典型环节的模拟实验.doc

实验报告 课程名称： 指导老师： 成绩： 实验名称： 典型环节的模拟实验 同组学生姓名： 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 一、实验目的 1．熟悉慢扫描示波器的性能和使用方法； 2．掌握典型环节的电模拟方法及其参数测试方法； 3．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对动态特性的影响。 二、实验内容和原理 实验内容： 按各种典型环节接好实验线路，以电子模拟实验装置上的阶跃信号作为输入，用慢描示波器观察并记录典型环节的动态波形。 （1） 观察并记录惯性环节的动态波形， 和 （2） 观察并记录积分环节的动态波形， 和 （3） 观察并记录比例积分微分环节的动态波形。参考图2-3-4 R1= R2=200kΩ, R3=5 kΩ,C1=1uF, C2=10uF ； R1= R2= R3=200kΩ, ,C1=1uF, C2=10uF 实验原理： 本实验采用复合网络来模拟各种典型环节，即设置运算放大器不同的输入网络和反馈网络来模拟各种典型环节(注意环节的输入信号和输出信号的极性)。 三、主要仪器设备 1．电子模拟实验装置一台； 2．型超低频慢扫描示波器一台； 3．万用表一只。 四、操作方法和实验步骤 一、惯性环节的模拟 惯性环节的传递函数为 （2-3-1） 其中 K一静态放大倍数 T—惯性时间常数 惯性环节的模拟电路如图2-3-1所示．模拟电路的传递函数为 （2-3-2） 比较（2-3-1）式和（2-3-2）式，得 K=R2/R1； T=R2C (a)模拟电路 (b)输出响应 当输入负阶跃信号时，其输出响应如图2-3-1(b)所示。从图中可知，T和K是响应曲线的两个特征量。T表示阶跃信号输入后，响应按指数上升的快慢，它可从响应曲线实测得到。 二、积分环节的模拟 积分环节的传递函数为 （2-3-3） 其中—一积分时间常数． (a)模拟电路 (b)输出响应 图2-3-2 积分环节的模拟电路及响应 积分环节的模拟电路图如图2-3-2(a)所示，模拟电路的传递函数为 （2-3-4） 比较（2-3-3）和（2-3-4）二式，得 当输入负阶跃信号时，其输出响应如图2-3-2(b)所示。从图中可知，积分时间常数是积分环节的特征量，它表示阶跃输入后响应按线性上升的快慢，可从响应曲线上求出，即响应上升到阶跃输入幅值时所需的时间。积分环节的特点是，不管输入幅值多小，输出就不断地按线性增长，输入幅值愈小，增长的速率愈小，只有输入为零时，输出才停止增长而保持其原来的数值。从图中可看出运算放大器最终达到饱和值。 三、比例积分微分环节的模拟 比例积分微分环节的传递函数为 （2-3-7） ——比例系数；——积分时间常数；——微分时间常数． 该环节的模拟电路如图2-3-4所示，当满足， ui(t) ui(t) uo(t) C C1 R3 R2 R1 0 uo(t) t (a)模拟电路图 (b)理想的输出响应 图2-3-4 比例积分微分环节的模拟电路及理想的响应 时，该电路的传递函数为 （2-3-8） 比较（2-3-7）和（2-3-8）两式得 对于理想的比例积分微分环节，当输入负阶跃信号时其输出响应如图2-3-4(b)所示，在输入跃变时，它的输出响应能够以无限大的变化率在瞬间跃至，又在此瞬间下降至按某一比例Kp分配的电压值，并立即按积分时间常数Ti规律线性增长。而模拟比例积分微分环节的输出响应，在输入跃变时只能以有限的变化率上升至运算放大的饱和值就不再增长，经过一段时间，又以有限的变化率下降。这是因为模拟电路是在满足、的条件下，忽略了小时间常数才得到近似的PID数学模型式，而且运算放大器也不是理想的，因此实际比例积分微分环节的响应曲线与图2-3-4(b)略有不同。 综上所述，典型环节的模拟方法是：根据典型环节的传递函数，选择适当的网络作为运算放大器的输入阻抗与反馈阻抗，使模拟电路的传递函数与被模拟环节的传递函数具有同一表达式，然后根据被模拟环节传递