实验一 单容水箱对象特性的测试

实验一、单容水箱对象特性的测试

一、 实验目的

1、了解本实验装置的结构与组成，掌握压力变送器的使用方法。

2、掌握实验装置的基本操作与变送器仪表的调整方法。

3、了解单容水箱的自衡特性掌握单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。

4、实测单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。

二、实验设备

1、THKGK-1型过程控制实验装置

GK-02 GK-03 GK-04 GK-07 2、 万用表一只

三、实验原理

阶跃响应测试法是被控对象在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节器手动改变对象的输入

信号（阶跃信号）。同时，记录对象的输出数据和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理的处理，确定模型中的相关参数。

图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。 单容水箱的数学模型可用一阶惯性环节来近似描述，且用下述方法求取对象的特征参数。 单容水箱液位开环控制结构图如图2-1所示：

图2-1、 单容水箱液位开环控制结构图

设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h ，出水阀V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：

在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：

式中，T=R2*C 为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程

Q R h dt

h

d C

R ?=?+?221-2 11)()()(221+=+==TS K CS R R s Q s H s G

的放大倍数，也是阀V2的液阻，C 为水箱的底面积。令输入流量Q1（S ）=RO/S ，RO 为常量，则输出液位的高度为：

2-2 2-3

2-4

式（2-3）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2所示。由式（2-4）可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时

间，就是水箱的时间常数T 。该时间常数T 也可以通过

坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳

态值的交点所对应的时间就是时间常数T 。

图2-2 阶跃响应曲线

其理论依据是：

上式表示h （t ）若以在原点时的速度h （∞）/T 恒速变化，即只要花T 秒时间就可达到稳态值h （∞）。

式（2-2）中的K 值由下式求取：

K = h(∞)/R0 = 输入稳态值/阶跃输入

T S KR S KR TS S KR S H /1)1()(0

00+-

=+= )0.632h(0.632KR ) -(1KR h(T) : ,01

-0e

∞====则有时当T t 阶跃输入输出稳态值因而有

时，当即=

∞==∞∞?→?=O . O T 1

-O R )(K

R )()e -(1KR h(t) h K h t t

0.63h h h 5)-(2 )

()(00

100T

h T KR T

KR dt

t dh t t

T t

e ∞==

==-=

四、实验装置的结构框图

图1-1、液位、压力、流量控制系统结构框图

五、实验内容及步骤

1、设备组装与检查：

1）、将GK-02、GK-03、GK-04、GK-07挂箱由右至左依次挂于实验屏上。并将挂件的三芯蓝插头插于相应的插座中。

2）、先打开空气开关再打开钥匙开关，此时停止按钮红灯亮。

3）、按下起动按钮，此时交流电压表指示为220V，所有的三芯蓝插座得电。

4）、关闭各个挂件的电源进行连线。

2、系统接线：

1）、交流支路1：将GK-04 PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置，并将其“输出”接GK-07变频器的“2”与“5”两端（注意：2正、5负），GK-07的输出“A、B、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U1、V1、W1”输入端；GK-07 的“SD”与“STR”短接，使电机驱动磁力泵打水（若此时电机为反转，则“SD”与“STF”短接）。

2）、交流支路2：将GK-04 PID调节器的给定“输出”端接到GK-07变频器的“2”与“5”两端（注意：2正、5负）；将GK-07变频器的输出“A、B、C”接到GK-01面板上三相异步电机的“U2、V2、W2”输入端；GK-07 的“SD”与“STR”短接，使电机正转打水（若此时电机为反转，则“SD”与“STF”短接）。

3、仪表调整：（仪表的零位与增益调节）

在GK-02挂件上面有四组传感器检测信号输出：L T1、PT、L T2、FT（输出标准DC0~5V），它们旁边分别设有数字显示器，以显示相应水位高度、压力、流量的值。对象系统左边支架上有两只外表为蓝色的压力变送器，当拧开其右边的盖子时，它里面有两个3296型电位器，这两个电位器用于调节传感器的零点和增益的大小。（标有ZERO的是调零电位器，标有SP AN的是调增益电位器）仪表的调整步骤如下：

1)、首先我们在水箱没水时调节零位电位器，使其输出显示数值为零。

2）、用交流支路1打水（也可以用交流支路2打水）：打开阀1、阀3、阀4，关闭阀5、阀6、阀7，然后开启GK-07变频器及GK-04给定启动三相磁力泵给上、下水箱打水，使其液面均上升至10cm 高度后停止打水。

3）、看各自表头显示数值是否与实际水箱液位高度相同，如果不相同则要调节增益电位器使其输出大小与实际水箱液位的高度相同，同法调节上、下水箱压力变送器的零位和增益。

4）、按上述方法对压力变送器进行零点和增益的调节，如果一次不够可以多调节几次，使得实验效果更佳。

4、数据测量

1）、仪表调整完毕后，将单片机控制挂箱GK-03的输入信号端“L T1、L T2”分别与GK-02的传感器输出端“L T1、L T2”相连；用配套RS232通讯线将GK-03的“串行通信口”与计算机的COM1连接；打开所有电源开关用单片机进行液位实时监测；然后用上位机控制监控软件对液位进行监视并记录过程曲线。

