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THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台及上位机软件的使用；

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(含上位机软件)、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、实验原理及其步骤

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是十分有益的。本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成。

实验准备：

①当u i为一单位阶跃信号时，用上位软件观测，选择“通道1-2”，其中通道AD1接电路的输出u O；通道AD2接电路的输入

u。

i

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以上)和“”按钮(时基自动)。

③如采集卡不能正常采集数据，请更新USB数据采集卡驱动。

具体操作步骤：右击“我的电脑”，点击“管理”-“设备管理器”-“通用串行总线控制器”，找到“UsbCard Device”，右击-“卸载”，确定。卸载后再次点击“计算机管理”菜单中的“操作”-选择“扫描检测硬件改动”，打开硬件安装向导，选择“从列表或指定位置安装（高级）”，点击“下一步”，点击“浏览”，驱动在D盘THBDC软件文件夹中，选择安装即可。

④实验电路中如使用到电容时，每次试验中需要利用“锁零按钮”对电容进行放电复位处理。

⑤输入阶跃信号幅值调节在±2V 以内。

1. 比例（P ）环节

根据比例环节，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，如图1-1所示。

图1-1比例环节电路图

图中后一个单元为反相器，直接使用实验台U6单元。

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。它的传递函数为：

21

()()()O i U S R G S K U S R === 若比例系数K=1时，电路中的参数取：R 1=100K ，R 2=100K 。

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

当u i 为阶跃信号时,记录相应K 值时的实验曲线，并与理论值进行比较。

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设计并组建相应的模拟电路，如图1-2所示。

图1-2积分环节电路图 积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。它的传递函数为：

()11()()O i U S G s U S RCS Ts

===

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u i 为阶跃信号时，用上位机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。

3. 比例积分(PI)环节

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设计并组建相应的模拟电路，如图1-3所示。

图1-3比例积分环节电路图

比例积分环节的传递函数为：

22211112()1111()(1)(1)()O i U S R CS R R G s K U S R CS R R CS R R CS TS

+===+=+=+ 若取比例系数K=1、积分时间常数T=1S 时；电路中的参数取：R 1=100K ，R 2=100K ，C=10uF(K= R 2/ R 1=1,T=R 2C=100K ×10uF=1S)；

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：R 1=100K ，R 2=100K ，C=1uF(K= R 2/ R 1=1,T=R 2C=100K ×1uF=0.1S)。

当u i 为阶跃信号时，用上位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. 微分（D ）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设计并组建其模拟电路，如图1-4所示。

图1-4微分环节电路图 微分环节的传递函数为：1()()()

O D i U S G s R CS T S U S === 若取微分时间常数T=1S 时；电路中的参数取：

R 1=100K ， C=10uF(T D =R 1C=100K ×10uF=1S)；

若取微分时间常数T=0.1S 时，电路中的参数取：

R 1=100K ， C=1uF(T D =R 1C=100K ×1uF=0.1S)。

当u i 为阶跃信号时，用上位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。

5. 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设计并组建其模拟电路，如图1-5所示。

图1-5比例微分(PD)环节电路图 比例微分环节的传递函数为：211

()(1)(1)R G s R CS K TS R =+=+ 若比例系数K=1、微分时间常数T=1S 时，电路中的参数取：

R 1=100K ，R 2=100K ，C=10uF(K= R 2/ R 1=1,T=R 1C=100K ×10uF=1S)；

若比例系数K=0.5、微分时间常数T=1S 时，电路中的参数取：

R 1=200K ，R 2=100K ，C=10uF(K= R 2/ R 1=0.5,T=R 1C=100K ×10uF=1S)；

当u i 阶跃信号时，用上位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。

6. 比例积分微分(PID)环节

根据比例积分微分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建其相应的模拟电路，如图1-6所示。