实验一 典型环节及其阶跃响应

实验一典型环节及其阶跃响应预习要求阅读实验指导书第一、二章，了解自动控制原理实验箱的构成及使用方法。复习运算放大器的功能及特性（开环增益高、输入阻抗大、输出阻抗小）预习实验原理部分，了解模拟实验的基本原理。根据实验指导书的各典型环节模拟电路，算出各环节的传递函数。实验目的掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。学习构成控制系统典型环节的模拟电路，了解电路参数对控制系统典型环节特性的影响。学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。实验设备DICE-AT2型自动控制系统实验箱一台计算机一台RS232串口线实验原理模拟实验的基本原理控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器组成不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统，再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。各典型环节的方块图及传递函数各典型环节的模拟电路图及输入响应实验内容与步骤各典型环节的实验连线比例环节比例环节运放按模拟电路图依次使用运放单元U4，U8构建，在U4中分别选取R1=100K和R1=200K进行实验。惯性环节惯性环节运放依次使用运放单元U4，U8构建，选取R1=100K，并在U4中分别选取电容C=1uF和C=2uF进行实验（电容值为C=2uF时，在电容排使用两个1uF电容并联即可）。积分环节积分环节运放依次使用运放单元U4，U8构建，在U4中分别选取电容C=1uF和C=2uF进行实验。在做该实验时很容易积分饱和，所以有时需要放电。比例积分环节比例积分环节运放依次使用运放单元U4，U8构建，在U4中通过电阻R1后，使用“短路套线”，将U5中的1uF的电容与U4中取到的R1支路串接在一起（如下图所示），并分别选取电容C=1uF和C=2uF进行实验（电容值为C=2uF时，在电容排使用两个1uF电容并联即可，在U5中“短路套线”下面加个“短路块”）。比例微分环节比例微分环节运放依次使用运放单元U3、U6、U8构建，在U3中选取的R1，在U6中的选取电阻和电容作为R2、R3和C，通过“短路套线”将U3与U6中的两部分连接在一起，并与U8的IN端相连接，模拟电路的输出端（Uo）为U8的OUT端。分别选取R1=10K和R1=20K进行实验。PID环节比例微分积分环节运放依次使用运放单元U3、U4、U6、U8构建，在U3中选取的R1，在U4中选取一个电容C，在U6中的选取电阻和电容作为R2、R3和C，通过“短路套线”将U3、U4与U6中的部分连接在一起，并与U8的IN端相连接，模拟电路的输出端（Uo）为U8的OUT端。分别选取R1=10K和R1=20K进行实验。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。阶跃信号的产生将信号源单元（U1）的ST端（插针）与＋5V端（插针）用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管（3DJ6）夹断，这时运放处于工作状态。可采用图1-1所示电路，它由“单脉冲单元”（U12SP）及“电位器单元”（U11P）组成。图1-1具体线路形成：在U12SP单元中，将Hl与+5V插针用“短路块”短接，H2插针用排线接至Ul1P单元的X插针；在Ul1P单元中，将Z插针和GND插针用“短路块”短接，最后由插座的Y端输出信号。以后实验若再用到阶跃信号时，方法同上，不再赘述。实验步骤分别按各典型环节的模拟电路图将线接好（先按比例，PID先不接）。将模拟电路输入端（Ui）与阶跃信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端（Uo）接至示波器单元（U22)的CH1或CH2。试验箱通过串口线连接至电脑，运行计算机上的DICE计算机控制实现软件。根据选择的CH1或CH2选择串口COM1或COM2。测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。打开示波器窗口，如下图所示。打开试验箱电源，按下按钮（或松开按钮）SP时，用示波器观测输出端的实际响应曲线U(t)，并将结果记下。改变比例参数，重新观测结果。同理得出积分、比例积分、比例微分和惯牲环节的实际响应曲线，它们的理想曲线和实际响应曲线见表1-1。观测PID环节的响应曲线。此时模拟电路的输入端（Ui）采用U1信号源单元产生的周期性方波信号。Ul信号源单元的ST的插针改为与S插针用“短路块”短接，S11波段开关置于“方波”档，“OUT”端的输出电压即为阶跃信号电压，信号周期由波段开关S12和电位器W11调节，信号幅值由电位器W12调节。以信号幅值小、信号周期较长比较适宜）。参照PID模拟电路图，将PID环节搭接好。将步骤1中产生的周期性方波信号加到PID环节的输入端（Ui），用示波器观测PID模拟电路的输出端（Uo），改变电路参数，重新观察并记录。实验报告根据实验记录画出各典型环节的响应曲线，标明输入信号的幅值、输出响应曲线的时间和幅值信息，分析参数变化对响应曲线的影响。由阶跃响应曲线计算出惯性环节和积分环节的传递函数，并与由电路计算的理论结果相比较。惯性环节的