第一篇：基于傳遞函數(shù)的控制器設(shè)計

【實驗名稱】

基于傳遞函數(shù)的控制器設(shè)計

【實驗?zāi)康摹?/p>

1．熟練掌握用MATLAB語句繪制頻域曲線。2．掌握控制系統(tǒng)頻域范圍內(nèi)的分析校正方法。

3．掌握用頻率特性法進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計的思路和步驟。【實驗原理】

控制系統(tǒng)設(shè)計的思路之一就是在原系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，對原特性加以校正，使之達(dá)到要求的性能指標(biāo)。最常用的經(jīng)典校正方法有根軌跡法和頻域法。而常用的串聯(lián)校正裝置有超前校正、滯后校正和超前滯后校正裝置。本實驗主要討論在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計。

1．基于頻率法的串聯(lián)超前校正

超前校正裝置的主要作用是通過其相位超前效應(yīng)來改變頻率響應(yīng)曲線的形狀，產(chǎn)生足夠大的相位超前角，以補(bǔ)償原來系統(tǒng)中元件造成的過大的相位滯后。因此校正時應(yīng)使校正裝置的最大超前相位角出現(xiàn)在校正后系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率?c處。

例9-1：單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?K，試確定串聯(lián)校正

s(s?1)裝置的特性，使系統(tǒng)滿足在斜坡函數(shù)作用下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1，相角裕度r?450。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

1s2k1?s(s?1)ess?LimsE(s)?Lims?s?0s?0?0.1?K?10

取K?12，求原系統(tǒng)的相角裕度。>>num0=12;

den0=[2,1,0];

w=0.1:1000;[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);

[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

%計算系統(tǒng)的相角裕度和幅值裕度，并繪制出Bode圖

grid;ans =

Inf

11.6548

Inf

2.4240 由結(jié)果可知，原系統(tǒng)相角裕度r?11.6，?c?2.4rad/s，不滿足指標(biāo)要求，系

0統(tǒng)的Bode圖如圖9-1所示。考慮采用串聯(lián)超前校正裝置，以增加系統(tǒng)的相角裕度。

確定串聯(lián)裝置所需要增加的超前相位角及求得的校正裝置參數(shù)。

?c????0??(??450,?0為原系統(tǒng)的相角裕度,?取50,令?m??c)

??1?sin?m

1?sin?me=5;r=45;r0=pm1;phic=(r-r0+e)*pi/180;alpha=(1+sin(phic))/(1-sin(phic));將校正裝置的最大超前角處的頻率?m作為校正后系統(tǒng)的剪切頻率?c。則有：

20lgGc(j?c)G0(j?c)?0?G0(j?c)?圖9-1 原系統(tǒng)的Bode圖

1?

即原系統(tǒng)幅頻特性幅值等于?20lg?時的頻率，選為?c。

根據(jù)?m=?c，求出校正裝置的參數(shù)T。即T? [il,ii]=min(abs(mag1-1/sqrt(alpha)));wc=w(ii);T=1/(wc*sqrt(alpha));numc=[alpha*T,1];denc=[T,1];[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);

%原系統(tǒng)與校正裝置串聯(lián)

1?c?。[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);%返回系統(tǒng)新的相角裕度和幅值裕度

printsys(numc,denc)

%顯示校正裝置的傳遞函數(shù)

disp(’校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:’);printsys(num,den)

%顯示系統(tǒng)新的傳遞函數(shù)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%計算指定頻率內(nèi)校正裝置的相角范圍和幅值范圍

[mag,phase]=bode(num,den,w);%計算指定頻率內(nèi)系統(tǒng)新的相角范圍和幅值范圍

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);

semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正前：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm1)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm1),’0’;’校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

圖9-2 系統(tǒng)校正前后的傳遞函數(shù)及Bode圖 2．基于頻率法的串聯(lián)滯后校正

滯后校正裝置將給系統(tǒng)帶來滯后相角。引入滯后裝置的真正目的不是為了提供一個滯后相角，而是要使系統(tǒng)增益適當(dāng)衰減，以便提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。

滯后校正的設(shè)計主要是利用它的高頻衰減作用，降低系統(tǒng)的截止頻率，以便能使得系統(tǒng)獲得充分的相位裕量。

例5-2：單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，G(s)?K

s(0.1s?1)(0.2s?1)試確定串聯(lián)校正裝置的特性，使校正后系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)等于30/s，相角裕度r?400，幅值裕量不小于10dB，截止頻率不小于2.3rad/s。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

Kv?LimsG(s)?Lims?s?0s?0K?30?K?30

s(0.1s?1)(0.2s?1)利用MATLAB繪制原系統(tǒng)的bode圖和相應(yīng)的穩(wěn)定裕度。

>>num0=30;

den0=conv([1,0],conv([0.1,1],[0.2,1]));

w=logspace(-1,1.2);[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

grid;

ans =

0.5000-17.2390 7.0711

9.7714 由結(jié)果可知，原系統(tǒng)不穩(wěn)定，且截止頻率遠(yuǎn)大于要求值。系統(tǒng)的Bode圖如圖5-3所示，考慮采用串聯(lián)超前校正無法滿足要求，故選用滯后校正裝置。

根據(jù)對相位裕量的要求，選擇相角為???1800????(??50~100,??400)處的頻率作為校正后系統(tǒng)的截止頻率?c。確定原系統(tǒng)在新?c處的幅值衰減到0dB時所需的衰減量為?20lg?。一般取校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率分別為

