华南农业大学自动控制原理实验报告二

专业班次 组别

题 目 典型环节的电路模拟与软件仿真研究 姓名（学号） 日期 2019.03.27

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其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。

二、实验内容

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．利用上位机界面上的软件仿真功能，完成各典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟测试的结果作比较。

三、实验原理

1．积分(I )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：0()1

()()i U s G s U s Ts

=

= 其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图4、图5和图6所示。U 为输入阶跃信号的幅值。 式中：1T R C =为积分时间常数。

1

K T

=

为积分增益。

3．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：0()1

i U K

G s U Ts =

=+ 其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图2-1-7、图2-1-8和图2-1-9所示。U 为输入阶跃信号的幅值。 式中：2T R C =为惯性时间常数。

2

1

R K R =

为惯性增益。

专业班次组别题目典型环节的电路模拟与软件仿真研究姓名（学号）日期 2019.03.27

四、实验步骤

1．积分(I)环节

（1）步骤1：构造模拟电路

典型积分环节模拟电路连线图如图16所示

图16 典型积分环节模拟电路

（2）步骤2：打开labview的时域特性程序后，软件界面的参数设置如下: 测试信号：阶跃；幅值：3V（偏移0）；频率/周期：1s（占空比50%）；运行程序，直接进行实验。阶跃响应曲线如图17

图17 积分环节阶跃响应曲线

（3）步骤3：按表2-6改变实验参数，并将结果记录到表2-6中。

※注意：为提高实验精度，在示波器屏幕上测取T时，数据应作均值滤波。

专业班次组别

题目典型环节的电路模拟与软件仿真研究姓名（学号）日期 2019.03.27 注明：所有运放单元的+端所接的10K电阻均已经内部接好，实验时不需外接。

3．惯性环节

（1）步骤1：构造模拟电路，典型积分环节模拟电路连线图如图18所示

C1=1uF

图18 典型惯性环节模拟电路

（2）步骤2：打开labview的时域特性程序，软件界面的参数设置如下：测试信号：阶跃；幅值：3V（偏移0）；频率/周期：1s（占空比50%）；运行程序，直接进行实验。阶跃响应曲线如图19

图19 惯性环节阶跃响应曲线

（3）步骤3：按表2-9改变实验参数，并将结果记录到表2-9中。

※注意：从输入阶跃信号起，由示波器测得（或记录曲线上量得）响应曲线对应于

U＝0.632KU的时间即为惯性时间常数T。其中KU值为响应曲线的稳态值。

五.实验结果与分析

1、积分环节实验所得系统阶跃响应曲线如下：

专业班次组别题目典型环节的电路模拟与软件仿真研究姓名（学号）日期 2019.03.27

510K 1uf 510K 2uf

理论值计算：理论值计算：

250K 1uf 250K 2uf

理论值计算：理论值计算：

表2-6

专业班次组别题目

2、惯性环节实验所得系统阶跃响应曲线如下：

R0=200K R1=200K C=1uf Ui=4V R0=200K R1=200K C=2uf Ui=4V

R0=50K R1=200K C=1uf Ui=2V R0=50K R1=200K C=1uf Ui=1V

专业班次组别题目典型环节的电路模拟与软件仿真研究姓名（学号）日期 2019.03.27

表2-9

其中：惯性增益的计算为：，达到稳态时为：，惯性常数为， 0.632

3、实验值误差分析

①由于实验设备精度不够高带来的微小误差。

②在对波形进行读数时，滑动游标读数时没有对准，产生误差。

③实验时所接入电路的实际电阻阻值与所需阻值存在一定偏差，电容容值亦是如此，从而产生误差。

④实验时使用的运放并非理想运放，导致积分实际值与理论值产生偏差。

六、思考问题

电路参数变化对各种典型环节阶跃特性的影响：

1、比例环节：输入量与输出量成正比，不失真，不延迟

2、积分环节：只要有一个恒定的输入量作用于积分环节，其输出量就与时间成正比地无限增加。(输出量取决于输入量对

时间的积累,输入量作用一段时间后,即使输入量变化,输出量仍会保持在已达到的数值)；

3、惯性环节：由于惯性环节中含有一个储能原件，当输入量突然变化时，输出量不能跟着变化，而是按指数规律变化，

阶跃响应不能立即达到稳态。