典型環(huán)節(jié)的練習(xí)

1、熱工過程自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告白思平03015413實(shí)驗(yàn)一典型環(huán)節(jié)的電路模擬、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? .熟悉THBDC-1型信號(hào)與系統(tǒng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及上位機(jī)軟件的使用；2 .熟悉各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)特性及其電路模擬；3 .測(cè)量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，并了解參數(shù)變化對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響。、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. THBDC-1型控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；2. PC機(jī)一臺(tái)(含上位機(jī)軟件卜數(shù)據(jù)采集卡、37針通信線1根、16芯數(shù)據(jù)排線、采接卡接口線;、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 .設(shè)計(jì)并組建各典型環(huán)節(jié)的模擬電路；2 .測(cè)量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)，并研究參數(shù)變化對(duì)其輸出響應(yīng)的影響;四、實(shí)驗(yàn)原理自控系統(tǒng)是由比例、積分、微分

2、、慣性等環(huán)節(jié)按一定的關(guān)系組建而成。熟悉這些典型環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)及其對(duì)階躍輸 入的響應(yīng)，將對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析是十分有益的。本實(shí)驗(yàn)中的典型環(huán)節(jié)都是以運(yùn)放為核心元件構(gòu)成，其原理框圖- + L如圖1-1所示。圖中Z1和Z2表示由R、C構(gòu)成的復(fù)數(shù)阻抗。31.比例(P)環(huán)節(jié)圖1-1比例環(huán)節(jié)的特點(diǎn)是輸出不失真、不延遲、成比例地復(fù)現(xiàn)輸出信號(hào)的變化。它的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：G(S)=U=KUi(S)_2.積分(I)環(huán)節(jié)圖1-2 積分環(huán)節(jié)的輸出量與其輸入量設(shè)二 _1_Ts壓f小j 當(dāng)Ui(S)B入端輸入一個(gè)單位階躍彳t號(hào)，且比例系數(shù)為K時(shí)的響應(yīng)曲線如圖1-2所示。對(duì)時(shí)間的積分成正比。它的傳遞函數(shù)與方框圖分別為:蹴4

3、U)沖)- T, 城芬系數(shù)為T時(shí)的響應(yīng)曲線如圖1-3所示。圖1-33.比例積分（PI）環(huán)節(jié)比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為:G(s)=Uo(S)UTSTR2CS 1 R21R21:一-二一(1 )RiCSR1 RCS R1R2CS其中 T=R>C, K=F2/R1+U4)1-4示出了比例系數(shù)（K）為1、積分系數(shù)為T時(shí)的PI輸出響應(yīng)曲線。設(shè)U（S）為一單位階躍信號(hào)，圖圖1-44.比例微分（PD環(huán)節(jié) 比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為:R2G(s)= K(1+TS) =(1 + RCS)其中R111 / 8K = R2/R,Td = RC設(shè)Ui（S）為一單位階躍信號(hào)，圖 1-5示出了比

4、例系數(shù)（K）為2、微分系數(shù)為Td時(shí)PD的輸出響應(yīng)曲線。圖1-5.5.慣性環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與電叫iI* t 方框圖分別為:Uo（S） K當(dāng)Ui（s并收卻）f?U附位TS編號(hào)，且放大系數(shù)線如圖1-7所示。 1T時(shí)響應(yīng)曲圖1-7五、實(shí)驗(yàn)步驟電壓/叼圖中后一個(gè)單元若比例系數(shù)K=1若比例系數(shù)K=2當(dāng)Ui為一單位階其中通道AD1接電路錄相應(yīng)K值時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線，并與理論值進(jìn)行比較。另外R2還可使用可變電位器，以實(shí)現(xiàn)比例系數(shù)為任意設(shè)定值。注：為了更好的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)曲線，實(shí)驗(yàn)時(shí)可適當(dāng)調(diào)節(jié)軟件上的分頻系數(shù) 基自動(dòng)），以下實(shí)驗(yàn)相同。1 .比例（P）環(huán)節(jié)根據(jù)比例環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建相應(yīng)的

