環(huán)節(jié)的傳遹的數(shù)與方框目分別為：G=2=上，(S)75+1U(s)火$)Ts+I當U(S)轎人端轎人一個單位階改信號，以放大條數(shù)(K)為1、時間常數(shù)為T時響應(yīng)曲線如舀1-7所示。圖1-7H.結(jié)展分析1、各典型環(huán)節(jié)的multisim仿真波形和電路圖：()比例環(huán)節(jié)。起珞段和信號圖如下：圖表1比例余數(shù)2的電路圖圖走2比例條數(shù)2（注：圖表2中，實際Channel_A的信號幅度為2V,見下同，由于仿真零的顯示總是滯后于波形的變化，為了凸顯條院對階及那一瞬間的響應(yīng)，因此還未等仿真零顯示出實際結(jié)果就配圖了，導我顯示的未與圖像不符，之后的幾圖，徜若出現(xiàn)類似情況則都是同一緣由所改，不再復述。J圖表3比例條數(shù)2（

6、說明）圖表4比例條數(shù)5的電路圖圖走5比例條數(shù)5總結(jié)：比例環(huán)節(jié)的電路很簡單，原理也很簡單，也不存在下面將要出現(xiàn)的越界橋況，因而仿真結(jié)果與理想的結(jié)果非常排火。至于Channel-A實際接收到的數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)有一點點偏差，如酉表五4.980V與5V的堂別，則可以認為是條統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)問題導改的俁整，可以忽略。圖表6比例環(huán)節(jié)，K=2這是matlab的仿真，給入信號為單位階聯(lián)信號，比例條數(shù)K=2,與multisim一改。(2)依分環(huán)節(jié)。信號圖和電涔圖如下：呦Osilloscope-XSCl圖表7收分條數(shù)0.1國走8取分條數(shù)0.1的電路圖分析：理論上，雜院應(yīng)當在T=0,1s的時間，從。開始收分至值為Ui,這

7、里Ui=12V,所以考分曲線的斛率的理論值為K=12/0.1=120V/s,四表6中，斛坡部分的斛率值k=10.477/0.088889比117.8661,可見k與K基本是一改的，候系一方面來自軟件本身的結(jié)構(gòu)問題，另一方面也可能是因為T1,T2兩個指針的設(shè)置可能有偏差。/Oscilloscope-XSCl圖表9瓶分條數(shù)1分析：這個東院中，著分條數(shù)T=1,.粉人也壓Ui=12V,理論上的斛率應(yīng)該為12V/S,從圖中校列的數(shù)據(jù)計算：k=10339/0.870056=1L88314V/So看徑出也是大致相等的?？偨Y(jié)：可以看出，依分環(huán)節(jié)有兩個明顯的特征：門)帶出信號是斛城信號，對于輸入信號為階跌信號的

8、情況，這種輸出信號形式與我們數(shù)學上的對某一常救樓時間做著分運算的結(jié)果是一致的，不同之處是，理論上考分結(jié)果會隨著時間的推移起于無為大，而仿真環(huán)境下，由于軟件本身有一定的量程限制，因而檢出信號依達到禁一依之后就不再增加了。(2)考分常數(shù)越火，達到頂峰常委的時間就越長，這也符合理論的結(jié)果。HScopel|回|Ti|昌鹿Q網(wǎng)回醯晝用B;2r50,IfK999930/:IflrJ/20/:；:；-I.:一,0iiii0246810Timeoffset;0里表】0融分環(huán)節(jié)T=0.1fljifenOl匚13I回圖表Umatlab仿真這是matlab的仿真，T=0.h輸入信號為伍為2V的階跋信號，理論斛率為2

9、0V/S,中看到的斛率值大致也是這個值。(3)比例著分環(huán)節(jié)：信號圖和電路圖如下：i_i_r楊Oseilloscope-XSCl分析：比例余數(shù)K=2,理論上在Ui加上去之后，輸出信號會先輸出一個依為KUi的電壓，與此同時，按照T=0.1開始做依分，所以此后應(yīng)當以k=Ui/T的斛率商上增加。之后我們比對輸出結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在T1處，也壓值為6V,而電路中給出的帶人也壓為3V,所以這一時刻的結(jié)果符合理論結(jié)果；在T1之后，直到T2,是一段斛收信號，斛收的斜率k=4.469/0.154426=28.9V/s,而理論上的斛率值為30V/S,基本一致?？偨Y(jié)：比例左分環(huán)節(jié)就是杷比例環(huán)節(jié)與舍分環(huán)節(jié)并麻，分別取得結(jié)果之

