自动控制原理实验指导书长春工业大学人文信息学院电子信息系2011年 9 月目 录实验一 典型环节的电路模拟 2实验二 二阶系统的瞬态响应 9实验三 研究线性定常系统的稳态误差 131实验一 典型环节的电路模拟一、实验目的1. 熟悉 THBDC-1 型 控制理论计算机控制技术实验平台及 “ THBDC-1 ”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“ THBDC-1 ”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；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、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：UO(S)G(S) KU i (S)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：UO(S)1G ( s)TsU i ( S )2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 1-33. 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：UO(S)R2CS 1 R21R21G(s)R1CSR1(1)U i ( S)R1CS R1R2CS其中 T=R 2C， K=R 2/R1设 U i(S)为一单位阶跃信号，图1-4 示出了比例系数 (K) 为 1、积分系数为 T时的 PI 输出响应曲线图 1-44. 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 (1 TS)R2(1 R1CS) 其中 K R2 / R1,TD R1CR1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 T D 时 PD 的输出响应曲线。
图 1-55. 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：3G( s)1TD SKpTI S其中 KpR1C1 R2C2 ， TIR1C2 ， TD R2C1R1C2(R2C 2S1)( R1C1S1)R1C 2SR2C2R1C11R2C1SR CR C2S112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 T D、积分系数为T I 时 PID 的输出图 1-66. 惯性环节惯性环节的传递函数与方框图分别为：UO(S)KG ( s)TS 1U i ( S)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 1-7 所示图 1-7五、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(U 12、 U6 )设计并组建相应的模拟电路，R2R0如 下 图ui R1R0uo-4-++++所示图 1-8 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：① 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”② 为了更好的观测实验曲线，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. 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 (U 12、U 6)设计并组建相应的模拟电路，如下图所示CR0uiRR0u o--++++图 1-9 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× 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=100K× 1uF=0.1) ；当 ui 为单位阶跃信号时，用“ THBDC-1 ”软件观测并记录相应 T 值时的输出响应曲线，并与理论值进行比较。
注：由于实验电路中有积分环节，实验前一定要用“锁零单元”对积分电容进行锁零3. 比例积分 (PI)环节5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 (U 12、 U 6)设计并组建相应的模拟电路，如下图所示图 1-10 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= R 2/ R1=1,T=R 2C=100K × 10uF=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= R 2/ R 1=1,T=R 2C=100K × 1uF=0.1 S)注：通过改变 R 2、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4. 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 (U 12、 U 6)设计并组建其模拟电路，如下图所示。
图 1-11 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= R 2/ R 1=1,T=R 1C=100K × 1uF=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：R1=100K ，R2=100K ， C=10uF(K= R 2/ R1=1,T=R 1C=100K × 10uF=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 )”5. 比例积分微分 (PID) 环节6根据比例积分微分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元 (U 12、 U 6)设计并组建其相应的模拟电路，如下图所示图 1-12 中后一个单元为反相器，其中R0=200K 。
若比例系数 K=2 、积分时间常数 T I =0.1S、微分时间常数T D=0.1S 时，电路中的参数取： R1=100K ， R2=100K ， C1=1uF 、C2=1uF (K=(R 1 C1+ R2 C2)/ R1C2=2,T I=R1 C2=100K × 1uF=0.1S ， TD=R2 C1=100K × 1uF=0.1S) ；若比例系数 K=1.1 、积分时间常数 T I =1S、微分时间常数T D=0.1S 时，电路中的参数取： R1=100K ， R2=100K ， C1=1uF 、C2=10uF (K= (R 1 C 1+ R 2 C2 )/ R 1 C2=1.1,T I =R1C2=100K × 10uF=1S，T D =R2C1=100K × 1uF=0.1S) ；当 ui 为一单位阶跃信号时，用“ THBDC-1 ”软件观测 (选择“通道 3-4”。