试验一典型环节的电路模拟.doc

实验一典型环节的模拟研究
一、实验目的
1. 熟悉THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台及“THBDC-1”软件的使用;
2. 熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟;
3. 测量各典型环节的阶跃响应曲线,并了解参数变化对其动态特性的影响。
二、实验设备
1. THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台;
2. PC机一台(含“THBDC-1”软件)、USB数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB接口线;
三、实验内容
1. 设计并组建各典型环节的模拟电路;
2. 测量各典型环节的阶跃响应,并研究参数变化对其输出响应的影响;
四、实验原理
自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应,将对系统的设计和分析十分有益。
本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成,其原理框图
如图1-1所示。图中Z1和Z2表示由R、C构成的复数阻抗。
1. 比例(P)环节
比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。图1-1
它的传递函数与方框图分别为:

当Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号,且比例系数为K时的响应曲线如图1-2所示。
2. 积分(I)环节图1-2
积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。它的传递函数与方框图分别为:
设Ui(S)为一单位阶跃信号,当积分系数为T时的响应曲线如图1-3所示。
图1-3
3. 比例积分(PI)环节
比例积分环节的传递函数与方框图分别为:
其中T=R2C,K=R2/R1
设Ui(S)为一单位阶跃信号,图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T时的PI输出响应曲线。
图1-4
4. 比例微分(PD)环节
比例微分环节的传递函数与方框图分别为:
其中
设Ui(S)为一单位阶跃信号,图1-5示出了比例系数(K)为2、微分系数为TD时PD的输出响应曲线。
图1-5
5. 比例积分微分(PID)环节
比例积分微分(PID)环节的传递函数与方框图分别为:
其中,,


设Ui(S)为一单位阶跃信号,图1-6示出了比例系数(K)为1、微分系数为TD、积分系数为
TI时PID的输出。
图1-6
6. 惯性环节
惯性环节的传递函数与方框图分别为:
当Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号,且放大系数(K)为1、时间常数为T时响应曲
线如图1-7所示。
图1-7
五、实验步骤
1. 比例(P)环节
根据比例环节的方框图,选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)设计并组建相应的模拟电路,如下图所示。
图中后一个单元为反相器,其中R0=200K。
电路中的参数取:R1=100K,R2=100K时,比例系数K=1。
电路中的参数取:R1=100K,R2=200K时,比例系数K=2。
当ui为一单位阶跃信号时,用“THBDC-1”软件观测(选择“通道1-2”,其中通道AD1接电路的输出uO;通道AD2接电路的输入ui)并记录相应K值时的实验曲线,并与理论值进行比较。
另外R2还可使用可变电位器,以实现比例系数为任意设定值。
注:①实验中注意“锁零按钮”和“阶跃按键”的使用,实验时应先弹出“锁零按钮”,然后按下“阶跃按键”。具体请参考附录“硬件的组成及使用”相关部分。
②为了更好的观测实验曲线,实验时可适当调节软件上的分频系数(一般调至刻度2)和选择“”按钮(时基自动),以下实验相同。
2. 积分(I)环节
根据积分环节的方框图,选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)设计并组建相应的模拟电路,如下图所示。
图中后一个单元为反相器,其中R0=200K。
电路中的参数取:R=100K,C=10uF(T=RC=100K×10uF=1)时,积分时间常数T=1S;
电路中的参数取:R=100K,C=1uF(T=RC=100K×1uF=)时,积分时间常数T=;
当ui为单位阶跃信号时,用“THBDC-1”软件观测并记录相应T值时的输出响应曲线,并与理论值进行比较。
注:由于实验电路中有积分环节,实验前一定要用“锁零单元”对积分电容进行锁零。
3. 比例积分(PI)环节
根据比例积分环节的方框图,选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)设计并组建相应的模拟电路,如下图所示。
图中后一个单元为反相器,其中R0=200K。
电路中的参数取:R1=100K,R2=100K,C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K×10uF=1S) 时, 比例系数K=1、积分时间常数T=1S;
电路中的参数取:R1=100K,R2=100K,C=1uF(K= R