圖9-3 原系統(tǒng)的Bode圖

1111?(~)?c和。T510?Te=10;r=40;r0=pm1;phi=(-180+r+e);[il,ii]=min(abs(phase1-phi));

wc=w(ii);beit=mag1(ii);T=10/wc;

numc=[ T,1];denc=[ beit*T,1];

[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);%原系統(tǒng)與校正裝置串聯(lián)

[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);%返回系統(tǒng)新的相角裕度和幅值裕度

printsys(numc,denc)

%顯示校正裝置的傳遞函數(shù)

disp(’校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:’);

printsys(num,den)

%顯示系統(tǒng)新的傳遞函數(shù)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%計算指定頻率內(nèi)校正裝置的相角范圍和幅值范圍

[mag,phase]=bode(num,den,w);%計算指定頻率內(nèi)系統(tǒng)新的相角范圍和幅值范圍

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);

semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正前：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm1)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm1),’0’;’校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

圖9-4 系統(tǒng)校正前后的傳遞函數(shù)及Bode圖

3．基于頻率法的串聯(lián)滯后-超前校正

滯后-超前校正裝置綜合了超前校正和滯后校正的優(yōu)點，從而改善了系統(tǒng)的性能。

例9-3：單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?K，若要求

s(s?1)(0.4s?1)相角裕度r?450，幅值裕量大于10dB，Kv?10(1/s)，試確定串聯(lián)校正裝置的特性。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

Kv?LimsG(s)?K?10

s?0利用MATLAB繪制原系統(tǒng)的bode圖和相應(yīng)的穩(wěn)定裕度，如圖5-5所示。>>num0=10;

den0=conv([1,0],conv([1,1],[0.4,1]));w=logspace(-1,1.2);[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

grid;

ans = 0.3500-24.1918 1.5811 2.5520

圖9-5 原系統(tǒng)的Bode圖

由結(jié)果可以看出，單級超前裝置難以滿足要求，故設(shè)計一個串聯(lián)滯后-超前裝置。

選擇原系統(tǒng)?1800的頻率為新的截止頻率?c，則可以確定滯后部分的T2和?。其中

111，??10。由原系統(tǒng)，?c?1.58rad/s，此時的幅值為??c?T2?T2100.1?c9.12dB。

根據(jù)校正后系統(tǒng)在新的幅值交接頻率處的幅值必須為0dB，確定超前校正部分的T1。在原系統(tǒng)(?c,?20lgG0(j?c))，即（1.58,-9.12）處畫一條斜率為20dB/dec的直線，此直線與0dB線及-20dB線的交點分別為超前校正部分的兩個轉(zhuǎn)折頻率。

wc=1.58;beit=10;T2=10/wc;lw=20*log10(w/1.58)-9.12;[il,ii]=min(abs(lw+20));

w1=w(ii);numc1=[1/w1,1];denc1=[1/(beit*w1),1];numc2=[ T2,1];denc2=[ beit*T2,1];[numc,denc]=series(numc1,denc1,numc2,denc2);[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);printsys(numc,denc)

disp(’校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:’);printsys(num,den)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);[mag,phase]=bode(num,den,w);

[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);

grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

圖9-6 系統(tǒng)校正前后的傳遞函數(shù)及Bode圖

三、實驗內(nèi)容

1．某單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?4，試設(shè)計一超前

s(s?1)校正裝置，使校正后系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)Kv?20s?1，相位裕量??500，增益裕量20lgKg?10dB。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

Kv?LimsG(s)?4K?20?K?5

s?0利用MATLAB繪制原系統(tǒng)的bode圖和相應(yīng)的穩(wěn)定裕度，如下圖所示。>>num0=[20];

den0=[1 1 0];w=logspace(-1,1.2);[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

ans =

Inf

12.7580

Inf

4.4165

0由結(jié)果可知，原系統(tǒng)相角裕度r?12.758，?c?4.4165rad/s，不滿足指標(biāo)要求，系統(tǒng)的Bode圖如下圖所示。考慮采用串聯(lián)超前校正裝置，以增加系統(tǒng)的相角裕度。

確定串聯(lián)裝置所需要增加的超前相位角及求得的校正裝置參數(shù)。

?c????0??(??450,?0為原系統(tǒng)的相角裕度,?取100,令?m??c)

??1?sin?m

1?sin?me=10;r=50;r0=pm1;phic=(r-r0+e)*pi/180;alpha=(1+sin(phic))/(1-sin(phic));將校正裝置的最大超前角處的頻率?m作為校正后系統(tǒng)的剪切頻率?c。則有：

20lgGc(j?c)G0(j?c)?0?G0(j?c)?1?

即原系統(tǒng)幅頻特性幅值等于?20lg?時的頻率，選為?c。

根據(jù)?m=?c，求出校正裝置的參數(shù)T。即T?1?c?。

[il,ii]=min(abs(mag1-1/sqrt(alpha)));wc=w(ii);T=1/(wc*sqrt(alpha));numc=[alpha*T,1];denc=[T,1];[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);

%原系統(tǒng)與校正裝置串聯(lián)

[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);%返回系統(tǒng)新的相角裕度和幅值裕度

printsys(numc,denc)

%顯示校正裝置的傳遞函數(shù)

disp('校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:');printsys(num,den)

%顯示系統(tǒng)新的傳遞函數(shù)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%計算指定頻率內(nèi)校正裝置的相角范圍和幅值范圍

