自控实验报告模板Word格式文档下载.docx

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三、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）、USB数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB接口线；

3.双踪慢扫描示波器一台（可选）；

四、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；

五、实验步骤及结果：

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Z1和Z2表示由R、C构成的复数阻抗。

1.比例（P）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：

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R0=200K。

1）若比例系数K=1时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=100K。

单位阶跃响应曲线如下：

2）若比例系数K=2时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=200K。

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。

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R0=200K。

1）若积分时间常数T=1S时，电路中的参数取：

R=100K，C=10uF（T=RC=100K×

10uF=1），单位阶跃响应曲线如下：

2）若积分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：

R=100K，C=1uF（T=RC=100K×

1uF=0.1），单位阶跃响应曲线如下：

3.比例积分（PI）环节

比例积分环节的传递函数与方框图分别为：

其中T=R2C，K=R2/R1

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:

1）若取比例系数K=1、积分时间常数T=1S时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=100K，C=10uF（K=R2/R1=1,T=R1C=100K×

10uF=1）,单位阶跃响应曲线如下：

2）若取比例系数K=1、积分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=100K，C=1uF（K=R2/R1=1,T=R1C=100K×

1uF=0.1S）。

其单位阶跃响应曲线如下：

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

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：

1）

若比例系数K=1、微分时间常数T=1S时，电路中的参数取：

10uF=1S）。

2）若比例系数K=0.5、微分时间常数T=1S时，电路中的参数取：

R1=200K，R2=100K，C=10uF（K=R2/R1=0.5,T=R1C=100K×

5.惯性环节

惯性环节的传递函数与方框图分别为：

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：

1）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=10uF（K=R2/R1=1,T=R2C=100K×

10uF=1）。

2）若比例系数K=1、时间常数T=2S时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=200K，C=10uF（K=R2/R1=2,T=R2C=200K×

10uF=2）。

六、实验结果分析：

1.比例环节：

由图像可知，当R2由100k变为200k（即比例系数由k=1变为k=2）时，输出信号变成原来的两倍。

2.积分环节：

由图像可知，当C由10uF变为1uF（即积分时间常数由T=1S变为T=0.1S）时，输出信号上升速率变快（即图像的斜率变大）。

3.比例积分环节：

4.比例微分环节：

由图像可知，当R1由100k变为200k（即比例系数由k=1变为k=0.5）时，输出信号变小。

5.惯性环节：

由图像可知，当R2由100k变为200k（即时间常数由T=1S变为T=2S）时，输出信号上升速率减慢，达到稳定时，输出信号的稳态值也变大。

七、实验注意事项：

1.为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件上的分频系数（一般调至刻度“2”处）；

2.当实验电路中有积分环节时，实验前一定要用锁零单元进行锁零，实验时要退去锁零。

3.在比例积分环节中，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.在惯性环节中，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。

八、实验心得：

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：

（1）假定运放具有理想特性，即满足“虚短”“虚断”特性；

（2）运放的静态量为零，个输入量、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？

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。

3.为什么实验中实际曲线与理论曲线有一定误差？

实验使用的设备中的电器元件本身就受到干扰，对实验曲线有影响，故有误差。

自动控制实验是《热工过程自动控制原理》这门课程的实践性学习的一个部分。

自控实验是将书本上理论抽象的知识转变为图像等具体的表现，既提高了我们的动手操作能力，又巩固了这门课的理论知识。

这次实验，我们主要熟悉了比例、积分、微分、惯性环节的阶跃响应特性及其电路模拟；

动手测量了各典型环节的阶跃响应曲线，并从图像中了解了参数变化对其动态特性的影响。

我们在这次实验中学习了这些基本环节及其的一些简单组合，对我们在自动控制课程中学习复杂的系统有很大的帮助。

系统动态特性的基本表达方式是微分方程，传递函数是常系数线性微分方程的一种表达形式。

脉冲响应函数和阶跃响应函数也是系统动态特性的表达方式。

由本次实验可知，用阶跃响应曲线表示系统的动态特性比较形象，它也是了解和测试系统动态特性的一种常用方法。