实验一--典型环节的模拟研究

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1、实验一典型环节的模拟研究—、实验目的1.熟悉THBDC-1型控制理论实验平台及“THBDC-1”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型控制理论实验平台；2.PC机-台（含“THBDC-1”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

2、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。本实验屮的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图如阁i-i所示。图中zjnz2表示由r、c构成的复数阻抗。1.比例（P）环节图i-i比例环节的特点是输山不失真、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：，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1-2所示•Uo(0U•⑴2.积分（I）环节图1-2积分环节的输出量与其输入

3、量对时间的积分成正比。它的传递函数与方框图分别为没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所示电lloft)Ui(t)图1-31.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:⑽--⑻其屮T=R2C,K=R2/Ri—(i+—!—/?.R2CS设Ui(S)为一单位阶跃信号，图M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1-42.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：G⑴二尺(1+rs)=—(1+/?

4、C5)其中尺=/7?i，Td=

5、RC设Ui(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TD时PD的输山响应曲线。电甩叫本L__一一U0(t)1U,(t)►r0图1-55.比例积分微分(PID)环节比例积分微分(PID)环节的传递函数与方框图分别力:C(5)=Kp+—^―+Tl)SR1C2SZ?2C，+/?jCjRCiRCiS其屮=RlC:R-C~，t!=R'c2,Td=r2c,设以^为一单位阶跃信号，图1-6示出了比例系数(K)为1、微分系数为Td、积分系数为tMpid的输出。Uo(1)A图1-66.惯性

6、环节惯性环节的传递函数与方框图分别为：厂、UO（S）KW（s）—~j<—

7、f/o（s）",.（5）75+1TsH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吋响应曲线如图1-7所示。电图1-7五、实验步骤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（Ul2、U6）设il-并组建相应的模拟电路，如下图所示。R：Ro-1>1Ro—it—一->+—++r+Uo-o图中后一个单元为反相器，其中R0=2OOK。电路中的参数取：R,=100K,R2=1OOK时，

8、比例系数K=l。电路中的参数取：R,=100K,R2=200K吋，比例系数K=2。当叫为一单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测（选择“通道1-2”，其中通道AD1接电路的输岀uo;通道AD2接电路的输入Ui）并记录相应K值时的实验曲线，并与理论值进行比较。另外久还可使用可变电位器，以实现比例系数为任意设定值。注：①实验中注意“锁零按钮”和“阶跃按键”的使用，实验时应先弹出“锁零按钮”，然后按下“阶跃按键”。具体请参考附录“硬件的组成及使用”相关部分。②为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件

9、上的分频系数（一般调至刻度2）和选择“-tL”按钮（时基自动），以下实验相同。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（Ul2、U6）设计并组建相应的模->Ro->+—++r+RoCUo-o拟电路，如下图所示IF图中后一个单元为反相器，其中R0=2OOK。电路中的参数取：R=100K,C=10uF(T=RC=100KX10uF=l)时，积分时间常数T=1S;电路中的参数取：R=100K,C=luF(T=RC=100KXluF=0.1)吋，积分时间常数T=0.1S;当叫为单位阶跃

10、信号时，用“THBDC-1”软件观测并记录相应T值吋的输出响应曲线，并与理论值进行比较。注：由于实验电路中有积分环节，实验前一定要用“锁零单元”对积分电容进行锁零。1.比例积分(PI)环节图中后一个单元为反相器，其中Ro=200K。电路中的参数収：R,=100K,R2=100K,C=10uF(K=R2/Rpl.T^I^OlOOKX10uF二IS)吋，比例系数K=l、积分时间常数T=1S;电路中的参数取:R丨=100K,R2=100K,C=l