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典型环节的电路模拟
东南大学能环学院
实验报告
课程名称:
热工过程自动控制原理
第一次实验
实验名称:
典型环节的电路模拟
热能与动力工程
一、实验目的3
二、实验设备3
三、实验原理3
四、实验步骤6
五、实验记录8
六、实验总结12
一、实验目的
1、熟悉THBDC-1型信号与系统•控制理论及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)、数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、采接卡接口线。
三、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,其原理框图如图1-1所示。
图中厶
和八表示由-「构成的复数阻抗。
图1-1
成比例地复现输出信号
1、比例〔卩)环节
比例环节的特点是输出不失真、不延迟、
的变化。
它的传递函数与方框图分别为:
G(S)
Ui(S)
U°(S)
当|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。
2、积分〔I)环节
图1-2
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)
G(s)苗TS
恥)
设「厂为一单位阶跃信号,当积分系数为
T时的响应曲线如图
1-3所示。
>LJl( (J 3、比例积分|〔P1)环节 U( it K 比例积分环节的传递函数与方框图分别为: 其中T二&C, K=«2/«1 1Ts 图1-3 Uo(S)R2C^J Ui(S)RQS 设I为一单位阶跃信号,图 R2 R1 1-4 1 RQS 示出了比例系数K为1、积分 系数为丨时的丨输出响应曲线 4、比例微分环节 比例微分环节的传递函数与方框图分别为: 设I为一单位阶跃信号,图 系数为时」的输出响应曲线。 电压3丿4 1ut(t) t 0 图1-5 5、惯性环节 惯性环节的传递函数与方框图分别为: 当50)输入端输入一个单位阶跃信号,且放大系数|k为1、时间 电斥(叫 1 fH 0 图1-7 四、实验步骤 1、比例(P)环节 实验步骤: 先根据比例环节的方框图,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,如下图所示。 图中后一个单元为反相器,其中殓=200K。 若比例系数K=1时,电路中的参数取: “「宀',1「⑺。 若比例系数K=2时,电路中的参数取: “,‘: : 1'■■■o 当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ADi接电路的输出山;通道接电路的输入5并记录相应|k值时的实验曲线,并与理论值进行比较。 另外,还可使用可变电位器,以实现比例系数为任意设定值 2、积分([)环节 实验步骤: 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,如下图所示。 图中后一个单元为反相器,其中心=200心 若积分时间常数'-时,电路中的参数取: I-「\, C二10uF(T=RC二100Kx10uF=Is); 若积分时间常数时,电路中的参数取: —d .IJ|;■11■.: ; 当山为一单位阶跃信号时,用上位机软件观测并记录相应[值时的输出响应曲线,并与理论值进行比较。 3、比例积分丨环节 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,如下图所示 22 图中后一个单元为反相器,其中「 若取比例系数K二1|、积分时间常数丁=爲时,电路中的参数取: Ri=100K,R2=100K, C—10uF(K=ft/&=1,T=/? iC=1OOKxlOuF=Is); 若取比例系数K二1、积分时间常数T=61s时,电路中的参数取: R「100K,R2=100K, C=1uF(K=/? “局匸1J=fltC=lOOKxluF=01s)o 通过改变R*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|。 当口为一单位阶跃信号时,用上位软件观测并记录不同k及屮值时的实验曲线,并与理论值进行比较。 4、比例微分I、环节 实验步骤: 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,如下图所示。 R) R2 R(J U\ r Cr> Ro ■t> V 'II4 C J + + p1.JI r ■才 + + ―1 UuI~o 图中后一个单元为反相器,其中L门“。 