2）、利用PID调节器的手动旋钮调节输出，将被控参数液位控制在4cm左右。

3）观察系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，记录此时调节器手动输出值VO 以及水箱水位的高度h1和显示仪表L T1的读数值并填入下表。

6、迅速增调“手动调节”电位器，使PID的输出突加10%，利用上位机监控软件记下由此引起的阶跃响应的过程曲线，并根据所得曲线填写下表。

等到进入新的平衡状态后，再记录测量数据，并填入下表：

7、将“手动调节”电位器回调到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过

8、重复上述实验步骤。

六、注意事项

1、做本实验过程中，阀V1和V2不得任意改变开度大小；

2、阶跃信号不能取得太大，以免影响系统正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。

一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。

3、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态

4、在老师的帮助下，启动计算机系统和单片机控制屏。

七、实验报告要求

1、作出一阶环节的阶跃响应曲线。

2、根据实验原理中所述的方法，求出被测一阶环节的相关参数K和T。

一阶单容上水箱对象特性的测试实验报告

《控制工程实验》实验报告 实验题目：一阶单容上水箱对象特性的测试 课程名称：《控制工程实验》 姓名： 学号： 专业： 年级： 院、所： 日期： 2019.04.05

实验一一阶单容上水箱对象特性的测试 一、实验目的 1. 掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线； 2. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K、T和传递函数； 3. 掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实验设备 1. 实验装置对象及控制柜 1套 2. 装有Step7、WinCC等软件的计算机 1台 3. CP5621专用网卡及MPI通讯线各1个 三、实验原理 所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图1 所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F 1-1和F 1-6 全开，设上水箱 流入量为Q 1,改变电动调节阀V1的开度可以改变Q 1 的大小，上水箱的流出量为 Q 2，改变出水阀F 1-11 的开度可以改变Q 2 。液位h的变化反映了Q 1 与Q 2 不等而引起 水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q 1 作为被控过程的输入变量，h为其输出变量， 则该被控过程的数学模型就是h与Q 1 之间的数学表达式。 根据动态物料平衡关系有： (1) 变换为增量形式有： (2) 其中：，，分别为偏离某一平衡状态的增量； A为水箱截面积

图1 单容自衡水箱特性测试结构图（a）及方框图（b） 在平衡时，Q 1=Q 2 ，=0;当Q 1 发生变化时，液位h随之变化，水箱出口处的 静压也随之变化，Q 2 也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h 与流量之间为非线性关系。但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q 2 与h成正比关系，与阀F 1-11 的阻力R成反比，即 或 (3) 式中: R为阀F 1-11 的阻力，称为液阻。 将式(2)、式(3)经拉氏变换并消去中间变量 Q2，即可得到单容水箱的数学模型为 (4) 式中 T 为水箱的时间常数，T＝RC；K 为放大系数，K＝R；C 为水箱的容量系数。若令 Q1（s）作阶跃扰动，即，=常数，则式(4)可改写为: (5) 对上式取拉氏反变换得 (6) 当 t—>∞时，，因而有

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实验报告：单容自横水箱液位特性测试实验报告

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实验方案 一、实验名称：单容自衡水箱液位特性测试实验 二、实验目的 1．掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线； 2．根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K、T和传递函数； 3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 三、实验原理 所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。四、实验准备 在所给实验设备准备好时，由实验指导书连线，检查线路之后上电，打开启动按钮，对实验对象进行液位特性测试。通过该实验，我们最后要得到的理想结论是，通过手动控制阀门的开度来对水箱进行液位的特性测试，测试结果应该是，在给实验对象加扰动的情况下，贮蓄容器可以依靠自身重新恢复平衡的过程。 在实验之前，将储水箱中贮足水量，实验过程中选择下水箱作为被测对象，将阀门F1-1、F1-2、F1-8全开，将下水箱出水阀门F1-11开至适当开度，其余阀门均关闭，进行观察实验。

（a）结构图（b）方框图

一、实验目的 1．掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线； 2．根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K、T和传递函数； 3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实验设备 三相电源（~380V/10A） 远程数据采集模拟量输出模块SA-22、SA-23（24V输入） 三相磁力泵（~380V） 压力变送器 电动调节阀（4~20mA、~220V） 三、实验原理 所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图2-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1、F1-2和F1-8全 开，设下水箱流入量为Q 1，改变电动调节阀V 1 的开度可以改变Q 1 的大小，下水 箱的流出量为Q 2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q 2 。液位h的变化反映了 Q 1与Q 2 不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q 1 作为被控过程的输入变量， h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q 1 之间的数学表达式。

