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自控实验教学
《自动控制原理》实验指导书
目 录
实验一 典型环节的模拟研究 (验证型) (1)
实验二 动态系统的时域分析(设计型) (8)
实验三 动态系统的数值模拟(验证型) (14)
实验四 动态系统的频率特性研究(综合型) (16)
实验五 动态系统的校正研究 (设计型) (17)
附 录 XMN—2学习机使用方法简介 (19)
实验一 典型环节的模拟研究
一、实验目的:
1、了解并掌握XMN-2型《自动控制原理》学习机的使用方法,掌握典型环节模拟电路的构成方法,培养学生实验技能。
2、熟悉各种典型线性环节的阶跃响应曲线。
3、了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验设备
XMN-2型机。
CAE98。
万用表。
实验内容:
本实验是利用运算放大器的基本特性(开环增益高、输入阻抗大、输出阻抗小等),设置不同的反馈网络来模拟各种典型环节。
1、比例(P)环节:其方块图如图1-1A所示。
比例环节的模拟电路如图1-1B所示,
当输入为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(s)=1/S。则由式(1-1)得到
Uo(S)=K
所以输出响应为 Uo(t)=K (t≥0) (1-4)
2、积分(I)环节。其方块图如图1-2A所示。
积分环节的模拟电路如图1-2B所示。
当输入为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(s)=1/S。则由式(1-5)得到
Uo(S)=
所以输出响应为
(1-8)
3、比例积分(PI)环节。其方块图如图1-3A所示。
比例积分环节的模拟电路如图1-3B所示。
比较式(1-9)和(1-10)得
K=R1/R0
T=R0C (1-11)
当输入为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(S)=1/S。则由式(1-9)得到
Uo(S)=(K+)
所以输出响应为Uo(t)=K+ (1-12)
4、惯性(T)环节。其方块图如图1-4A所示。
惯性环节的模拟电路如图1-4B所示,
当输入为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(S)=1/S。则由式(1-13)得到
Uo(S)=
所以输出响应为 Uo(t)=K(1-) (1-16)
5、比例微分(PD)环节。其方块图如图1-5A所示。
比例微分环节的模拟电路如图1-5B所示,
考虑到R3《R1、R2,所以
(1-19)
比较式(1-17)和(1-19)得
K=
T= (1-20)
当输入为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(S)=1/S。则由式(1-17)得到
Uo(S)=K(1+TS)=
所以输出响应为 Uo(t)=KTδ(t)+K (1-21)
式中δ(t)为单位脉冲函数。
式(1-21)为理想的比例微分环节的输出响应,考虑到比例微分环节的实际模拟电路[式(1-18)],则实际输出响应为
(1-22)
6、比例积分微分(PID)环节。其方块图如图1-6A所示。
比例积分微分环节的模拟电路如图1-6B所示,
其传递函数为
(1-24)
考虑到R1》R2》R3,则式(1-24)可近似为
(1-25)
比较式(1-23)和(1-25)得 KP= , T1=R0C1
TD= (1-26)
当输入为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(S)=1/S。则由式(1-23)得到
Uo(S)=(KP++TDS)
所以输出响应为 Uo(t)=TDδ(t)+KP+ (1-27)
式中δ(t)为单位脉冲函数。
式(1-27)为理想的比例积分微分环节的输出响应,考虑到比例积分微分环节的实际模拟电路[式(1-
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