成绩：＿＿＿＿
大连工业大学
《自动控制原理》实验报告
实验1 典型环节的阶跃响应
专业名称：自动化
班级学号：自动化10I－JK
学生姓名：ABCD
指导老师：EFGH
实验日期：年月日
一、实验目的
1、熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线；
2、了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验原理
实验任务
1、比例环节（K）
从图0-2的图形库浏览器中拖曳Step（阶跃输入）、Gain（增益模块）、Scope（示波器）模块到图0-3仿真操作画面，连接成仿真框图。
改变增益模块的参数，从而改变比例环节的放大倍数K，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况。可以同时显示三条响应曲线，仿真框图如图1-1所示。
2、积分环节（1
Ts
）
将图1-1仿真框图中的Gain（增益模块）换成Transfer Fcn （传递函数）模块，设置Transfer Fcn（传递函数）模块的参数，
使其传递函数变成1
Ts
型。
改变Transfer Fcn（传递函数）模块的参数，从而改变积分环节的T，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况。仿真框图如图1-2所示。
3、一阶惯性环节（
1
1 Ts+
）
将图1-2中Transfer Fcn（传递函数）模块的参数重新设置，
使其传递函数变成
1
1
Ts+
型，改变惯性环节的时间常数T，观察它
们的单位阶跃响应曲线变化情况。仿真框图如图1-3所示。
4、实际微分环节（
1
Ks
Ts +） 将图1-2中Transfer Fcn （传递函数）模块的参数重新设置，使其传递函数变成
1
Ks
Ts +型，（参数设置时应注意1T ）。 令K 不变，改变Transfer Fcn （传递函数）模块的参数，从而改变T ，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况。仿真框图如图1-4所示。
5、二阶振荡环节（222
2n
n n
s s ωξωω++） 将图1-2中Transfer Fcn （传递函数）模块的参数重新设置，
使其传递函数变成222
2n
n n
s s ωξωω++型（参数设置时应注意01ξ<<），仿真框图如图1-5所示。
（1）令n ω不变，ξ取不同值（01ξ<<），观察其单位阶跃响应曲线变化情况；
（2）令ξ=0.2不变，n ω取不同值，观察其单位阶跃响应曲线变化情况。
6、延迟环节（s e τ-）
将图1-2仿真框图中的Transfer Fcn （传递函数）模块换成Transport Delay （时间延迟）模块，改变延迟时间τ，观察单位阶跃响应曲线变化情况。仿真框图如图1-6所示。
三、实验结果
1、比例环节仿真结果
图1-1比例环节仿真框图分析：
2、积分环节仿真结果
图1-2 积分环节仿真框图分析：
3、一阶惯性环节仿真结果
图1-3 惯性环节仿真框图分析：
4、实际微分环节仿真结果
图1-4 实际微分环节仿真框图分析：
5、实际微分环节仿真结果
图1-5 二阶振荡环节仿真框图分析：
6、延迟环节仿真结果
Delay1
图1-6 延迟环节仿真框图
分析：
四、实验体会
本次实验我了解了MATLAB桌面和命令窗口以及菜单栏里面基本功能，初步了解SIMULINK功能模块的使用方法。学会了如何改变SCOPE中的波形背景颜色等，MATLAB中SIMULINK 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，利用SIMULINK功能模块可以快速的建立控制系统的模型，进行仿真和调试。在实验中，我通过SIMULINK功能模块建立控制系统各个典型环节的模型，进行仿真和调试，得到了各个典型环节在单位阶跃信号作用下的响应波形，通过观察各个典型环节在单位阶
跃信号作用下的动态特性，我了解各参数变化对典型环节特性的影响，同时也加深了我对各典型环节响应曲线的理解，更有利于以后的学习。
自动控制原理实验报告 实验指导老师： 学院：电气与信息工程学院 班级： 姓名：学号： 2013年12月
实验一 控制系统典型环节的模拟实验 一、实验目的 1．掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。 2．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。 二、实验内容 1．对表一所示各典型环节的传递函数设计相应的模拟电路(参见表二) 表一：典型环节的方块图及传递函数 典型环节名称 方 块 图 传递函数 比例 （P ） K ) s (U ) s (Uo i = 积分 （I ） TS 1 )s (U )s (Uo i = 比例积分 （PI ） TS 1 K )s (U )s (Uo i + = 比例微分 （PD ） )TS 1(K ) s (U ) s (Uo i += 惯性环节 （T ） 1 TS K )s (U )s (Uo i += 比例积分 微分（PID ） S T S T 1 Kp )s (U )s (Uo d i i ++=