5、模擬電路，如下圖所示。為反相器，其中Ro=200Ko時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟=100K, R2=100Ko時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟=100K, R2=200K。躍信號(hào)時(shí)，用上位軟件觀測(cè)（選擇“通道1-2”,的輸出uo；通道AD2接電路的輸入U(xiǎn)i）并記（一般調(diào)至刻度2）和選擇“ M ”按鈕（時(shí)2 .積分(I)環(huán)節(jié)圖中后一個(gè)單元 若積分時(shí)間常數(shù)C=10uF(T=RC=100K X 若積分時(shí)間常數(shù)根據(jù)積分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建相應(yīng)的模擬電路，如下圖所示。為反相器，其中Ro=200KoT=1S時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟=100K,10uF=1);T=0.1S時(shí)，電路 中的 參數(shù) 取

6、：R=100K,C=1uF(T=RC=100K 1uF=0.1);當(dāng)口為一單位階躍信號(hào)時(shí)，用上位機(jī)軟件觀測(cè)并記錄相應(yīng)T值時(shí)的輸出響應(yīng)曲線，并與理論值進(jìn)行比較。注：當(dāng)實(shí)驗(yàn)電路中有積分環(huán)節(jié)時(shí)，實(shí)驗(yàn)前一定要用鎖零單元進(jìn)行鎖零，實(shí)驗(yàn)時(shí)要退去鎖零。3 .比例積分(PI環(huán)節(jié)根據(jù)比例積分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建相應(yīng)的模擬電路，如下圖所示。Ri=100K, R2=100K, C=1uF(K=圖中后一個(gè)單元為反相若取比例系數(shù) K=1、積Ri=100K ,R2=100K ,若取比例系數(shù) K=1、積器，其中Rd=200Ko分時(shí)間常數(shù) T=1S時(shí)，電路中的參數(shù)?。篊=10uF(K= R/ R

7、1=1,T=RC=100KX 10uF=1);分時(shí)間常數(shù) T=0.1S時(shí)，電路中的參數(shù)?。?R2/ R1=1,T=RC=100KX 1uF=0.1S)。通過改變 以、Ri、C的值可改變比例積分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和積分時(shí)間常數(shù) To當(dāng)Ui為一單位階躍信號(hào)時(shí)，用上位軟件觀測(cè)并記錄不同K及T值時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線，并與理論值進(jìn)行比較。4 .比例微分(PD環(huán)節(jié)圖中后一個(gè)單元為若比例系數(shù)K=1、微R2=100K, C=10uF(K= r/若比例系數(shù) K=0.5、根據(jù)比例微分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建其模擬電路，如下圖所示。反相器，其中R3=200Ko0分時(shí)間常數(shù)T=1S時(shí)，電路中的參數(shù)取：

8、R=100K, R=1,T=RC=100KX 10uF=1S);微分時(shí)間常數(shù) T=1S時(shí)，電路中的參數(shù)取：R=200K, R2=100K, C=10uF(K= R R1=0.5,T=RC=100KX 10uF=1S);當(dāng)u為一單位階躍信號(hào)時(shí)，用上位軟件觀測(cè)并記錄不同K及T值時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線，并與理論值進(jìn)行比較。注：本實(shí)驗(yàn)中的10uF電容需從實(shí)驗(yàn)臺(tái)左面板“通用單元電路五”中連接。5 .慣性環(huán)節(jié)圖中后一個(gè)單元若比例系數(shù)K=1、C=10uF(K=R2/若比例系數(shù)K=1、根據(jù)慣性環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建其相應(yīng)的模擬電路，如下圖所示。為反相器，其中 R3=200Ko時(shí)間常數(shù)T=1S

