1、熱工過(guò)程自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告白思平 03015413實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉THBDC-1型 信號(hào)與系統(tǒng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及上位機(jī)軟件的使用；2. 熟悉各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)特性及其電路模擬；3. 測(cè)量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，并了解參數(shù)變化對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. THBDC-1型 控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；2. PC機(jī)一臺(tái)(含上位機(jī)軟件)、數(shù)據(jù)采集卡、37針通信線1根、16芯數(shù)據(jù)排線、采接卡接口線；三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 設(shè)計(jì)并組建各典型環(huán)節(jié)的模擬電路；2. 測(cè)量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)，并研究參數(shù)變化對(duì)其輸出響應(yīng)的影響；四、實(shí)驗(yàn)原理自控系統(tǒng)是由

2、比例、積分、微分、慣性等環(huán)節(jié)按一定的關(guān)系組建而成。熟悉這些典型環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)及其對(duì)階躍輸入的響應(yīng)，將對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析是十分有益的。本實(shí)驗(yàn)中的典型環(huán)節(jié)都是以運(yùn)放為核心元件構(gòu)成，其原理框圖如圖1-1所示。圖中Z1和Z2表示由R、C構(gòu)成的復(fù)數(shù)阻抗。1. 比例P環(huán)節(jié) 圖1-1比例環(huán)節(jié)的特點(diǎn)是輸出不失真、不延遲、成比例地復(fù)現(xiàn)輸出信號(hào)的變化。它的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：當(dāng)Ui(S)輸入端輸入一個(gè)單位階躍信號(hào)，且比例系數(shù)為K時(shí)的響應(yīng)曲線如圖1-2所示。2. 積分I環(huán)節(jié) 圖1-2 積分環(huán)節(jié)的輸出量與其輸入量對(duì)時(shí)間的積分成正比。它的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：設(shè)Ui(S)為一單位階躍信號(hào)，當(dāng)積分系數(shù)為T時(shí)的響應(yīng)曲線如

3、圖1-3所示。圖1-33. 比例積分(PI)環(huán)節(jié)比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為： 其中T=R2C，K=R2/R1設(shè)Ui(S)為一單位階躍信號(hào)，圖1-4示出了比例系數(shù)(K)為1、積分系數(shù)為T時(shí)的PI輸出響應(yīng)曲線。圖1-44. 比例微分(PD)環(huán)節(jié)比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為： 其中設(shè)Ui(S)為一單位階躍信號(hào)，圖1-5示出了比例系數(shù)(K)為2、微分系數(shù)為TD時(shí)PD的輸出響應(yīng)曲線。 圖1-5 .5. 慣性環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：當(dāng)Ui(S)輸入端輸入一個(gè)單位階躍信號(hào)，且放大系數(shù)(K)為1、時(shí)間常數(shù)為T時(shí)響應(yīng)曲線如圖1-7所示。圖1-7五、實(shí)驗(yàn)步驟1. 比例P環(huán)節(jié)根據(jù)比例

4、環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建相應(yīng)的模擬電路，如以下圖所示。圖中后一個(gè)單元為反相器，其中R0=200K。假設(shè)比例系數(shù)K=1時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100K，R2=100K。假設(shè)比例系數(shù)K=2時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100K，R2=200K。當(dāng)ui為一單位階躍信號(hào)時(shí)，用上位軟件觀測(cè)(選擇“通道1-2”，其中通道AD1接電路的輸出uO；通道AD2接電路的輸入ui)并記錄相應(yīng)K值時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線，并與理論值進(jìn)行比較。另外R2還可使用可變電位器，以實(shí)現(xiàn)比例系數(shù)為任意設(shè)定值。注：為了更好的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)曲線，實(shí)驗(yàn)時(shí)可適當(dāng)調(diào)節(jié)軟件上的分頻系數(shù)(一般調(diào)至刻度2)和選擇“按鈕(時(shí)基自動(dòng))，以下實(shí)

5、驗(yàn)相同。2. 積分I環(huán)節(jié)根據(jù)積分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建相應(yīng)的模擬電路，如以下圖所示。圖中后一個(gè)單元為反相器，其中R0=200K。假設(shè)積分時(shí)間常數(shù)T=1S時(shí)，電路中的參數(shù)取：R=100K，C=10uF(T=RC=100K10uF=1)；假設(shè)積分時(shí)間常數(shù)T=0.1S時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟=100K，C=1uF(T=RC=100K1uF=0.1)；當(dāng)ui為一單位階躍信號(hào)時(shí)，用上位機(jī)軟件觀測(cè)并記錄相應(yīng)T值時(shí)的輸出響應(yīng)曲線，并與理論值進(jìn)行比較。注：當(dāng)實(shí)驗(yàn)電路中有積分環(huán)節(jié)時(shí)，實(shí)驗(yàn)前一定要用鎖零單元進(jìn)行鎖零，實(shí)驗(yàn)時(shí)要退去鎖零。3. 比例積分(PI)環(huán)節(jié)根據(jù)比例積分環(huán)節(jié)的方框圖，選

