Lab - act-3学生用实验指导书 - 图文

第三章 自动控制原理实验

第三章 自动控制原理实验

3.1 线性系统的时域分析 3.1.1 典型环节的模拟研究

一. 实验要求

1． 了解和掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式 2． 观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响

二．典型环节的方块图及传递函数 方 块 图 传递函数 UO(S)Ui(S)UO(S)Ui(S)比例 （P）积分 （I） 比例积分 （PI） 比例微分 （PD） 惯性环节 （T） G(S)??K G(S)??1TS G(S)?UO(S)Ui(S)?K(1?1TS) G(S)?UO(S)Ui(S)?K(1?TS) G(S)?UO(S)Ui(S)?K1?TS 比例积分微分（PID） G(S)?UO(S)Ui(S)Kp ?Kp?TiS?KpTdS

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三．实验内容及步骤

在实验中欲观测实验结果时，可用普通示波器，也可选用本实验机配套的虚拟示波器。

如果选用虚拟示波器，只要运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。具体用法参见用户手册中的示波器部分。 1)．观察比例环节的阶跃响应曲线

典型比例环节模拟电路如图3-1-1所示。

图3-1-1 典型比例环节模拟电路

实验步骤： 注：‘S ST’不能用“短路套”短接！

（1）用信号发生器（B1）的‘阶跃信号输出’ 和‘幅度控制电位器’构造输入信号（Ui）：

B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。阶跃信号输出（B1

的Y测孔）调整为4V（调节方法：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y测孔）。

（2）构造模拟电路：按图3-1-1安置短路套及测孔联线，表如下。

（a）安置短路套 （b）测孔联线 模块号 跨接座号 1 信号输入（Ui） B1（Y） →A1（H1） 1 A1 S4，S7（电阻R1=100K） 2 运放级联 A1（OUT→A6（H1） 2 A6 S2，S6 （3）运行、观察、记录：（A6（OUT）接CH1×1档，Y测孔接CH2×1档。） ① 打开虚拟示波器的界面，点击开始，按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮（0→+4V阶跃），用示波器观测A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）。

② 改变比例系数（改变运算模拟单元A1的反馈电阻R1），重新观测结果，填入实验报告。 2)．观察惯性环节的阶跃响应曲线

典型惯性环节模拟电路如图3-1-4所示。

图3-1-4 典型惯性环节模拟电路

实验步骤： 注：‘S ST’不能用“短路套”短接！

（1）用信号发生器（B1）的‘阶跃信号输出’ 和‘幅度控制电位器’构造输入信号（Ui）：

B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。阶跃信号输出（B1

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第三章 自动控制原理实验

的Y测孔）调整为4V（调节方法：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y测孔）。 （2）构造模拟电路：按图3-1-4安置短路套及测孔联线，表如下。

（a）安置短路套 （b）测孔联线 模块号 跨接座号 1 信号输入（Ui） B1（Y） →A1（H1） 1 A1 S4，S8，S10（电容C=1uf） 2 运放级联 A1（OUT）→A6（H1） 2 A6 S2，S6 （3）运行、观察、记录：（A6（OUT）接CH1×1档，Y测孔接CH2×1档。） ① 打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测A6输出端（Uo），按下信号发生器（B1）阶

跃信号按钮时（0→+4V阶跃），等待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到4V（输入）×0.632

处，，得到与惯性的曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得②

3)．观察积分环节的阶跃响应曲线

典型积分环节模拟电路如图3-1-5所示。

惯性环节模拟电路时间常数T。A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）。

改变时间常数及比例系数（分别改变运算模拟单元A1的反馈电阻R1和反馈电容C），重新观测结果，填入实验报告。

图3-1-5 典型积分环节模拟电路

实验步骤：注：‘S ST’用短路套短接！

（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。 ① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。 ② 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒左右（D1单元左显示）。 ③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 1V（D1单元右显示）。 （2）构造模拟电路：按图3-1-5安置短路套及测孔联线，表如下。 （a）安置短路套 （b）测孔联线

1 信号输入跨接座号 模块号 （Ui） 1 A1 S4，S10（电容C=1uf） 2 运放级联 2 A6 S2，S6

3 B5 ‘S-ST’

B5（OUT）→A1（H1） A1（OUT）→A6（H1） （3）运行、观察、记录：（A6（OUT）接CH1×1档，B5（OUT）接CH2×1档。）

① 打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测A6输出端（Uo），调节调宽电位器使宽度从0.3秒开始调到积分输出在虚拟示波器顶端（即积分输出电压接近+5V）为止。

②等待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到0V处，再移动另一根横游标到ΔV=1V（与输入相等）处，得到与积分的曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）。 ③ 改变时间常数（分别改变运算模拟单元A1的输入电阻Ro和反馈电容C），重新观测结果，填入实验报告。（可将运算模拟单元A1的输入电阻的短路套（S4）去掉，将可变元件库（A11）中的可变电阻跨

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接到A1单元的H1和IN测孔上，调整可变电阻继续实验。） 4)．观察比例积分环节的阶跃响应曲线

典型比例积分环节模拟电路如图3-1-8所示.。

图3-1-8 典型比例积分环节模拟电路

实验步骤：注：‘S ST’用短路套短接！

（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时将自动对模拟电路锁零。 ① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。 ② 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒秒左右（D1单元左显示）。 ③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压 = 1V（D1单元右显示）。 （2）构造模拟电路：按图3-1-8安置短路套及测孔联线，表如下。

（a）安置短路套 （b）测孔联线

1 2 模块号 跨接座号 S4，S8，S9（电容C=2uf） A5 A6 S2，S6 1 信号输入B5（OUT →A5（H1） （Ui） 2 运放级联 A5（OUT）→A6（H1） 3 B5 ‘S-ST’

（3）运行、观察、记录：（A6（OUT）接CH1×1档，B5（OUT）接CH2×1档。）

① 打开虚拟示波器的单迹界面，点击开始，用示波器观测A6输出端（Uo）。

② 待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到1V（与输入相等）处，再移动另一根横游标到ΔV=Kp×输入电压处，得到与积分曲线的两个交点。

③ 再分别移动示波器两根纵游标到积分曲线的两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。 ④ 改变时间常数及比例系数（分别改变运算模拟单元A5的输入电阻Ro和反馈电容C），重新观测结果，填入实验报告。

5)．观察比例微分环节的阶跃响应曲线

典型比例微分环节模拟电路如图3-1-9所示。

图3-1-9 典型比例微分环节模拟电路

实验步骤：注：‘S ST’用短路套短接!

（1）将函数发生器（B5）单元的矩形波输出作为系统输入R。（连续的正输出宽度足够大的阶跃信号) ① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。 ② 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒左右（D1单元左显示）。 ③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压 = 0.5V（D1单元右显示）。

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