实验一THBDC-1典型环节的电路模拟

北京工业大学 自动化专业 一 一 实验目的实验目的 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 二 实验设备实验设备 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 三 实验内容实验内容 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 四 实验步骤实验步骤 1 熟悉 THBDC 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 比例 P 环节 环节 传递函数传递函数 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 北京工业大学 自动化专业 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 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 当当 ui 为一单位阶跃信号时 用为一单位阶跃信号时 用 THBDC 1 软件观测 并记录相应软件观测 并记录相应 K 值时的值时的 实验曲线 并与理论值进行比较 实验曲线 并与理论值进行比较 K 1K 1 比例环节比例环节 单位阶跃响应曲线单位阶跃响应曲线 K 2K 2 比例环节比例环节 单位阶跃响应曲线单位阶跃响应曲线 北京工业大学 自动化专业 K 4K 4 比例环节比例环节 单位阶跃响应曲线单位阶跃响应曲线 2 积分 积分 I 环节 环节 传递函数传递函数 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 路 如下图所示 北京工业大学 自动化专业 若积分时间常数 T 1S 时 电路中参数取 R 100K C 10 F 若积分时间常数 T 0 1S 0 5S 时 电路中电阻电容参数应如何选取 T RC T 0 1S 时 电路中参数取 R 100K C 1 F T 0 5S 时 电路中参数取 R 51K C 10 F 当当 ui 为单位阶跃信号时 用为单位阶跃信号时 用 THBDC 1 软件观测 并记录相应软件观测 并记录相应 T 值时的实值时的实 验曲线 并与理论值进行比较验曲线 并与理论值进行比较 积分时间常数积分时间常数 T 1ST 1S 的输出响应曲线的输出响应曲线 积分时间常数积分时间常数 T 0 1ST 0 1S 的输出响应曲线的输出响应曲线 北京工业大学 自动化专业 积分时间常数积分时间常数 T 0 5ST 0 5S 的输出响应曲线的输出响应曲线 分析实验步骤分析实验步骤1 2 可得以下结论 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 比例积分 PI 环节 环节 传递函数传递函数 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 北京工业大学 自动化专业 若比例系数 K 1 积分时间常数 T 1S 时 电路中的参数取 R1 100K R2 100K C 10 F 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 1 F 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 比例系数比例系数 K 1K 1 积分时间常数 积分时间常数 T 1ST 1S 比例系数比例系数 K 1K 1 积分时间常数 积分时间常数 T 0 1ST 0 1S PIPI 比例积分环节比例积分环节 无差控制 比例控制作用为主 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 积分控制作用为辅 仅用于消除稳态偏差 北京工业大学 自动化专业 4 比例微分 比例微分 PD 环节 环节 传递函数传递函数 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 1 F 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 10 F 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 北京工业大学 自动化专业 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 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 比例微分积分 PID 环节 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 若比例系数若比例系数 K 2 积分时间常数 积分时间常数 T1 0 1S 微分时间常数 微分时间常数 Td 0 1S 时 电路时 电路 中的参数取 中的参数取 R1 100K R2 100K C1 1 F C2 1 F 若比例系数若比例系数 K 1 1 积分时间常数 积分时间常数 T1 1S 微分时间常数 微分时间常数 Td 0 1S 时 电路时 电路 中的参数取 中的参数取 R1 100K R2 100K C1 1 F C2 10 F 北京工业大学 自动化专业 比例系数比例系数 K 2K 2 积分时间常数 积分时间常数 T1 0 1ST1 0 1S 微分时间常数 微分时间常数 Td 0 1STd 0 1S 比例系数比例系数 K 1 1K 1 1 积分时间常数 积分时间常数 T1 1ST1 1S 微分时间常数 微分时间常数 Td 0 1STd 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 北京工业大学 自动化专业 6 惯性环节惯性环节 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 其中 R0 200K 一阶惯性环节的传递函数一阶惯性环节的传递函数 G G s s K Ts 1 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 10 F 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 1 F 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 北京工业大学 自动化专业 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录的实验数据完成实验报告 根据实验时存储的波形及记录的实验数据完成实验报告 北京工业大学 自动化专业 六 六 实验思考题实验思考题 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 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