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1、实验一 典型环节的电路模拟一 实验类型：验证性实验二 实验目的：1熟悉并掌握THBDC-1型控制理论计算机控制技术实验平台及上位机软件的使用方法。2熟悉各典型环节的电路传递函数及其特性，掌握典型环节的电路模拟与软件仿真研究。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。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，用示波器观察其波形，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。本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图如图所示。图中Z1和Z2表示由R、C构成的复数
2、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：当Ui(S)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。图1-2 输出响应曲线2. 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1-3所示。图1-3 输出响应曲线3. 比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为： 其中T=R2C，K=R2/R1设Ui(S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数为1、积分系数为T时的PI输出响应曲线。
3、图1-4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： 其中 图1-5 输出响应曲线设Ui(S)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TD时PD的输出响应曲线。 5. 比例积分微分(PID)环节比例积分微分(PID)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1-6示出了比例系数(K)为1、微分系数为TD、积分系数为TI时PID的输出。 图1-6 输出响应曲线 6. 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时响应曲线如图所示。图1-7 输出
4、响应曲线三 实验要求：1比例（P）环节、积分(I)环节、比例积分(PI)环节、比例微分(PD)环节及惯性环节等典型环节的模拟电路联接，并用示波器记录各环节的阶跃响应曲线。2写出各典型环节的传递函数及方框图。3根椐测量记录的各典型环节的单位阶跃响应曲线，分析参数变化对其动态特性的影响。四 实验仪器设备：1THBDC-1型控制理论计算机控制技术实验平台2PC机1台(含上位机软件) USB数据采集卡 37针通信线1根 16芯数据排线 USB接口线3双踪慢扫描示波器1台(可选)4万用表1只五 实验步骤1. 比例（P）环节根据比例环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)设计并组建相应的模
5、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，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。当ui为一单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测(选择“通道1-2”，其中通道AD1接电路的输出uO；通道AD2接电路的输入ui)并记录相应K值时的实验曲线，并与理论值进行比较。另外R2还可使用可变电位器，以实现比例系数为任意设定值。注： 实验中注意“锁零按钮”和“阶跃按键”的使用，实验时应先弹出“锁零按钮”，然后按下“阶跃按键”，具体请参考第二章“硬件的组成及使用”相关部分； 为了更好的观
6、测实验曲线，实验时可适当调节软件上的分频系数(一般调至刻度2)和选择“”按钮(时基自动)，以下实验相同。2. 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(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。若取比例系数K=1、积分时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K10uF=1)；若取比例系数K=1、积分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K1
7、uF=0.1S)。注：通过改变R2、R1、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T。当ui为单位阶跃信号时，用“THBDC-1”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。3. 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=1S时，电路中的参数取：
8、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-1”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。注：在本实验中“THBDC-1”软件的采集频率设置为150K，采样通道最好选择“通道3-4(有跟随器，带负载能力较强)”4. 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
9、常数T=1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,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-1”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 实验报告要求1写出实验目的，实验原理，记录实验的详细过程。2画出各典型环节的实验电路图及单位阶跃响应，并注明参数。写出各典型环节的传递函数。3记录实验的单位阶跃响应曲线，根据测得的典型环节单位阶跃响应曲线，分析参数变化对动态特性的影响。七 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？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？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？
