典型环节的电路模拟教学内容

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。

4．观测二阶系统的阻尼比分别在0<ζ<1，ζ =1和ζ>1三种情况下的单位阶跃响应曲线；

二、实验环境

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。

4．画出二阶系统线性定常系统的实验电路，并写出闭环传递函数，表明电路中的各参数；

5．根据测得系统的单位阶跃响应曲线，分析开环增益K 和时间常数T 对系统的动态性能的影响。

四、实验内容及分析

1．比例（P ）环节

选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，当u i 为一单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测并记录相应K 值时的实验曲线，并与理论值进行比较。

参数：一图比例系数K=1时，电路中的参数取：R 1=100K ，R 2=100K 。

二图比例系数K=2时，电路中的参数取：R 1=100K ，R 2=200K 。

传递函数：

K S U S U S G i O ==)()()(

结论：如上图所示当K 值改变为2倍时，输出量也跳跃为原来的2倍，最后稳定时还是一样输出值等于原来的2倍

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(U12、U6)设计并组建相应的模拟电路，当u i 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。

参数：R0=200K

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)；

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)；

结论：随着RC的改变，积分时间常数，且积分时间常数越小，输出值线性变化越快。

3．比例微分(PD)环节

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(U12、U6)设计并组建其相应的模拟电路，当u i为一单位阶跃信号时，用“THBDC-1”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。

参数：R0=200K。

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=100K×10uF=1)；

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=100K×1uF=0.1S)。

结论：随着R1,R2,C的改变，比例系数和微分时间常数会改变。对于微分调节，在输入信号的瞬间，达到正无穷，输出值Uo达到最大值，但在以后，Ui为定值，

=0，又在比例调节的作用下，输出值为输入值的K倍。

4．二阶系统的瞬态响应

（1）．观测二阶系统的阻尼比分别在0<ζ<1，ζ=1和ζ>1三种情况下的单位阶跃响应曲线；

（2）．调节二阶系统的开环增益K ，使系统的阻尼比21=

ζ，测量此时系统的超调量p δ、

调节时间t s (Δ= ±0.05)；

（3）．ζ为一定时，观测系统在不同n ω时的响应曲线。 四、实验小结

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？

答：放大倍数远大于1，近似为理想放大电路

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？

答：惯性环节是x(t)=K(1-e^-t/T)而积分环节是x(t)=K/s ，一个是类指数函数，一个是一次函数，当T 趋向于无穷小时惯性环节可以近似为积分环节。

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？

答：当t=T 的时候在惯性环节是U (0)=63.2%U

无穷大，而积分环节是U （0）=U i

4．为什么实验中实际曲线与理论曲线有一定误差？

答：人为输入信号时存在时间间隙