典型环节的电路模拟.docx
《典型环节的电路模拟.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《典型环节的电路模拟.docx(18页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
典型环节的电路模拟
东南大学能环学院
实验报告
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
热能与动力工程
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。
图中厶
和八表示由-「构成的复数阻抗。
图1-1
成比例地复现输出信号
1、比例〔卩)环节
比例环节的特点是输出不失真、不延迟、
的变化。
它的传递函数与方框图分别为:
G(S)
Ui(S)
U°(S)
当|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。
2、积分〔I)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:
U°(S)
G(s)苗TS
恥)
设「厂为一单位阶跃信号,当积分系数为
T时的响应曲线如图
1-3所示。
>LJl((J
3、比例积分|〔P1)环节
U(
it
K
比例积分环节的传递函数与方框图分别为:
其中T二&C,
K=«2/«1
1Ts
图1-3
Uo(S)R2C^J
Ui(S)RQS
设I为一单位阶跃信号,图
R2
R1
1-4
1
RQS
示出了比例系数K为1、积分
系数为丨时的丨输出响应曲线
4、比例微分环节
比例微分环节的传递函数与方框图分别为:
设I为一单位阶跃信号,图
系数为时」的输出响应曲线。
电压3丿4
1ut(t)
t
0
图1-5
5、惯性环节
惯性环节的传递函数与方框图分别为:
当50)输入端输入一个单位阶跃信号,且放大系数|k为1、时间
电斥(叫
1
fH
0
图1-7
四、实验步骤
1、比例(P)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,其中殓=200K。
若比例系数K=1时,电路中的参数取:
“「宀',1「⑺。
若比例系数K=2时,电路中的参数取:
“,‘:
:
1'■■■o
当I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ADi接电路的输出山;通道接电路的输入5并记录相应|k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,其中心=200心
若积分时间常数'-时,电路中的参数取:
I-「\,
C二10uF(T=RC二100Kx10uF=Is);
若积分时间常数时,电路中的参数取:
—d
.IJ|;■11■.:
;
当山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、比例积分丨环节
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
22
图中后一个单元为反相器,其中「
若取比例系数K二1|、积分时间常数丁=爲时,电路中的参数取:
Ri=100K,R2=100K,
C—10uF(K=ft/&=1,T=/?
iC=1OOKxlOuF=Is);
若取比例系数K二1、积分时间常数T=61s时,电路中的参数取:
R「100K,R2=100K,
C=1uF(K=/?
“局匸1J=fltC=lOOKxluF=01s)o
通过改变R*R』、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|。
当口为一单位阶跃信号时,用上位软件观测并记录不同k及屮值时的实验曲线,并与理论值进行比较。
4、比例微分I、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。
R)
R2
R(J
U\
r
Cr>
Ro
■t>
V
'II4
C
J
+
+
p1.JI
r
■才
+
+
―1
UuI~o
图中后一个单元为反相器,其中L门“。
若比例系数K=l、微分时间常数占时,电路中的参数取:
/?
i=100K,R2=100K,
C=10uF(K=RJR\=lfT=R[C=100KxlOuF=Is);
若比例系数K=0.5、微分时间常数T-ls时,电路中的参数取:
R1=200KtR2=100l
C—lul:
(K=R/R'=0.5.T—&C—100KxluF=O.ls)&
当口为一单位阶跃信号时,用上位软件观测并记录不同|k及片值时的实验曲线,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。
Ru
MR:
i
0—11—•―
->
1
Rc一^—
->
Ua
r
+
+
匚
+
+
4
»——O
图中后一个单元为反相器,其中L
若比例系数K=l、时间常数T=ls时,电路中的参数取:
Ri=100KR2=100K
C=10uF(K=RJ&二l.T=&C=100Kx10uF=Is)。
若比例系数K=1、时间常数T-2s时,电路中的参数取:
Ri=100fC=10uF(K=RJRi=2tT=JIjC=ZOOKXlOuF=2s)D
通过改变Ri、R』、c的值可改变惯性环节的放大系数k和时间常
。
当也为一单位阶跃信号时,用上位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。
五、实验记录
1、比例(P)环节
4i-i罰
Ehl"醴
■i'i
当电路参数取:
/?
!
=100K,R2=200K
。
对于
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:
=•注
I环节
2、积分
当电路参数取:
R=100K),l°uF,其积分时间常数T=ls对于5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:
R=100乩(;=luF,其积分时间常数T=O.ls对于5为一单位阶跃信号时,实验记录响应曲线如下:
3、比例积分丨环节
WLBfw.
K=1、积分时间常数T—匕。
对于I为一单位阶跃信号时,实验记录响应曲线如下:
4、比例微分I、环节
当电路参数取-■'1^■■-」!
「,其比例系数
K=1、微分时间常数"—2。
对于I为一单位阶跃信号时,实验记录响
应曲线如下:
>Rfl4DChifW(UQn
嚴■MT1M思1fOlt)■斗LTW陆侮厶肛
当电路参数取:
厂一"比—一_暨龙:
〔-+」一:
,其比例系数
K=0.5、微分时间常数丁=上。
对于」为一单位阶跃信号时,实验记录响应曲线如下:
Wlf?
w
nih(#■;■■
■
4-
L_.
*
*
■n■■kh
Ip#|_¥*科qJAt
ViLjiTfB■»■-9口I'L—CKXU-1X3UX>-ls«
U|*Ml■
■mJit-4・hL>u-a*■
5、惯性环节
当电路参数取-■'1^■■-」!
厂,其比例系数
K=1、时间常数匚1“。
对于「为一单位阶跃信号时,实验记录响应曲线如下:
林■【6VI曲阳”
扁iiiMJg囂!
勺II■『】•庭・片
当电路参数取:
1J川:
用,厂I比*,其比例系数
K=2、时间常数T=2s|。
对于s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
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。
i*1■■IaII-i■II
IM-F4l-lt-?
■爭13*A
・m*占・J..・[f.if邮^|
当电路参数取:
&=100K,&=100K,C=luH,其比例系数
K=1、积分时间常数|匸~丈】寸。
对于•为一单位阶跃信号时,实验记录响应曲线如下: