1、熱工過程自動控制原理實驗報告白思平 03015413實驗一 典型環節的電路模擬一、實驗目的1. 熟悉THBDC-1型 信號與系統控制理論及計算機控制技術實驗平臺及上位機軟件的使用；2. 熟悉各典型環節的階躍響應特性及其電路模擬；3. 測量各典型環節的階躍響應曲線，并了解參數變化對其動態特性的影響。二、實驗設備1. THBDC-1型 控制理論計算機控制技術實驗平臺；2. PC機一臺(含上位機軟件)、數據采集卡、37針通信線1根、16芯數據排線、采接卡接口線；三、實驗內容1. 設計并組建各典型環節的模擬電路；2. 測量各典型環節的階躍響應，并研究參數變化對其輸出響應的影響；四、實驗原理自控系統是由

2、比例、積分、微分、慣性等環節按一定的關系組建而成。熟悉這些典型環節的結構及其對階躍輸入的響應，將對系統的設計和分析是十分有益的。本實驗中的典型環節都是以運放為核心元件構成，其原理框圖如圖1-1所示。圖中Z1和Z2表示由R、C構成的復數阻抗。1. 比例P環節 圖1-1比例環節的特點是輸出不失真、不延遲、成比例地復現輸出信號的變化。它的傳遞函數與方框圖分別為：當Ui(S)輸入端輸入一個單位階躍信號，且比例系數為K時的響應曲線如圖1-2所示。2. 積分I環節 圖1-2 積分環節的輸出量與其輸入量對時間的積分成正比。它的傳遞函數與方框圖分別為：設Ui(S)為一單位階躍信號，當積分系數為T時的響應曲線如

3、圖1-3所示。圖1-33. 比例積分(PI)環節比例積分環節的傳遞函數與方框圖分別為： 其中T=R2C，K=R2/R1設Ui(S)為一單位階躍信號，圖1-4示出了比例系數(K)為1、積分系數為T時的PI輸出響應曲線。圖1-44. 比例微分(PD)環節比例微分環節的傳遞函數與方框圖分別為： 其中設Ui(S)為一單位階躍信號，圖1-5示出了比例系數(K)為2、微分系數為TD時PD的輸出響應曲線。 圖1-5 .5. 慣性環節慣性環節的傳遞函數與方框圖分別為：當Ui(S)輸入端輸入一個單位階躍信號，且放大系數(K)為1、時間常數為T時響應曲線如圖1-7所示。圖1-7五、實驗步驟1. 比例P環節根據比例

4、環節的方框圖，選擇實驗臺上的通用電路單元設計并組建相應的模擬電路，如以下圖所示。圖中后一個單元為反相器，其中R0=200K。假設比例系數K=1時，電路中的參數取：R1=100K，R2=100K。假設比例系數K=2時，電路中的參數取：R1=100K，R2=200K。當ui為一單位階躍信號時，用上位軟件觀測(選擇“通道1-2”，其中通道AD1接電路的輸出uO；通道AD2接電路的輸入ui)并記錄相應K值時的實驗曲線，并與理論值進行比較。另外R2還可使用可變電位器，以實現比例系數為任意設定值。注：為了更好的觀測實驗曲線，實驗時可適當調節軟件上的分頻系數(一般調至刻度2)和選擇“按鈕(時基自動)，以下實

5、驗相同。2. 積分I環節根據積分環節的方框圖，選擇實驗臺上的通用電路單元設計并組建相應的模擬電路，如以下圖所示。圖中后一個單元為反相器，其中R0=200K。假設積分時間常數T=1S時，電路中的參數取：R=100K，C=10uF(T=RC=100K10uF=1)；假設積分時間常數T=0.1S時，電路中的參數取：R=100K，C=1uF(T=RC=100K1uF=0.1)；當ui為一單位階躍信號時，用上位機軟件觀測并記錄相應T值時的輸出響應曲線，并與理論值進行比較。注：當實驗電路中有積分環節時，實驗前一定要用鎖零單元進行鎖零，實驗時要退去鎖零。3. 比例積分(PI)環節根據比例積分環節的方框圖，選