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实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验 一．实验目的 （1）建立单容水箱阶跃响应曲线。 （2）根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用作图的方法分别确定它们的参数（时间常数T 、放大系数K ）。 二．实验设备 CS2000型过程控制实验装置， PC 机，DCS 控制系统与监控软件。 三、系统结构框图 单容水箱如图1-1所示： 丹麦泵 电动调节阀 V1 DCS控制系统手动输出 h V2 Q1 Q2 图1-1、 单容水箱系统结构图 四、实验原理 阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过DCS 控制系统监控画面——调整画面，（调节器或其他操作器），手动改变（调节阀的开度）对象的输入信号（阶跃信号），同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线。然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。 五．实验内容步骤 1)对象的连接和检查：

(1)将CS2000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。 (2)打开以水泵、电动调节阀、孔板流量计组成的动力支路（1#）至上水箱的出水阀门.关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。 (3)打开上水箱的出水阀至适当开度。 2)实验步骤 (1)打开控制柜中水泵、电动调节阀、24V电源的电源开关。 (2)打开DCS控制柜的电源，打开电脑，启动DCS上位机监控软件，进入主画面，然后进入实验一画面“实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验”。 注满水箱打开出水阀打开阀门，连通电动调节阀 关闭支路阀打开上水箱打开上水箱打开电源 进水阀出水阀 打开泵的开关打开调节阀开关打开24V电源打开DCS控制柜电源

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实验方案 一、实验名称：单容液位定值控制系统 二、实验目的 1．了解单容液位定值控制系统的结构与组成。 2．掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。 3．研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。 4．了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。 5．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 三、实验原理 本实验系统结构图和方框图如图1所示。被控量为中水箱的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制（本次实验我组采用的是PI控制）。

图1 中水箱单容液位定值控制系统 (a)结构图 (b)方框图

一、实验目的 1．了解单容液位定值控制系统的结构与组成。 2．掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。 3．研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。 4．了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。 5．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实验设备 1．实验控制水箱； 2．实验对象及控制屏、计算机一台、SA-44挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根； 3．三相电源输出（~380V/10A）、单相电源输出（~220V/5A）中单相I、单相II端口、三相磁力泵（~380V）、压力变送器LT2、电动调节阀中控制信号（4~20mA 输入，~220V输入）、S7-200PLC 中AO端口、AI2端口。 三、实验原理 本实验系统结构图和方框图如图1所示。被控量为中水箱的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。

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实验1 二阶双容中水箱对象特性测试实验 一、实验目的 1、熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线； 2、根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的飞升特性。 二、实验设备 AE2000B 型过程控制实验装置、实验连接线 图1 双容水箱系统结构图 三、原理说明 如图1所示：这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，被调量是第二水槽的水位h 2。当输入量有一个阶跃增加?Q 1时，被调量变化的反应曲线如图2所示的?h 2曲线。它不再是简单的指数曲线，而是呈S 形的一条曲线。由于多了一个容器，就使调节对象的飞升特性在时间上更加落后一步。在图中S 形曲线的拐点P 上作切线，它在时间轴上截出一段时间OA 。 这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此称容量滞后，通常以τ C 代表之。 设流量Q 1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度h 2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为： 2112()()* ()(*1)(*1) s H S K G S Q S T S T S e τ-==++

图2 变化曲线 式中K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3分别为阀V2和V3的液阻，C1和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。由式中的K、T1和T2须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。具体的做法是在图3所示的阶跃响应曲线上取： 1）h2（t）稳态值的渐近线h2(∞)； 2）h2（t）|t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的点A和对应 的时间t1； 3）h2（t）|t=t2=0.8 h2(∞)时曲线上的点B和对应 的时间t2。 然后，利用下面的近似公式计算式2-1中的参数 K、T1和T2。其中：2 () K O h R ∞ == 输入稳态值 阶跃输入量 图3 阶跃响应曲线 4）12 12 t t T T 2.16 + +≈ 对于式（2-1）所示的二阶过程，0.32〈t1/t2〈0.46。当t1/t2=0.32时，为一阶环节；当t1/t2=0.46 h 0.4 0.8 2 h h 1 h 2 2 2

第一节 单容自衡水箱液位特性测试实验

第一节 单容自衡水箱液位特性测试实验 一、实验目的 1．掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线； 2．根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K 、T 和传递函数； 3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实验设备 1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS 需两台计算机）、万用表一个； 2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根； 3．SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个； 4．SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根； 5．SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线； 6．SA-42挂件一个、PC/PPI 通讯电缆一根。 三、实验原理 所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图2-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1、F1-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q 1，改变电动调节阀V 1的开度可以改变Q 1的大小，下水箱的流出量为Q 2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q 2。液位h 的变化反映了Q 1与Q 2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q 1作为被控过程的输入变量，h 为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h 与Q 1之间的数学表达式。 根据动态物料平衡关系有 Q 1-Q 2=A dt dh (2-1) 将式(2-1)表示为增量形式 ΔQ 1-ΔQ 2=A dt h d ? (2-2) 式中：ΔQ 1，ΔQ 2，Δh ——分别为偏 离某一平衡状态的增量； A ——水箱截面积。 在平衡时，Q 1=Q 2，dt dh ＝0；当Q 1 发生变化时，液位h 随之变化，水箱出 图2-1 单容自衡水箱特性测试系统 口处的静压也随之变化，Q 2也发生变化 （a ）结构图 （b ）方框图 。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h 与流量之间为非线性关系。但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q 2与h 成正比关系，而与阀F1-11的阻力R 成反比，即 ΔQ 2=R h ? 或 R=2 Q ??h (2-3)