9、時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟=100K, R2=100K,R=1,T=F2C=100KX 10uF=1)。時(shí)間常數(shù)T=2S時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100K, R2=200K,C=10uF(K= R/ Ri=2,T=R2C=200KX 10uF=2)。通過改變 以、Ri、C的值可改變慣性環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和時(shí)間常數(shù)T。當(dāng)Ui為一單位階躍信號(hào)時(shí)，用上位軟件觀測(cè)并記錄不同K及T值時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線，并與理論值進(jìn)行比較。6根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)存儲(chǔ)的波形及記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1比例環(huán)節(jié)比例系數(shù)K=1傳遞函數(shù)G (s) =1比例系數(shù)K=2傳遞函數(shù)G (s) =22積分環(huán)節(jié)積分時(shí)間常數(shù) T=1S傳遞函數(shù)G (

10、s) =1/shIJ I& T, NJ/ff/fnF r tijfffn麟N小NH鼠,'WH【膿論J / J / iff/ffj/f/I " / I iff ifff由 "HHRi川撲出:, 哪雌 螂哪Fj川出以卅丁出:飛物產(chǎn)，*蛾瞰端”靠;!積分時(shí)間常數(shù)T=2S傳遞函數(shù)G (s) =1/2s3比例積分環(huán)節(jié)比例系數(shù)K=1、積分時(shí)間常數(shù) T=1S傳遞函數(shù)G (s) =1 + 1/s比例系數(shù)K=1、積分時(shí)間常數(shù) T=0.1S傳遞函數(shù)G (s) =1 + 10s4比例微分環(huán)節(jié)比例系數(shù)K=1、微分時(shí)間常數(shù) T=1S傳遞函數(shù)G (s) =1+s比例系數(shù)K=0.5、微分

11、時(shí)間常數(shù) T=1S傳遞函數(shù)G (s) =0.5 (1+s)5慣性環(huán)節(jié)比例系數(shù)K=1、時(shí)間常數(shù)T=1S傳遞函數(shù)G (s) =1/ (1+s)比例系數(shù)K=1、時(shí)間常數(shù)T=2S傳遞函數(shù)G (s) =1/ (1+2s)七、實(shí)驗(yàn)思考題1 .用運(yùn)放模擬典型環(huán)節(jié)時(shí)，其傳遞函數(shù)是在什么假設(shè)條件下近似導(dǎo)出的？答：(1)假設(shè)運(yùn)放具有理想特性，即滿足“虛短”“虛斷”特性。(2)運(yùn)放的靜態(tài)量為零，個(gè)輸入量、輸出量和反饋量都可以用瞬時(shí)值表示其動(dòng)態(tài)變化。2 .積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差別是什么？在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為積分環(huán)節(jié)？而又在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為比例環(huán)節(jié)？答：他們的主要區(qū)別在于輸入階躍信號(hào)時(shí)慣性環(huán)節(jié)最終系統(tǒng)將會(huì)趨于穩(wěn)定，然而積分在T趨于無窮大時(shí)，慣性環(huán)節(jié)可近似視為積分環(huán)節(jié)。在T趨于無窮小時(shí)，慣性環(huán)節(jié)可近似視為比例環(huán)節(jié)。3 . 在積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)中，如何根據(jù)單位階躍響應(yīng)曲線的波形，確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)？答：對(duì)于積分環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù) T,即為輸出信號(hào)曲線與輸入階躍信號(hào)曲線的交點(diǎn)和階躍信號(hào)的起點(diǎn)之間的橫坐 標(biāo)的差值。而慣性環(huán)節(jié)的 T即為過輸出信號(hào)曲線的起始點(diǎn)作輸出信號(hào)曲線的切線，確定該線與輸出信號(hào)的穩(wěn)定值曲 線的交點(diǎn)，該交點(diǎn)與輸出曲線起始點(diǎn)的橫坐標(biāo)的差值。4 . 為什么實(shí)驗(yàn)中實(shí)際曲線與理論曲線有一定誤差？答：因?yàn)檫x擇的電子元器件