表二：典型环节的模拟电路图 各典型环节 模拟电路图名称 比例 （P） 积分 （I） 比例积分 （PI） 比例微分 （PD） 惯性环节 （T）
各典型环节 模拟电路图 名称 比例积分 微分（PID） 2．测试各典型环节在单位阶跃信号作用下的输出响应。 3．改变各典型环节的相关参数，观测对输出响应的影响。 三、实验内容及步骤 1．观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶跃响应曲线。 ①准备：使运放处于工作状态。 将信号发生器单元U1的ST端与+5V端用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管（K30A）夹断，这时运放处于工作状态。 ②阶跃信号的产生： 电路可采用图1-1所示电路，它由“阶跃信号单元”（U3）及“给定单元”（U4）组成。 具体线路形成：在U3单元中，将H1与+5V端用1号实验导线连接，H2端用1号实验导线接至U4单元的X端；在U4单元中，将Z端和GND端用1号实验导线连接，最后由插座的Y 端输出信号。 以后实验若再用阶跃信号时，方法同上，不再赘述。
自动控制原理及其应用 实验报告 2015年 12 月
实验一控制系统典型环节的模拟实验 一、实验目的 1．掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。 2．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。 二、实验内容 1．对表一所示各典型环节的传递函数设计相应的模拟电路(参见表二) 表一：典型环节的方块图及传递函数
2．测试各典型环节在单位阶跃信号作用下的输出响应。 3．改变各典型环节的相关参数，观测对输出响应的影响。 三、实验内容及步骤 （一）说明部分 1、当信号发生器单元U1的ST端与+5V端用“短路块”短接时，通用单元中的场效应管处于开路状态，这时通用单元运放处于工作状态。当信号发生器单元U1的ST端与S端用“短路块”短接时，通用单元中的场效应管处于短路状态，可以使电容器放电，让电容器两端的初始电压为0V。 2、交直流数字电压表: U16单元的交直流数字电压表相当于两只表，红色琴键开关弹起时，做直流数字电压表用，当红色琴键开关按下时,做交流数字毫伏表用。测量范围0～20V，分200mV、2V、20V三档，由互锁开关切换。 3、阶跃信号的产生：电路可采用图1-1所示电路连接，它由“阶跃信号单元”（U3）及“给定单元”（U4）组成。
具体线路形成：在U3单元中，将H1与+5V端用1号实验导线连接，H2端用1号实验导线接至U4单元的X端；在U4单元中，将Z端和GND端用1号实验导线连接，最后由插座的Y端引出输出信号。 实验中需要阶跃信号时，按照图1-1连线，按下U3单元的按键SP不放开，调节U4单元W41电位器，同时用U16单元的直流数字电压表检测U4单元Y端输出电压的大小(U4单元Y端接至交直流数字电压表的左边的接线柱, 交直流数字电压表的右边的接线柱接通用单元的GND 端)，直到输出1V单位阶跃信号时放开。 注：以后实验中再用到ST短路帽放置位置、阶跃信号产生时，操作方法参上。 （二）观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的单位阶跃响应曲线。 1.1比例环节电路 实验步骤： ①准备：U1单元的ST端与+5V端用“短路块”短接，输入信号Ui采用阶跃信号产生电路。按表二中的比例典型环节的模拟电路图将线接好，各器件的参数可参考表三。 ②将模拟电路输入端(Ui)与阶跃信号的输出端Y相连接，接至示波器的CH1通道；模拟电路的输出端(Uo)接至示波器CH2通道。 ③打开软件，在菜单栏选择：“窗口—调试”，按下实验箱上复位键，待调试窗口中出现“WELCOME TO YOU”后。在菜单栏选择：“窗口—示波器”，如下图所示窗口。本实验中选用普通示波器，按下U3单元按钮(或松开按钮)SP时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo(t)，且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果。