[mag,phase]=bode(num,den,w);%計算指定頻率內(nèi)系統(tǒng)新的相角范圍和幅值范圍

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);

semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正前：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm1)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm1),’0’;’校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

num/den =

0.32589 s + 1

----------------

0.06387 s + 1 校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:

num/den =

6.5178 s + 20

-----

0.06387 s^3 + 1.0639 s^2 + s

2．某單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?k，試設(shè)計一個合3(s?1)適的滯后校正網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差約為0.04，相角裕量約為450。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

1sk1?(s?1)3ess?LimsE(s)?Lims?s?0s?0?0.04?K?24

利用MATLAB繪制原系統(tǒng)的bode圖和相應(yīng)的穩(wěn)定裕度，如圖下所示。>>num0=24;

den0=conv([1,1],conv([1,1],[1,1]));w=logspace(-1,1.2);[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

grid;

由結(jié)果可知，原系統(tǒng)不穩(wěn)定。系統(tǒng)的Bode圖如圖所示，考慮采用串聯(lián)超前校正無法滿足要求，故選用滯后校正裝置。

根據(jù)對相位裕量的要求，選擇相角為???1800????(??50~100,??400)處的頻率作為校正后系統(tǒng)的截止頻率?c。確定原系統(tǒng)在新?c處的幅值衰減到0dB時所需的衰減量為?20lg?。一般取校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率分別為1111?(~)?c和。T510?Te=10;r=45;r0=pm1;phi=(-180+r+e);[il,ii]=min(abs(phase1-phi));wc=w(ii);beit=mag1(ii);T=10/wc;numc=[ T,1];denc=[ beit*T,1];[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);%原系統(tǒng)與校正裝置串聯(lián)

[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);%返回系統(tǒng)新的相角裕度和幅值裕度 printsys(numc,denc)

%顯示校正裝置的傳遞函數(shù) disp(’校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:’);printsys(num,den)

%顯示系統(tǒng)新的傳遞函數(shù)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%計算指定頻率內(nèi)校正裝置的相角范圍和幅值范圍

[mag,phase]=bode(num,den,w);%計算指定頻率內(nèi)系統(tǒng)新的相角范圍和幅值范圍

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);

semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正前：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm1)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm1),’0’;’校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

第二篇：傳遞函數(shù)的測量方法

傳遞函數(shù)的測量方法

一．測量原理

設(shè)輸入激勵為X（f），系統(tǒng)（即受試的試件）檢測點上的響應(yīng)信號，即通過系統(tǒng)后在該響應(yīng)點的輸出為Y(f)，則該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(f)可以用下式表示：

H(f)?Y(f)X(f)

如果，設(shè)輸入激勵為X（f）為常量k，則該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(f)可以用下式表示：

H(f)?kY(f)

也就是說，我們在檢測點上測到的響應(yīng)信號，就是該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。二．測量方法

1.將控制加速度傳感器固定在振動臺的工作臺面上。注意：如果試件是通過夾具安裝在振動臺 的工作臺面上，則控制加速度傳感器應(yīng)該安裝在夾具與試件的連接點附近。如果試件與夾具的連接是通過多個連接點固定，則應(yīng)該選擇主要連接點，或者采取多點控制的方法。2.將測量加速度傳感器固定在選擇的測量點（即響應(yīng)點）上。

3.試驗采用正弦掃頻方式，試驗加速度選擇1g，掃頻速率為0.5 Oct/min（或者更慢一些），試

驗頻率范圍可以選擇自己需要的頻率范圍。在試驗中屏幕上顯示的該激勵曲線（也就是控制曲線）應(yīng)該是一條平直的曲線。這就保證對被測量試件來說是受到一個常量激勵。

注意：在測量傳遞函數(shù)時，最好是采用線性掃頻。因為，線性掃頻是等速度掃頻，這對于高頻段共振點的搜索比較好，能大大減少共振點的遺漏。而對于對數(shù)掃頻來說，在低頻段，掃頻速度比較慢；在高頻段。掃頻速度就比較快，這就有可能遺漏共振點。不少人之所以喜歡在測量傳遞函數(shù)時采用對數(shù)掃頻，是因為對于同樣頻率段的掃頻來說，線性掃頻要比對數(shù)掃頻使用的時間要多。

4.通過控制儀，選擇不同的顏色在屏幕上顯示響應(yīng)曲線。該響應(yīng)曲線就是系統(tǒng)的頻響曲線，在這里也是該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線。注意：該控制儀可以在屏幕上同時顯示好幾條曲線。三．其他方法 1.測量原理

在閉環(huán)反饋控制時，為了保證控制點上被控制的物理量不變，當(dāng)被控制的試件由于本身的頻率特性而將輸入的激勵信號放大時，從控制點上檢測到的響應(yīng)信號也將隨著變大，也就是反饋信號變大。由于，通常都是采取負(fù)反饋控制，那么，反饋信號與輸入信號綜合后再輸入到系統(tǒng)中，就會使控制點上的響應(yīng)信號變小，而返回到原來的量級。

反過來，如果被控制的試件由于本身的頻率特性而將輸入的激勵信號縮小時，從控制點上檢測到的響應(yīng)信號也將隨著變小，也就是反饋信號變小，那么，反饋信號與輸入信號綜合后再輸入到系統(tǒng)中，就會使控制點上的響應(yīng)信號變大，以保持原來的量級不變。

如果我們保持控制點的振動量級不變，則驅(qū)動到功率放大器的信號，即控制儀的輸出信號必將隨著被測試件的頻率特性的變化而變化，這樣。我們就間接得到了被測件的傳遞函數(shù)。如下圖所示，驅(qū)動信號曲線與傳遞函數(shù)曲線對于控制信號曲線成為鏡像對稱。

