模擬計算機模擬仿真 桌面

1、自動控制原理二階系統(tǒng)模擬仿真實驗自動控制原理二階系統(tǒng)模擬仿真實驗 實驗地點：主樓實驗地點：主樓625房間房間 實驗課時與上課時間一致實驗課時與上課時間一致 指導書與實驗報告：實驗時購買（一元）指導書與實驗報告：實驗時購買（一元） 指導教師：胡振坤指導教師：胡振坤 典型二階系統(tǒng)的模擬仿真 前言：模擬控制系統(tǒng)的工作原理 自動控制理論實驗可以通過多種方式來實現(xiàn)，并不依賴于特定的實驗裝置和實驗環(huán)境。我們這里要介紹電路分立元件模擬裝置。 物理系統(tǒng)的運動形式是多種多樣的，機械、電氣、熱力學等等，但就其數(shù)學模型的描述，即表征它們狀態(tài)的微分方程在數(shù)學形式上是相同的，這給實驗帶來很大的方便。我們利用高性能的運算

2、放大器，配合不同的輸入、輸出阻抗網(wǎng)絡，來模擬控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，再有多個環(huán)節(jié)組成系統(tǒng)，對整個控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行模擬仿真。 本實驗就是由電子元件構成，實現(xiàn)加法、積分、微分等聯(lián)合運算，完成給定不同參數(shù)的系統(tǒng)仿真實驗。第一節(jié) 控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的模擬 模擬機可以模擬實現(xiàn)：比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分、微分、振蕩環(huán)節(jié) 、典型非線性環(huán)節(jié)，理想繼電器特性的模擬、死區(qū)的模擬?？梢詫崿F(xiàn)反號，加法，積分、PID等模擬運算。一、實驗設備簡介： 自控原理多功能實驗裝置的結構圖如圖1-1所示，該系統(tǒng)中由計算機通過串口或USB接口與自制的A/D、D/A接口板，實現(xiàn)信號發(fā)生器、示波器的功能，充分發(fā)揮了計算機的優(yōu)勢，由計算機

3、完成實驗數(shù)據(jù)的采集、存儲和計算處理，在實驗時就可以將實驗結果與理論分析值進行對比，提高了實驗效率，配套實驗軟件人機界面友好，操作簡便。 圖1-1實驗箱全貌A/D、D/A接口板二、二、實驗使用部件：（1）模擬機一臺：實驗箱上有十二個積分器，四個變阻器，和若干不同阻值的電阻、電容； （2）電腦一臺，數(shù)據(jù)采集傳輸，由實驗箱上的采集卡完成，通過USB端口通訊；（3）PC機安裝CP210X驅動程序，以及模擬示波器軟件，生成桌面圖標（4）數(shù)字式萬用表一只；（5）導線若干。 （6）雙擊A圖標，打開模擬示波器界面，完成參數(shù)設定，運行后記錄數(shù)據(jù)，繪制波形。三、實驗模擬圖使用符號及量化： 1反號器由運算放大器組成

4、的線路如圖1所示：反饋元件電阻 圖1反號器由圖1可知 )()(1trRRtCf當： 則有 量化之后 繼續(xù)減小輸入電阻值，放大倍數(shù)繼續(xù)增大。 在畫模擬圖時，反號器用如圖2的符號加以表示，即一個底邊在左側的標準的等邊三角形。 圖2 反號器符號1RRf)()(trtC100k1 RRf10k100k1RRf，1102 加法器由運算放大器組成的加法器線路如圖3所示 圖3 加法器電路由圖3可知，加法器的輸出為：其中： i =1,2,n 輸入電阻R1、R2、R3、Ri 為不同的阻值，信號被放大不同倍數(shù)。niiiiiiifffftrktrktrktrktrktrRRtrRRtrRRtrRRtC1332211

5、332211)()()()()()()()()()(ifiRRk加法器用圖4所示符號加以表示： 圖4 加法器符號 3 積分器 由運算放大器組成的積分器線路如圖5所示。反饋元件是電容， 圖5 積分器電路 由圖可知積分器的輸出為：其中 i=1,2n ; 當 C=10F ， R1 =100k時： 當 C=10F ， R1 =10k 時：繼續(xù)減小輸入電阻值，放大倍數(shù)繼續(xù)增大。11010115-51CR niiiidttrkidttrCRdttrCRdttrCRdttrCRtC1332211)()(1)(1)(1)(1)(RiCTKii11101011010111 -5-41CR 積分器用圖6所示的符號

