典型环节的电模拟及阶跃响应分析

实验一 典型环节的电模拟及阶跃响应分析一、实验目的（1）了解并初步掌握控制系统典型环节的电模拟方法；（2）熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线；（3）了解参数变化对典型环节动态特性的影响。二、仪器、设备微型计算机（安装有EWB软件或MATLAB软件） 1台三、实验原理本实验可以应用EWB软件或MATLAB软件完成，请老师和同学自己选择。本实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即通过设置运算放大器不同的输入网络和反馈网络来模拟各种典型环节。根据运算放大器反向输入端、输出端之间的传递函数：AZ rZ fU rU C图 1在运算放大器反向输入端、输出端之间配以适当的电阻和电容，即可模拟各种典型环节。改变电阻的阻值和电容的容值，也就改变了典型环节的参数。再观察典型环节的的阶跃响应，就可了解参数变化对典型环节动态特性的影响。1、比例环节：实验电路见图1。（1），本实验中取。ARCU rU C图 2C2、积分环节：实验电路见图2。RfU rR0U CA图 3其传递函数为，取RC=1，则3、惯性环节：实验电路见图3。其传递函数为，记T=RC，取，则C1R14、二阶震荡环节：C2U rR0R4R3R2AAU CA图 4其开环传递函数为：其闭环传递函数为：四、实验内容1、启动微机，打开EWB实验软件，画好（或者是打开）实验电路，并设置好参数；2、观察不同R和C时的阶跃响应（取规定的四组参数）；3、测试每组参数下所对应的阶跃响应的T，并与理论值比较；4、分析R和C对一阶系统动态响应的影响；五、实验步骤1、EWB软件绘制方法（1）、比例环节：图 5 自定义器件库信号源库基本电路器件库二极管库晶体三极管库模拟集成芯片库混和集成芯片库数字集成芯片库逻辑门电路库数字电路库显示器件库控制器件库其它器件库虚拟器件库元器件特性分析图形运行或停止实验1）点击“开始”菜单中的图标，进入EWB实验平台。这时EWB会自动打开如图2所示窗口；在此窗口下，同学们就可以自己在元件库中选择元件组图了。2）点击虚拟器件库图标，点击第二个模块（函数发生器模块），按下鼠标左键，将函数发生器模块拖到工作区，释放鼠标左键，具体操作如图6所示。 图 6 图 73）点击信号源库图标，点击第一个模块（接地模块），按下鼠标左键，将接地模块拖到工作区，释放鼠标左键，具体操作如图7所示。4）点击基本电路器件库图标，点击第二个模块（电阻模块），按下鼠标左键，将电阻模块拖到工作区，释放鼠标左键，具体操作如图8所示。 图 8 图 9 5）点击模拟集成芯片库图标，点击第一个模块（集成运算放大器模块），按下鼠标左键，将集成运算放大器模块拖到工作区，释放鼠标左键，具体操作如图9所示。6）点击虚拟器件库图标，点击第三个模块（示波器模块），按下鼠标左键，将示波器模块拖到工作区，释放鼠标左键，具体操作如图10所示。 图 10 图 117）每一个模块之间用信号线相连，具体连接方法为当鼠标靠近连接点是会变亮，按下鼠标左键，拖到需要连接的元器件节点，该节点也会变亮，释放鼠标左键，具体连接如图11所示。8）根据实验要求选择合理的实验参数，再点击运行按钮开始各项实验内容。（2）、积分环节、惯性环节、二阶系统电路这三个环节的实验步骤与比例环节的绘制方法类似，这里不再累述，请同学们自己绘制实验图。2、MATLAB软件绘制方法（1）比例环节：从Simulink/Sources图形库浏览器中拖曳Step（阶跃输入）、从Simulink/Math Operations图形库浏览器中拖曳Gain（增益模块）、从Simulink/Commonly Used Blocks图形库浏览器中拖曳Scope（示波器）、从Simulink/Sinks图形库浏览器中拖曳Scope（示波器）模块到仿真操作界面，连接成仿真框图、改变增益模块的参数。从而改变比例环节的放大倍数K，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况。仿真框图如图12所示： 图 12 图 13（2）积分环节将图12仿真框图中的 Gain（增益模块）换成 Transfer Fcn（传递函数模块），设置 Transfer Fcn（传递函数模块）的参数，使其传递函数变成1/Ts型。改变Transfer Fcn（传递函数模块）的参数，从而改变积分环节T，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况, 仿真框图如图13所示：（3）惯性环节将图13中传递函数模块的参数重新设置，使其传递函数变成型，改变惯性环节的时间常数T，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况。仿真框图如图14所示： 图 14 图 15 （5）二阶震荡环节将传递函数模块的参数重新设置，使其传递函数变成性（参数设置是应注意），仿真框图如图所示：1) 令不变，取不同值（），观察其单位阶跃响应曲线变化情况；2) 令不变，取不同值，观察其单位阶跃响应曲线变化情况。六、预习要求：1、熟悉各种典型环节电模拟的原理和方法，并计算好元件相关参数。2、熟悉由典型环节构建一阶系统的方法；并分析一阶系统的R和C与各典型环节的参数之间的关系。3、分析题一阶系统的阶跃响应，熟悉系统R和C对系统阶跃响应的影响。七、实验记录表比例环节第一组第二组第三组第四组Zf1K10K100K1000KZr10K10K10K10K阶跃响应曲线参数对响应的关系积分环节第一组第二组第三组第四组R1K10K100K1000KC1uF1uF1uF1uF阶跃响应曲线参数对响应的关系惯性环节第一组第二组第三组第四组Rf10K10K10K10KC1000uF100uF10uF1uF阶跃响应曲线调节时间ts理论值测试值参数对响应的关系参数或指标第一组第二组第三组第四组（1/S）33110.50.50阶跃响应曲线上升时间理论值测试值峰值时间理论值测试值调节时间理论值测试值超调量理论值测试值振荡次数N理论值测试值参数对响应的关系八、思考