作业-典型环节的电路模拟实验-自动控制原理-深圳大学

深圳大学实验报告课程名称：自动控制原理
实验项目名称：典型环节的电路模拟实验学院：机电
专业：自动化
指导教师：
报告人：学号：班级：
实验时间：
实验报告提交时间：
教务部制
实验一典型环节的电路模拟实验
一、实验目的
1.学习构成典型线性环节的模拟电路。

2.研究阻、容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。

3.学习典型线性环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的
传递函数。

4.
二、实验内容
1.完成比例环节的电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。

2.完成积分环节的电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。

3.完成比例积分环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。

4.完成比例微分环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。

5.完成惯性环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。

6.完成比例积分微分环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。

7.
三、实验仪器
1.ZY17AutoC12BB自动控制原理实验箱。

2.双踪低频慢扫示波器。

3.数字万用表。

4.
四、实验原理
1.比例环节
下载后图可变大
图1.1.2
图1.1.1`
比例环节的阶跃响应图
比例环节的传递函数为：
()()
K s U s U I O =。

比例环节的方块图、阶跃响应及模拟电路图分别如图1.1.1、图1.1.2和图1.1.3所示。

其中0
12R R R K +=
，试验参数取R 2=200K ，R 1=100K ，R 0=100K ，R=10K 或100K 。

2. 积分环节
积分环节的传递函数为：
()()
TS
s U s U I O 1=。

积分环节的方块图、阶跃响应及模拟电路
图分别如图1.2.1、图 1.2.2和图1.2.3所示。

其中()110C R R T +=，试验参数取R 0=100K 可调，R 1=100K ，C 1=1uF ，R=10K 或100K 。

图1.2.2
图1.2.1` 积分环节的阶跃响应图
图1.1.3
3. 比例积分环节
比例积分环节的传递函数为：
()()
TS
K s U s U I O 1+
=
比例积分环节的方块图、阶跃响应及模拟电路图分别如图1.3.1、图1.3.2和图1.3.3
所示。

其中0
12R R R K +=
，()110C R R T +=试验参数取R 0=100K 可调，R 1=100K ，
R 2=200K ，C 1=1uF ，R=10K 或100K 。

图1.3.3
4. 比例微分环节
比例微分环节的传递函数为：
()
()⎪⎭⎫ ⎝
⎛
+=TS K s U s U I O 11
比例环节的阶跃响应图
图1.3.1 图1.3.2
图1.2.3
比例微分环节的方块图、阶跃响应及模拟电路图分别如图1.4.1、图1.4.2和图1.4.3所示。

其中0
132R R R R K ++=
，13
232C R R R R T +=
，试验参数取R 0=10K 可调，R 1=10K ，
R 2=10K ，R 3=10K ，R 4=200Ω，C 1=1uF ，R=10K 或100K 。

对应理想的和实际的比例微分环节的阶跃响应图分别如图1.4.2a 和1.4.2b 所示。

图1.4.3
5. 惯性环节
惯性环节的传递函数为：
()()
1
+=
TS K s U s U I O
惯性环节的方块图、阶跃响应及模拟电路图分别如图1.5.1、图1.5.2和图1.5.3所示。

其中0
12R R R K +=
，12C R T =试验参数取R 0=100K 可调，R 1=100K ，R 2=200K ，
C 1=1uF ，R=10K 或100K 。

下载后图可变大
6. 比例积分微分（PID ）环节
比例积分微分环节的传递函数为：
()()
S T TS
K s U
s U d P I
O ++
=1
下载后图可
变大
比例积分微分环节的方块图、阶跃响应及模拟电路图分别如图1.6.1、图1.6.2和图1.6.3所示。

其中0
1R R K P =
，()101C R R T I +=，20
132C R R R R T D +=
试验参数取R 0=100K 可调，
R 1=100K ，R 2=100K ，R 3=10K ，R 4=1K ，C 1=1uF ，C 2=10uF ，R=10K 或100K 。

对应理想的和实际的比例积分微分环节的阶跃响应图分别如图1.6.2a 和图1.6.2b 所示。

五、 实验步骤
1.
熟悉实验仪器，按照实验原理设计并连接各种典型环节（比例环节、积分环节、比例
积分环节、比例微分环节、比例积分微分环节以及惯性环节）的模拟电路。

按照实验
图1.6.2a
图1.6.2b
原理，此实验中比例环节可使用运放单元（一）、（二）；积分环节可使用运放单元（一）、
（二）；比例积分环节可使用运放单元（一）、（二）；比例微分环节可使用运放单元（二）、
（三）；惯性环节可使用运放单元（一）、（二）；比例积分微分环节可使用运放单元（三）、
（六）及元器件单元。

2.利用实验仪器完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节
阶跃特性的影响。

（1）同时按下电源单元中的按键开关S001,S002,再按下S003，调节可调电位器W001,
使T006（-12V-----+12V）输出电压为+1V，形成单位阶跃信号电路，然后将
S001,S002再次按下关闭电源。

（2）按照图 1.1.3（比例环节）连接好电路，按下电路中所用到的运放单元的按键开
关。

（3）用导线将连接好的模拟电路的输入端与T006相连接，电路的输出端与示波器相
连接。

（4）同时按下按键开关S001,S002时，用示波器观测输出端的阶跃响应曲线，并将结
（开闭按键开关S001和S002可以重复该实验以及以后所有的实验）
果记录下来。

3、分别按照图1.2.3（积分环节）、图1.3.3（比例积分环节）、图1.4.3（比例微分环节）、
图 1.5.3（惯性环节）、图 1.6.3（比例微分积分环节）连接电路图，重复步骤（2）、
（3）、（4）.
4、分析实验结果，完成实验报告。

六、实验报告
（一）、画出惯性环节、积分环节、比例微分环节的模拟电路图，并画出惯
性环节、积分环节、比例微分环节的响应曲线。

(1)惯性环节：
模拟电路图：
其中RO=100K R=10K T=200.0us U=5.00V
响应曲线：
(2)积分环节
模拟电路图：
R0=0 R1=100K R=10K
响应曲线：
(3)比例积分环节
模拟电路图：
其中R=0K
响应曲线：其中T=100.0ms Rise（1）=60.00ms
(4)比例微分环节
模拟电路图：
其中R0=0K R1=10K R2=10K R3=10K T=500.0ms C=13.3μF UO=1V 相应如下：
(5)惯性环节
模拟电路图：
各数据大小如图
响应如下：
(6)比例积分微分（PID）环节
模拟电路图：
响应如下：
（二）、由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由电路计算的结果相比较，分析其差别。

七、实验思考题
1、用运放模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出的？
解：（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，个输入量、输出量和反馈量都可以用瞬时值表示其动态变化。

2、在什么条件下，惯性环节可以近似的视为积分环节？
解：T>>1时，G(k)=K/TS,视为积分环节.1>>T时，G(k)=K,视为比例环节.
3、如何根据阶跃响应的波形，确定积分环节和惯性关节的时间常数？
解：用示波器的“时标”开关测出过渡过程时间t（即98%UO时的时间），由公式T = t/4计算时间常数
八、实验心得：
通过这次试验，加深了我对构成典型线性环节的模拟电路的理解。

懂得了阻、容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。

学习了典型线性环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。