1、三、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）、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）；四、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；五、实验步骤及结果：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
2、. 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。它的传递函数与方框图分别为： 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R0=200K。1）若比例系数K=1时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K。单位阶跃响应曲线如下：2）若比例系数K=2时，电路中的参数取：R1=100K，R2=200K。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。 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
3、，其中R0=200K。1） 若积分时间常数T=1S时，电路中的参数取：R=100K，C=10uF（T=RC=100K10uF=1），单位阶跃响应曲线如下：2）若积分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：R=100K，C=1uF（T=RC=100K1uF=0.1），单位阶跃响应曲线如下： 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： 其中T=R2C，K=R2/R1 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:1） 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
4、/ R1=1,T=R1C=100K10uF=1）,单位阶跃响应曲线如下：2）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，C=1uF（K= R2/ R1=1,T=R1C=100K1uF=0.1S）。其单位阶跃响应曲线如下：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： 其中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：1） 若比例系数K=1、微分时间常数T=1S时，电路中的参数取：10uF=1S）。2）若比例系数K=0.5、微分时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=200K，R2=1
5、00K，C=10uF（K= R2/ R1=0.5,T=R1C=100K5. 惯性环节惯性环节的传递函数与方框图分别为：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：1）若比例系数K=1、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=100K10uF=1）。2）若比例系数K=1、时间常数T=2S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=200K，C=10uF（K= R2/ R1=2,T=R2C=200K10uF=2）。六、实验结果分析：1.比例环节：由图像可知，当R2由100k变为2
6、00k（即比例系数由k=1变为k=2）时，输出信号变成原来的两倍。2.积分环节：由图像可知，当C由10uF变为1uF（即积分时间常数由T=1S变为T=0.1S）时，输出信号上升速率变快（即图像的斜率变大）。3.比例积分环节：4.比例微分环节：由图像可知，当R1由100k变为200k（即比例系数由k=1变为k=0.5）时，输出信号变小。5.惯性环节：由图像可知，当R2由100k变为200k（即时间常数由T=1S变为T=2S）时，输出信号上升速率减慢，达到稳定时，输出信号的稳态值也变大。七、实验注意事项：1. 为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件上的分频系数（一般调至刻度“2”处）；2.
7、当实验电路中有积分环节时，实验前一定要用锁零单元进行锁零，实验时要退去锁零。3. 在比例积分环节中，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。4. 在惯性环节中，通过改变R2、R1、C的值可改变惯性环节的放大系数K和时间常数T。八、实验心得：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：（1）假定运放具有理想特性，即满足“虚短”“虚断”特性；（2）运放的静态量为零，个输入量、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
8、视为比例环节？惯性环节的特点是，当输入x（t）作阶跃变化时，输出y（t）不能立刻达到稳态值，瞬态输出以指数规律变化。而积分环节，当输入为单位阶跃信号时，输出为输入对时间的积分，输出y（t）随时间呈直线增长。当t趋于无穷大时，惯性环节可以近似地视为积分环节，当t趋于0时，惯性环节可以近似地视为比例环节。3. 为什么实验中实际曲线与理论曲线有一定误差？实验使用的设备中的电器元件本身就受到干扰，对实验曲线有影响，故有误差。 自动控制实验是热工过程自动控制原理这门课程的实践性学习的一个部分。自控实验是将书本上理论抽象的知识转变为图像等具体的表现，既提高了我们的动手操作能力，又巩固了这门课的理论知识。这次实验，我们主要熟悉了比例、积分、微分、惯性环节的阶跃响应特性及其电路模拟；动手测量了各典型环节的阶跃响应曲线，并从图像中了解了参数变化对其动态特性的影响。我们在这次实验中学习了这些基本环节及其的一些简单组合，对我们在自动控制课程中学习复杂的系统有很大的帮助。系统动态特性的基本表达方式是微分方程，传递函数是常系数线性微分方程的一种表达形式。脉冲响应函数和阶跃响应函数也是系统动态特性的表达方式。由本次实验可知，用阶跃响应曲线表示系统的动态特性比较形象，它也是了解和测试系统动态特性的一种常用方法。