需要注意的是，此時我們得到的傳遞函數(shù)實際上是振動臺與被測試件的復(fù)合傳遞函數(shù)。由于振動臺的傳遞函數(shù)是已知的，所以，復(fù)合傳遞函數(shù)上的峰谷點，除去振動臺的峰谷點外，就是被測試件的了。而且，振動臺本身傳遞函數(shù)曲線是比較光滑的；所以，復(fù)合傳遞函數(shù)的變化，基本上反映了被測試件傳遞函數(shù)的變化。2.測量方法

（1）將控制加速度傳感器固定在振動臺的工作臺面上。如果試件是通過夾具安裝在振動臺的工作臺面上，則控制加速度傳感器應(yīng)該安裝在夾具與試件的連接點附近。如果試件與夾具的連接是通過多個連接點固定，則應(yīng)該選擇主要連接點，或者采取多點控制的方法。注意：此時得到的復(fù)合傳遞函數(shù)中應(yīng)該包括夾具的頻率特性。

（2）試驗采用正弦掃頻方式，試驗加速度選擇1g，掃頻速率為0.5 Oct/min（或者更慢一些）；如果采用線性掃頻，則掃頻速度可采用1 Hz/s；試驗頻率范圍可以選擇自己需要的頻率范圍。此時，在試驗中屏幕上顯示的控制曲線應(yīng)該是一條平直的曲線。這就保證對被測量試件來說處在一個常量控制狀態(tài)中。

（3）通過控制儀，選擇不同的顏色在屏幕上顯示驅(qū)動曲線。該驅(qū)動曲線翻轉(zhuǎn)180°，就是系統(tǒng)的頻響曲線，也就是該系統(tǒng)的復(fù)合傳遞函數(shù)曲線。

（4）從上面的分析可以看到，用這種方法得到的傳遞函數(shù)是振動臺和被測試件的復(fù)合傳遞函數(shù)。如果有夾具的話，還要包括夾具的傳遞函數(shù)，所以，這種方法只是大概地了解被測試件的頻率響應(yīng)情況。

由于，這種方法比較簡單，所以，許多試驗人員還是經(jīng)常采用這種方法來估測被測試件的傳遞函數(shù)。當(dāng)然，被測試件的主要峰谷點還是能夠測出來的。

第三篇：反饋系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

一個反饋控制系統(tǒng)在工作過程中，一般會受到兩類信號的作用，統(tǒng)稱外作用。一類是有用信號或稱輸入信號、給定值、指令等，用r(t)表示。通常r(t)是加在控制系統(tǒng)的輸入端，也就是系統(tǒng)的輸入端；另一類則是擾動，或稱干擾n(t)，而干擾n(t)，可以出現(xiàn)在系統(tǒng)的任何位置，但通常，最主要的干擾信號是作用在被控對象上的擾動，例如電動機(jī)的負(fù)載擾動等。

一、系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)

系統(tǒng)反饋量與誤差信號的比值，稱為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，G(s)?B(s)?G(s)G(s)H(s)?G(s)H(s)G(s)?G1(s)G2(s)

K12E(s)

二、系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

1、輸入信號R(s)作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)

令D(s)?0，這時圖1可簡化成圖2(a)。輸出C(s)對輸入R(s)之間的傳遞函數(shù)，稱輸入作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)，簡稱閉環(huán)傳遞函數(shù)，用?(s)表示。

?(s)?G1(s)G2(s)C(s)G(s)??R(s)1?G1(s)G2(s)H(s)1?G(s)H(s)而輸出的拉氏變換式為

G1(s)G2(s)C(s)?R(s)1?G1(s)G2(s)H(s)

2、干擾D(s)作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)

同樣，令R(s)?0，結(jié)構(gòu)圖1可簡化為圖3(a)。

C(s)為在擾動作用下的輸出，以D(s)作為輸入，它們之間的傳遞函數(shù)，用?n(s)表示，稱為擾動作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)，簡稱干擾傳遞函數(shù)。

?n(s)?G2(s)G2(s)C(s)??N(s)1?G1(s)G2(s)H(s)1?G(s)H(s)

系統(tǒng)在擾動作用下所引起的輸出為

三、系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)

C(s)?G2(s)N(s)1?G1(s)G2(s)H(s)系統(tǒng)的誤差信號為E(s),誤差傳遞函數(shù)也分為給定信號作用下的誤差傳遞函數(shù)和擾動信號作用下的傳遞函數(shù)。前者表征系統(tǒng)輸出跟隨輸入信號的能力，后者反映系統(tǒng)抗擾動的能力。

1、輸入信號R(s)作用下的誤差傳遞函數(shù)

為了分析系統(tǒng)信號的變化規(guī)律，尋求偏差信號與輸入之間的關(guān)系，將結(jié)構(gòu)圖簡化為如圖2(b)。列寫出輸入R(s)與輸出?(s)之間的傳遞函數(shù)，稱為控制作用下偏差傳遞函數(shù)。用??(s)??(s)表示。

R(s)

2、干擾D(s)作用下的誤差傳遞函數(shù)

????????同理，干擾作用下的偏差傳遞函數(shù)，稱干擾偏差傳遞函數(shù)。用?n?(s)表示。以N(s)作為輸入，?(s)作為輸出的結(jié)構(gòu)圖，如圖?(b)。

? ???

