控制理论实验报告典型环节的电路模拟.docx

1、控制理论实验报告典型环节的电路模拟控制理论实验报告典型环节的电路模拟三、实验内容1设计并组建各典型环节的模拟电路；2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十分有益。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Z1和Z2表示由R、C构成的复数阻抗。1积分（I）环节 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：设Ui(S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T时的响应曲线如图1-1所示。

2、图1-12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： 其中设Ui(S)为一单位阶跃信号，图1-2示出了比例系数(K)为2、微分系数为TD时PD的输出响应曲线。 图1-2 3惯性环节惯性环节的传递函数与方框图分别为：当Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且放大系数(K)为1、时间常数为T时响应曲线如图1-3所示。图1-3五、实验步骤1积分（I）环节根据积分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)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R0=200K。若积分时间常数T=1S时，电路中的参数取：R=100K，C=10uF(T=RC=100K

3、10uF=1)；若积分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：R=100K，C=1uF(T=RC=100K1uF=0.1)；当ui为单位阶跃信号时，用“THBDC-2”软件观测并记录相应T值时的输出响应曲线，并与理论值进行比较。2比例微分(PD)环节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(U12、U6)设计并组建其模拟电路，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=1uF(K= R2/ R1=1，T=R1C=100K1uF=0.1S)；若比例系数K=1、微分时间常数T=

4、1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1，T=R1C=100K10uF=1S)；当ui为一单位阶跃信号时，用“THBDC-2”软件观测(选择“通道3-4”，其中通道AD3接电路的输出uO；通道AD4接电路的输入ui)并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。3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(U12、U6)设计并组建其相应的模拟电路，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、时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1

5、，T=R2C=100K10uF=1)。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=1uF(K= R2/ R1=1，T=R2C=100K1uF=0.1)。通过改变R2、R1、C的值可改变惯性环节的放大系数K和时间常数T。当ui为一单位阶跃信号时，用“THBDC-2”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。六、实验结果1、积分环节若积分时间常数T=1S时，若积分时间常数T=0.1S时， ，T=0.1s时的上升速度比T=1s快，实验结果与理论分析相符。 2、比例微分环节若比例系数K=1、微分时间常数T=0.1S时若比例系数K=1、

6、微分时间常数T=1S时，实验结果与理论分析相符3、惯性环节若比例系数K=1、时间常数T=1S时若比例系数K=1、时间常数T=0.1S时，实验结果与理论分析得到的函数图形相符，故认为结果可信。七、实验心得体会1、用运放模拟典型环节时，其传递函数假定条件如下：1）假定运放具有理想特性，即满足“虚短”“虚断”特性 2）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？ 惯性环节的特点是，当输入作阶跃变化时，输出不能立刻达到稳态值，瞬态输出以指数规

7、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。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？ 在积分环节中，直线的纵坐标到K时对应的横坐标即直线上升的斜率的倒数就是时间常数T。在惯性环节中，起始点的斜率等于k/T，故在起始点作该点的切线，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？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，器件参数都有误差，所以输入输出曲线不可能像理论那样的线性。5、为什么PD实验在稳定状态时曲线有小范围的振荡？做比例微分实验时，稳定状态时曲线有小范围的振荡，分析原因如下：微分环节对偏差敏感而实际输入的信号有噪声，并不是平直光滑的，所以，经过微分后，使得偏差放大，出现小范围振荡。