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1、实验一 典型环节的电路模拟一、实验目的1熟悉THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱及“THKKL-6”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1THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱；2PC机一台(含“THKKL-6”软件)；3USB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
2、析十分有益。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Z1和Z2表示由R、C构成的复数阻抗。图1-1 典型环节的原理框图1 比例（P）环节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。它的传递函数与方框图分别为：当Ui(S)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。图1-2 比例环节的响应曲线2积分（I）环节 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：设Ui(S)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。图1-3 积分环节的响应曲线3比例积分(PI)环节比例积分环节的
3、传递函数与方框图分别为：其中T=R2C，K=R2/R1设Ui(S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T时的PI输出响应曲线。图1-4 比例积分环节的响应曲线4比例微分(PD)环节比例微分环节的传递函数与方框图分别为： 其中设Ui(S)为一单位阶跃信号，图1-5示出了比例系数(K)为2、微分系数为T时PD的输出响应曲线。图1-5 比例微分环节的响应曲线5比例积分微分(PID)环节比例积分微分(PID)环节的传递函数与方框图分别为：其中， 设Ui(S)为一单位阶跃信号，图1-6示出了比例系数(K)为1、微分系数为TD、积分系数为TI时PID的输出。图1-6 PID环节的
4、响应曲线6惯性环节惯性环节的传递函数与方框图分别为：当Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且放大系数(K)为1、时间常数为T时响应曲线如图1-7所示。图1-7 惯性环节的响应曲线五、实验步骤【完成表一内容】1比例（P）环节根据比例环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图1-8所示。图1-8 比例环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中R0=200k。注： 实验中注意“锁零按钮”和“阶跃按键”的使用，实验时应先弹出“锁零按钮”，然后按下“阶跃按键”，具体请参考第一部分“硬件的组成及使用”相关部分； 为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件上的时间轴刻度，以下
5、实验相同。2积分（I）环节根据积分环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图1-9所示。图1-9 积分环节的模拟电路注：由于实验电路中有积分环节，实验前一定要用“锁零单元”对积分电容进行锁零。3比例积分(PI)环节根据比例积分环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图1-10所示。图1-10 比例积分环节的模拟电路注：通过改变R2、R1、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T。4比例微分(PD)环节根据比例微分环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建其模拟电路，如图1-11所示。图1-11 比例微分环节的模拟电路5
6、比例积分微分(PID)环节根据比例积分微分环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建其相应的模拟电路，如图1-12所示。图1-12 比例积分微分环节的模拟电路当ui为一单位阶跃信号时，用“THKKL-6”软件观测并记录不同K、TI、TD值时的实验曲线，并与理论值进行比较。6惯性环节根据惯性环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建其相应的模拟电路，如图1-13所示。图1-13 惯性环节的模拟电路参照上述原理内容与实验电路图，完成表一：表一： 典型环节传递函数参数与模拟电路参数关系单位阶跃响应实测阶跃响应曲线比例电路图图1-8K=o(t)=KR0=200KR1=100KR2=10
7、0KR2=200K积分I电路图图1-9T=RCo(t)=R0=200K R=100KC=1FC=10uF比例积分PI电路图图1-10K=T=R2Co(t)=K+R0=200KR1=100KR2=100KC=1uFC=10uF比例微分PD电路图图1-11K=T=Ro=200K R1=100KR2=100KC=1uFC=10uF比例积分微分PID电路图图1-12Ro=200KR1=100KR2=100KC1=1FC2=1uFC2=10uF说明：1.通过改变R2、R1、C的值可改变惯性环节的放大系数K和时间常数T。 2.为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件上的时间轴刻度。当ui为一单位阶跃信
8、号时，用“THKKL-6”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。7根据实验时存储的波形及记录的实验数据完成实验报告。六、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。七、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？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？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？4为什么实验中实际曲线与理论曲线有一定误差？5为什么PD实验在稳定状态时曲线有小范围的振荡？
自控实验一典型环节的电路模拟
