1、实 验 报 告课程名称：控制理论（乙） 指导老师： 成绩：_实验名称：典型环节的电路模拟 实验类型：_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 THBDC-2 型 控制理论 计算机控制技术实验平台及 “THBDC-2”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1THBDC-2 型 控制理论 计算机控制技术实验平台；2PC 机一台 (含“THBDC
2、-2”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积分（I）环节 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，
3、当积分系数为 T 时的响应曲线如图 1-1 所示。图 1-1sSUsGiO1)()(2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)1()1()2CSRTSKsGCRTKD112,/设 Ui(S)为一单位阶跃信号，图 1-2 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 1-2 3惯性环节惯性环节的传递函数与方框图分别为： 1)()TSKUsGiO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 1-3 所示。图 1-3五、实验步骤1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(U
4、12、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。若积分时间常数 T=1S 时，电路中的参数取：R=100K，C=10uF(T=RC=100K 10uF=1)；若积分时间常数 T=0.1S 时，电路中的参数取：R=100K，C=1uF(T=RC=100K1uF=0.1)；当 ui 为单位阶跃信号时，用“THBDC-2 ”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。-+R Cui -+R0 R0 uo2比例微分(PD)环节根据比例微分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元(U12、U6) 设计并组建其模拟电路，如下图所示。图中
5、后一个单元为反相器，其中 R0=200K。若比例系数 K=1、微分时间常数 T=0.1S 时，电路中的参数取：R1=100K，R 2=100K，C=1uF(K= R 2/ R1=1，T=R 1C=100K1uF=0.1S)；若比例系数 K=1、微分时间常数 T=1S 时，电路中的参数取：R1=100K，R 2=100K，C=10uF(K= R 2/ R1=1，T=R 1C=100K10uF=1S)；当 ui 为一单位阶跃信号时，用“THBDC-2 ”软件观测(选择“通道 3-4”，其中通道AD3 接电路的输出 uO；通道 AD4 接电路的输入 ui)并记录不同 K 及 T 值时的实验曲线，并与
6、理论值进行比较。3惯性环节根据惯性环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元(U12、U6) 设计并组建其相应的模拟电路，如下图所示。图中后一个单元为反相器，其中 R0=200K。若比例系数 K=1、时间常数 T=1S 时，电路中的参数取：R1=100K，R 2=100K，C=10uF(K= R 2/ R1=1，T=R 2C=100K10uF=1)。若比例系数 K=1、时间常数 T=0.1S 时，电路中的参数取：R1=100K，R 2=100K，C=1uF(K= R 2/ R1=1，T=R 2C=100K1uF=0.1)。通过改变 R2、R 1、C 的值可改变惯性环节的放大系数 K 和时间常数
7、T。当 ui 为一单位阶跃信号时，用“THBDC-2 ”软件观测并记录不同 K 及 T 值时的实验曲线，并与理论值进行比较。六、实验结果1、积分环节若积分时间常数 T=1S 时，若积分时间常数 T=0.1S 时， ， ，1（ s） =TG1()Usi1 ()o2sT()tuoTT=0.1s 时的上升速度比 T=1s 快，实验结果与理论分析相符。 2、比例微分环节若比例系数 K=1、微分时间常数 T=0.1S 时若比例系数 K=1、微分时间常数 T=1S 时， ， ，()1)GsKTs1()Uis1()()SKTO()1()utKttoA实验结果与理论分析相符3、惯性环节若比例系数 K=1、时间
8、常数 T=1S 时若比例系数 K=1、时间常数 T=0.1S 时， ， ，()1KGsT()Usi1()()KTsoTsSst()()utkteo实验结果与理论分析得到的函数图形相符，故认为结果可信。七、实验心得体会1、用运放模拟典型环节时，其传递函数假定条件如下：1）假定运放具有理想特性，即满足“虚短” “虚断”特性 2）运放的静态量为零，输入量、输出量和反馈量都可以用瞬时值表示其动态变化。2、 积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节？而又在什么条件下，惯性环节可以近似地视为比例环节？ 惯性环节的特点是，当输入作阶跃变化时，输出不能立刻达到稳态值，瞬态
9、输出以指数规律变化。而积分环节，当输入为单位阶跃信号时，输出为输入对时间的积分，输出随时间呈直线增长。 当 t 趋于无穷大时，惯性环节可以近似地视为积分环节，当 t 趋于 0 时，惯性环节可以近似地视为比例环节。3、在积分环节和惯性环节实验中，如何根据单位阶跃响应曲线的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？ 在积分环节中，直线的纵坐标到 K 时对应的横坐标即直线上升的斜率的倒数就是时间常数 T。在惯性环节中，起始点的斜率等于 k/T，故在起始点作该点的切线，与 y=K 相交的点的横坐标就是时间常数 T。4、为什么实验中实际曲线与理论曲线有一定误差？在实验中，运放并不是理想的，再加上元器件都有温度特性曲线，器件参数都有误差，所以输入输出曲线不可能像理论那样的线性。5、为什么 PD 实验在稳定状态时曲线有小范围的振荡？做比例微分实验时，稳定状态时曲线有小范围的振荡，分析原因如下：微分环节对偏差敏感而实际输入的信号有噪声，并不是平直光滑的，所以，经过微分后，使得偏差放大，出现小范围振荡。