?n?(s)??(s)N(s)??G2(s)H(s)1?G1(s)G2(s)H(s)顯然，系統(tǒng)在同時受R(s)和D(s)作用下，系統(tǒng)總輸出，根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，應(yīng)為各外作用分別引起的輸出的總和，將給定作用和擾動作用相加，即為總輸出的變換式

C(s)?G1(s)G2(s)G2(s)R(s)?N(s)1?G1(s)G2(s)H(s)1?G1(s)G2(s)H(s)

式中，如果系統(tǒng)中的參數(shù)設(shè)置，能滿足G1(s)G2(s)H(s)??1及G1(s)H(s)??1,則系統(tǒng)總輸出表達(dá)式可近似為

C(s)?1R(s)H(s)上式表明,采用反饋控制的系統(tǒng),適當(dāng)?shù)剡x配元、部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，系統(tǒng)就具有很強(qiáng)的抑制干擾的能力。同時，系統(tǒng)的輸出只取決于反饋通路傳遞函數(shù)及輸入信號，而與前向通路傳遞函數(shù)幾乎無關(guān)。特別是當(dāng)H(s)?1時，即系統(tǒng)為單位反饋時，C(s)?R(s)，表明系統(tǒng)幾乎實現(xiàn)了對輸入信號的完全復(fù)現(xiàn)，即獲得較高的工作精度。

同理，得系統(tǒng)總的偏差為

?(s)??e(s)R(s)??n?N(s)

將上式推導(dǎo)的四種傳遞函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行比較，可以看出兩個特點

（1）它們的分母完全相同，均為[1?G1(s)G2(s)H(s)]，其中G1(s)G2(s)H(s)稱為開環(huán)傳遞函數(shù)。所謂開環(huán)傳遞函數(shù)，是指在圖2-48所示典型的結(jié)構(gòu)圖中，將H(s)的輸出斷開，亦即斷開系統(tǒng)主反饋回路，這時從輸入R(s)（或?(s)）到B(s)之間的傳遞函數(shù)。

（2）它們的分子各不相同，且與其前向通路的傳遞函數(shù)有關(guān)。因此，閉環(huán)傳遞函數(shù)的分子隨著外作用的作用點和輸出量的引出點不同而不同。顯然，同一個外作用加在系統(tǒng)不同的位置上，對系統(tǒng)運動的影響是不同的。

C(s)C(s)例題：，R(s)D(s)

求圖4所示系統(tǒng)的。

解：

1、輸入信號R(s)作用下，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖簡化為圖5.G1(s)G2(s)

C(s)?R(s)1-G2(s)H2(s)G1(s)G2(s)?G1(s)G2(s)1-G2(s)H2(s)?G1(s)G2(s)H3(s)1?H3(s)1-G2(s)H2(s)

2、擾動信號D(s)作用下，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖簡化為圖6.G2(s)[1?G1(s)H1(s)]G2(s)[1?G1(s)H1(s)]C(s)1-G2(s)H2(s)??G2(s)D(s)1-G2(s)H2(s)?G1(s)G2(s)H3(s)1?G1(s)H3(s)1-G2(s)H2(s)

R(s)E(s)B(s)G1(s)+D(s)H(s)G2(s)

圖1 閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖

圖2 給定作用時的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 擾動作用時的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

H1(s)R(s)D(s)H2(s)+G1(s)+G2(s)C(s)H3(s)圖4 閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖

H2(s)R(s)+G1(s)G2(s)C(s)H3(s)圖5 給定作用時的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6 擾動作用時的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

H1(s)D(s)H2(s)+G1(s)+G2(s)C(s)H3(s)

第四篇：數(shù)字PID控制器設(shè)計

數(shù)字PID控制器設(shè)計

設(shè)計任務(wù)：

設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

設(shè)計數(shù)字PID控制器，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不大于0.1，超調(diào)量不大于20%，調(diào)節(jié)時間不大于0.5s。采用增量算法實現(xiàn)該PID控制器。

具體要求：

1.采用Matlab完成控制系統(tǒng)的建立、分析和模擬仿真，給出仿真結(jié)果。

2.設(shè)計報告內(nèi)容包含數(shù)字PID控制器的設(shè)計步驟、Matlab仿真的性能曲線、采樣周期T的選擇、數(shù)字控制器脈沖傳遞函數(shù)和差分方程形式。

3.設(shè)計工作小結(jié)和心得體會。4.列出所查閱的參考資料。

數(shù)字PID控制器設(shè)計報告

一、設(shè)計目的 了解數(shù)字PID控制算法的實現(xiàn)；

掌握PID控制器參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響；

能夠運用MATLAB/Simulink 軟件對控制系統(tǒng)進(jìn)行正確建模并對模塊進(jìn)行正確的參數(shù)設(shè)置；

加深對理論知識的理解和掌握； 5 掌握計算機(jī)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計方法。

二、設(shè)計要求

1采用增量算法實現(xiàn)該PID控制器。

2熟練掌握PID設(shè)計方法及MATLAB設(shè)計仿真。

三、設(shè)計任務(wù)

設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

設(shè)計數(shù)字PID控制器，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不大于0.1，超調(diào)量不大于20%，調(diào)節(jié)時間不大于0.5s。采用增量算法實現(xiàn)該PID控制器。

四、設(shè)計原理

1.數(shù)字PID原理結(jié)構(gòu)框圖

2.增量式PID控制算法

?u?k??KPe?k??KI?e?i??KD??e?k??e?k?1??i?0?

