实验一--典型环节的电路模拟

自动控制原理实验报告院（系）：能源与环境学院专业：热能与动力工程姓名：周宇盛学号：03010130同组人员：王琪耀马晓飞实验时间：2012年10月23日实验名称：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；一、各典型环节电路图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：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=100K×10uF=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=100K×1uF=0.1)；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=100K×10uF=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=100K×1uF=0.1S)。4.比例微分(PD)环节-++R1R2ui-++R0R0uo-++R1R2ui-++R0R0uo-++RCui-++R0R0uo-++RCui-++R0R0uo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=100K×10uF=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=100K×10uF=1S)；5.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=100K×10uF=1)。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=200K×10uF=2)。二、各典型环节传递函数1.比例（P）环节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：KSUSUSGiO)()()(2.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：3.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=R2/R14.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：)1()1()(112CSRRRTSKsG其中CRTRRKD112,/5.惯性环节惯性环节的传递函数与方框图分别为：TsSUSUsGiO1)()()()11(11)()()(21211212CSRRRCSRRRCSRCSRSUSUsGiO1)()()(TSKSUSUsGiO三、典型环节单位阶跃相应曲线1.比例环节参数变化对动态特性的影响：K=R2/R1，比例系数K值增大，使输出的值与输入的值的关系发生变化，参数1组图像上可以看出输入与输出是1：1的关系，而参数2组中变成1：2。2.积分环节参数变化对动态特性的影响：积分系数为T，T=RC，根据参数计算，参数1组中T=1S，参数2组中T=0.1S，所以输出响应曲线中，2组的坡度（斜率）比1组的更陡，说明T越小，响应曲线斜率越大。3.比例积分环节参数变化对动态特性的影响：比例积分环节可以看作比例环节与积分环节的叠加，其中含有比例系数K和积分时间常数T，T=R2C，K=R2/R1，根据参数计算可得，参数1组中T=1s，K=1；参数2组中T=0.1s，K=1。所以K使输入输出响应曲线成比例关系，积分常数则影响达到稳态的时间。可以得出，2组达到稳态的时间比较快，两组的输入输出比例系数相同。（4）比例微分环节参数变化对动态特性的影响：CRTRRKD112,/，参数1组比例系数K=1、微分时间常数T=1S，参数2组K=0.5、微分时间常数T=1S，由图可以看出参数1组在阶跃响应之前，输入与输出曲线相互重叠，而参数2组在阶跃响应之前输入与输出成比例关系。K值越大，输入与输出曲线的不重叠的部分越大，由于微分特性因为积分环节对稳定曲线的外在扰动比较敏感，有不稳定现象，所以输出曲线在响应前后都呈现出微小波动。参数变化对动态特性的影响：惯性环节包涵比例系数K以及时间常数T，参数1组K=1、时间常数T=1s；参数2组比例系数K=2、时间常数T=2S，由图可以看出，参数1组比参数2组较快达到稳定状态。T越小，达到稳定状态所需要的时间越少。比例系数2K1=K2，所以参数2组达到稳定状态的值比参数一组大一倍。四、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：主要差别是积分环节只有一个积分时间常数T，而惯性环节含有比例系数K和时间常数T，当K=1是，惯性环节可以近似的实为积分环节，当T趋近于0是，惯性环节可以近似视为比例环节。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：惯性环节（1/Ts+1）只有一个参数：时间常数T。当阶跃响应达到稳态值的63.2%所经过的时间正好等于一个时间常数。由此可求。4.为什么实验中实际曲线与理论曲线有一定误差？答：因为实验中曲线是由电路模拟的，电路运行中受温度、湿度等影响会造成电路参数的变化，所以会造成误差，使实际曲线与理论曲线有一定误差。5．为什么PD实验在稳定状态时曲线有小范围的振荡？答：因为积分环节对稳定曲线的外在扰动比较敏感