1、热工过程自动控制原理实验报告白思平 03015413实验一 典型环节的电路模拟一、实验目的1. 熟悉 THBDC-1 型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台及上位机软件的使用；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(含上位机软件)、数据采集卡、37 针通信线 1 根、16 芯数据排线、采接卡接口线；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
2、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是十分有益的。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 图 1-1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。它的传递函数与方框图分别为： KSUGiO)(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
3、方框图分别为： TsSUsGiO1)()(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 1-33. 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=R 2/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 1-44. 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 1-5 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-
4、5 .5. 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。1)(TSKsGiO)(1)( 22CSRSRSsGiO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。若比例系数 K=1 时，电路中的参数取：R 1=100K，R 2=100K。若比例系数 K=2 时，电路中的参数取：R 1=100K，R 2=200K。当 ui 为一单位阶跃信号时，用上位软件观测(选择
5、“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：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=100K10uF=1)；若积分时间常数
6、 T=0.1S 时，电路中的参数取：R=100K，C=1uF(T=RC=100K1uF=0.1) ；当 ui 为一单位阶跃信号时，用上位机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：当实验电路中有积分环节时，实验前一定要用锁零单元进行锁零，实验时要退去锁零。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设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。-+R1 R2ui -+R0 R0 uo-+R Cui -+R0 R0 uo图中后一个单元为反相器，其中 R0=200K。若取比例系数 K=1、积分时间常数 T=1S 时，电路中的参数取：R 1=100
7、K，R 2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K10uF=1)；若取比例系数 K=1、积分时间常数 T=0.1S 时，电路中的参数取：R 1=100K，R 2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K1uF=0.1S)。通过改变 R2、R 1、C 的值可改变比例积分环节的放大系数 K 和积分时间常数 T。当 ui 为一单位阶跃信号时，用上位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。4. 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设计并组建其模拟电路，如下图所示。图中后一个单元为反
8、相器，其中 R0=200K。若比例系数 K=1、微分时间常数 T=1S 时，电路中的参数取：R 1=100K，R 2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K10uF=1S)；若比例系数 K=0.5、微分时间常数 T=1S 时，电路中的参数取：R 1=200K，R 2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=0.5,T=R1C=100K10uF=1S)；当 ui 为一单位阶跃信号时，用上位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。注：本实验中的 10uF 电容需从实验台左面板“通用单元电路五”中连接。5. 惯性环节根据惯性环节的方框图，
9、选择实验台上的通用电路单元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：R 1=100K，R 2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K10uF=1)。若比例系数 K=1、时间常数 T=2S 时，电路中的参数取：R 1=100K，R 2=200K，C=10uF(K= R2/ R1=2,T=R2C=200K10uF=2)。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 T。当 ui 为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同 K 及 T 值
10、时的实验曲线，并与理论值进行比较。6 根据实验时存储的波形及记录的实验数据完成实验报告。六、实验结果1 比例环节比例系数 K=1 传递函数 G（s）=1比例系数 K=2 传递函数 G（s）=22 积分环节积分时间常数 T=1S 传递函数 G（s ）=1/s积分时间常数 T=2S 传递函数 G（s ）=1/2s3 比例积分环节比例系数 K=1、积分时间常数 T=1S 传递函数 G（s ）=1+1/s比例系数 K=1、积分时间常数 T=0.1S 传递函数 G（s）=1+10s4 比例微分环节比例系数 K=1、微分时间常数 T=1S 传递函数 G（s ）=1+s比例系数 K=0.5、微分时间常数 T
11、=1S 传递函数 G（s）=0.5 （1+s）5 惯性环节比例系数 K=1、时间常数 T=1S 传递函数 G（s ）=1/（1+s）比例系数 K=1、时间常数 T=2S 传递函数 G（s ）=1/（1+2s）七、实验思考题1. 用运放模拟典型环节时，其传递函数是在什么假设条件下近似导出的？答：（1）假设运放具有理想特性，即满足 “虚短” “虚断 ”特性。（2 ）运放的静态量为零，个输入量、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？答：他们的主要区别在于输入阶
12、跃信号时惯性环节最终系统将会趋于稳定，然而积分在 T 趋于无穷大时，惯性环节可近似视为积分环节。 在 T 趋于无穷小时，惯性环节可近似视为比例环节。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？答：对于积分环节的时间常数 T，即为输出信号曲线与输入阶跃信号曲线的交点和阶跃信号的起点之间的横坐标的差值。而惯性环节的 T 即为过输出信号曲线的起始点作输出信号曲线的切线，确定该线与输出信号的稳定值曲线的交点，该交点与输出曲线起始点的横坐标的差值。4. 为什么实验中实际曲线与理论曲线有一定误差？答：因为选择的电子元器件，输入输出曲线,不可能像理论那样的线性，实验中，运放并不是理想的，假设的2 个条件是导出传递函数的前提。再加上元器件都有温度特性曲线，器件参数都有误差。 5、为什么 PD 实验在稳定状态时曲线有小范围的振荡？答：因为比例微分环节的实验，其模拟电路最易受到影响，微分环节本身对各种扰动比较敏感，会出现小范围的震荡。运放存在工作的误差，使得试验曲线与理论曲线有差别。 环节最后不会稳定。