=u(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] =u(k-1)+(Kp+Ki+Kd)e(k)-(Kp+2Kd)e(k-1)+Kde(k-2)所以Δu(k)=u(k)-u(k-1)

=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

=(Kp+Ki+Kd)e(k)-(Kp+2Kd)e(k-1)+Kde(k-2)整理：

Δu(k)= Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)A= Kp+Ki+Kd

B=-(Kp+2Kd)C=Kd

五、Matlab仿真選擇數(shù)字PID參數(shù)

（擴(kuò)充臨界比例度法/擴(kuò)充響應(yīng)曲線法 具體整定步驟）

利用擴(kuò)充臨界比例帶法選擇數(shù)字PID參數(shù)，擴(kuò)充臨界比例帶法是以模擬PID調(diào)節(jié)器中使用的臨界比例帶法為基礎(chǔ)的一種數(shù)字PID參數(shù)的整定方法。其整定步驟如下：； 1)選擇合適的采樣周期T；

2)在純比例的作用下,給定輸入階躍變化時,逐漸加大比例作用Kp(即減小比例帶?),直至系統(tǒng)出現(xiàn)等幅震蕩,記錄比例增益Kc,及振蕩周期Tc。Kc成 為臨界振蕩比例增益(對應(yīng)的臨界比例帶?),Tc成為臨界振蕩周期。

=1/150S^3+6/25S^2+37/30S+1 在MATLAB下輸入如下程序：

num=[1];

den=[1/150,6/25,37/30,1];sys=tf(num,den);p=[20:2:45];for i=1:length(p)

Gc=feedback(p(i)*sys,1);step(Gc)hold on end;grid

title('Kp變化時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線')axis([0,3,0,2.3])仿真階躍響應(yīng)如下圖：

調(diào)整參數(shù)：p=[35:2:45] 程序如下： num=[1];

den=[1/150,6/25,37/30,1];sys=tf(num,den);p=[35:2:45];for i=1:length(p)

Gc=feedback(p(i)*sys,1);step(Gc)hold on end;grid title('Kp變化時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線')axis([0,3,0,2.3])仿真階躍響應(yīng)如下圖：

由圖像可知：當(dāng)Kp在40~45之間時，系統(tǒng)會出現(xiàn)等幅振蕩。為進(jìn)一步得到準(zhǔn)確的Kp，調(diào)整程序參數(shù)p=[40:1:45]，程序如下： num=[1];

den=[1/150,6/25,37/30,1];sys=tf(num,den);p=[40:1:45];for i=1:length(p)

Gc=feedback(p(i)*sys,1);step(Gc)hold on end;grid

title('Kp變化時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線')axis([0,3,0,2.3])仿真階躍響應(yīng)如下圖：

由圖像進(jìn)一步精確得Kc約為43時，系統(tǒng)出現(xiàn)等幅震蕩，震蕩周期Tc約為0.5s。

擴(kuò)充臨界比例帶法選擇數(shù)字PID參數(shù)的計算公式如下表所示：

3）選擇控制度。控制度的定義為數(shù)字調(diào)節(jié)器和模擬調(diào)節(jié)所對應(yīng)的過度過程的誤差平方積分之比，即控制度=?0??2eDdt?0edt2式中，eD為數(shù)字調(diào)節(jié)器的控制誤差;e為模擬調(diào)節(jié)器的控制誤差.當(dāng)控制度為1.05時,數(shù)字調(diào)節(jié)器魚模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相當(dāng);當(dāng)控制度為2時,數(shù)字調(diào)節(jié)器比模擬調(diào)節(jié)器的控制效果差一倍；在此選控制度為1.05。按選擇的控制度指標(biāo)及Tc,Kc實驗測得值,由查表選擇相應(yīng)的計算公式計算采樣周期：T=0.007，Kp=27，Ti=0.245，Td=0.07;KI?KiT?KPT=0.77，KD?Kd?KPTD=270，Ki=0.23

TITTTc=0.5 則T=Tc*0.014=0.5*0.014=0.007;

Kp=Kc*0.63=43*0.63=27.09;

Ti=Tc*0.49=0.5*0.49=0.245;

Td=Tc*0.14=0.5*0.14=0.07;

Kp=27.09;

Ki=Kp*T/Ti=27.09*0.007/0.245=0.774;

Kd=Kp*Td/T=27.09*0.07/0.007=270.09;

六、Matlab/Simulink 控制系統(tǒng)建模 1.控制器

ΔU(Z)=(Kp+Ki+Kd)E(Z)-(Kp+2Kd)/Z*E(Z)+Kd/Z^2*E(Z)則D(Z)=ΔU(Z)/E(Z)=(Kp+Ki+Kd)-(Kp+2Kd)/Z+Kd/Z^2 =[(Kp+Ki+Kd)Z^2-(Kp+2Kd)Z+Kd]/Z^2 2.仿真模型圖

將 Kp=27.09;

Ki=Kp*T/Ti=27.09*0.007/0.245=0.774;