双容水箱特性的测试

第二节双容水箱特性的测试 一、实验目的 1. 掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并记录相应液位的响应曲线。 2. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。 二、实验设备 1.THJ-2型高级过程控制系统实验装置 2.计算机、MCGS工控组态软件、RS232/485转换器1只、串口线1根 3.万用表1只 三、实验原理 图2-1 双容水箱对象特性结构图 由图2-1所示，被控对象由两个水箱相串联连接,由于有两个贮水的容积，故称其为双容对象。被控制量是下水箱的液位，当输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2-62所示。由图2-2

可见，上水箱液位的响应曲线为一单调的指数函数(图2-2(a))，而下水箱液位的响应曲线则呈S形状（2-2(b)）。显然,多了一个水箱，液位响应就更加滞后。 由S形曲线的拐点P处作一切线，它与时间轴的交点为A,OA则表示了对象响应的滞后时间。至于双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。 图2-2 双容液位阶跃响应曲线图2-3 双容液位阶跃响应曲线在图2-3所示的阶跃响应曲线上求取： (1)h2（t)|t=t1=0.4h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t1； (2)h2（t)|t=t1=0.8h2(∞)时曲线上的点C和对应的时间t2；然后，利用下面的近似公式计算式 由上述两式中解出T1和T2,于是求得双容(二阶)对象的传递函数为

四、实验内容与步骤 1.接通总电源和相关仪表的电源。 2.接好实验线路，打开手动阀，并使它们的开度满足下列关系： V1的开度>V2的开度>V3的开度 3.把调节器设置于手动位置，按调节器的增/减，改变其手动输出值（一般为最大值的40～70%，不宜过大，以免水箱中水溢出），使下水箱的液位处于某一平衡位置（一般为水箱的中间位置）。 4.按调节器的增/减按钮，突增/减调节器的手动输出量，使下水箱的液位由原平衡状态开始变化，经过一定的调节时间后，液位h2进入另一个平衡状态。 5.点击实验界面下边的按钮，可切换到实时曲线、历史曲线和数据报表 6.根据实验所得的曲线报表和记录的数据，按上述公式计算K值，再根据图中的实验曲线求得T1、T2值。 60%上升峰值

实验四 控制系统频率特性的测试 实验报告

实验四控制系统频率特性的测试 一．实验目的 认识线性定常系统的频率特性，掌握用频率特性法测试被控过程模型的原理和方法，根据开环系统的对数频率特性，确定系统组成环节的参数。二．实验装置 （1）微型计算机。 （2）自动控制实验教学系统软件。 三．实验原理及方法 （1）基本概念 一个稳定的线性定常系统，在正弦信号的作用下，输出稳态与输入信号关系如下： 幅频特性相频特性 （2）实验方法 设有两个正弦信号： 若以) (y tω为纵轴，而以tω作为参变量，则随tω的变xω为横轴，以) (t 化，) (y tω?所确定的点的轨迹，将在 x--y平面上描绘出一条封闭的xω和) (t 曲线（通常是一个椭圆）。这就是所谓“李沙育图形”。 由李沙育图形可求出Xm ，Ym，φ， 四．实验步骤 （1）根据前面的实验步骤点击实验七、控制系统频率特性测试菜单。（2）首先确定被测对象模型的传递函数, 预先设置好参数

T1、T2、ξ、K （3）设置好各项参数后，开始仿真分析，首先做幅频测试，按所得的频率范围由低到高，及ω由小到大慢慢改变，特别是在转折频率处更应该多取几个点 五.数据处理 （一）第一种处理方法： （1）得表格如下： （2）作图如下： （二）第二种方法： 由实验模型即，由实验设置模型根据理论计算结果绘制bode图，绘制Bode图。 （三）误差分析 两图形的大体趋势一直，从而验证了理论的正确性。在拐点处有一定的差距，在某些点处也存在较大的误差。 分析： （1）在读取数据上存在较大的误差，而使得理论结果和实验结果之间存在。 （2）在数值应选取上太合适，而使得所画出的bode图形之间存在较大的差距。 （3）在实验计算相角和幅值方面本来就存在着近似，从而使得误差存在，而使得两个图形之间有差异 六.思考讨论 （1）是否可以用“李沙育”图形同时测量幅频特性和想频特性

大学物理实验报告23-PN结温度传感器特性

天津大学 物理实验报告 姓名： 专业： 班级： 学号： 实验日期： 实验教室： 指导教师： 【实验名称】 PN 结物理特性综合实验 【实验目的】 1. 在室温时，测量PN 结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律 2. 在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数 3. 学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流 4. 测量PN 结电压与温度关系，求出该PN 结温度传感器的灵敏度 5. 计算在0K 温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度 【实验仪器】 半导体PN 结的物理特性实验仪 资产编号：××××，型号：×××（必须填写） 【实验原理】 1．PN 结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 PN 结的正向电流-电压关系满足： ]1)/[ex p(0-=kT eU I I (1) 当()exp /1eU kT >>时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有： 0exp(/)I I eU kT = (2) 也即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得PN 结I U -关系值，则利用(1)式可以求出 /e kT 。在测得温度T 后，就可以得到/e k ，把电子电量e 作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k 。 实验线路如图1所示。