6、擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建相應(yīng)的模擬電路，如以下圖所示。圖中后一個(gè)單元為反相器，其中R0=200K。假設(shè)取比例系數(shù)K=1、積分時(shí)間常數(shù)T=1S時(shí)，電路中的參數(shù)取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K10uF=1)；假設(shè)取比例系數(shù)K=1、積分時(shí)間常數(shù)T=0.1S時(shí)，電路中的參數(shù)取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K1uF=0.1S)。通過(guò)改變R2、R1、C的值可改變比例積分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和積分時(shí)間常數(shù)T。當(dāng)ui為一單位階躍信號(hào)時(shí)，用上位軟件觀測(cè)并記錄不同K及T值時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線，并與

7、理論值進(jìn)行比較。4. 比例微分(PD)環(huán)節(jié)根據(jù)比例微分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建其模擬電路，如以下圖所示。圖中后一個(gè)單元為反相器，其中R0=200K。假設(shè)比例系數(shù)K=1、微分時(shí)間常數(shù)T=1S時(shí)，電路中的參數(shù)取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K10uF=1S)；假設(shè)比例系數(shù)K=0.5、微分時(shí)間常數(shù)T=1S時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=200K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=0.5,T=R1C=100K10uF=1S)；當(dāng)ui為一單位階躍信號(hào)時(shí)，用上位軟件觀測(cè)并記錄不同K及T值時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線，并與理論值

8、進(jìn)行比較。注：本實(shí)驗(yàn)中的10uF電容需從實(shí)驗(yàn)臺(tái)左面板“通用單元電路五中連接。5. 慣性環(huán)節(jié)根據(jù)慣性環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建其相應(yīng)的模擬電路，如以下圖所示。圖中后一個(gè)單元為反相器，其中R0=200K。假設(shè)比例系數(shù)K=1、時(shí)間常數(shù)T=1S時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K10uF=1)。假設(shè)比例系數(shù)K=1、時(shí)間常數(shù)T=2S時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100K，R2=200K，C=10uF(K= R2/ R1=2,T=R2C=200K10uF=2)。通過(guò)改變R2、R1、C的值可改變慣性環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K

9、和時(shí)間常數(shù)T。當(dāng)ui為一單位階躍信號(hào)時(shí)，用上位軟件觀測(cè)并記錄不同K及T值時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線，并與理論值進(jìn)行比較。6 根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)存儲(chǔ)的波形及記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1比例環(huán)節(jié)比例系數(shù)K=1 傳遞函數(shù)Gs=1比例系數(shù)K=2 傳遞函數(shù)Gs=22積分環(huán)節(jié)積分時(shí)間常數(shù)T=1S 傳遞函數(shù)Gs=1/s積分時(shí)間常數(shù)T=2S 傳遞函數(shù)Gs=1/2s3比例積分環(huán)節(jié)比例系數(shù)K=1、積分時(shí)間常數(shù)T=1S 傳遞函數(shù)Gs=1+1/s比例系數(shù)K=1、積分時(shí)間常數(shù)T=0.1S 傳遞函數(shù)Gs=1+10s4比例微分環(huán)節(jié)比例系數(shù)K=1、微分時(shí)間常數(shù)T=1S 傳遞函數(shù)Gs=1+s比例系數(shù)K=0.5、微分時(shí)間常數(shù)T=1S 傳

10、遞函數(shù)Gs=0.51+s5慣性環(huán)節(jié)比例系數(shù)K=1、時(shí)間常數(shù)T=1S 傳遞函數(shù)Gs=1/1+s比例系數(shù)K=1、時(shí)間常數(shù)T=2S 傳遞函數(shù)Gs=1/1+2s七、實(shí)驗(yàn)思考題1. 用運(yùn)放模擬典型環(huán)節(jié)時(shí)，其傳遞函數(shù)是在什么假設(shè)條件下近似導(dǎo)出的？答：1假設(shè)運(yùn)放具有理想特性，即滿足“虛短“虛斷特性。2運(yùn)放的靜態(tài)量為零，個(gè)輸入量、輸出量和反響量都可以用瞬時(shí)值表示其動(dòng)態(tài)變化。2. 積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差異是什么？在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為積分環(huán)節(jié)？而又在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為比例環(huán)節(jié)？答：他們的主要區(qū)別在于輸入階躍信號(hào)時(shí)慣性環(huán)節(jié)最終系統(tǒng)將會(huì)趨于穩(wěn)定，然而積分在T趨于無(wú)窮大時(shí)，慣性環(huán)節(jié)可近似視為積分環(huán)節(jié)。 在T趨于無(wú)窮小時(shí)，慣性環(huán)節(jié)可近似視為比例環(huán)節(jié)。3. 在積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)中，如何根據(jù)單位階躍響應(yīng)曲線的波形，確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)？答：對(duì)于積分環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)T，即為輸出信號(hào)曲線與輸入階躍信號(hào)曲線的交點(diǎn)和階躍信號(hào)的起點(diǎn)之間的橫坐標(biāo)的差值。而慣性環(huán)節(jié)的T即為過(guò)輸出信號(hào)曲線的起始點(diǎn)作輸出信號(hào)曲線的切線，確定該線與輸出信號(hào)的穩(wěn)定值曲線的交點(diǎn)，該交點(diǎn)與輸出曲線起始點(diǎn)的橫坐標(biāo)的差值。4. 為什么實(shí)驗(yàn)中實(shí)際曲線與理論曲線有一定誤差？答：因?yàn)檫x擇的電子元器件，輸入輸出曲線,不可能像理論那樣的線性，實(shí)驗(yàn)