典型環(huán)節(jié)的模擬.docx

熱工過程自動控制原理實驗報告白思平 03015413實驗一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬一、實驗?zāi)康?. 熟悉THBDC-1型 信號與系統(tǒng)控制理論及計算機控制技術(shù)實驗平臺及上位機軟件的使用；2. 熟悉各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)特性及其電路模擬；3. 測量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，并了解參數(shù)變化對其動態(tài)特性的影響。二、實驗設(shè)備1. THBDC-1型 控制理論計算機控制技術(shù)實驗平臺；2. PC機一臺(含上位機軟件)、數(shù)據(jù)采集卡、37針通信線1根、16芯數(shù)據(jù)排線、采接卡接口線；三、實驗內(nèi)容1. 設(shè)計并組建各典型環(huán)節(jié)的模擬電路；2. 測量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)，并研究參數(shù)變化對其輸出響應(yīng)的影響；四、實驗原理自控系統(tǒng)是由比例、積分、微分、慣性等環(huán)節(jié)按一定的關(guān)系組建而成。熟悉這些典型環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)及其對階躍輸入的響應(yīng)，將對系統(tǒng)的設(shè)計和分析是十分有益的。本實驗中的典型環(huán)節(jié)都是以運放為核心元件構(gòu)成，其原理框圖如圖1-1所示。圖中Z1和Z2表示由R、C構(gòu)成的復(fù)數(shù)阻抗。1. 比例（P）環(huán)節(jié) 圖1-1比例環(huán)節(jié)的特點是輸出不失真、不延遲、成比例地復(fù)現(xiàn)輸出信號的變化。它的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：當(dāng)Ui(S)輸入端輸入一個單位階躍信號，且比例系數(shù)為K時的響應(yīng)曲線如圖1-2所示。2. 積分（I）環(huán)節(jié) 圖1-2 積分環(huán)節(jié)的輸出量與其輸入量對時間的積分成正比。它的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：設(shè)Ui(S)為一單位階躍信號，當(dāng)積分系數(shù)為T時的響應(yīng)曲線如圖1-3所示。圖1-33. 比例積分(PI)環(huán)節(jié)比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為： 其中T=R2C，K=R2/R1設(shè)Ui(S)為一單位階躍信號，圖1-4示出了比例系數(shù)(K)為1、積分系數(shù)為T時的PI輸出響應(yīng)曲線。圖1-44. 比例微分(PD)環(huán)節(jié)比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為： 其中設(shè)Ui(S)為一單位階躍信號，圖1-5示出了比例系數(shù)(K)為2、微分系數(shù)為TD時PD的輸出響應(yīng)曲線。 圖1-5 .5. 慣性環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：當(dāng)Ui(S)輸入端輸入一個單位階躍信號，且放大系數(shù)(K)為1、時間常數(shù)為T時響應(yīng)曲線如圖1-7所示。圖1-7五、實驗步驟1. 比例（P）環(huán)節(jié)根據(jù)比例環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實驗臺上的通用電路單元設(shè)計并組建相應(yīng)的模擬電路，如下圖所示。圖中后一個單元為反相器，其中R0=200K。若比例系數(shù)K=1時，電路中的參數(shù)?。篟1=100K，R2=100K。若比例系數(shù)K=2時，電路中的參數(shù)?。篟1=100K，R2=200K。當(dāng)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(yīng)K值時的實驗曲線，并與理論值進(jìn)行比較。另外R2還可使用可變電位器，以實現(xiàn)比例系數(shù)為任意設(shè)定值。注：為了更好的觀測實驗曲線，實驗時可適當(dāng)調(diào)節(jié)軟件上的分頻系數(shù)(一般調(diào)至刻度2)和選擇“”按鈕(時基自動)，以下實驗相同。2. 積分（I）環(huán)節(jié)根據(jù)積分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實驗臺上的通用電路單元設(shè)計并組建相應(yīng)的模擬電路，如下圖所示。圖中后一個單元為反相器，其中R0=200K。若積分時間常數(shù)T=1S時，電路中的參數(shù)?。篟=100K，C=10uF(T=RC=100K10uF=1)；若積分時間常數(shù)T=0.1S時，電路中的參數(shù)?。篟=100K，C=1uF(T=RC=100K1uF=0.1)；當(dāng)ui為一單位階躍信號時，用上位機軟件觀測并記錄相應(yīng)T值時的輸出響應(yīng)曲線，并與理論值進(jìn)行比較。注：當(dāng)實驗電路中有積分環(huán)節(jié)時，實驗前一定要用鎖零單元進(jìn)行鎖零，實驗時要退去鎖零。3. 比例積分(PI)環(huán)節(jié)根據(jù)比例積分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實驗臺上的通用電路單元設(shè)計并組建相應(yīng)的模擬電路，如下圖所示。圖中后一個單元為反相器，其中R0=200K。若取比例系數(shù)K=1、積分時間常數(shù)T=1S時，電路中的參數(shù)?。