Kd=Kp*Td/T=27.09*0.07/0.007=270.09帶入，得：

Kp+Ki+Kd=27.09+0.774+270.09=297.95 Kp+2Kd=27.09+2*270.09=567.27 Kd=270.09

即D(Z)=[297.95*Z^2-567.27*Z+270.09]/Z^2

G0(S)=43/[0.00667S^3+0.24S^2+1.2333S+1] 3.輸出階躍響應(yīng)曲線

Scope中得到階躍響應(yīng)曲線如下所示：

4、試湊法微調(diào)參數(shù) 由階躍響應(yīng)圖像可得：

Y(∞）=0.96，則穩(wěn)態(tài)誤差Ess=1-0.96=0.04 超調(diào)量

=（1.1-0.96）/0.96*100%=14.6% 調(diào)整時間Ts=0.27s

系統(tǒng)有少量的穩(wěn)態(tài)誤差，則適當(dāng)增大KI參數(shù)，使得KI參數(shù)由0.774變?yōu)?.774；

Scope中得到階躍響應(yīng)曲線如下所示：

由圖像可知：此時穩(wěn)態(tài)誤差Ess減為1-0.98=0.02，超調(diào)量=(1.1-1)/1*100%=10%,調(diào)整時間減少為Ts=0.15s，但該曲線不夠平滑，調(diào)整：Kp=36.08，Ki=2.770，Kd=270.08，降低傳遞函數(shù)的K值為36

Scope中得到階躍響應(yīng)曲線如下所示：

此時穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為0，調(diào)整時間Ts為0.3s，超調(diào)量為(1.05-1)/1*100%=5%,基本符合要求

5.最終PID參數(shù)及輸出響應(yīng)曲線 當(dāng)Kp=36.08 Ki=2.770 Kd=270.08時

最終輸出階躍響應(yīng)曲線為：

七、設(shè)計心得體會

通過這次設(shè)計，重新認(rèn)識了計算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)字PID控制，基本掌握了數(shù)字PID控制的基本規(guī)律，也認(rèn)識到計算機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，檢驗了我所學(xué)的知識，體會了控制系統(tǒng)三大指標(biāo)“穩(wěn)，準(zhǔn)，快”的意義.加深了我對自動控制系統(tǒng)的了解，同時也對比例、積分、微分控制有了更進(jìn)一步的認(rèn)識。

比例系數(shù)的加大，將使系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，加大比例系數(shù)可以減少穩(wěn)態(tài)誤差。但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制通常影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有助于消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。而微分作用的增加則可以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，但也可能降低系統(tǒng)的抗干擾能力。比例+積分控制器可以使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。而比例+微分控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。

這次設(shè)計過程讓我們把理論知識付諸于實踐，這對以后的學(xué)習(xí)帶來了更大的 幫助!

八、參考文獻(xiàn)

1．陳懷琛.MATLAB及在電子信息課程中的應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2009 2．趙廣元.MATLAB與控制系統(tǒng)仿真實踐.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009

第五篇：路燈控制器設(shè)計報告

路燈控制器的設(shè)計

一.設(shè)計任務(wù)和要求

設(shè)計要求：

1、自制電路供電的穩(wěn)壓電源；

2、LED采用恒流供電。

3、該控制器具有環(huán)境亮度檢測和控制功能，當(dāng)處于暗（亮）環(huán)境下能夠自動開（關(guān)）燈，為了演示方便，在現(xiàn)場演示時，當(dāng)調(diào)光臺燈（模擬自然光）較暗（較亮）時相當(dāng)于暗環(huán)境（亮環(huán)境），此時另一個白光LED（模擬路燈）將被點亮（熄滅），以此實現(xiàn)光控功能。

二.方案說明

安裝在公共場所或道路兩旁的路燈，通常是隨環(huán)境的亮和暗而自動的關(guān)斷和開啟或者自身亮度，同時可以對消耗的電功率進(jìn)行測量。實驗時用1W白光LED（3.3V@300mA）代替路燈，用調(diào)光臺燈替代環(huán)境光線變化。

三.原理電路設(shè)計

1.單元電路設(shè)計.本光控路燈包括

(1)光敏采樣部分,當(dāng)光敏三極管處于不同光照強(qiáng)度下,它的阻值變化很大.將光敏三極管串聯(lián)一個適當(dāng)?shù)碾娮?接入電路中,輸出量作為開關(guān)值.無光照強(qiáng)度或光照強(qiáng)度很小時,采樣值接近VCC.當(dāng)光照強(qiáng)度增加到一定程度時,采樣值為一個較小值,并且隨著光照繼續(xù)增強(qiáng),采樣值也隨著減小.(2)電位器調(diào)節(jié)電壓部分.當(dāng)光照達(dá)到一定強(qiáng)度時,通過調(diào)節(jié)電位器改變它的電壓,使之與光敏采樣部分的采樣值相等即可.(3)集成運放器部分.需要用到集成運放器的開環(huán)性能和閉環(huán)性能.當(dāng)集成運放處于開環(huán)狀態(tài)時.它是一個電壓比較器,對同相輸入端和反相輸入端的電壓進(jìn)行比較.若同相輸入端的電壓高于反相輸入端的電壓,則輸出高電平;若同相輸入端的電壓低于反相輸入端的電壓,則輸出零(單電源)或低電平(雙電源).(4)三極管放大部分.使用三極管對集成運放器的微弱輸出電流進(jìn)行放大,從而使led燈能正常發(fā)光.2.元件選擇

(1).光敏器件選擇

光敏三極管和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制，同時也受光輻射的控制。通常基極不引出，但一些光敏三極管的基極有引出，用于溫度補(bǔ)償和附加控制等作用。光敏三極管又稱光電三極管，它是一種光電轉(zhuǎn)換器件，其基本原理是光照到P-N結(jié)上時，吸收光能并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋．?dāng)光敏三極管加上反向電壓時，管子中的反向電流隨著光照強(qiáng)度的改變而改變，光照強(qiáng)度越大，反向電流越大，大多數(shù)都工作在這種狀態(tài)。當(dāng)具有光敏特性的PN 結(jié)受到光輻射時，形成光電流，由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個放大了相當(dāng)于β倍的信號電流。不同材料制成的光敏三極管具有不同的光譜特性，與光敏二極管相比，具有很大的光電流放大作用，即很高的靈敏度。

