自控实验一 典型环节的电路模拟

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 1

和Z 2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：

()

()()

O i U S G S K U S =

=

当U i (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：

()1()()O i U S G s U S Ts ==

设U i (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 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：

22211112()111()(1)()O i U S R CS R R G s U S R CS R R CS R R CS +===+=+

其中T=R 2C ，K=R 2/R 1

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1-4 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：

2

11

()(1)(1)R G s K TS R CS R =+=+ 其中211/,K R R T R C ==

设U i (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。

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：

1

()D I G s Kp T S T S =++

其中1122

12

R C R C Kp R C +=

，12I T R C =，21D T R C =

221112(1)(1)

R C S R C S R C S

++=

22

112112121

R C R C R C S R C R C S

+=++ 设U i (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1-6 PID 环节的响应曲线

6．惯性环节

惯性环节的传递函数与方框图分别为：

()()()1

O i U S K

G s U S TS =

=

+ 当U i (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。

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R 0=200k 。

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”，具体请参考第一部分“硬件的组成及使用”相关部分； ② 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。

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。

图1-10 比例积分环节的模拟电路

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。

4．比例微分(PD)环节

根据比例微分环节的方框图，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。

图1-12 比例积分微分环节的模拟电路

当u i为一单位阶跃信号时，用“THKKL-6”软件观测并记录不同K、T I、T D值时的实验曲线，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。