若比例系数K=l、微分时间常数占时,电路中的参数取: /? i=100K,R2=100K, C=10uF(K=RJR\=lfT=R[C=100KxlOuF=Is); 若比例系数K=0.5、微分时间常数T-ls时,电路中的参数取: R1=200KtR2=100l C—lul: (K=R/R'=0.5.T—&C—100KxluF=O.ls)& 当口为一单位阶跃信号时,用上位软件观测并记录不同|k及片值时的实验曲线,并与理论值进行比较。 5、惯性环节 实验步骤: 根据惯性环节的方框图,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,如下图所示。 Ru MR: i 0—11—•― -> 1 Rc一^— -> Ua r + + 匚 + + 4 »——O 图中后一个单元为反相器,其中L 若比例系数K=l、时间常数T=ls时,电路中的参数取: Ri=100KR2=100K C=10uF(K=RJ&二l.T=&C=100Kx10uF=Is)。 若比例系数K=1、时间常数T-2s时,电路中的参数取: Ri=100f C=10uF(K=RJRi=2tT=JIjC=ZOOKXlOuF=2s)D 通过改变Ri、R』、c的值可改变惯性环节的放大系数k和时间常 。 当也为一单位阶跃信号时,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。 五、实验记录 1、比例(P)环节 4i-i罰 Ehl"醴 ■i'i 当电路参数取: /? ! =100K,R2=200K 。 对于 其比例系数K=2对于 •为一单位阶跃信号时,实验记录响应曲线如下: =•注 I环节 2、积分 当电路参数取: R=100K),l°uF,其积分时间常数T=ls对于5为一单位阶跃信号时,实验记录响应曲线如下: 当电路参数取: R=100乩(;=luF,其积分时间常数T=O.ls对于5为一单位阶跃信号时,实验记录响应曲线如下: 3、比例积分丨环节 WLBfw. K=1、积分时间常数T—匕。 对于I为一单位阶跃信号时,实验记录响应曲线如下: 4、比例微分I、环节 当电路参数取-■'1^■■-」! 「,其比例系数 K=1、微分时间常数"—2。 对于I为一单位阶跃信号时,实验记录响 应曲线如下: >Rfl4DChifW(UQn 嚴■MT1M思1fOlt)■斗LTW陆侮厶肛 当电路参数取: 厂一"比—一_暨龙: 〔-+」一: ,其比例系数 K=0.5、微分时间常数丁=上。 对于」为一单位阶跃信号时,实验记录响应曲线如下: Wlf? w nih(#■;■■ ■ 4- L_. * * ■n■■kh Ip#|_¥*科qJAt ViLjiTfB■»■-9口I'L—CKXU-1X3UX>-ls« U|*Ml■ ■mJit-4・hL>u-a*■ 5、惯性环节 当电路参数取-■'1^■■-」! 厂,其比例系数 K=1、时间常数匚1“。 对于「为一单位阶跃信号时,实验记录响应曲线如下: 林■【6VI曲阳” 扁iiiMJg囂! 勺II■『】•庭・片 当电路参数取: 1J川: 用,厂I比*,其比例系数 K=2、时间常数T=2s|。 对于s为一单位阶跃信号时,实验记录响应曲线如下: 六、实验总结实验思考题 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? 答: a、满足“虚短”、“虚断”特性; b、运放的静态量为零,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.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: 积分环节和惯性环节的差别在于当输入为单位阶跃信号时,积分环节输出随时间呈直线增长,而惯性环节输出以指数规律变化。 当时间t趋于无穷大时,惯性环节可近似视为积分环节;而当时间t趋于0时,惯性环节可近似视为比例环节。 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? 答: 在积分环节中,纵坐标K所对应的横坐标就是时间常数T;而在惯性环节中,在起始点做该点的切线,与y=K相交的点的横坐标就是时间常数T。 4.为什么实验中实际曲线与理论曲线有一定误差? 答: 在实验中,运放并不是理想的。 再加上元器件都有温度特性 曲线,会产生相应的误差。 5、为什么PD实验在稳定状态时曲线有小范围的振荡? 答: PD实验中存在微分环节,而微分环节对偏差很敏感,又因为输入信号中有噪音,不是平直光滑的,所以经过微分放大后,使得偏差放大,出现了小范围的振荡。 i*1■■IaII-i■II IM-F4l-lt-? ■爭13*A ・m*占・J..・[f.if邮^| 当电路参数取: &=100K,&=100K,C=luH,其比例系数 K=1、积分时间常数|匸~丈】寸。 对于•为一单位阶跃信号时,实验记录响应曲线如下:
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- 典型 环节 电路 模拟
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