实验一THBDC1典型环节的电路模拟电子版本.docx

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实验一THBDC1典型环节的电路模拟电子版本

实验一THBDC-1典型环节的电路模拟

一、实验目的

1.了解THBDC-1控制及理论实验平台的硬件组成和软件使用

2.掌握典型环节的电路模拟

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型控制理论计算机控制技术实验平台；

2.PC机一台、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.熟悉THBDC-1控制理论实验平台的硬件组成和软件使用。

2.设计并组建比例、积分、微分、惯性、等典型环节的模拟电路；

3.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、实验步骤

1.熟悉THBDC-1控制理论实验平台的相关硬件；

直流稳压电源、阶跃信号发生器、低频函数信号发生器、锁零按钮、通用单元电路、数据采集接口单元、实物实验单元

2.熟悉THBDC-1控制理论实验平台的软件

3.设计组建比例、积分、微分、惯性、等典型环节的模拟电路并测试

1）比例（P）环节

传递函数G（s）=Uo（s）/Ui（s）=K

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组建相应的模拟电

路，如下

根据模拟电子技术的信号的运算和处理章节有关反相比例运算电路部分可知

K的绝对值=R2/R1

图中后一个单元为反相器，其中R0=200K

若比例系数K=1时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=100K

若比例系数K=2时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=200K

若比例系数K=4时，电路中的参数取：

R1=51K，R2=200K

当ui为一单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测，并记录相应K值时的实验曲线，并与理论值进行比较。

K=1比例环节单位阶跃响应曲线

K=2比例环节单位阶跃响应曲线

K=4比例环节单位阶跃响应曲线

2）积分（I）环节

传递函数G（s）=Uo（s）/Ui（s）=1/（Ts）

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组建相应的模拟电

路，如下图所示。

若积分时间常数T=1S时，电路中参数取：

R=100K，C=10μF

若积分时间常数T=0.1S、0.5S时，电路中电阻电容参数应如何选取？

T=RC

T=0.1S时，电路中参数取：

R=100K，C=1μF

T=0.5S时，电路中参数取：

R=51K，C=10μF

当ui为单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测，并记录相应T值时的实验曲线，并与理论值进行比较

积分时间常数T=1S的输出响应曲线

积分时间常数T=0.1S的输出响应曲线

积分时间常数T=0.5S的输出响应曲线

分析实验步骤1）2）可得以下结论：

比例调节作用：

是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。

比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造系统的不稳定。

参数K的大小决定了系统输出特性值的稳态值，K越大稳态值越大。

积分调节作用：

是使系统消除稳态误差，提高无差度。

因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。

积分作用的强弱取决于积分时间常数T，T越小，积分作用就越强，实验输出响应曲线的斜率就越大，上升时间短。

反之积分作用就弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。

3）比例积分（PI）环节

传递函数G（s）=Uo（s）/Ui（s）=K+1/（Ts）

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R0=200K

若比例系数K=1、积分时间常数T=1S时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=100K，C=10μF

若比例系数K=1、积分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=100K，C=1μF[T=R2*CK=R2/R1]

当ui为单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测并记录相应T及K值时的实验曲线，并与理论值进行比较。

比例系数K=1，积分时间常数T=1S

比例系数K=1，积分时间常数T=0.1S

PI比例积分环节

无差控制，比例控制作用为主，积分控制作用为辅（仅用于消除稳态偏差）

4）比例微分（PD）环节

传递函数G（s）=Uo（s）/Ui（s）=K（1+Ts）

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R0=200K

若比例系数K=1、微分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=100K，C=1μF

若比例系数K=1、微分时间常数T=1S时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=100K，C=10μF

[K=R2/R1=1T=R1*C]

当ui为单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测并记录相应T及K值时的实验曲线，并与理论值进行比较。

若比例系数K=1、微分时间常数T=0.1S时

若比例系数K=1、微分时间常数T=1S时

微分调节作用：

微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。

因此，可以改善系统的动态性能，在微分时间选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时间。

微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。

5）比例微分积分（PID）环节

根据比例微分积分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计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R0=200K

传递函数G（s）=Kp+Td*S+1/（Ti*S）

[K=（R1C1+R2C2）/R1C2Td=R2C1Ti=R1C2]

若比例系数K=2、积分时间常数T1=0.1S、微分时间常数Td=0.1S时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=100K，C1=1μF，C2=1μF

若比例系数K=1.1、积分时间常数T1=1S、微分时间常数Td=0.1S时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=100K，C1=1μF，C2=10μF

比例系数K=2、积分时间常数T1=0.1S、微分时间常数Td=0.1S

比例系数K=1.1、积分时间常数T1=1S、微分时间常数Td=0.1S

由图可知，比例K越大，则响应中比例环节的放大系数越大，而实验中的电容C2改变了积分时间常数Ti，Ti越大，则积分环节上升时间越长，Ti越小，则上升时间越短。

6）惯性环节

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R0=200K

一阶惯性环节的传递函数G（s）=K/（Ts+1）

[K=R2/R1T=R2*C]

若比例系数K=1、时间常数T=1S时，电路中的参数取：

R1=100K、R2=100K、C=10μF

若比例系数K=1、时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：

R1=100K、R2=100K、C=1μF

当ui为单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测并记录相应K、T1、Td值时的实验曲线，并与理论值进行比较。

比例系数K=1、时间常数T=1S

比例系数K=1、时间常数T=0.1S

一阶惯性环节的时间常数T影响系统阶跃响应到达稳态的速度，T越小调节速度越快到达稳态用时越短。

7）根据实验时存储的波形及记录的实验数据完成实验报告。

六，实验思考题

1.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？

惯性环节的特点是当输入x（t）作阶跃变化时,输出y（t）不能立刻达到稳态值,瞬态输出以指数规律变化。

而积分环节当输入为单位阶跃信号时输出为输入对时间的积分,输出y（t）随时间呈直线增长。

当T趋于无穷大时惯性环节可以近似地视为积分环节,

当T趋于0时惯性环节可以近似地视为比例环节。

2.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?

测定时间常数T的方法用示波器的“时标”开关测出过渡过程时间t（即

98%Uo时的时间）由公式T=t/4计算时间常数

在积分环节中，单位阶跃响应曲线最高与最低两个拐点对应的横坐标差，即为时间常数T；在惯性环节中，上升到最终上升幅度63.2%（即1-1/e）的点对应的横坐标与上升起点横坐标的差，即时间常数T。

3为什么实验中实际曲线与理论曲线有一定误差？

因为电阻、电容实际上并不严格是线性的，而且受工艺、环境温度等影响，元件的电阻值、电容值与标称值都存在误差；另外，运放也不是理想运放。

4.为什么PD实验在稳定状态时曲线有小范围的振荡？

存在对偏差十分敏感的微分环节，而输入信号并不是严格平直光滑的，其上的噪声经过微分环节后会被放大，呈现出明显的小范围振荡。