典型环节的电路模拟.docx
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典型环节的电路模拟
课程名称:
实验名称:
院（系）:
姓名:
实验室:
同组人员:
东南大学能环学院
实验报告
热工过程自动控制原理
第一次实验
典型环节的电路模拟
专业：
热能与动力工程
学号:
实验组别:
实验时间:
一、实验目的
二、实验设备
三、实验原理
四、实验步骤
五、实验记录
六、实验总结
12
、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。
、实验设备
1、THBDC-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建
图1-1
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
元件构成，其原理框图如图1-1所示。
图中1和表示由1仁构成的复数阻抗。
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:
Ui（可输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为N时的响应
曲线如图1-2所示。
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:
图1-3
其中T-K-«2/尺1
系数为iT时的pl输出响应曲线。
4、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:
G（s）K（1TS）空（1RQS）
R1
5⑸为一单位阶跃信号，图1-5示出了比例系数K为2、微分
系数为时叩的输出响应曲线。
图1-5
5、惯性环节
常数为iT时响应曲线如图1-7所示。
四、实验步骤
图1-7
1、比例（卩）环节
实验步骤：
先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。
值时的实验曲线，并与理论值进行比较。
另外*2还可使用可变电位器，以实现比例系数为任意设定值。
2、积分〔【）环节
实验步骤：
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。
II—
Ro
-o
4
1
->
+
+
r
+
+
C
Uo
UiR
[CluI'CTRCLOOKXid-
T值时
当|Ui为一单位阶跃信号时，用上位机软件观测并记录相应的输出响应曲线，并与理论值进行比较。
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
Ro=20（）K。
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
若取比例系数K1L积分时间常数『时，电路中的参数取:
R]=100K,Rq=lOOK.
（:
=10iil'（K=RJR]=1」=fif=1OOKXIOiiF=Is）
若取比例系数K1、积分时间常数T①1$时，电路中的参数
luH（K=R/R]=1/1=/?
]（：
=lOOKXluF=0.Is）.
*1、、；的值可改变比例积分环节的放大系数KI和积分
时间常数T。
当"i为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同K及1|值时的实验曲线，并与理论值进行比较。
4、比例微分〈PD）环节
实验步骤：
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。
U\
O-
->
■
->
+
+
十
£
+
R]-lOOK,罠
C=10M：
（K=RJR]=UT==lOOKXlOnF=Is）
fi]=2（）（）K.Rg=lOOKt
C=luHCK=R/R]=05,T=ff]C=lOOKXluE=（）,Is）.
当Is为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同|K及1|值时的实验曲线，并与理论值进行比较。
5、惯性环节
实验步骤：
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。
iC
Ro==|~
-1>
+
->
+
+
r
十
Ro-20（）K。
1£时，电路中的参数取:
图中后一个单元为反相器，其中若比例系数K1L时间常数『
-LOOK
C=lOiil'CK=R,R]=1」=fi/；=1OOKXlOuF=Is）
C=lOiil'CK=RJR]=2,T=R/=2（）（）KXIOiiF=2s）n
通过改变*1、W』、K；l的值可改变惯性环节的放大系数KI和时间常数『。
当5为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同K及值时的实验曲线，并与理论值进行比较。
五、实验记录
1、比例（卩）环节
4为一单位阶跃信号时，实验记录响应曲线如下:
PFb*ir节b4*?
們【X
ll-l1^1■■.-IrihnhMIfr-lIIIR'：
：
"-i匕’
为一单位阶跃信号时，实验记录响应曲线如下:
10
-3
-10
23.1<253hA7.5S49.7
fc决戶氐EL・莎■«■
当电路参数取：
【R-100K,,C-IOliH,其积分时间常数T-is.
对于Uj为一单位阶跃信号时，实验记录响应曲线如下:
当电路参数取：
【R二lOOK,；C-luF,其积分时间常数iT
O.lE。
对于Uj为一单位阶跃信号时，实验记录响应曲线如下:
L!
-
■3一
H-
D.9ije
:
<1
£7It4..S5463了広B.1O
灯匸□基血|心1^
当电路参数取：
m）K,尺2=1°（）K，C=lOi川，其比例系数
K=1、积分时间常数|TId对于W为一单位阶跃信号时，实验记录
响应曲线如下:
K=1、积分时间常数|T-0.1£。
对于%为一单位阶跃信号时，实验记录
响应曲线如下:
.宀：
臥I
Ji!
■丿E■
rL|・e”E“H
K=1、微分时间常数|丁Id对于W为一单位阶跃信号时，实验记录
响应曲线如下:
上IIVIIPIIIII
U口G.gtiIt?
_a27iisJ.b鼻舶4.s
貞tVa昕止謁！
£Quj・引H片丫卩i>4旧
/?
!
-20（）K,/?
21°°K，「-lOiiF其比例系
记录响应曲线如下:
h'4.
5、惯性环节
曲线如下:
■?
=
-6—
IIIIPIIIII
0n.砧asL3L1.百空32?
i1-:
i£j4山-qs
f帥八】1“加I烈炉
当电路参数取:
/?
!
-I（）（）K*只2=200K.「-lOnF其比例系
数K=2、时间常数
IT-2£。
对于W为一单位阶跃信号时，实验记录响
应曲线如下:
獰■■却“1=.]■
；2*TFL\TT=：
：
-
/
*皿|—
六、实验总结
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：
a、满足“虚短”、“虚断”特性;
b运放的静态量为零，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：
积分环节和惯性环节的差别在于当输入为单位阶跃信号时，积分环节输出随时间呈直线增长，而惯性环节输出以指数规律变化。
当时间t趋于无穷大时，惯性环节可近似视为积分环节;而当时间t
趋于0时，惯性环节可近似视为比例环节。
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：
在积分环节中，纵坐标K所对应的横坐标就是时间常数T;
而在惯性环节中，在起始点做该点的切线，与y=K相交的点的横坐标就是时间常数T。
4.为什么实验中实际曲线与理论曲线有一定误差？
答：
在实验中，运放并不是理想的。
再加上元器件都有温度特性曲线，会产生相应的误差。
5、为什么PD实验在稳定状态时曲线有小范围的振荡?
答：
PD实验中存在微分环节，而微分环节对偏差很敏感，又因为输入信号中有噪音，不是平直光滑的，所以经过微分放大后，使得偏差放大，出现了小范围的振荡。
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