2、弱电流测量 LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图2所示。其中虚线框内电阻r Z 为电流-电压变换器等效输入阻抗。 运算放大器的输入电压0U 为： 00i U K U =- (3) 式(3)中i U 为输入电压，0K 为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻f R →∞时的电压增益（f R 称反馈电阻）。因而有： 00(1) i i s f f U U U K I R R -+= = (4) 由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗x Z 为 00 1i f f x s U R R Z I K K = =≈+ (5) 由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流s I 与输出电压0U 之间的关系式，即： 图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图 图2 电流－电压变换器

实验一 单容自恒水箱液位特性测试实验

实验报告 课程过程控制及仪表实验日期2020 年6月15日专业班级自动化1702班姓名学号1706010403 实验名称实验一单容自恒水箱液位特性测试实验 评分批阅教师签字 1.实验目的 1. 熟悉利用计算法建立系统一阶惯性环节加纯延迟环节的数学模型方法。 2. 学会利用MATLAB/Simulink对系统进行建模的方法。 2.实验内容 某单容水箱为被控对象，水箱液位为被控参数，水箱总量程为100mm, 在阶跃扰动20% ?=时，其阶跃响应的实验数据如表1-1所示。 u 表1-1 阶跃响应实验数据 响应曲线起始速度较慢，其阶跃响应曲线呈S状，可近似认为被控对象是具有纯滞后的一阶惯性环节，利用计算法，确定增益K，时间常数T和纯滞后时间τ。 （1）首先根据输出稳态值和阶跃输入的变化幅值可得增益K=(20/100)/20%=1;（2）根据系统近似为具有纯滞后的一阶惯性环节的计算方法，编写MATLAB程序（gkshiyan1_1）。 （3）建议Simulink系统仿真（gkshiyan1），将阶跃信号的初始作用时间和幅值分别设置为0和20。 （4）将实际系统和近似系统的阶跃响应曲线进行比较，编写MATLAB程序（gkshiyan1_2）。 3.实验方法与步骤 （1）首先根据输出稳态值和阶跃输入的变化幅值可得增益K=(20/100)/20%=1;

（2）根据系统近似为具有纯滞后的一阶惯性环节的计算方法，编写MATLAB程 序（gkshiyan1_1）。 程序如下： % 将系统近似一阶惯性环节加纯延迟的计算程序 tr=10; % 输出响应延迟时间，即输出无变化时间 t=[10 20 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600 700 800]-tr; h=[0 0.2 0.8 2 3.6 5.4 8.8 11.4 14.4 16.1 18.2 19.2 19.6 19.8 20]; h=h/h(length(h)); %把输出转换成无量纲形式 h1=0.39; h2=0.63; t1=interp1(h,t,h1)+tr; %利用一维线性插值计算当响应曲线在39%时的时间t1 t2=interp1(h,t,h2)+tr; %利用一维线性插值计算当响应曲线在63%时的时间t2 T=2*(t2-t1) %被控对象传递函数的惯性时间常数 tao=2*t1-t2 %被控对象传递函数的延迟时间 运行结果如下： >> gkshiyan1_1 T = 159.5294 tao = 48.4706 >> （3）建议Simulink系统仿真（gkshiyan1），将阶跃信号的初始作用时间和幅值 分别设置为0和20。

实验一 单容自衡水箱液位特性测试实验

计算机控制技术实验报告 实验一单容自衡水箱液位特性测试实验 班级： 姓名： 学号：

实验一 单容自衡水箱液位特性测试实验 一、实验目的 1．掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线； 2．根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K 、T 和传递函数； 3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实验原理 所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图1-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1、F1-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q 1，改变电动调节阀V 1的开度可以改变Q 1的大小，下水箱的流出量为Q 2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q 2。液位h 的变化反映了Q 1与Q 2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q 1作为被控过程的输入变量，h 为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h 与Q 1之间的数学表达式。 根据动态物料平衡关系有 Q 1-Q 2=A dt dh (1-1) 将式(2-1)表示为增量形式 ΔQ 1-ΔQ 2=A dt h d ? (1-2) 式中：ΔQ 1，ΔQ 2，Δh ——分别为偏 离某一平衡状态的增量； A ——水箱截面积。 在平衡时，Q 1=Q 2，dt dh ＝0；当Q 1 发生变化时，液位h 随之变化，水箱出 口处的静压也随之变化，Q 2也发生变化。 由流体力学可知，流体在紊流情况下， 液位h 与流量之间为非线性关系。但为 了简化起见，经线性化处理后，可近似 认为Q 2与h 成正比关系，而与阀F1-11 的阻力R 成反比，即 ΔQ 2=R h ? 或 R=2Q ??h (1-3) 图1-1 单容自衡水箱特性测试结构图及方框图 式中：R ——阀F1-11的阻力，称为液阻。 将式(1-2)、式(1-3)经拉氏变换并消去中间变量Q 2，即可得到单容水箱的数学模型为

