东南大学能环学院实验
报告
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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院（系）：专业：热能与动力工程姓名：学号：实验室：实验组别：同组人员：实验时间：评定成绩：审阅教师：目录一、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
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……………………………………………………………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
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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。图中和表示由构成的复数阻抗。1、比例环节图1-1 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：当输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为时的响应曲线如图1-2所示。2、积分环节图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：设为一单位阶跃信号，当积分系数为时的响应曲线如图1-3所示。图1-33、比例积分环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为：其中，设为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数为1、积分系数为时的输出响应曲线。图1-44、比例微分环节比例微分环节的传递函数与方框图分别为：其中设为一单位阶跃信号，图1-5示出了比例系数为2、微分系数为时的输出响应曲线。图1-55、惯性环节惯性环节的传递函数与方框图分别为：当输入端输入一个单位阶跃信号，且放大系数为1、时间常数为时响应曲线如图1-7所示。图1-7四、实验步骤1、比例环节实验步骤：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。若比例系数K=1时，电路中的参数取：，。若比例系数K=2时，电路中的参数取：，。当为一单位阶跃信号时，用上位软件观测(选择“通道1-2”，其中通道接电路的输出；通道接电路的输入并记录相应值时的实验曲线，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。若积分时间常数时，电路中的参数取：，；若积分时间常数时，电路中的参数取：，；当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。图中后一个单元为反相器，其中。若取比例系数、积分时间常数时，电路中的参数取：若取比例系数、积分时间常数时，电路中的参数取：通过改变、、的值可改变比例积分环节的放大系数和积分时间常数。当为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同及值时的实验曲线，并与理论值进行比较。4、比例微分环节实验步骤：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。图中后一个单元为反相器，其中。若比例系数、微分时间常数时，电路中的参数取：若比例系数、微分时间常数时，电路中的参数取：当为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同及值时的实验曲线，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。图中后一个单元为反相器，其中。若比例系数、时间常数时，电路中的参数取：，，。若比例系数、时间常数时，电路中的参数取：，，通过改变、、的值可改变惯性环节的放大系数和时间常数。当为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同及值时的实验曲线，并与理论值进行比较。五、实验记录1、比例环节当电路参数取：，，其比例系数K=1。对于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：，，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：2、积分环节当电路参数取：，，其积分时间常数。对于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：，，其积分时间常数。对于为一单位阶跃信号时，实验记录响应曲线如下：3、比例积分环节当电路参数取：，其比例系数K=1、积分时间常数。对于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：，其比例系数K=1、积分时间常数。对于为一单位阶跃信号时，实验记录响应曲线如下：4、比例微分环节当电路参数取：，其比例系数K=1、微分时间常数。对于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：，其比例系数K=0.5、微分时间常数。对于为一单位阶跃信号时，实验记录响应曲线如下：5、惯性环节当电路参数取：，其比例系数K=1、时间常数。对于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：，其比例系数K=2、时间常数。对于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
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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。15
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