6、加以表示：是一個等邊三角形，后面的豎直邊再加一道平行線，像是在表示，反饋元件為電容,它對信號有積分作用。 圖6 積分器符號4.系數(shù)補償 系統(tǒng)改變參數(shù)設置，需要配置不同的系數(shù)值，可以利用比例放大或積分放大的倍數(shù)計算，調整電阻值來實現(xiàn)。比例放大的放大倍數(shù)為電阻值比（反饋比輸入）；積分放大的倍數(shù)由 決定。RC1 畫模擬圖有以下幾點注意事項 ：1.在模擬圖上一定要正確判別反饋的正負，牢記經(jīng)過一個放大器變號一次，系統(tǒng)要完成負反饋，前向通道和反饋通道，放大器總和一定為奇數(shù)。2.利用改變輸入電阻值，完成不同放大倍數(shù)的需求，用最少的運算放大器完成所要求的模擬任務 3.比例器和積分器的號碼順序要一致，輸入及輸出

7、的聯(lián)線清楚，出現(xiàn)問題是方便排查。 四、控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)模擬電路：1.比例環(huán)節(jié)的模擬電路如圖4-1 圖4-1比例環(huán)節(jié)電路)(tC. )(trRRiif)(tri 2. 積分環(huán)節(jié)的模擬電路如圖4-2 圖4-2積分環(huán)節(jié)的電路積分環(huán)節(jié)的輸出： dttrCRtCii)(1)(3.比例積分環(huán)節(jié)的模擬電路如圖4-3 圖4-3比例積分環(huán)節(jié)電路TsKsG1)(12RRK 111CRT4. 慣性環(huán)節(jié)的模擬電路如圖4-4 圖4-4慣性環(huán)節(jié)電路 1)(TsKsG12RRK 211CRT1)(TsKsG第二節(jié) 模擬計算機的仿真實驗一 、實驗目的：1 學習用模擬計算機仿真線性系統(tǒng)的方法；2 研究二階系統(tǒng)的阻尼比和無阻尼自

8、然頻率對 系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。3 深化課堂講授的有關二階系統(tǒng)階躍響應的內容 二、實驗內容與步驟：1畫實驗系統(tǒng)系統(tǒng)模擬圖以典型的二階系統(tǒng)為例，二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為式1-1： （1-1） 2222)()(nnnsssRsC交叉相乘 （1-2）進行拉式反變換，對應時域中的微分方程式： （1-3） 整理： （1-4）我們需要找到等式右面的三項，此方程可解。先看第一項：輸入信號，我們使用階躍信號，有信號發(fā)生器直接提供 。)()()(2)(222sRsCssCsCsnnn)()()(2)(22trtCtCtCnnn )()(2)()(2tCtCtrtCnn 二階系統(tǒng)模擬圖2( )-nc tr(t)c(t)

9、2( )2( )( )( )nnc tr tc tc t2n2n2( )nc t這個積分器所有輸入之和為回路中奇數(shù)個運放構成負反饋！系數(shù)1與反饋信號相乘，就是等式右面的第二項，系數(shù)2與輸入信號相乘，消去系數(shù)，得到了等式右面的第三項。由此，這個表達式可以模擬機上排題了。以第一組實驗參數(shù)為例，說明系數(shù)的設置若取系數(shù)1： 系數(shù)2： 5 . 03n32n92n 11.1k,1091x2x2RFCCR，33.3k,1031x1x1RFCCR，第一組參數(shù)電路圖如圖2-1所示:圖2-1 第一組參數(shù)電路圖 2、排題 啟動模擬實驗箱，然后首先設置好各個系數(shù)。系數(shù)器設定的精確度對實驗數(shù)據(jù)有很大的影響，這一步要耐心

10、。系數(shù)設置完畢之后，開始看圖連線。3、用模擬示波器觀測輸出波形 按模擬圖排題無誤之后，然后打開應用軟件，給系統(tǒng)加階躍信號，這樣，就可以用模擬示波器觀測二階系統(tǒng)的輸出波形了。每臺設備的隨機誤差不同，實測值略有不同。4、實驗要求： （1）實驗目的 （2）參數(shù)設定（3）實驗數(shù)據(jù)記錄實驗數(shù)據(jù)記錄（4）理論計算及誤差分析 （5）響應曲線的繪制（6）簡答題，詳見實驗報告。%100)()(-)(cctcpp4、實驗注意事項：、實驗注意事項：（1）.兩人一組，做完實驗，桌面收拾干凈，恢復到像來的時候一樣，才能離開。（2）.實驗數(shù)據(jù)，因為系數(shù)器的精度、每臺設備的差異以及觀察者的視覺誤差等因素，每組同學得到的數(shù)據(jù)不完全相同，不超出規(guī)定范圍都是正確的。（3）.實驗報告，在做完實驗一周之內交，各班負責人實驗報告，在做完實驗一周之內交，各班負