THKKL-6型实验指导书

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THKKL-6计控实验箱中单片机主控芯片型号为推荐度：
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THKKL-6型控制理论及计算机控制技术实验箱

1 天煌科技天煌教仪

THKKL-6型控制理论及计算机控制技术实验箱

实验一典型环节的电路模拟

一、实验目的

1．熟悉THKKL-6型控制理论及计算机控制技术实验箱及“THKKL-6”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．THKKL-6型控制理论及计算机控制技术实验箱； 2．PC机一台(含“THKKL-6”软件)； 3．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；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。

图1-1 典型环节的原理框图

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。它的传递函数与方框图分别为：

G(S)?UO(S)?K Ui(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。

图1-2 比例环节的响应曲线

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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。它的传递函数与方框图分别为：

U(S)1

G(s)?O?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。

图1-3 积分环节的响应曲线

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：

U(S)R2CS?1R21R21G(s)?O????(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 比例积分环节的响应曲线

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：

R2G(s)?K(1?TS)?(1?R1CS) 其中K?R2/R1,T?R1C

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T时PD的输出响应曲线。

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图1-5 比例微分环节的响应曲线

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)R1C2S

R2C2?R1C11??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 PID环节的响应曲线

6．惯性环节

惯性环节的传递函数与方框图分别为：

U(S)K G(s)?O?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 惯性环节的响应曲线

五、实验步骤

1．比例（P）环节

根据比例环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图1-8所示。

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图1-8 比例环节的模拟电路

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。

当ui为一单位阶跃信号时，用“THKKL-6”软件观测并记录相应K值时的实验曲线，并与理论值进行比较。

另外R2还可使用可变电位器，以实现比例系数为任意的设定值。

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”，具体请参考第一部分“硬件的组成及使用”相关部分；

② 为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件上的时间轴刻度，以下实验相同。 2．积分（I）环节

根据积分环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图1-9所示。

图1-9 积分环节的模拟电路

图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。

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=1s)；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=0.1s)；当ui为单位阶跃信号时，用“THKKL-6”软件观测并记录相应T值时的输出响应曲线，并与理论值进行比较。

注：由于实验电路中有积分环节，实验前一定要用“锁零单元”对积分电容进行锁零。 3．比例积分(PI)环节

根据比例积分环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图1-10所示。

图1-10 比例积分环节的模拟电路

图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。

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)；

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，

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