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1、实验一典型环节的电路模拟一、实验目的1. 熟悉THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱及“THKKL-6”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. THKKL-6型控制理论及计算机控制技术实验箱；2. PC 机一台（含 “THKKL-6”软件）；3. 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、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
2、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Z和Z2表示由R、C构成的复数阻抗。图1-1典型环节的原理框图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：g（ s）=Uo （s）=kU （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。图1-2比例环节的响应曲线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:(、U (S)1G (s) = oU (S) Ts/设Ui（S）为一单
3、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积分环节的响应曲线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：g (s ) = Uo(S) = RCS+ = R+丄=RU (S)R1CSR1 R1CS R1i其中 T=R2C, k=r2/r1图1-4比例积分环节的响应曲线 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：G (s )= K (1+TS )= R (1 + R1CS)Ri其中 K = R J R, T = RQ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时PD的输 出响应曲线。电压e丿八Uo(t)Ui(
4、t)图1-5比例微分环节的响应曲线 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： G (s) = Kp +丄 + T STS D甘出RC+RC 其中 Kp2 2R C1 2T =RC , T =RCI 12D 21设Ui(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。(R 2C 2 S +1)( R p +1)R C + RC=2211R1C 2+ R CSR1C 2S2 1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 PID环节的响
5、应曲线6 惯性环节陆)KCA(s)Ts+I惯性环节的传递函数与方框图分别为:宀、U (S)KG (s) = oU (S) TS +1i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惯性环节的响应曲线五、实验步骤【完成表一内容】1. 比例(P)环节根据比例环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路,如图1-8所示。R-图1-8比例环节的模拟电路 图中后一个单元为反相器，其中R0=2OOk。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”，具体请参考第一部分“硬
6、件的组成及使用”相关部分；为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件上的时间轴刻度，以下实验相同。 2积分(I)环节根据积分环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如 图1-9所示。_rt_jLI图1-9积分环节的模拟电路注：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)环节根据比例积分环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图1-10所示。Uo o图1-10比例积分环节的模拟电路注：通过改变R2、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T 4.比例微分(PD)环节根据比例微分环
7、节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建其模拟电路，如 图1-11所示。图1-11比例微分环节的模拟电路5.比例积分微分(PID)环节根据比例积分微分环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建其相应的模 拟电路，如图1-12所示。_11111,II.-+Ro-+C1匸Ui0-图1-12比例积分微分环节的模拟电路当u.为一单位阶跃信号时，用“THKKL-6”软件观测并记录不同K、片、TD值时的实 1I D验曲线，并与理论值进行比较。6 惯性环节根据惯性环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建其相应的模拟电路, 如图1-13所示。血 R1RoO1111-P*+i-o+ +
8、r+uc -o图1-13惯性环节的模拟电路参照上述原理内容与实验电路图，完成表 表一：典型 环节传递函数参数 与模拟电路参 数关系单位阶跃响 应实测阶跃响应曲线比例 电路图图1-8K= R R1|J o(t)二KRO- 200KR1100KR2100KR2200K积分I 电路图图1-9T=RC|J o(t)-1tTRO 200KR100KC1J FC10uF比例积 分PI 电路图 图 1-10RK=j21T=R2cJ o(t)1K+一 tTRO 200KR1100KR2100KC1uFC10uF比例微分PD电路图图 1-11K= R1T= RCG(S)-K(1+TS)Ro二200KR1=100
9、KR2=100KC=1uFC=10uF比例积 分微分 PID电路 图图 1-12” RC+RCG (s)1Kp + T S T S dIRo=200KR1=100K ,R2=100KC1=1艮FC2=1uFKp 1122RC1 2T RCI12Td RCD 2 1C2=10uF说明：1通过改变R2、R、C的值可改变惯性环节的放大系数K和时间常数To2为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件上的时间轴刻度。当u.为一单位阶跃信号时，用“THKKL-6”软件观测并记录不同K及T值时的实验曲1线，并与理论值进行比较。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、实验报告要求1. 画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。2. 写出各典型环节的传递函数。3. 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？4为什么实验中实际曲线与理论曲线有一定误差？5.为什么PD实验在稳定状态时曲线有小范围的振荡？