PN结的物理特性—实验报告

半导体PN 结的物理特性实验报告 姓名：陈晨 学号：12307110123 专业：物理学系 日期：2013年12月16日 一、引言 半导体PN 结是电子技术中许多元件的物质基础具有广泛应用，因此半导体PN 结的伏安特性是半导体物理学的重要内容。本实验利用运算放大器组成电流-电压变换器的方法精确测量弱电流，研究PN 结的正向电流I ，正向电压U ，温度T 之间的关系。本实验桶过处理实验数据得到经验公式，验证了正向电流与正向电压的指数关系，正向电流与温度的指数关系以及正向电压与温度的线性关系，并由此与计算玻尔兹曼常数k 与0K 时材料的禁带宽度E ，加深了对半导体PN 节的理解。 二、实验原理 1、 PN 结的物理特性 （1）PN 结的定义：若将一块半导体晶体一侧掺杂成P 型半导体，即有多余电子的半导体，另一侧掺杂成N 型半导体，即有多余空穴的半导体，则中间二者相连的接触面就称为PN 结。 （2）PN 结的正向伏安特性：根据半导体物理学的理论，一个理想PN 结的正向电流I 与正向电压U 之间存在关系 ①，其中I S 为反向饱和电流，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，e 为电子电量。在常温（T=300K ）下和实验所取电压U 的范围内， 故①可化为 ②，两边取对数可得 。 （3）当温度T 不变时作lnI-U 图像并对其进行线性拟合，得到线性拟合方程的斜率为e/kT ，带入已知常数e 和T ，便得玻尔兹曼常数k 。 2、反向饱和电流I s （1）禁带宽度E ：在固体物理学中泛指半导体或是绝缘体的价带顶端至传导带底端的能量差距。对一个本征半导体而言，其导电性与禁带宽度的大小有关，只有获得足够能量的电子才能从价带被激发，跨过禁带宽度跃迁至导带。 （2）根据半导体物理学的理论，理想PN 结的反向饱和电流Is 可以表示为 ③，代入②得 ，其中I 0为与结面积和掺杂浓度等有关的常数，γ取决于少数载流子迁移率对温度的关系，通常取γ=3.4，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度．E 为0K 时材料的禁带宽度。两边取对数得 ，其中γlnT 随温度T 的变 化相比（eU-T ）/kT 很缓慢，可以视为常数。 （3）当正向电压U 不变时作lnI-1/T 图像并进行线性拟合，得到拟合方程斜率（eU-E ）/k ，代入已知常数便得0K 时PN 结材料的禁带宽度E ；当正向电流I 不变时作U-T 图并进行线性拟合，得到拟合直线截距E/e ，带入已知常数，便得0K 时PN 结材料的禁带宽度E 。 3、实验装置及其原理 （1）如图所示为由运算放大器组成的电流-电压变换器电路图，电压表V1测量的是正向电压U1，电压表V2测量的是正向电流I 经运算放大器放大后所对应的电压U2，分析电路后可知，正向电流I ≈U 2/R f ，其中R f 为反馈电阻。通过二极管的正向电流除了扩散电流外，还 (1)eU kT s I I e =-1 eU kT e >>eU kT s I I e =lnI lnI s eU kT =+0E kT s I I T e γ - =0eU E kT I I T e γ-=0ln lnI ln eU E I T kT γ-=++

过程控制实验二 一阶单容上水箱对象特性测试实验

成绩： 实验名称：实验二一阶单容上水箱对象特性测试实验 仿真实验：PID参数整定 实验小组：A大组第二小组 组员姓名：__ _____ ____ 组员学号：_________ 指导老师：_____ ___ __ 实验日期：__ 2015/5/9 _____ ______ _ 信息工程学院自动化系

一实验名称 1、一阶单容上水箱对象特性测试实验 2、仿真实验：PID参数整定 二实验目的 1．认识实验系统，了解本实验系统中的各个对象。 2．测试一个水箱的对象特性。 3．学会PID参数整定的基本原则。 4．使用稳定边界法和衰减曲线法去整定参数。 三实验原理 阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。 图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。 如图1-1所示，设水箱的进水量为Q 1，出水量为Q 2 ，水箱的液面高度为h， 出水阀V 2 固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得： 在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得： 式中，T为水箱的时间常数（注意：阀V 2 的开度大小会影响到水箱的时间常数）， T=R 2*C，K=R 2 为过程的放大倍数，R 2 为V 2 阀的液阻，C 为水箱的容量系数。令输 入流量Q 1（S）=R O /S，R O 为常量，则输出液位的高度为： 当t=T时，则有： h(T)=KR 0(1-e-1)=0.632KR =0.632h(∞) 即 h(t)=KR (1-e-t/T) 当t—>∞时，h（∞）=KR ，因而有 K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入 式（1-2）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1-2 所示。当由实验求得图1-2所示的

