热工自控实验一报告.doc

东南大学能源与环境学院实 验 报 告课程名称： 热工过程自动控制原理 实验名称： 典型环节的电路模拟 院 （系）： 能源与环境学院 专 业： 姓 名： 学 号： 实 验 室： 实验组别： 同组人员： 实验时间：2013 年 10 月 17 日评定成绩： 审阅教师： 1、 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。2、 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；3、 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；4、 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。5、 典各型环节实验电路图及参数说明（1）比例（P）环节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：R1=100K，R2=100K。若比例系数K=2时，电路中的参数取：R1=100K，R2=200K。（2）积分（I）环节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T=0.1S时，电路中的参数取：R=100K，C=1uF(T=RC=100K1uF=0.1)；（3）比例积分(PI)环节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：R1=100K，R2=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：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K1uF=0.1S)。（4）比例微分(PD)环节图中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=1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=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：R1=200K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=0.5,T=R1C=100K10uF=1S)；（5）惯性环节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，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K10uF=1s)。若比例系数K=1、时间常数T=2S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=200K，C=10uF(K= R2/ R1=2,T=R2C=200K10uF=2)。6、 各环节传递函数及阶跃响应曲线（1）比例（P）环节 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1-1、1-2所示。图1-1 图1-2图1-1中，比例系数K=1，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K。 图1-2中，比例系数K=2，电路中的参数取：R1=100K，R2=200K。（2）积分（I）环节 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、1-4所示。图1-3 图1-4图1-3中，积分时间常数T=1S，电路中的参数取：R=100K，C=10uF(T=RC=100K10uF=1)。图1-4中，积分时间常数T=0.1S，电路中的参数取：R=100K，C=1uF(T=RC=100K1uF=0.1)。（注：图中输出超出输入的时间为手动延时。）（3）比例积分(PI)环节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1-5、1-6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1-5 图1-6图1-5中，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=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K10uF=1)。图1-6中，取比例系数K=1、积分时间常数T=0.1S，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K1uF=0.1)。（注：图中输出超出输入的时间为手动延时。）（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1-7、1-8示出了比例系数(K)为1、2，微分系数为TD时PD的输出响应曲线。.图1-7 图1-8图1-7中，比例系数K=1、微分时间常数T=1S，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K10uF=1S)；图1-8中，比例系数K=0.5、微分时间常数T=1S，电路中的参数取：R1=200K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=0.5,T=R1C=200K10uF=2S)；（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、2，时间常数为T时响应曲线如图1-9、1-10所示。图1-9 图1-10图1-9中，比例系数K=1、时间常数T=1S，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K10uF=1)。图1-10中，比例系数K=2、时间常数T=2S，电路中的参数取：R1=100K，R2=200K，C=10uF(K= R2/ R1=2,T=R2C=200K10uF=2)。7、 各环节参数对动态特性的影响（1）比例（P）环节比例环节中，比例系数K=R2 /R1。若K增大，可以减少对象被调量的稳态偏差和动态偏差，但会使调节过程趋于更加振荡。即K增加使得调节过程的快速性提高，而稳定性降低。（2）积分（I）环节积分环节中，T=RC。若T减小，调节过程加快，可以减少被调量的动态偏差，但会增加调节过程的振荡。T增大，可以减小调节过程的振荡，但会增加被调量的动态偏差。即T增加，是快速性降低，提高了稳定性。（3）比例积分(PI)环节比例积分环节中，比例系数K=R2 /R1，T=RC。K不变，T变小，则积分作用越强，也就是复原速度越快。同时，T越小，稳定性下降。（4）比例微分(PD)环节比例微分环节中，比例系数K=R2 /R1，T=R1C。T越大，微分作用越强，稳定性增加。但是过大的微分作用会对偏差过于敏感，使调节过程最后不易平衡。（5）惯性环节惯性环节中，比例系数K=R2 /R1，T=R2C。K变大，则输出信号变大。T变大，则输出信号的变化变慢，惯性增强。8、 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，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，惯性环节可以近似的视为积分环节？而又在什么条件下，惯性环节可以近似的视为比例环节？答：由传递函数可以知道， 当T很大时，G（s）=K/TS，可以视为积分环节；当T很小时，G(s)=K，可以视为比例环节。3.在积分环节和惯性环节实验中，如何让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：在积分环节中，纵坐标K对应的横坐标就是时间常数T；在惯性环节中，在起始点作该店的切线，与y=K相交的点的横坐标就是时间常数T。4.为什么