THBDC-1《自动控制原理》课程实验指导书

THBDC-1《自动控制原理》课程实验指导书 实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真

一、实验目的

1. 熟悉THBDC-1型 控制理论·计算机控制技术实验平台及“THBDC-1”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“THBDC-1”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； 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；

3. 调用MATLAB仿真程序，完成典型环节阶跃特性的数字仿真研究并与电路模拟研究的结果作比较。 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。

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。 图1-1 它的传递函数与方框图分别为：

U(S)G(S)?O?K

Ui(S)

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：

图 1-3

UO(S)1?Ui(S)Ts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。

G(s)?

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。

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：

G(s)?UO(S)R2CS?1R21R21????(1?)Ui(S)R1CSR1R1CSR1R2CS 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

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：

G(s)?K(1?TS)?R2(1?R1CS) 其中K?R2/R1,TD?R1C R1

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TD时PD的输出响应曲线。

图1-5

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：

G(s)?Kp?其中Kp?1?TDS TISR1C1?R2C2，TI?R1C2，TD?R2C1

R1C2(R2C2S?1)(R1C1S?1)

R1C2SRC?R1C11 ?22??R2C1S

R1C2R1C2S ?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

6. 惯性环节

惯性环节的传递函数与方框图分别为：

G(s)?UO(S)K?Ui(S)TS?1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

五、实验步骤

1. 比例（P）环节

根据比例环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。

其中K=R2/R1；

若比例系数K=2时，电路中的参数取：R1=100K，R2=200K。G(S)?2

另外R2还可使用可变电位器，以实现比例系数为任意设定值。电路中的参数取：R1=100K，R2=100K时，比例系数K=1，。G(S)?1

注：① 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”，具体请参考第二章“硬件的组成及使用”相关部分；

② 为了更好地观测实验曲线，可适当调节软件上的分频系数(一般调至刻度2)和选择“

”按钮(时基自动)，以下实验相同。

R2R0R0uiR1-++-++uo图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。

详细实验步骤：

1）熟悉实验台，按上述各环节设计的模拟电路连接好实验电路，待检查电路接线无误后，启动实验平台左侧的空气开关和实验台上的电源总开关。并将±5V、±15V直流稳压电源的钮子开关拔到“开”的位置。

2）将交/直流数字电压表设为，“直流”、“2V”；其输入的“+”端与阶跃信号发生器的“输出”端相连（红线），输入的“-”端与阶跃信号发生器的“GND”端相连（黑线）；按下阶跃按钮，将钮子开关拔到“正输出”的位置，先将RP1可调电位器逆时针旋转到底，使输出电压为.000V，再顺时针旋转RP1可调电位器，使输出电压为1.000V（即为单位阶跃信号）。

3）将阶跃信号发生器的输出端与电路的输入ui端相连（红线），电路的输入ui端与数据采集接口中通道AD2相连（红线），电路的输出uO端与数据采集接口中通道AD1相连（蓝线）。

4）打开微机，运行“THBDC-1”软件。在“登陆”窗口中，输入“登陆姓名”和“登陆学号”，点击“确定”按钮。

5）进入“虚拟示波器”窗口，改变参数，以便更清晰地观测波形。“通道选择”选“双通道，通道1-2”；“分频系数” 滑动按钮值为2；将“窗口缓存长度”的指针移向大；“采样频率”设置为50KHz；然后，点击“开始采集”按钮，进行数据采集。

6）弹起“阶跃按钮”，阶跃信号发生器的输出电压为0V；按下“阶跃按钮”（给电路加1V的单位阶跃信号），实验开始。

7）按下“暂停”按钮(暂停显示)，记录相应K值时的实验曲线，弹起“暂停”按钮恢复正常显示，并与Matlab仿真的理论值进行比较。

Matlab仿真——在传递函数G(S)后的表达式中填写好传递函数的参数后（可参照实例函数的样式），点击“执行”后，通过MATLAB的后台数据处理，等待几秒钟后将会在右边的图形框中显现此函数仿真的波形，供用户参考。

8）根据实验时存储的波形及记录的实验数据完成实验报告。

2. 积分（I）环节

根据积分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)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。

其中T=RC；

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)；

CR0RR0uiR-++-++uo1G(s)?S另外，电路中的参数还可取：R=100K，C=1uF(T=RC=100K×1uF=0.1S)，以实现积分时间常数T=0.1S。

G(s)?当ui为单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测并记录相应T值时的输出响应曲线，并与Matlab仿真的理论值进行比较。

详细实验步骤，其中6）改为先按下“锁零按钮”，弹起“阶跃按钮”；再弹起“锁零按钮”；最后按下“阶跃按钮”（给电路加1V的单位阶跃信号），实验开始。其余同上。

10S注：

①凡是实验电路中有积分环节的，实验前一定要按下“锁零按钮”对电路中的积分电容进行放电（即锁零）；实验时弹起“锁零按钮”允许电路中的积分电容充电（即解锁）

3. 比例积分(PI)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(U12、U6)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。

其中T=R2C，K= R2/ R1；

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=R2C=100K×10uF=1S)。

G(s)?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。 若电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K×1uF=0.1S) 时，比例系数K=1、积分时间常数T=0.1；并与Matlab仿真的理论值进行比较。

详细实验步骤同上。

4. 比例微分(PD)环节

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(U12、U6)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R0=200K。

其中T=R1C，K= R2/ R1；

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=1uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K×1uF=0.1S)；

注：通过改变R2、R1、C的值可改变比例微分环节的放大系数K和积分时间常数T。 若电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T= R1C =100K×10uF=1S) 时，比例系数K=1、积分时间常数T=1S；

详细实验步骤，改为：

3）将阶跃信号发生器的输出端与电路的输入ui端相连（红线），电路的输入ui端与数据采集接口中通道AD4相连（红线），电路的输出uO端与数据采集接口中通道AD3相连（蓝线）。

S?1S

G(s)?当ui为单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测并记录不同K及T值时的实验曲线，

S?10S

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