自控典型环节电路模拟.doc

实 验 报 告 课程名称： 自动控制原理 实验名称： 典型环节的电路模拟 一、实验目的 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。 熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟。 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、实验仪器 （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、五种典型环节原理 自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组成。 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。它的实验电路与方框图分别如下： 由运算放大器的虚短、虚断原理：u+=u-，i+=i-=0，可得：IR1=IR2, =(反相器改变了UO的符号),UO=UI,作为比例环节的传递函数与方框图如下： G(s)= ==K 当Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K时的响应曲线如图所示。 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。它的实验电路与方框图分别如下： （图中后一个单元为反相器） 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所示。 3. 比例积分(PI)环节 比例积分环节的电路图与方框图分别为： 其中T=R2C，K=R2/R1 设Ui(S)为一单位阶跃信号，下图示出了比例系数(K)为1、积分系数为T时的PI输出响应曲线。 图1-4 4. 比例微分(PD)环节 比例微分环节的电路图与方框图分别为如下： 其中 设Ui(S)为一单位阶跃信号，下图示出了比例系数(K)为2、微分系数为TD时PD的输出响应曲线。 . 5. 惯性环节 惯性环节的电路图与方框图分别为： 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时响应曲线如图所示。 四、实验数据图及分析 1、比例环节（单位阶跃响应） ①当电路中的参数取：R1=100K，R2=100K 响应曲线如下： 此时K===1,所以输入与输出曲线重合。 ②当电路中的参数取：R1=100K，R2=200K 响应曲线如下： 同理，此时，K=2 所以输出曲线是输入曲线的两倍。所以随着R1,R2比值的改变，比例系数K也在改变，但输出形式和输入一样，均为定值 2、积分（I）环节 ①当电路中的参数取：R=100K，C=10Uf 响应曲线如下： T=RC=100K×10uF=1，G(S)== 令Ui(t)=1.2（t0），Uo(t)=L’[G(s)Ui(s)]=L’(1.2)=1.2t 所以上图曲线是以1.2为斜率的直线 ②当电路中的参数取：R=100K，C=1Uf 响应曲线如下： T=RC=100K×1uF=0.1，G(S)== Ui(t)=1.2（t0），Uo(t)=L’[G(s)Ui(s)]=L’(1.2)=12t 所以上图曲线是以12为斜率的直线,明显比实验①陡。 随着RC的改变，积分时间常数改变，且积分时间常数越小，输出值线性变化的越快。当t=T时，Uo=Ui 3. 比例积分(PI)环节 ①当电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF 响应曲线如下： K= R2/ R1=1,T=R1C=100K×10uF=1 G(s)=1+ Ui(t)=1.2（t0），Uo(t)=L’[G(s)Ui(s)]=L’[1.2]=1.2(t+1) 所以输出的曲线以1.2为斜率，且t=0时，Uo=1.2 ②当电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=1uF 响应曲线如下： K= R2/ R1=1,T=R1C=100K×1uF=0.1 G(s)=1+ Ui(t)=1.2（t0），Uo(t)=L’[G(s)Ui(s)]=L’[1.2]=12t+1.2 所以输出的曲线以12为斜率，且t=0时，Uo=1.2 随着R1,R2,C的改变，比例系数和积分时间常数均在改变，输出曲线即在输入值比例放大后的的基础上，在积分调节的作用下线性增加，且同样积分时间常数越小，增加的越快。 4. 比例微分(PD)环节 ①当电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF 响应曲线如下： K= R2/ R1=1,T=R1C=100K×10uF=1S G(s)=1+S Ui(t)=1.2（t0），Uo(t)=L’[G(s)U