单容水箱实验报告

单容液位定值控制系统 一、实验目的 1．了解单容液位定值控制系统的结构与组成。 2．掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。 3．研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。 4．了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。 5．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实验设备 THPCAT-2型现场总线过程控制对象系统实验装置、AT-1智能仪表挂件一个、RS485/232转换器一个、RS485通讯线一根、计算机一台、万用表一个、软管若干。 三、实验原理 图3-6 中水箱单容液位定值控制系统 (a)结构图 (b)方框图 本实验系统结构图和方框图如图3-6所示。被控量为上小水箱（也可采用上大水箱或下水箱）的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT1检测到的上小水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。 四、实验内容与步骤 本实验选择上小水箱作为被测对象（也可选择上大水箱或下水箱）。以上小水箱为例叙述实验步骤如下： 1. 实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-3、F1-4、F1-6全开，将上小水箱出水阀门F1-10开至适当开度（30%～80%），其余阀门均关闭。 2. 管路连接：将工频泵出水口和支路1进水口连接起来；将支路1出水口和上小水箱

进水口连接起来；将上小水箱出水口和储水箱进水口连接起来。 3. 采用智能仪表控制： 1）将“AT-1智能调节仪控制”挂件挂到网孔板上，并将挂件的通讯线插头通过RS485通讯线与RS485/232转换器连接到计算机串口1。 2）强电连线：单相I电源L、N端对应接到AT-1挂件电源输入L、N端。 3）弱电连线：上小水箱液位LT1的1-5V+、-端对应接到智能调节仪I的1-5V电压输入1、2端；智能调节I输出7、5对应接到电动调节阀控控制输入+ 、-端。 4）管路、阀门、接线检查无误后接通总电源开关，打开24V电源开关、电动调节阀开关、单相I开关。 5）检查智能调节仪基本参数设置：ctrl=1, dip=1,Sn=33, DIL=0，DIH=50，OPL=0,OPH=100,run=0。 6）打开上位机MCGS组态环境，打开“THPCAT-2智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验六、单容水箱液位定值控制实验”，进入“实验六”的监控界面。 7）先将仪表设置为手动状态，将磁力泵开关打到“手动”位置，磁力驱动泵上电打水，适当增加或减小仪表输出值，使水箱液位平衡在设定值。 8）按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。 9）待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰： a.突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面两种仅供参考）。 b.将电动调节阀的旁路F1-5（同电磁阀）开至适当开度，将电磁阀开关打至“手动”位置。 c.适当改变上小水箱出水阀F1-10开度（改变负载）。 以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面两种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，液位的响应过程曲线将如图3-7所示。 图3-7 单容水箱液位的阶跃响应曲线 10)分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤9，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。

过程控制控实验报告

实验一 单容自衡水箱特性的测试 一、实验目的 1. a 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K 、T 和传递函数。 二、实验设备 1. A3000高级过程控制实验系统 2. 计算机及相关软件 三、实验原理 由图2.1可知，对象的被控制量为水箱的液位h ，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q 1，Q 2为流出水箱的流量。手动阀QV105和闸板QV116的开度（5~10毫米）都为定值。根据物料平衡关系，在平衡状态时： 0Q Q 2010=- （1） 动态时则有： dt dV Q Q 21=- （2） 式中V 为水箱的贮水容积，dt dV 为水贮存量的变化率，它与h 的关系为Adh dV =，即： dt dh A dt dV = （3） A 为水箱的底面积。把式（3）代入式（2）得： QV116 V104 V103 h ?h QV105 QV102 P102 LT103 LICA 103 FV101 M Q 1 Q 2 图2.1单容水箱特性测试结构图

图2.2 单容水箱的单调上升指数曲线 dt dh A =-21Q Q （4） 基于S 2R h Q =，R S 为闸板QV116的液阻，则上式可改写为dt dh A R h Q S =-1，即： 或写作： 1 )()(1+=TS K s Q s H （5） 式中T=AR S ，它与水箱的底积A 和V 2的R S 有关；K=R S 。式（5）就是单容水箱的传递函数。 若令S R s Q 01)(=，R 0=常数，则式（5）可改为： T S KR S R K S R T S T K s H 0011/)(0+-=?+= 对上式取拉氏反变换得： )e -(1KR h(t)t/T 0-= （6） 当∞→t 时0KR )h(=∞，因而有=∞=0R )h(K 阶跃输入 输出稳态值。当t=T 时，则)h(KR )e -(1KR h(T) 001∞===-0.6320.632。式（6）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2.2所示。 当由实验求得图2.2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T 。该时间常数T 也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T ，由响应曲线求得K 和T 后，就能求得单容水箱的传递函数。 1KQ h dt dh AR S =+

最新过程控制实验——单容水箱属性测试及PID参数整定

过程控制实验 ――单容水箱属性测试及PID参数整定 专业： ______________ 自动化 班级： 指导老师： ________________________________ 组员姓名： _______________________________

