自动控制原理实验一典型环节的电路模拟与软件仿真

1、实睑一典型环节的电路模拟与软件仿真一.卖建q的1 .戡急THSSU4型信号与条统抵制理论计算机拉利技术实除笳及上住机软件的使用；2 .熟悉各典型环节的阶沃响应特性及其电绛馍拟；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肘性的号响。二、实睑设备LTHSSG4型信号与京饶拉制理论,计算机抵制技术实除笳；2.PC机一台(含上枝机软件)、USB敷据采集卡、37针通信线1根、16芯敷据排线.USB接。线；3,双除侵扫描示波及一台(可选)；三.实睑走1 ,设计并组式冬典型环节的模拟电路；2 .测量各典型环节的阶沃响应，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，埴人各典型环

2、节教学搅型的实际参数，据此完成它们对阶跃响应的软件仿真，并与模拟也路测忒的结果相比较。0、实睑原理自拉条统是由比例、我分、微分、惯性等环节按一定的关东组定而成。熟悉这些典型环节的结构及其对阶氏带人的响应，将对杂统的设计和分析是十分有益7.图1-1的o本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理柩图如图1-1所示。图中乙和Z2表示由R.C构成的复数El抗。L比例(9)环节比例环节的特点是带出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。它的传遹函.故与方柩图分别为：G=霁:长.fT!。”当Ui带人痛输入一个单位阶疏信号，区比例余数为K时的响应曲线如图1-2所示。电压四K“Q1Ui(t)/0图

3、1-22.依分()环节将分环节的输出量与其输入量对时间的我分成正比。它的传选乱数与方梃图分别为:g(s)=7j=U(s)火s)设Ui(S)为一单位阶及信号，当依分条效为T时的响应曲线如图1-3所示。图1-33.比例左分(PI)环节比例依分环节的传递乱致与方梅西分别为：【J、(、(+1R、1Ry1Uo(t)Hi(O华K-2s电G(s)=+=(1+)4(S)RCSRRiCSRR1CS其中T=R2C,K=R2/Ri设Ui(S)为一单位阶疏信号，图1-4示出了比例条数(K)为1、响应曲为。电压切d1!1)/0图1-44,比例微分(PD)环节比例微分环节的传递品效与方柩图分别为：R、尔分条数为T时的PI

4、带出G(s)=K(1+TS)=(1+RiCS)其中K=Rz/舟,介设Ui为一单低阶氏信号，01-5示出了比例条数(K)为2.出响应曲线。电乐阿1/0图1-55.比例考分微分(PID)环节比例依分微分(PID)环节的传递心数与方框图分别为：G(s)=K+与+7S/3其中Kp=RG+&J,T=RG，Td=R2C_RiGUi(s)_,.优质资料.微分条效为Td时PD的输Tas1JaHs)Is(R2C2S+1)(RiCiS+1)RC2s&G+R1十十/xC.dR1C2R1C2S-1设UI(S)为一单住阶沃信号，图16示出了比例东致(K)为1、微分杂敷为Td、秋分条致为T|时PID的揄出。6.惯性环节惯

5、性环节的传遹的数与方框目分别为：G=2=上，(S)75+1U(s)火$)Ts+I当U(S)轿人端轿人一个单位阶改信号，以放大条数(K)为1、时间常数为T时响应曲线如舀1-7所示。图1-7H.结展分析1、各典型环节的multisim仿真波形和电路图：()比例环节。起珞段和信号图如下：图表1比例余数2的电路图图走2比例条数2（注：图表2中，实际Channel_A的信号幅度为2V,见下同，由于仿真零的显示总是滞后于波形的变化，为了凸显条院对阶及那一瞬间的响应，因此还未等仿真零显示出实际结果就配图了，导我显示的未与图像不符，之后的几图，徜若出现类似情况则都是同一缘由所改，不再复述。J图表3比例条数2（

6、说明）图表4比例条数5的电路图图走5比例条数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桥况，因而仿真结果与理想的结果非常排火。至于Channel-A实际接收到的数据与理想数据有一点点偏差，如酉表五4.980V与5V的堂别，则可以认为是条统自身的结构问题导改的俣整，可以忽略。图表6比例环节，K=2这是matlab的仿真，给入信号为单位阶联信号，比例条数K=2,与multisim一改。(2)依分环节。信号图和电涔图如下：呦Osilloscope-XSCl图表7收分条数0.1国走8取分条数0.1的电路图分析：理论上，杂院应当在T=0,1s的时间，从。开始收分至值为Ui,这

7、里Ui=12V,所以考分曲线的斛率的理论值为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,可见k与K基本是一改的，候系一方面来自软件本身的结构问题，另一方面也可能是因为T1,T2两个指针的设置可能有偏差。/Oscilloscope-XSCl图表9瓶分条数1分析：这个东院中，着分条数T=1,.粉人也压Ui=12V,理论上的斛率应该为12V/S,从图中校列的数据计算：k=10339/0.870056=1L88314V/So看径出也是大致相等的。总结：可以看出，依分环节有两个明显的特征：门)带出信号是斛城信号，对于输入信号为阶跌信号的

8、情况，这种输出信号形式与我们数学上的对某一常救楼时间做着分运算的结果是一致的，不同之处是，理论上考分结果会随着时间的推移起于无为大，而仿真环境下，由于软件本身有一定的量程限制，因而检出信号依达到禁一依之后就不再增加了。(2)考分常数越火，达到顶峰常委的时间就越长，这也符合理论的结果。HScopel|回|Ti|昌鹿Q网回醯昼用B;2r50,IfK999930/:IflrJ/20/:；:；-I.:一,0iiii0246810Timeoffset;0里表】0融分环节T=0.1fljifenOl匚13I回图表Umatlab仿真这是matlab的仿真，T=0.h输入信号为伍为2V的阶跋信号，理论斛率为2

