典型环节的电路模拟与软件仿真研究

1、典型环节的电路模拟与软件仿真研究一实验目的1. 通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。2. 通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及英特性，掌握电路模拟和软件仿真 研究方法。二实验要求1. 设计各种典型环节的模拟电路。2. 完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影 响。3. 在上位机界而上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特 性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。三实验原理无上位机时，利用实验箱上的信号源单元u2所输出的周期阶跃信号作为环节输入，即连接 箱上u2的“阶跃”与环节的输入端（例如对比例环节即图1. 1.

2、2的ui），同时连接u2的“锁 零（g）”与运放的锁零g。然后用示波器观测该环节的输入与输出（例如对比例环节即测试 图 1. 1.2 的 ui 和 uo）。有上位机时，必须在熟悉上位机界而操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信 号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能，接线方式将不同于上 述无上位机情况。四实验所用仪器pc微机（含实验系统上位机软件）、act-i实验箱、usb2. 0通讯线五实验步骤和方法1. 设计各种典型环节的模拟电路。2. 完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影 响。3. 在上位机界面上，填入各个环节的实际

3、（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特 性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。具体步骤：1. 熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，参考木实验附录设计并连接各种典型环节 （包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。注意实验接线前必须先将实验箱上电，以对运放仔细调零。然后断电，再接线。接线时要注意不 同环节、不同测试信号对运放锁零的要求。在输入阶跃信号吋，除比例环节运放可不锁零（g 可接-15v）也可锁零外，其余环节都需要考虑运放锁零。2. 利用实验设备完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶 跃特性的影响。无上位机时，利用

4、实验箱上的信号源单元u2所输出的周期阶跃信号作为环节输入，即 连接箱上u2的“阶跃”与环节的输入端（例如对比例环节即图1.1. 2的ui）,同时连接u2 的“锁零（g）”与运放的锁零g。然示用示波器观测该环节的输入与输出（例如对比例环节 即测试图1. 1. 2的ui和uo）0注意调节u2的周期阶跃信号的“频率”电位器rp5与“幅值” 电位器rp2,以保证观测到完整的阶跃响应过程。有上位机时，必须在熟悉上位机界而操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器 与信号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能，接线方式将不同 于上述无上位机情况。仍以比例环节为例，此时将ui连到实验箱

5、u3单元的01 （d/a通道 的输出端），将uo连到实验箱u3单元的t1 （a/d通道的输入端），将运放的锁零g连到实 验箱u3单元的g1 （与01同步），并连好u3单元至上位机的usb2. 0通信线。接线完成，经 检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。界面上的操作步骤如下： 按通道接线情况:通过上位机界面中“通道选择”选择任一组任一路a/d输入作为环 节的输出，选择任一路d/a作为环节的输入.不同的通道，图形显示控件中波形的颜色将不 同；将另一输出通道直接送倒输入通道（显示示波器信号源发出的输入波形）o 硬件接线完毕后，检查usb 口通讯连线和实验箱电源后，运行上位机软件程

6、序,如果冇 问题请求指导教师帮助。 进入实验模式后，先对显示模式进行设置：选择“x-t模式”；选择“t/div”为ls/liiz。 完成上述实验设置，然麻设置实验参数，在界面的右边可以设置系统测试信号参数， 选择“测试信号”为“周期阶跃信号”,选择“占空比”为50%,选择“t/div”为“ 1000ms”, 选择“幅值”为“3v”，可以根据实验需要调整幅值，以得到较好的实验曲线，将“偏移” 设为“0”。以上除必须选择“周期阶跃信号”夕卜，其余的选择都不是唯一的。要特别注意， 除单个比例环节外，对其它环节和系统都必须考虑环节或系统的时间常数，如仍选择“输入 波形占空比”为50%,那么“t/div

7、”至少是环节或系统中最大时间常数的68倍。这样， 实验屮才能观测到阶跃响应的整个过程。 以上设査完成后，按labview ±位机软件小的“run”运行图标來运行实验程序，然 后点击右边的“start”按钮来启动实验，动态波形得到显示，直至周期响应过程结束，如 上述参数设置合理就可以在主界面图形显示控件中间得到环节的“阶跃响应”。 利用labview软件中的图形显示控件小光标"cursor"功能（详见软件使用说明书） 观测实验结果；改变实验箱上环节参数，重复的操作；如发现实验参数设置不当，看不到“阶跃响应”全过程，可重复、的操作。 按实验报告需要，将图形结果保存为位

8、图文件，操作方法参阅软件使用说明书。3. 分析实验结果，完成实验报告。附录：1.比例（p）环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例环节的传递函数为：刖其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1丄1、图1丄2和图1.1.3所示，于是k,实验参数取 ro=look, r)=200k, r=10ko 诚t a图 1.1.1ul s)o图 1. 1.3图 1. 1.2图 1.2.22. 积分仃)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应积分环节的传递函数为： =- sg) ts其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图121、图122和图123所示，于是t = r°c ,实验参数取 ro=l

9、ook, c=luf, r=10ko3. 比例积分(pl)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例积分环节的传递函数为：ri = 200k, c=luf, r=10ko其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.3.1、图1.3.2和图1.3.3所示，于是实验参数取ro=2ook,图 1.3.24. 比例微分(pd)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例微分环节的传递函数为：仏=«(1十其方块图和模拟电路分别如图141、图1.4.2所示。其模拟电路是近似的(即实际pd环节)，取爲,/?2»尺3，则有k二空鱼=实验参数取r()=l()k, r】 = l()k, r

10、2= 10k, r3=1k, c=10uf, r=10ko对应理想的和实际的比例微分(pd)环节的阶跃响应分别如图1.4.3a、图1.4.3b所示。图 1. 4. 1mo( t ari r2图 1.4.2图 1.4. 3a实际pd环节的传递函数为:uo ($) _ k + a? + r r?cs（供软件仿真参考）u£s) 一 r° +(尺+/?2 )(2 + 1)+ r2r3 + r3rjcs + (/? + z?2)rrcs + rq5惯性环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应惯性环节的传递函数为：仏=-图 1.5.3具模拟电路是近似的（即实际pid其方块图、模拟电路

11、和阶跃响应，分别如图1.5.1、图1.5.2和图1.5.3所示，其中k=&,t = r、c ,实验参数取 ro=200k, r）=200k, c=luf, r=10koro6.比例积分微分（pid）环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应pi图 1.5.2比例积分微分环节的传递函数为： 沁十+丄+7>u©tis其方块图和模拟电路分别如图161、图162所示。环节），取r »r2» r.,将近似上述理想p1d环节有心=虹,人=弘（：,心=电。2,实验参数取 r（）=200k, r| = 100k, r2=10k, r3=lk, c】 = luf, c2=10uf, r=10ko对应理想的和实际的比例积分微分（pid）环节的阶跃响应分別如图163 a、图163 b所 示。实际pid环节的传递函数为：空£1 = 空卷+丄l + 也（尽c* +1）（供软件仿真参考）ci ri r2ui（5）r（） r（）gs rqcl （r3c2s +1）六实验注意事项在实验过程中，要听从老师的指导，严格按照实验步骤进行，不能任意更改，不熟悉的仪器 设备，应先请老师知道后使用，切勿随意乱动。实验室如有问题发牛，应首先用白己学过的知识，独立思考加以解决，努力培