篟1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K10uF=1)；若取比例系數(shù)K=1、積分時間常數(shù)T=0.1S時，電路中的參數(shù)?。篟1=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(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和積分時間常數(shù)T。當(dāng)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(jìn)行比較。4. 比例微分(PD)環(huán)節(jié)根據(jù)比例微分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實驗臺上的通用電路單元設(shè)計并組建其模擬電路，如下圖所示。圖中后一個單元為反相器，其中R0=200K。若比例系數(shù)K=1、微分時間常數(shù)T=1S時，電路中的參數(shù)?。篟1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K10uF=1S)；若比例系數(shù)K=0.5、微分時間常數(shù)T=1S時，電路中的參數(shù)?。篟1=200K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=0.5,T=R1C=100K10uF=1S)；當(dāng)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(jìn)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(huán)節(jié)根據(jù)慣性環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實驗臺上的通用電路單元設(shè)計并組建其相應(yīng)的模擬電路，如下圖所示。圖中后一個單元為反相器，其中R0=200K。若比例系數(shù)K=1、時間常數(shù)T=1S時，電路中的參數(shù)?。篟1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K10uF=1)。若比例系數(shù)K=1、時間常數(shù)T=2S時，電路中的參數(shù)?。篟1=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(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和時間常數(shù)T。當(dāng)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(jìn)行比較。6 根據(jù)實驗時存儲的波形及記錄的實驗數(shù)據(jù)完成實驗報告。六、實驗結(jié)果1比例環(huán)節(jié)比例系數(shù)K=1 傳遞函數(shù)G（s）=1比例系數(shù)K=2 傳遞函數(shù)G（s）=22積分環(huán)節(jié)積分時間常數(shù)T=1S 傳遞函數(shù)G（s）=1/s積分時間常數(shù)T=2S 傳遞函數(shù)G（s）=1/2s3比例積分環(huán)節(jié)比例系數(shù)K=1、積分時間常數(shù)T=1S 傳遞函數(shù)G（s）=1+1/s比例系數(shù)K=1、積分時間常數(shù)T=0.1S 傳遞函數(shù)G（s）=1+10s4比例微分環(huán)節(jié)比例系數(shù)K=1、微分時間常數(shù)T=1S 傳遞函數(shù)G（s）=1+s比例系數(shù)K=0.5、微分時間常數(shù)T=1S 傳遞函數(shù)G（s）=0.5（1+s）5慣性環(huán)節(jié)比例系數(shù)K=1、時間常數(shù)T=1S 傳遞函數(shù)G（s）=1/（1+s）比例系數(shù)K=1、時間常數(shù)T=2S 傳遞函數(shù)G（s）=1/（1+2s）七、實驗思考題1. 用運放模擬典型環(huán)節(jié)時，其傳遞函數(shù)是在什么假設(shè)條件下近似導(dǎo)出的？答：（1）假設(shè)運放具有理想特性，即滿足“虛短”“虛斷”特性。（2）運放的靜態(tài)量為零，個輸入量、輸出量和反饋量都可以用瞬時值表示其動態(tài)變化。2. 積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差別是什么？在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為積分環(huán)節(jié)？而又在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為比例環(huán)節(jié)？答：他們的主要區(qū)別在于輸入階躍信號時慣性環(huán)節(jié)最終系統(tǒng)將會趨于穩(wěn)定，然而積分在T趨于無窮大時，慣性環(huán)節(jié)可近似視為積分環(huán)節(jié)。 在T趨于無窮小時，慣性環(huán)節(jié)可近似視為比例環(huán)節(jié)。3. 在積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)實驗中，如何根據(jù)單位階躍響應(yīng)曲線的波形，確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)？答：對于積分環(huán)節(jié)的時間常數(shù)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(biāo)的差值。而慣性環(huán)節(jié)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(wěn)定值曲線的交點，該交點與輸出曲線起始點的橫坐標(biāo)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