10、后再疊加起來，所以從圖像上看，也加了階氏信號以后，輸出佶號先有一個乘了東救K的階及，之后則逐斯按斜坡形式增加，形式同比例和考分的加和是相同的，因而殮鋌了這一假設(shè)。圖表14比例也分，K=l,T=1Hbilijifenlsl*二1二一口|回I1S-圖表15matlab仿真這是matlab仿真，帶人信號為依為2的階氏信號。圖中觀察到的我分斛率大致為2V/s,與理論值k=Ui/T=2V/s一致。(4)比例做分環(huán)節(jié)。信號圖和也略圖如下：噴05cilloscope-XSCl圖表16比例做分RC=1總結(jié)：微分環(huán)節(jié)對于階跌信號的響應(yīng)，在理論上，由于階氏信號在此加的一瞬間有跳變，造成其微分結(jié)果為無出大，之后階氏

11、信號不再變化，微分為0,表現(xiàn)為輸出信號開始段成。由于條斑中帶有比例環(huán)節(jié)，因此輸出信號不會衰減為彎，而是衰減到值為KUi,之后保將不變。又因為multisim的量現(xiàn)有F艮，所以見察到的波形，開始的很長一段時間是一段不變化的高也平，這是因為階跌的微分信號超出了量程，并旦在較長時間還沒能衰減到量程以。而在過了一段時間以后，會發(fā)現(xiàn)信號以震蕩的形式衰減到了一個固定的值，舀表16中為3V=Ui,曲表18中為L5V=0.5Ui,與理論結(jié)果一致。BjScope|?；豐3昌圖叵棄尤SS501.40*4,I30:；.:20:；I 10：I 0i1ii二0246810Time。仃38：0圖表20比例做分K=l,T=

12、1圖表21matlab仿真T=l,K=1從國表20中可以觀察的很清楚，微分佶號在初始時刻是無F艮大的。(5)P1D環(huán)節(jié):圖表22PID,K=LTI=O.LTD=0.1I?圖表23PID.K=2.TI=TD=O.1,電路圖分析：目中由于具有微分環(huán)節(jié)，因此輸出信號一開始就跳跌為無劣大，比例環(huán)節(jié)的作用就不明顯了。微分信號袁成之后，其主要作用的是依分環(huán)節(jié)，可以看到，依分的斛率值大約是2.204/0.073446=30.008V/s,理論值為30V/S,大致相等。方Oscilloscope-XSC1國表24PID,K=1.LTl=l,TD=0.1GNDR6-100kQLF353M1OOkQveeLF35

13、3M200kD-12V-12VKey=Space100kD10pFR2TVl200knR5Key=Spaed(JOkQKey=SpaceJJ1國表25PID,K=LLTl=l,TD=OJ也路圖分析：圖像形式?jīng)]有變化，不同的是由于TI的改變，或分的斛率，從圖中得到的是1J8/O.6O2637=3.OO3V/5,與理論值3V/s大致相等?？偨Y(jié)：PID環(huán)節(jié)同時具卷了比例.依分、微分三個環(huán)節(jié)的特性，輸出圖像其實也就是三個環(huán)節(jié)檢出肘性的疊加。三個環(huán)節(jié)在整個系統(tǒng)中的工作實際上是相互獨立的，這也與它們是并聯(lián)關(guān)系的事實粕符合。圖表26PID環(huán)節(jié)Tl=l,TD=1,K=2圖表27matlab仿真(6)慣性環(huán)節(jié)：

14、S3的Oscilloscope-XSCl圖表28慣性環(huán)節(jié)K=l,T=1-GND圖表29慣性環(huán)節(jié)K=l,T=1也路圖分析：符遍的數(shù)G(s)=UM=%(S)75+1r(t)IKu(t)可以看列，當t時，這與圖中的樣子是a萌的。下面取一個點，當t=T=1s時，理/上r(t)=L89V,圖表28中，得t=L014sj(1.014)=L887V,在俁差允許囹可以認為是一致的。圖表30慣性環(huán)節(jié)K=1,T=2|XSCiKey=SpaceI_Lvi3VT圖表31慣性環(huán)節(jié)K=LT=2也路圖總結(jié)：傳曲曲數(shù)g（s）=%91=_J4TS+可以看列，仿真的結(jié)果始終保帶著與上面公式的一改性。圖表32慣性環(huán)節(jié)T=bK=5七、矣黯感老越L用運放模擬典型環(huán)節(jié)時，其傳遹亂數(shù)是在什么假設(shè)條件下反仞導出的？芯：(U運放帶入阻抗為無劣大，輸出阻抗為0,帶人端虎新、虎短。(2)條統(tǒng)中各個元件的初始狀態(tài)為02 .依分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主委系別是什么？在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為我分環(huán)節(jié)？而又在什么條件下，慢性環(huán)節(jié)可以近似地視為比例環(huán)節(jié)？益：對于慣性環(huán)節(jié)，當帶人單位階沃信號時，輸出y(t)不能立刻達到稔態(tài)依，瞬態(tài)輸出以指數(shù)規(guī)律變化。依分環(huán)節(jié)，當帶人為單&階疏信號時，輸出為輸入對時間的積分，帶出y(t)隨時間呈直戲增長。當t超于無務(wù)大時，慣性環(huán)節(jié)可