1、实验一THBDC1典型环节的电路模拟一、 实验目的1. 了解THBDC-1控制及理论实验平台的硬件组成和软件使用2. 掌握典型环节的电路模拟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、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. 熟悉THBDC-1控制理论实验平台的硬件组成和软件使用。2. 设计并组建比例、积分、微分、惯性、等典型环节的模拟电路；3. 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、 实验步骤1. 熟悉THBDC
2、-1控制理论实验平台的相关硬件；直流稳压电源、阶跃信号发生器、低频函数信号发生器、锁零按钮、通用单元电路、数据采集接口单元、实物实验单元2. 熟悉THBDC-1控制理论实验平台的软件3. 设计组建比例、积分、微分、惯性、等典型环节的模拟电路并测试1） 比例（P）环节传递函数 G（s）=Uo(s)/Ui(s)=K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组建相应的模拟电路，如下根据模拟电子技术的信号的运算和处理章节 有关反相比例运算电路部分可知K的绝对值=R2/R1图中后一个单元为反相器，其中R0=200K若比例系数K=1时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K若比例系数K=
3、2时，电路中的参数取：R1=100K，R2=200K 若比例系数K=4时，电路中的参数取：R1=51K，R2=200K当ui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。K=1 比例环节 单位阶跃响应曲线K=2 比例环节 单位阶跃响应曲线K=4 比例环节 单位阶跃响应曲线2） 积分（I）环节传递函数 G（s）=Uo(s)/Ui(s)=1/(Ts)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组建相应的模拟电路，如下图所示。若积分时间常数T=1S时，电路中参数取：R=100K，C=10F若积分时间常数T=0.1S、0.5S时，电路中电阻电
4、容参数应如何选取？ T=RCT=0.1S时，电路中参数取：R=100K，C=1FT=0.5S时，电路中参数取：R=51K， C=10F当ui为单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测，并记录相应T值时的实验曲线，并与理论值进行比较积分时间常数T=1S的输出响应曲线积分时间常数T=0.1S的输出响应曲线积分时间常数T=0.5S的输出响应曲线分析实验步骤1）2）可得以下结论：比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造系统的不稳定。参数K的大小决定了系统输出特性值的稳
5、态值，K越大稳态值越大。积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数T，T越小，积分作用就越强，实验输出响应曲线的斜率就越大，上升时间短。反之积分作用就弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。 3） 比例积分（PI）环节传递函数 G（s）=Uo(s)/Ui(s)= K+ 1/(Ts)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R0=200K若比例系数K=1、积分时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=100
6、K，R2=100K，C=10F若比例系数K=1、积分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=1F T=R2*C K=R2/R1 当ui为单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测并记录相应T及K值时的实验曲线，并与理论值进行比较。比例系数K=1，积分时间常数T=1S 比例系数K=1，积分时间常数T=0.1SPI比例积分环节无差控制，比例控制作用为主， 积分控制作用为辅（仅用于消除稳态偏差）4） 比例微分（PD）环节 传递函数 G(s)=Uo(s)/Ui(s)=K(1+Ts)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组建相应的模拟电路，如下图所
7、示。图中后一个单元为反相器，其中R0=200K若比例系数K=1、微分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=1F若比例系数K=1、微分时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10F K=R2/R1=1 T=R1*C 当ui为单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测并记录相应T及K值时的实验曲线，并与理论值进行比较。若比例系数K=1、微分时间常数T=0.1S时若比例系数K=1、微分时间常数T=1S时微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前
8、，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能，在微分时间选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。5） 比例微分积分（PID）环节根据比例微分积分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计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R0=200K传递函数 G(s) = Kp + Td* S + 1/ (Ti*S) K=(R1C1+R2C2)/R1C2 Td=R2C1 Ti=R1C2 若比例系数K=2、积分时间常数T1=0.1S、微分时间常数Td=0.1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=
9、100K，C1=1F，C2=1F若比例系数K=1.1、积分时间常数T1=1S、微分时间常数Td=0.1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C1=1F，C2=10F比例系数K=2、积分时间常数T1=0.1S、微分时间常数Td=0.1S比例系数K=1.1、积分时间常数T1=1S、微分时间常数Td=0.1S由图可知，比例K越大，则响应中比例环节的放大系数越大，而实验中的电容C2改变了积分时间常数Ti，Ti越大，则积分环节上升时间越长，Ti越小，则上升时间越短。6） 惯性环节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
10、中R0=200K一阶惯性环节的传递函数 G（s）= K/(Ts+1) K=R2/R1 T=R2*C 若比例系数K=1、时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=100K、R2=100K、C=10F若比例系数K=1、时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：R1=100K、R2=100K、C=1F当ui为单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测并记录相应K、T1、Td值时的实验曲线，并与理论值进行比较。比例系数K=1、时间常数T=1S 比例系数K=1、时间常数T=0.1S一阶惯性环节的时间常数T 影响系统阶跃响应到达稳态的速度，T越小调节速度越快到达稳态用时越短。7） 根据实验时存储的波形及记
11、录的实验数据完成实验报告。六， 实验思考题1.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？惯性环节的特点是 当输入x(t)作阶跃变化时,输出y(t)不能立刻达到稳态值,瞬态输出以指数规律变化。而积分环节 当输入为单位阶跃信号时 输出为输入对时间的积分,输出y(t)随时间呈直线增长。 当T趋于无穷大时 惯性环节可以近似地视为积分环节,当T趋于0时 惯性环节可以近似地视为比例环节。2.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? 测定时间常数T的方法 用示波器的“
12、时标”开关测出过渡过程时间t(即98%Uo时的时间) 由公式T = t/4计算时间常数在积分环节中，单位阶跃响应曲线最高与最低两个拐点对应的横坐标差，即为时间常数T；在惯性环节中，上升到最终上升幅度63.2%（即1-1/e）的点对应的横坐标与上升起点横坐标的差，即时间常数T。3为什么实验中实际曲线与理论曲线有一定误差？因为电阻、电容实际上并不严格是线性的，而且受工艺、环境温度等影响，元件的电阻值、电容值与标称值都存在误差；另外，运放也不是理想运放。4. 为什么PD实验在稳定状态时曲线有小范围的振荡？ 存在对偏差十分敏感的微分环节，而输入信号并不是严格平直光滑的，其上的噪声经过微分环节后会被放大，呈现出明显的小范围振荡。