本次設(shè)計選擇的是3DU33型號光敏三極管.在1000lx，V=10v條件下，電流典型值為10 mA.故可推測在1000lx,V=5A條件下，電路大約為5mA。且在有光條件下，電流最小值為2 mA.電路圖如下

(2)電位器選擇

本次設(shè)計電位器選擇通用型3296系列103A電位器，阻值為10k.圖如下

（3）集成運算放大器選擇。本次選擇LM358運算放大器。

LM358里面包括有兩個高增益、獨立的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運放，適用于電壓范圍很寬的單電源，而且也適用于雙電源工作方式，它的應(yīng)用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運放的地方使用 電路如下

（4）三極管選擇。

本次選用S8050 NPN型三極管。三極管8050是非常常見的NPN型晶體三極管，在各種放大電路中經(jīng)常看到它，應(yīng)用范圍很廣，主要用于功率放大、開關(guān)。參數(shù)： 耗散功率0.625W（貼片：0.3W）

集電極電流0.5A 集電極--基極電壓40V 集電極--發(fā)射極擊穿電壓25V 集電極-發(fā)射極飽和電壓 0.6V 特征頻率fT 最小150MHZ 典型值產(chǎn)家的目錄沒給出 引腳排列為EBC或ECB 838電子

按三極管后綴號分為 B C D檔 貼片為 L H檔

放大倍數(shù)B85-160 C120-200 D160-300 L100-200 H200-350

3.整體電路

實驗原理

光敏采樣值輸出到前1/2 LM358同相輸入端，電位器調(diào)節(jié)部分電壓輸出到前1/2 LM358反相輸入端。當(dāng)同相輸入端電壓值高于反相輸入端電壓值時，U1A輸出高電平，反之輸出零。U1B是引入負(fù)反饋閉環(huán)的運算放大器，可以由理想集成運算放大器虛短，虛端方法來分析電路。當(dāng)U1A輸出為零時，反相輸入端電平也為零，U1B輸出為0，led燈滅。當(dāng)U1A輸出高電平時，由虛短可判斷反相輸入端電壓也為等值高電平。三極管工作在放大區(qū)，放大電流，led燈亮。

四.性能測試與分析

理論數(shù)據(jù)分析：在有一定光照條件下，光敏三極管的電流為2-5 mA.經(jīng)計算考量，選取與光敏三極管串聯(lián)的電阻為800歐。為使調(diào)節(jié)范圍足夠大，滿足設(shè)計要求，選取R3=R6=1k,電位器R4=10k.在同相輸入端大于反相輸入端的電壓值時，集成運算放大器最大輸出幾mA的電流，理論流過led燈最大電流為300mA。在光照足夠強(qiáng)時，同相輸入端電壓值小于反相輸入端，電壓比較器輸出零，此時三極管be間電壓小于開啟電壓，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，流過led燈的電流為零。

仿真數(shù)據(jù)：無光照條件下，U1A同相輸入端輸入值即光敏部分采樣值為4.993V，反相輸入端電壓值為2.363V，U1A輸出4.023V，輸出電流幾乎為零。三極管基極電流為0.036A，流過led燈的電流值為0.400A（protues仿真沒有S8050三極管和光敏三極管，故分別用TIP41和光敏電阻代替，與理論數(shù)據(jù)分析有差距）實測數(shù)據(jù): 無光時,U1A同相輸入端電壓為4.91V,反相輸入端電壓為3.74V,U1A輸出端電壓為4.01V,電流幾乎為零.此時測得led燈兩端電壓約為3.20V.逐漸增大光照強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)某一時刻led燈開始明顯變暗,并且隨著光強(qiáng)緩慢增加,led燈繼續(xù)變暗,直至只有微弱燈光.此時測得led燈兩端電壓為2.43V.整個過程中,U1A同相輸入端電壓始終小于反相輸入端電壓值,U1A輸出電壓為零.U2A同相及反相輸入端電壓都為零,輸出端有0.64V電壓.誤差分析: 處于臨界光照時,運算放大器同相及反相輸入端電壓差值很小,容易波動.運算放大器均是采用直接耦合的方式，直接耦合式放大電路的各級的Q點是相互影響的，由于各級的放大作用，第一級的微弱變化，會使輸出級產(chǎn)生很大的變化。當(dāng)輸入短路時（由于一些原因使輸入級的Q點發(fā)生微弱變化 象：溫度），輸出將隨時間緩慢變化，這樣就形成了零點漂移。產(chǎn)生零漂的原因是：晶體三極管的參數(shù)受溫度的影響。解決零漂最有效的措施是：采用差動電路

六.實驗心得

本次課程實驗設(shè)計是我們?nèi)私M齊心協(xié)力,默契的團(tuán)隊配合.從初期方案的確定,到實驗室共同焊板子,還有后來共同解決遇到的電路問題,每個人都很積極地去解決困難.通過此次設(shè)計，能夠一步了解了光敏三極管的原理和特性，把我們所學(xué)到的知識應(yīng)用到了實踐，結(jié)合模擬電路和數(shù)字電路知識，經(jīng)一步鞏固和掌握前面所學(xué)的知識，收獲很大。

七.參考文獻(xiàn)

[1] 華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006：74-116.[2] 謝自美 電子線路設(shè)計[M];華中科技大學(xué)出版社;[3] 百度文庫,道客巴巴資料以及電子愛好者論壇等