典型环节的电路模拟.docx
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典型环节的电路模拟
东南大学能环学院
实验报告
课程名称：
热工过程自动控制原理
第一次实验
实验名称：
典型环节的电路模拟
热能与动力工程
一、实验目的3
二、实验设备3
三、实验原理3
四、实验步骤6
五、实验记录8
六、实验总结12
一、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。
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（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
设计和分析是十分有益的。
本实验中的典型环节都是以运放为核心
元件构成，其原理框图如图1-1所示。
图中厶
和八表示由-「构成的复数阻抗。
图1-1
成比例地复现输出信号
1、比例〔卩）环节
比例环节的特点是输出不失真、不延迟、
的变化。
它的传递函数与方框图分别为：
G（S）
Ui（S）
U°（S）
当|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。
2、积分〔I）环节
图1-2
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:
U°（S）
G（s）苗TS
恥）
设「厂为一单位阶跃信号，当积分系数为
T时的响应曲线如图
1-3所示。
>LJl（（J
3、比例积分|〔P1）环节
U（
it
K
比例积分环节的传递函数与方框图分别为：
其中T二&C，
K=«2/«1
1Ts
图1-3
Uo（S）R2C^J
Ui（S）RQS
设I为一单位阶跃信号，图
R2
R1
1-4
1
RQS
示出了比例系数K为1、积分
系数为丨时的丨输出响应曲线
4、比例微分环节
比例微分环节的传递函数与方框图分别为:
设I为一单位阶跃信号，图
系数为时」的输出响应曲线。
电压3丿4
1ut（t）
t
0
图1-5
5、惯性环节
惯性环节的传递函数与方框图分别为:
当50）输入端输入一个单位阶跃信号，且放大系数|k为1、时间
电斥（叫
1
fH
0
图1-7
四、实验步骤
1、比例（P）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。
图中后一个单元为反相器，其中殓=200K。
若比例系数K=1时，电路中的参数取：
“「宀'，1「⑺。
若比例系数K=2时，电路中的参数取：
“，‘：
：
1'■■■o
当I为一单位阶跃信号时，用上位软件观测（选择“通道1-2”，其中通道ADi接电路的输出山；通道接电路的输入5并记录相应|k值时的实验曲线，并与理论值进行比较。
另外,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。
图中后一个单元为反相器，其中心=200心
若积分时间常数'-时，电路中的参数取：
I-「\,
C二10uF（T=RC二100Kx10uF=Is）；
若积分时间常数时，电路中的参数取:
—d
.IJ|；■11■.:
;
当山为一单位阶跃信号时，用上位机软件观测并记录相应[值时的输出响应曲线，并与理论值进行比较。
3、比例积分丨环节
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并组建相应的模拟电路，如下图所示
22
图中后一个单元为反相器，其中「
若取比例系数K二1|、积分时间常数丁=爲时，电路中的参数取:
Ri=100K,R2=100K,
C—10uF（K=ft/&=1,T=/?
iC=1OOKxlOuF=Is）；
若取比例系数K二1、积分时间常数T=61s时，电路中的参数取：
R「100K,R2=100K,
C=1uF（K=/?
“局匸1J=fltC=lOOKxluF=01s）o
通过改变R*R』、c的值可改变比例积分环节的放大系数|k和积分时间常数|。
当口为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同k及屮值时的实验曲线，并与理论值进行比较。
4、比例微分I、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。
R）
R2
R（J
U\
r
Cr>
Ro
■t>
V
'II4
C
J
+
+
p1.JI
r
■才
+
+
―1
UuI~o
图中后一个单元为反相器，其中L门“。
若比例系数K=l、微分时间常数占时，电路中的参数取：
/?
i=100K,R2=100K,
C=10uF（K=RJR\=lfT=R[C=100KxlOuF=Is）；
若比例系数K=0.5、微分时间常数T-ls时，电路中的参数取:
R1=200KtR2=100l
C—lul：
（K=R/R'=0.5.T—&C—100KxluF=O.ls）&
当口为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同|k及片值时的实验曲线，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。
Ru
MR：
i
0—11—•―
->
1
Rc一^—
->
Ua
r
+
+
匚
+
+
4
»——O
图中后一个单元为反相器，其中L
若比例系数K=l、时间常数T=ls时，电路中的参数取：
Ri=100KR2=100K
C=10uF（K=RJ&二l.T=&C=100Kx10uF=Is）。
若比例系数K=1、时间常数T-2s时，电路中的参数取：
Ri=100fC=10uF（K=RJRi=2tT=JIjC=ZOOKXlOuF=2s）D
通过改变Ri、R』、c的值可改变惯性环节的放大系数k和时间常
。
当也为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。
五、实验记录
1、比例（P）环节
4i-i罰
Ehl"醴
■i'i
当电路参数取:
/?
!
=100K,R2=200K
。
对于
其比例系数K=2对于
•为一单位阶跃信号时，实验记录响应曲线如下:
=•注
I环节
2、积分
当电路参数取：
R=100K），l°uF,其积分时间常数T=ls对于5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=100乩（；=luF,其积分时间常数T=O.ls对于5为一单位阶跃信号时，实验记录响应曲线如下：
3、比例积分丨环节
WLBfw.
K=1、积分时间常数T—匕。
对于I为一单位阶跃信号时，实验记录响应曲线如下：
4、比例微分I、环节
当电路参数取-■'1^■■-」!
「，其比例系数
K=1、微分时间常数"—2。
对于I为一单位阶跃信号时，实验记录响
应曲线如下:
>Rfl4DChifW（UQn
嚴■MT1M思1fOlt）■斗LTW陆侮厶肛
当电路参数取:
厂一"比—一_暨龙：
〔-+」一：
，其比例系数
K=0.5、微分时间常数丁=上。
对于」为一单位阶跃信号时，实验记录响应曲线如下：
Wlf?
w
nih（#■；■■
■
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L_.
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Ip#|_¥*科qJAt
ViLjiTfB■»■-9口I'L—CKXU-1X3UX>-ls«
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5、惯性环节
当电路参数取-■'1^■■-」!
厂，其比例系数
K=1、时间常数匚1“。
对于「为一单位阶跃信号时，实验记录响应曲线如下：
林■【6VI曲阳”
扁iiiMJg囂！
勺II■『】•庭・片
当电路参数取：
1J川:
用，厂I比*，其比例系数
K=2、时间常数T=2s|。
对于s为一单位阶跃信号时，实验记录响应曲线如下：
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。
i*1■■IaII-i■II
IM-F4l-lt-?
■爭13*A
・m*占・J..・[f.if邮^|
当电路参数取：
&=100K,&=100K,C=luH,其比例系数
K=1、积分时间常数|匸~丈】寸。
对于•为一单位阶跃信号时，实验记录响应曲线如下：
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