实验时间：第八周周日5-8节、周四9-12节

一、 实验目的 1） 、熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。 2） 、根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线， 用相关的方法分别确 定它们的参数。 3） 、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。 4） 、分析分别用P 、PI 和PID 调节时的过程图形曲线。 5） 、定性地研究P 、PI 和PID 调节器的参数对系统性能的影响。 二、 实验设备 AE2000A 型过程控制实验装置、MCG 程序运行环境、计算机、RS232-485转 换器1只、串口线1根、实验连接线。 三、 实验原理 1）、对象特性测试 设单容水箱的输入为Q 1，输出为Q 2，液位为h 调节输入输出，当系统平衡时：QMtJ-Q 2（t 2）=0 ； 当系统由于输入变化处于动态时：QXQ ⑴煜"晋； H (s) R 2 Q 1(s) AR 2s 1 得到传递函数为 G （s ） J AR 2S +1 ES + 1 令Q 1有阶跃变化量X 。，拉氏变换式 Q 1（s ）=x °;s 取拉氏反变换：h （t ） -kx^-e 亠） Q 2 h(t). R 2 ； -Q 1(t) 皿Adht) R 2 dt 拉氏变换 =Q 1 （s ） H(s) = kx 0 s(Ts 1) kx ° s ' 1T s

实验一 单容水箱对象特性的测试

实验一、单容水箱对象特性的测试 一、 实验目的 1、了解本实验装置的结构与组成，掌握压力变送器的使用方法。 2、掌握实验装置的基本操作与变送器仪表的调整方法。 3、了解单容水箱的自衡特性掌握单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。 4、实测单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。 二、实验设备 1、THKGK-1型过程控制实验装置 GK-02 GK-03 GK-04 GK-07 2、 万用表一只 三、实验原理 阶跃响应测试法是被控对象在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节器手动改变对象的输入 信号（阶跃信号）。同时，记录对象的输出数据和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理的处理，确定模型中的相关参数。 图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。 单容水箱的数学模型可用一阶惯性环节来近似描述，且用下述方法求取对象的特征参数。 单容水箱液位开环控制结构图如图2-1所示： 图2-1、 单容水箱液位开环控制结构图 设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h ，出水阀V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得： 在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得： 式中，T=R2*C 为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程 Q R h dt h d C R ?=?+?221-2 11)()()(221+=+==TS K CS R R s Q s H s G

的放大倍数，也是阀V2的液阻，C 为水箱的底面积。令输入流量Q1（S ）=RO/S ，RO 为常量，则输出液位的高度为： 2-2 2-3 2-4 式（2-3）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2所示。由式（2-4）可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时 间，就是水箱的时间常数T 。该时间常数T 也可以通过 坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳 态值的交点所对应的时间就是时间常数T 。 图2-2 阶跃响应曲线 其理论依据是： 上式表示h （t ）若以在原点时的速度h （∞）/T 恒速变化，即只要花T 秒时间就可达到稳态值h （∞）。 式（2-2）中的K 值由下式求取： K = h(∞)/R0 = 输入稳态值/阶跃输入 T S KR S KR TS S KR S H /1)1()(0 00+- =+= )0.632h(0.632KR ) -(1KR h(T) : ,01 -0e ∞====则有时当T t 阶跃输入输出稳态值因而有 时，当即= ∞==∞∞?→?=O . O T 1 -O R )(K R )()e -(1KR h(t) h K h t t 0.63h h h 5)-(2 ) ()(00 100T h T KR T KR dt t dh t t T t e ∞== ==-=

实验报告半导体PN结的物理特性及弱电流测量

成都信息工程学院 物理实验报告 姓名： 石朝阳 专业： 班级： 学号： 实验日期： 2009-9-15下午 实验教室： 5102-1 指导教师： 【实验名称】 PN 结物理特性综合实验 【实验目的】 1. 在室温时，测量PN 结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律 2. 在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数 3. 学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流 4. 测量PN 结电压与温度关系，求出该PN 结温度传感器的灵敏度 5. 计算在0K 温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度 【实验仪器】 半导体PN 结的物理特性实验仪 资产编号：××××，型号：×××（必须填写） 【实验原理】 1．PN 结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 PN 结的正向电流-电压关系满足： ]1)/[ex p(0-=kT eU I I (1) 当()exp /1eU kT >>时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有： 0exp(/)I I eU kT = (2) 也即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得PN 结I U -关系值，则利用(1)式可以求出 /e kT 。在测得温度T 后，就可以得到/e k ，把电子电量e 作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k 。 实验线路如图1所示。

2、弱电流测量 LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图2所示。其中虚线框内电阻r Z 为电流-电压变换器等效输入阻抗。 运算放大器的输入电压0U 为： 00i U K U =- (3) 式(3)中i U 为输入电压，0K 为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻f R →∞时的电压增益（f R 称反馈电阻）。因而有： 00(1) i i s f f U U U K I R R -+= = (4) 由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗x Z 为 00 1i f f x s U R R Z I K K = =≈+ (5) 由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流s I 与输出电压0U 之间的关系式，即： 图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图 图2 电流－电压变换器