控制理论实验报告典型环节的电路模拟.docx

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”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，当积分系数为T时的响应曲线如图1-1所示。图1-12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1-2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：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(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。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)；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。2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，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1，T=R1C=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，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1，T=R1C=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，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1，T=R2C=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，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1，T=R2C=100K1uF=0.1)。通过改变R2、R1、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“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， ，T=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，实验结果与理论分析相符3、惯性环节若比例系数K=1、时间常数T=1S时若比例系数K=1、时间常数T=0.1S时，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