自动控制原理-TKKL-4型实验箱实验指导书_实验一

1、基于THKKL-4型控制理论-计算机控制技术实验箱自动控制原理实验指导书浙江天煌科技实业有限公司编写张立庞亚丽改编吉林大学珠海学院电子信息系2009-09-01实验一典型系统动态和稳态性能分析实验二线性定常系统的瞬态响应和稳定性分析实验三控制系统的频率特性分析实验四自动控制系统的校正实验五 时域分析法MATLAB仿真实验实验六 根轨迹分析法MATLAB仿真实验实验七 频率特性分析法MATLAB仿真实验实验一典型系统动态和稳态性能分析一、实验目的.掌握控制系统中各典型环节的有源电路模拟设计、参数计算方法。.掌握通过测量典型环节的阶跃响应曲线来测试系统动态和稳态性能指标的技能。.深入了解和体验系统

2、参数对系统性能的影响。二、实验前准备1.基于集成运放的基本运算电路基本运算电路主要指比例、力口、减、乘、除、积分、微分、对数、指数等电路。比例运 算电路是其它基本运算电路的基础。本实验主要用到比例、力口、减、积分、微分等运算电路。 （1）比例运算电路有反向输入、同相输入、差分输入三种基本形式。 TOC o 1-5 h z 图2.1是反向比例运算电路。R1根据虚断原则，知： i =i = 0T +因为L = 0,可知+ = 0R U根据虚短原则，有q = _ = 0- 8因止匕，u图2反相比例运算电路该电路的输出电压与输入电压幅值成正比，相位相差180,放大倍数A,”. = ； = -当4 =%

3、时，此电路为单位增益倒相器，也称反相器。图2.2是同相比例运算电路。p 1,u 0 展2j +根据虚短和虚断原则，有如下关系：忆+R/ 图2.2同相比例运算电路+图2.3加法运算电路叫R2 $1图2.4反相求和式减法电路525R/2r5Rf2R/2R/2 R/l通过选择合适的叫、R-&、R八、R,2,容易实现/ =2）利用差动输入实现减法运算% + Rr因此，有+ 一旦$24 + Rf 图2.5差动式减法运算电路%1 + ,及 *1 R, =0时，有0 =看,此时称该电路为电压跟随器。至于差分输入比例运算电路，本质上是一种减法电路，将在下面介绍。（2）加法运算电路根据虚短虚断原则，有如果居=R

4、 = R 则有 =一（ + ），可见电路可以实现电压信号的求和运算。 X4J。当& H &时，可以实现电压信号的加权求和。显然，求和电路的输入电压个数不限于两路。（3）减法运算电路1）通过反相求和实现减法 运算电路由一个反相器和 一个加法运算电路组成。R 4 + R, R, u =2LRi + R2 R、 1 Rz(4)积分运算电路图2.6积分运算电路式中，/=&C称为积分器的时间常数，它决定了积分速度。(5)微分运算电路RJr = &G = R2cl L 2R 2 1 dt 2 1 dt2.写出下表所示各典型环节的传递函数。表一、典型环行的方块图及传递函数典型环 节名称方块图传递函数比例 (

5、P)UG)KUo(S) Uo(s) _ S(s)积分WS)、1Uo(S)Uo(s) _(I)TSAq(s)3、写出下面典型环节模拟电路对应的传递函数。U1：信号发生器U2：正弦信号发生器U3：阶跃信号产生单元U4：给定单元U5U9:通用单元电路U10：非线性环节UU： P、I、D 元件U12：反相器U13： A/D转换单元U14：采样保持器U15： D/A转换单元U16：交/直流数字电压表（200mV, 2V, 20V三档）U17： -5V 电源U18：逻辑电平指示单元（AOA3共4路）U20：直流电机和步进电机U21：虚拟示波器U22：温度采样单元U23： 6路可调电位器（47K两路，220

6、K两路，470K两路） 5.学习GWINSTEK G0S-6051型双踪示波器使用方法三、实验仪器THKKL-4型控制理论计算机控制实验箱1只GWINSTEK G0S-6051型双踪示波器1台四、实验内容及步骤1.观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶跃响应曲线。图4,1阶跃信号产生电路实验步骤：使运放处于工作状态。将信号发生器单元U1的ST端与+5V端用短路块短接,使模拟 电路中的场效应管K30A夹断，此时运放处于工作状态。按表二中的各典型环节的模拟电路图将线接好。按图4. 1接好阶跃信号产生电路，然后将模拟电路输入端（UJ 与阶跃信号的输出端Y相连接； 模拟电路的输出端（U。）接

7、至示波器，观察阶跃信号是否能够 产生并调整阶跃幅值为一合适值（一般2V左右即可）。按下（或松开）按钮SP时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo（t）,且将结果记下。 改变比例参数，重新观测结果。用同样方法和步骤得到积分、比例积分、比例微分和惯性环节的实际响应曲线，将上述实际响应曲线绘制在下表中。典型环节传递函数 参数与模 拟电路参 关系玳位阶跃响卮理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线比例k_R1 R。uo(t)=KRo=250KRi=100Ko|tRi= 250K,jy.(t)惯 性K二旦R。T 二 RCMO(t) =K(1-4t)Ri=250KRo=250KC=1 mF1山 0.25C=2uF

8、u 0,小三Q0. 5 JIT=RoCPO(t) = t TRo=200KC=1 mFFC=2uF/ o.ctPIk_R1 R。 T=RoCuo(t)=K* t TR产 100KRo=C=luFy3/ /1 M.)I1 ._!0 0.21200KC=2uFLo.cJPDK=Rl+R2理想：M o(t) =KT 6 (t)+K 实测：M o(t) =Ri+R2 + R。RKRo= 100K 艮;100K C=luF10KRi=100K:一R。T=RR2cR + R?0JRi= 200KJo(t) u.()Ro% e9-r*2.观察PID环节的阶跃响应曲线。实验步骤：将U1单元的ST端与S端用短路块短接，波段开关置于“方波”档，“0U丁端的输出电 压即为方波信号电压，信号周期由波段开关院和电位器心调节，信号幅值III电位器也调节。 以信号幅值小、信号周期较长比较适宜。按相关参数要求将PID电路连接好。将中产生的周期性方波信号加到PID环节的输入端(L),用示波器观测PID输出端(Uo), 并将观测曲线绘制到下表中。典型环节传递函数参 数与模拟电 路参数关系单位阶跃响应理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线PIDR1 Kp=RoTi=Ro C：理想：M o(t)= Td 6/、 1(t)