9、0V/S,中看到的斛率值大致也是这个值。(3)比例着分环节：信号图和电路图如下：i_i_r杨Oseilloscope-XSCl分析：比例余数K=2,理论上在Ui加上去之后，输出信号会先输出一个依为KUi的电压，与此同时，按照T=0.1开始做依分，所以此后应当以k=Ui/T的斛率商上增加。之后我们比对输出结果，发现在T1处，也压值为6V,而电路中给出的带人也压为3V,所以这一时刻的结果符合理论结果；在T1之后，直到T2,是一段斛收信号，斛收的斜率k=4.469/0.154426=28.9V/s,而理论上的斛率值为30V/S,基本一致。总结：比例左分环节就是杷比例环节与舍分环节并麻，分别取得结果之

10、后再叠加起来，所以从图像上看，也加了阶氏信号以后，输出佶号先有一个乘了东救K的阶及，之后则逐斯按斜坡形式增加，形式同比例和考分的加和是相同的，因而殓铤了这一假设。图表14比例也分，K=l,T=1Hbilijifenlsl*二1二一口|回I1S-图表15matlab仿真这是matlab仿真，带人信号为依为2的阶氏信号。图中观察到的我分斛率大致为2V/s,与理论值k=Ui/T=2V/s一致。(4)比例做分环节。信号图和也略图如下：喷05cilloscope-XSCl图表16比例做分RC=1总结：微分环节对于阶跌信号的响应，在理论上，由于阶氏信号在此加的一瞬间有跳变，造成其微分结果为无出大，之后阶氏

11、信号不再变化，微分为0,表现为输出信号开始段成。由于条斑中带有比例环节，因此输出信号不会衰减为弯，而是衰减到值为KUi,之后保将不变。又因为multisim的量现有F艮，所以见察到的波形，开始的很长一段时间是一段不变化的高也平，这是因为阶跌的微分信号超出了量程，并旦在较长时间还没能衰减到量程以。而在过了一段时间以后，会发现信号以震荡的形式衰减到了一个固定的值，舀表16中为3V=Ui,曲表18中为L5V=0.5Ui,与理论结果一致。BjScope|。回S3昌图叵弃尤SS501.40*4,I30:；.:20:；I 10：I 0i1ii二0246810Time。仃38：0图表20比例做分K=l,T=

12、1图表21matlab仿真T=l,K=1从国表20中可以观察的很清楚，微分佶号在初始时刻是无F艮大的。(5)P1D环节:图表22PID,K=LTI=O.LTD=0.1I?图表23PID.K=2.TI=TD=O.1,电路图分析：目中由于具有微分环节，因此输出信号一开始就跳跌为无劣大，比例环节的作用就不明显了。微分信号袁成之后，其主要作用的是依分环节，可以看到，依分的斛率值大约是2.204/0.073446=30.008V/s,理论值为30V/S,大致相等。方Oscilloscope-XSC1国表24PID,K=1.LTl=l,TD=0.1GNDR6-100kQLF353M1OOkQveeLF35

13、3M200kD-12V-12VKey=Space100kD10pFR2TVl200knR5Key=Spaed(JOkQKey=SpaceJJ1国表25PID,K=LLTl=l,TD=OJ也路图分析：图像形式没有变化，不同的是由于TI的改变，或分的斛率，从图中得到的是1J8/O.6O2637=3.OO3V/5,与理论值3V/s大致相等。总结：PID环节同时具卷了比例.依分、微分三个环节的特性，输出图像其实也就是三个环节检出肘性的叠加。三个环节在整个系统中的工作实际上是相互独立的，这也与它们是并联关系的事实粕符合。图表26PID环节Tl=l,TD=1,K=2图表27matlab仿真(6)惯性环节：

14、S3的Oscilloscope-XSCl图表28惯性环节K=l,T=1-GND图表29惯性环节K=l,T=1也路图分析：符遍的数G(s)=UM=%(S)75+1r(t)IKu(t)可以看列，当t时，这与图中的样子是a萌的。下面取一个点，当t=T=1s时，理/上r(t)=L89V,图表28中，得t=L014sj(1.014)=L887V,在俣差允许囹可以认为是一致的。图表30惯性环节K=1,T=2|XSCiKey=SpaceI_Lvi3VT图表31惯性环节K=LT=2也路图总结：传曲曲数g（s）=%91=_J4TS+可以看列，仿真的结果始终保带着与上面公式的一改性。图表32惯性环节T=bK=5七、矣黯感老越L用运放模拟典型环节时，其传遹乱数是在什么假设条件下反仞导出的？芯：(U运放带入阻抗为无劣大，输出阻抗为0,带人端虎新、虎短。(2)条统中各个元件的初始状态为02 .依分环节和惯性环节主委系别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似地视为我分环节？而又在什么条件下，慢性环节可以近似地视为比例环节？益：对于惯性环节，当带人单位阶沃信号时，输出y(t)不能立刻达到稔态依，瞬态输出以指数规律变化。依分环节，当带人为单&阶疏信号时，输出为输入对时间的积分，带出y(t)随时间呈直戏增长。当t超于无务大时，惯性环节可