6、擇實驗臺上的通用電路單元設計并組建相應的模擬電路，如以下圖所示。圖中后一個單元為反相器，其中R0=200K。假設取比例系數K=1、積分時間常數T=1S時，電路中的參數取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K10uF=1)；假設取比例系數K=1、積分時間常數T=0.1S時，電路中的參數取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K1uF=0.1S)。通過改變R2、R1、C的值可改變比例積分環節的放大系數K和積分時間常數T。當ui為一單位階躍信號時，用上位軟件觀測并記錄不同K及T值時的實驗曲線，并與

7、理論值進行比較。4. 比例微分(PD)環節根據比例微分環節的方框圖，選擇實驗臺上的通用電路單元設計并組建其模擬電路，如以下圖所示。圖中后一個單元為反相器，其中R0=200K。假設比例系數K=1、微分時間常數T=1S時，電路中的參數取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K10uF=1S)；假設比例系數K=0.5、微分時間常數T=1S時，電路中的參數取：R1=200K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=0.5,T=R1C=100K10uF=1S)；當ui為一單位階躍信號時，用上位軟件觀測并記錄不同K及T值時的實驗曲線，并與理論值

8、進行比較。注：本實驗中的10uF電容需從實驗臺左面板“通用單元電路五中連接。5. 慣性環節根據慣性環節的方框圖，選擇實驗臺上的通用電路單元設計并組建其相應的模擬電路，如以下圖所示。圖中后一個單元為反相器，其中R0=200K。假設比例系數K=1、時間常數T=1S時，電路中的參數取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K10uF=1)。假設比例系數K=1、時間常數T=2S時，電路中的參數取：R1=100K，R2=200K，C=10uF(K= R2/ R1=2,T=R2C=200K10uF=2)。通過改變R2、R1、C的值可改變慣性環節的放大系數K

9、和時間常數T。當ui為一單位階躍信號時，用上位軟件觀測并記錄不同K及T值時的實驗曲線，并與理論值進行比較。6 根據實驗時存儲的波形及記錄的實驗數據完成實驗報告。六、實驗結果1比例環節比例系數K=1 傳遞函數Gs=1比例系數K=2 傳遞函數Gs=22積分環節積分時間常數T=1S 傳遞函數Gs=1/s積分時間常數T=2S 傳遞函數Gs=1/2s3比例積分環節比例系數K=1、積分時間常數T=1S 傳遞函數Gs=1+1/s比例系數K=1、積分時間常數T=0.1S 傳遞函數Gs=1+10s4比例微分環節比例系數K=1、微分時間常數T=1S 傳遞函數Gs=1+s比例系數K=0.5、微分時間常數T=1S 傳

10、遞函數Gs=0.51+s5慣性環節比例系數K=1、時間常數T=1S 傳遞函數Gs=1/1+s比例系數K=1、時間常數T=2S 傳遞函數Gs=1/1+2s七、實驗思考題1. 用運放模擬典型環節時，其傳遞函數是在什么假設條件下近似導出的？答：1假設運放具有理想特性，即滿足“虛短“虛斷特性。2運放的靜態量為零，個輸入量、輸出量和反響量都可以用瞬時值表示其動態變化。2. 積分環節和慣性環節主要差異是什么？在什么條件下，慣性環節可以近似地視為積分環節？而又在什么條件下，慣性環節可以近似地視為比例環節？答：他們的主要區別在于輸入階躍信號時慣性環節最終系統將會趨于穩定，然而積分在T趨于無窮大時，慣性環節可近似視為積分環節。 在T趨于無窮小時，慣性環節可近似視為比例環節。3. 在積分環節和慣性環節實驗中，如何根據單位階躍響應曲線的波形，確定積分環節和慣性環節的時間常數？答：對于積分環節的時間常數T，即為輸出信號曲線與輸入階躍信號曲線的交點和階躍信號的起點之間的橫坐標的差值。而慣性環節的T即為過輸出信號曲線的起始點作輸出信號曲線的切線，確定該線與輸出信號的穩定值曲線的交點，該交點與輸出曲線起始點的橫坐標的差值。4. 為什么實驗中實際曲線與理論曲線有一定誤差？答：因為選擇的電子元器件，輸入輸出曲線,不可能像理論那樣的線性，實驗