典型環(huán)節(jié)的電路模擬

1、東南大學(xué)能環(huán)學(xué)院實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱： 熱工過程自動控制原理第一次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱: 典型環(huán)節(jié)的電路模擬院 （系）： 專 業(yè)： 熱能與動力工程姓 名： 學(xué) 號： 實(shí) 驗(yàn) 室： 實(shí)驗(yàn)組別：同組人員： 實(shí)驗(yàn)時間： 評定成績： 審閱教師：目 錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備3三、實(shí)驗(yàn)原理3四、實(shí)驗(yàn)步驟6五、實(shí)驗(yàn)記錄8六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)12一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉THBDC-1型 信號與系統(tǒng)·控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺及上位機(jī)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(shí)驗(yàn)設(shè)備 1、

2、THBDC-1型 控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺；2、PC機(jī)一臺(含上位機(jī)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(shí)驗(yàn)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(jì)和分析是十分有益的。本實(shí)驗(yàn)中的典型環(huán)節(jié)都是以運(yùn)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(diǎn)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)Uis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

3、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)Uis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)Uis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)Uis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

4、別為：當(dāng)Uis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1-7四、實(shí)驗(yàn)步驟1、比例（P）環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)步驟：先根據(jù)比例環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)臺上的通用電路單元設(shè)計(jì)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)取：R1=100K，R2=100K。若比例系數(shù)K=2時，電路中的參數(shù)取：R1=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U0；通道AD2接電路的輸入U(xiǎn)i并記錄相應(yīng)K值時的實(shí)驗(yàn)曲線，并與理論值進(jìn)行比較。另外R2還可使用

5、可變電位器，以實(shí)現(xiàn)比例系數(shù)為任意設(shè)定值。2、積分（I）環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)步驟：根據(jù)積分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)臺上的通用電路單元設(shè)計(jì)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)取：R=100K，C=10uF(T=RC=100K×10uF=1s)；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=100K×1uF=0.1s)；當(dāng)Ui為一單位階躍信號時，用上位機(jī)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。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(shí)驗(yàn)臺上的通用

6、電路單元設(shè)計(jì)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=100K×10uF=1s)；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)取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K=R2/R1=1,T=R1C=100K×1uF=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(shí)驗(yàn)曲線，并與

7、理論值進(jìn)行比較。4、比例微分(PD)環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)步驟：根據(jù)比例微分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)臺上的通用電路單元設(shè)計(jì)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=100K×10uF=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=1uF(K=R2/R1=0.5,T=R1C=100K×1uF=0.1s)。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

8、的實(shí)驗(yàn)曲線，并與理論值進(jìn)行比較。5、慣性環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)步驟：根據(jù)慣性環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)臺上的通用電路單元設(shè)計(jì)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=100K×10uF=1s)。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=200K×10uF=2s)。通過改變R1、R2、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)

9、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(shí)驗(yàn)曲線，并與理論值進(jìn)行比較。五、實(shí)驗(yàn)記錄1、比例（P）環(huán)節(jié)當(dāng)電路參數(shù)?。篟1=100K，R2=100K，其比例系數(shù)K=1。對于Ui為一單位階躍信號時，實(shí)驗(yàn)記錄響應(yīng)曲線如下：當(dāng)電路參數(shù)取：R1=100K，R2=200K，其比例系數(shù)K=2。對于Ui為一單位階躍信號時，實(shí)驗(yàn)記錄響應(yīng)曲線如下：2、積分（I）環(huán)節(jié)當(dāng)電路參數(shù)?。篟=100K，C=10uF，其積分時間常數(shù)T=1s。對于Ui為一單位階躍信號時，實(shí)驗(yàn)記錄響應(yīng)曲線如下：當(dāng)電路參數(shù)?。篟=100K，C=1uF，其積分時間常數(shù)T=0.1s。對于Ui為一單位階躍信號時，實(shí)驗(yàn)記錄響應(yīng)曲線如下：

10、3、比例積分(PI)環(huán)節(jié)當(dāng)電路參數(shù)?。篟1=100K，R2=100K，C=10uF，其比例系數(shù)K=1、積分時間常數(shù)T=1s。對于Ui為一單位階躍信號時，實(shí)驗(yàn)記錄響應(yīng)曲線如下：當(dāng)電路參數(shù)取：R1=100K，R2=100K，C=1uF，其比例系數(shù)K=1、積分時間常數(shù)T=0.1s。對于Ui為一單位階躍信號時，實(shí)驗(yàn)記錄響應(yīng)曲線如下：4、比例微分(PD)環(huán)節(jié)當(dāng)電路參數(shù)?。篟1=100K，R2=100K，C=10uF，其比例系數(shù)K=1、微分時間常數(shù)T=1s。對于Ui為一單位階躍信號時，實(shí)驗(yàn)記錄響應(yīng)曲線如下：當(dāng)電路參數(shù)?。篟1=200K，R2=100K，C=10uF，其比例系數(shù)K=0.5、微分時間常數(shù)T=1

11、s。對于Ui為一單位階躍信號時，實(shí)驗(yàn)記錄響應(yīng)曲線如下：5、慣性環(huán)節(jié)當(dāng)電路參數(shù)?。篟1=100K，R2=100K，C=10uF，其比例系數(shù)K=1、時間常數(shù)T=1s。對于Ui為一單位階躍信號時，實(shí)驗(yàn)記錄響應(yīng)曲線如下：當(dāng)電路參數(shù)?。篟1=100K，R2=200K，C=10uF，其比例系數(shù)K=2、時間常數(shù)T=2s。對于Ui為一單位階躍信號時，實(shí)驗(yàn)記錄響應(yīng)曲線如下：六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)實(shí)驗(yàn)思考題1. 用運(yùn)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：a、滿足“虛短”、“虛斷”特性；b、運(yùn)放的靜態(tài)量為零，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：積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的差別在于當(dāng)輸入為單位階躍信號時，積分環(huán)節(jié)輸出隨時間呈直線增長，而慣性環(huán)節(jié)輸出以指數(shù)規(guī)律變化。當(dāng)時間t趨于無窮大時，慣性環(huán)節(jié)可近似視為積分環(huán)節(jié)；而當(dāng)時間t趨于0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(shí)驗(yàn)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：在積分環(huán)節(jié)中，縱坐標(biāo)K所對應(yīng)的橫坐標(biāo)就是時間常數(shù)T；而在慣性環(huán)節(jié)中，在起始點(diǎn)做該點(diǎn)的切