典型环节的电路模拟

1、东南大学能环学院实验报告课程名称：热工过程自动控制原理第一次实验实验名称:典型环节的电路模拟 院（系）：专业：热能与动力工程 姓名：学号: 实验室：实验组别: 同组人员：实验时间: 评定成绩：审阅教师:目录一、实验目的3二、实验设备3三、实验原理3五、实验记录8六、 实验总结12一、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

2、集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、采接卡接口线。三、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。_A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Z U1+r +和Z2表示由R、C构成的复数阻抗。上1、比例（P）环节图1T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：G（S） =里里=KUJS）Ul（8）Uo(s)r当0（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。lh(t)

3、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:G5器蓦(Z(s)U°(s)Ts设Uj（s）为一单位阶跃信号，当积分系数为T时的响应曲线如图 电压（仞、1-3所示。3、比例积分（PI）环节no（r）u，（t）图1-3比例积分环节的传递函数与方框图分别为：其中T = Z?2C, K = R2/Ri3、_U°(S)_R2CS + 1_&1 _R港 1、(jr(S) +(1 +)UJS) R1CS R1 R1CS R1 _ R:CS + 1_ &RzCS设Ujs)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数K为1、积

4、分系数为T时的PI输出响应曲线。204、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:G(s)= K(1 + TS) = (1+R1CS)其中 K = R2/Ri,Tb = RiC设0(s)为一单位阶跃信号，图1-5示出了比例系数K为2、微分 系数为时PD的输出响应曲线。Ui(t)图1一55、惯性环节惯性环节的传递函数与方框图分别为：G(s) = % =工"(S)Ui(S) TS + 1当Ujs）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时响应曲线如图所示。电庶A图1一7I、实验步骤1、比例（P）环节实验步骤：先根据比例环节的方框图，选择实验台上的通用电

5、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R° = 200K。若比例系数K=1时，电路中的参数取：Ri = 100K, R2 = 100K.若比例系数K=2时，电路中的参数取：Ri = 100K, R2 = 200K.当0为一单位阶跃信号时，用上位软件观测（选择“通道1-2”, 其中通道AD】接电路的输出U。；通道AD?接电路的输入0并记录相应K 值时的实验曲线，并与理论值进行比较。另外/?2还可使用可变电位器，以实现比例系数为任意设定值。2、积分(I)环节实验步骤：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

6、。心 4图中后一个单元为反相器，其中Ro = 200K.若积分时间常数T= Is时，电路中的参数取：R=100K,C = 10uF(T = RC= 100K X lOuF = Is)；若积分时间常数T = O.ls时，电路中的参数取：R=1OOK,C = luF(T = RC= 100K X luF = 0.1s)；当山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。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。图中后一个单元为反相器，其中Ro = 200Ko若取比例系数K= 1、积

7、分时间常数T=ls时，电路中的参数取：Ri = 100K, R2 = 100K,C= 10uF(K = R2/Ri = 1,T = RC= 100KX lOuF = Is)；若取比例系数K= 1、积分时间常数T = Ols时，电路中的参数取:Ri = 100K, R2 =100K,C = luF(K = R2/R1 1,T = RtC 100K x luF = 0.1s)o通过改变&2、Ri、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)环节实验步骤：根据比例微分环节

8、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相器，其中Ro = 200Ko若比例系数K=l、微分时间常数T=ls时，电路中的参数取：Ri = 100K, R2 =100K,C = 10uF(K= R2/Ri = 1,T = RrC= 100KX lOuF = Is)；若比例系数K = 0.5、微分时间常数T=ls时，电路中的参数取:Ri = 200K, R2 =100K,C = luF(K = R2/R1 = 0.5,T = RC = 100K X luF = 0.1s)。当&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

9、线，并与理论值进行比较。5、惯性环节其中 Ro = 200Ko实验步骤：根据惯性环节的方框图，选择实验台上的通用电路单 元设计并组建其相应的模拟电路，如下图所示。图中后一个单元为反相器,若比例系数K= 1、时间常数T= Is时，电路中的参数取:Ri = 100K, R2 = 100K,C= 10uF(K = R2/Ri = 1,T = /?2C= 100KX lOuF = Is)。若比例系数K=l、时间常数T = 2s时，电路中的参数取：Ri = 100K, R2 = 200K,C = 10uF(K = R2/Rl = 2,T = &2C = 200K X lOuF = 2s)。通过改

10、变Ri、R、C的值可改变惯性环节的放大系数K和时间常 数T。当耳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。五、实验记录1、比例（P）环节于Uj为一单位阶跃信号时，实验记录响应曲线如下:呆您后行正用！<3Zl=Yi=12=72=AX=2、积分（I）环节当电路参数取：R = 100K, C = 10uF,其积分时间常数T= Iso对于S为一单位阶跃信号时，实验记录响应曲线如下：当电路参数取：R = 100K, C = luF,其积分时间常数T = O.lSo 对于耳为一单位阶跃信号时，实验记录响应曲线如下：3、比例积分(PI)环节当电路参数取：Z

11、?i = 100K, R2 = 100K, C = 10uF,其比例系 数K。、积分时间常数T=lso对于0为一单位阶跃信号时，实验记 录响应曲线如下：当电路参数取：= 100K, R2 = 100K, C=luF,其比例系数K二1、积分时间常数T = 0.1so对于耳为一单位阶跃信号时，实验记录 响应曲线如下：4、比例微分(PD)环节当电路参数取：/?i = 100K, R2 = 100K, C = 10uF,其比例系 数K。、微分时间常数T=lSo对于0为一单位阶跃信号时，实验记 录响应曲线如下：2-4-J.6 ，.8IIIIiIIIII009135 l.e ZZ5 2.73,】54.05

12、4.5JWBlOTCTn 一 <o(o» a>»仰|a"a当电路参数取：Ri = 200K, R2 = 100K, C = lOuF,其比例系数K=0.5、微分时间常数T = Iso对于功为一单位阶跃信号时，实验记录响应曲线如下:5、惯性环节当电路参数取：Z?i = 100K, R2 = 100K, C = 10uF,其比例系 数K。、时间常数T=lso对于0为一单位阶跃信号时，实验记录响 应曲线如卜：3-2-1-一 -0-1 -3-5-i 0i 0.451 DS1】.35I1 Z25I2.7I 3.1513.6I 4.054- ijix -OMb。:

13、 =ii=-|Bb一8-Qa当电路参数取：Ri = 100K, R2 = 200K, C = 10uF,其比例系 数K二2、时间常数T = 2so对于0为一单位阶跃信号时，实验记录响 应曲线如下： ， | 2M<12rs<4，AlIL>&>o 0 IPlieKlT>六、实验总结实验思考题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：a、满足“虚短”、“虚断”特性；b、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？答：积分环节和惯性环节的差别在于当输入为单位阶跃信号时, 积分环节输出随时间呈直线增长，而惯性环节输出以指数规律变化。 当时间t趋于无穷大时，惯性环节可近似视为积分环节；而当时间t 趋于0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：在积分环节中，纵坐标K所对应的横坐