武大电气自控实验报告.doc
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1、-20162017 学年第一学期自动控制原理实验报告实验一典型环节的电路模拟1. 比例p环节根据比例环节的方框图,电路图,用CT01实验模块组建相应的模拟电路。电路图为:图中后一个单元为反相器,其中R0=200k。参数设置:假设比例系数 K=1 时,电路中的参数取:R1=100k,R2=100k;假设比例系数 K=2 时,电路中的参数取:R1=100k,R2=200k。比例系数K=1时:比例系数K=2时:当ui为一单位阶跃信号时,用上位机软件观测并记录相应K值时的实验曲线,并与理论值进展比拟。另外R2还可使用可变电位器,以实现比例系数为任意的设定值。比例环节的传递函数为:随着K的增大,输出信号
2、与输入信号的比例越来越大,在图像上表现为输入信号幅值越来越大。2. 积分I环节根据积分环节的电路图,用CT01实验模块组建相应的模拟电路。图中后一个单元为反相器,其中 R0=200k。假设积分时间常数 T=1s 时,电路中的参数取:R=100k,C=10uF(T=RC=100k10uF=1s);假设积分时间常数 T=0.1s 时,电路中的参数取:R=100k,C=1uF(T=RC=100k1uF=0.1s)。积分时间常数T=1s时:积分时间常数T=0.1s时:积分环节的传递函数为:随着T的增加,系统输出到达稳态所需时间越长。当积分环节的时间常数T变小时,积分作用更加强烈,到达稳定值所需要的时间
3、更短,在波形图中表现为斜率更大。3. 比例积分PI环节根据比例积分环节的电路图,用CT01实验模块组建相应的模拟电路。图中后一个单元为反相器,其中 R0=200k。假设取比例系数 K=1、积分时间常数 T=1s 时,电路中的参数取:R1=100k,R2=100k, C=10uF(K=R2/R1=1,T=R2C=100k10uF=1s);假设取比例系数K=1、积分时间常数T=0.1s时,电路中的参数取:R1=100k,R2=100k,C=1uF(K=R2/R1=1,T=R2C=100k1uF=0.1s)。注:通过改变 R2、R1、C 的值可改变比例积分环节的放大系数 K 和积分时间常数 T。比例
4、系数K=1、积分时间常数T=1s时:比例系数K=1、积分时间常数T=0.1s时:比例积分环节的传递函数为:比例系数K的变化,不会影响系统的动态特性;随着积分常数T的增加,系统输出到达稳态所需时间越长。而积分常数越小,说明积分的作用越强烈,在图上表现为斜率更大。4. 比例微分PD环节根据比例微分环节的电路图,用CT01实验模块组建相应的模拟电路。图中后一个单元为反相器,其中 R0=200k。假设比例系数 K=1、微分时间常数 T=0.1s 时,电路中的参数取:R1=100k,R2=100k,C=1uF(K=R2/R1=1,T=R1C=100k1uF=0.1s);假设比例系数 K=1、微分时间常数
5、 T=1s 时,电路中的参数取:R1=100k,R2=100k,C=10uF(K=R2/R1=1,T=R1C=100k10uF=1s)。比例系数K=1、微分时间常数T=0.1s时:比例系数K=1、微分时间常数T=1s时:比例微分环节的传递函数为:G(S)=随着T的增加,系统输出到达稳态所需时间越长。微分时间常数越小,微分作用越强烈,图中表现为,当输入有了一个响应后,更快地到达稳定值。由于两次测试的比例系数K相等,最后到达的稳定值一样,但由于微分常数不相等,动态特性不同,微分时间常数小的先到达稳定值。5. 比例积分微分PID环节根据比例积分微分环节的电路图,用CT01实验模块组建相应的模拟电路。
6、图中后一个单元为反相器,其中 R0=200k。假设比例系数 K=2、积分时间常数TI=0.1s、微分时间常数 TD=0.1s 时,电路中的参数取:R1=100k,R2=100k,C1=1uF、C2=1uF (K=(R1C1+ R2C2)/ R1C2=2,TI=R1C2=100k1uF=0.1s,TD=R2C1=100k1uF=0.1s);假设比例系数 K=1.1、积分时间常数 TI=1s、微分时间常数 TD =0.1s 时,电路中的参数取:R1=100k,R2=100k,C1=1uF、C2=10uF (K=(R1C1+ R2C2)/ R1C2=1.1,TI=R1C2=100k10uF=1s,T
7、D=R2C1=100k1uF=0.1s)。比例系数K=2、积分时间常数TI=0.1s、微分时间常数TD=0.1s时:比例系数K=1.1、积分时间常数TI=1s、微分时间常数TD=0.1s时:比例积分微分环节的传递函数为:比例系数K的变化,不会影响系统的动态特性,随着K的增加,输出开场幅值是输入信号的K倍;随着的增加,系统输出到达稳态所需时间越长。积分常数越小,说明积分的作用越强烈,在图上表现为斜率更大;微分时间常数越小,微分作用越强烈,图中表现为,当输入有了一个响应后,更快地到达稳定值。6. 惯性环节根据惯性环节的电路图,用CT01实验模块组建相应的模拟电路。图中后一个单元为反相器,其中 R0
8、=200k。假设比例系数 K=1、时间常数 T=1s 时,电路中的参数取:R1=100k,R2=100k,C=10uF(K= R2/R1=1,T=R2C=100k10uF=1s);假设比例系数 K=1、时间常数 T=0.1s 时,电路中的参数取:R1=100k,R2=100k,C=1uF(K= R2/R1=1,T=R2C=100k1uF=0.1s);通过改变 R2、R1、C 的值可改变惯性环节的放大系数 K 和时间常数 T。比例系数K=1、时间常数T=1s时:比例系数K=1、时间常数T=0.1s时:惯性环节的传递函数为:随着T的增加,系统输出到达稳态所需时间越长。惯性环节的时间常数越大代表惯性
9、越大。实验思考题:1. 用运放模拟典型环节时,其传递函数是在什么假设条件下近似导出的?答:1假定运放具有理想特性,即满足“虚短“虚断特性。2运放的静态量为零,输入量、输出量和反应量都可以用瞬时值表示其动态变化。2. 积分环节和惯性环节主要差异是什么?在什么条件下,惯性环节可以近似地视为积分环节?而又在什么条件下,惯性环节可以近似地视为比例环节?答:惯性环节的特点是,当输入*(t)作阶跃变化时,输出y(t)不能立刻到达稳态值,瞬态输出以指数规律变化。而积分环节,当输入为单位阶跃信号时,输出为输入对时间的积分,输出y(t)随时间呈直线增长。当t趋于无穷大时,惯性环节可以近似地视为积分环节,当t趋于
10、0时,惯性环节可以近似地视为比例环节。3. 在积分环节和惯性环节实验中,如何根据单位阶跃响应曲线的波形,确定积分环节和惯性环节的时间常数?答:在积分环节中,纵坐标K对应的横坐标就是时间常数T;在惯性环节中,在起始点作该店的切线,与y=K相交的点的横坐标就是时间常数T。4. 为什么实验中实际曲线与理论曲线有一定误差?答:因为选择的电子元器件,输入输出曲线,不可能像理论那样的线性,在实验中,运放并不是理想的,假设的2个条件是到处传递函数的前提。再加上元器件都有温度特性曲线.器件参数都有误差。5. 为什么PD实验在稳定状态时曲线有小围的振荡?答:PD环节中存在微分环节,而微分环节对偏差敏感。因为输入
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