自动控制原理实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真

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THSSC-4型信号与系统·控制理论·计算机控制技术实验箱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.THSSC-4型信号与系统·控制理论·计算机控制技术实验箱；

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)； 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.在上位机仿真界面上，填入各典型环节数学模型的实际参数，据此完成它们对阶跃响应的软件仿真，并与模拟电路测试的结果相比较。 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

UO(S)?K Ui(S)与方框图分别为：

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。

图1-2

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：

G(s)?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。

图1-3

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、结果分析

1、各典型环节的multisim仿真波形和电路图： （1）比例环节。电路图和信号图如下：

图表 1比例系数2的电路图

图表 2比例系数2

（注：图表2中，实际Channel_A的信号幅度为2V，见下图，由于仿真器的显示总是滞后于波形的变化，为了凸显系统对阶跃那一瞬间的响应，因此还未等仿真器显示出实际结果就截图了，导致显示的内容与图像不符，之后的几张图，倘若出现类似情况则都是同一缘由所致，不再复述。）

图表 3比例系数2（说明）

图表 4比例系数5的电路图

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