第四章 自动控制原理实验 实验一 典型环节的电路模拟
一、实验目的
1. 熟悉THBDC-1型 信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台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. 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)、数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、采接卡接口线；
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。
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：
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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
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5. 惯性环节
惯性环节的传递函数与方框图分别为：
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设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。
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
R2R0R0uiR1-++-++uo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，用上位软件观测(选择“通道1-2”，其中通道AD1接电路的输出uO；通道AD2接电路的输入ui)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设定值。
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设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。
CR0R0uiR-++15 -++uo
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=1)； 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=0.1)； 当ui为一单位阶跃信号时，用上位机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：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. 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。
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=R1C=100K×10uF=1)；
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=100K×1uF=0.1S)。
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。 当ui为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。
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。
若比例系数K=1、微分时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K×10uF=1S)；
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=100K，C=10uF(K= R2/ R1=0.5,T=R1C=100K×10uF=1S)；
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