1.2.1典型线性环节的研究 1．实验目的 ① 学习典型线性环节的模拟方法； ② 研究阻、容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。 2．实验预习要点 ① 自行设计典型环节电路。 ② 选择好必要的参数值，计算出相应数值，预测出所要观察波形的特点，与实验结果比较。 3．实验设备 计算机、XMN-2自动控制原理模拟实验箱、CAE-PCI 软件、万用表。 4．实验内容 熟悉自动控制原理辅助开发系统和实验箱，完成如下内容。 ① 比例环节 图1-18 比例环节阶跃响应 图中，i f R R kp =，分别求取)5.0(510,1===p f i k k R M R ；)1(,1,1===p f i k M R M R ； )2(1,500===p f i k M R k R 时的阶跃响应。 （1）Kp=0.5；输入3.6753V ，输出—1.8377V （2）Kp=1; 输入3.6753V ，输出3.6753V （3）Kp=2；输入3.6753V ，输出7.3506V ② 积分环节 图1-19 积分环节阶跃响应 图中f i i C R T =，分别求)1(1,1s T C M R i i i ===μ；)7.4(7.4,1s T C M R i i i ===μ；)0.10(10,1s T C M R i i i ===μ时的阶跃响应曲线。 （1）Ti=1s 2）Ti=4.7s 3）Ti=10.0s ③ 比例积分环节 图1-20 比例积分环节阶跃响应 图中，f f i i f p C R T R R K ==,，分别求取)7.4,1(7.4,1s T k C M R R i p f f i =====μ； )10,1(10,1s T k C M R R i p i f i =====μ；)7.4,5.0(7.4,1,2s T k C M R M R i p i f i =====μ时的阶跃响应曲线。 1）kp=1,Ti=4.7s 2）kp=1,Ti=10s 3）kp=5,Ti=4.7s ④ 比例微分环节 图1-21 比例微分环节阶跃响应
课程名称自动控制原理 实验序号实验三 实验项目SIMULINK环境下典型环节阶跃响应仿真及分析实验地点 实验学时实验类型操作性 指导教师实验员 专业 _______ 班级 学号姓名 年月日
教 师 评 语 一、实验目的及要求 1、初步了解MATLAB中SIMULINK的使用方法； 2、了解SIMULINK下实现典型环节阶跃响应方法； 3、定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、实验原理与内容
三、实验软硬件环境 装有MATLA软件的电脑 四、实验过程（实验步骤、记录、数据、分析） 1、按下列各典型环节的传递函数，建立相应的SIMULINK仿真模型，观察并记录其单位阶跃响应波形。 （1）比例环节G1（s）=1和G2(s)=2; 比例环节G1（s）=1的实验结果：
比例环节G2（s）=2的实验结果： 结果分析：由以上阶跃响应波形图知，比例环节的输出量与输入量成正比，比例系数越大，输出量越大。 (2) 惯性环节G1（s）=1/(s+1)和G2（s）=1/(0.5s+1) 惯性环节G1（s）=1/(s+1)的实验结果：
惯性环节G1（s）=1/(0.5s+1)的实验结果： 结果分析：由以上单位阶跃响应波形图知，惯性环节使输出波形在开始的时候以指数曲线上升，上升速度与时间常数有关，时间常数越小响应越快。 （3）积分环节G（s）=1/s （4）微分环节G（s）=s
（5）比例+微分（PD）G1（s）=s+2和G2（s）=s+1 G1（s）=s+2的实验结果： G2（s）=s+1的实验结果： 结果分析：由以上单位阶跃响应波形图知，比例作用与微分作用一起构成导前环节，输出反映了输
实验1 控制系统典型环节的模拟实验（一） 实验目的： 1．掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。 2．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。 实验原理： 控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。 实验内容及步骤 实验内容： 观测比例、惯性和积分环节的阶跃响应曲线。 实验步骤： 分别按比例，惯性和积分实验电路原理图连线，完成相关参数设置，运行。 ①按各典型环节的模拟电路图将线接好(先接比例)。(PID先不接) ②将模拟电路输入端(U i)与阶跃信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端(Uo)接至示波器。 ③按下按钮(或松开按钮)SP时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo(t)，且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果。 ④同理得积分和惯性环节的实际响应曲线，它们的理想曲线和实际响应曲线。 实验数据
实验二控制系统典型环节的模拟实验（二） 实验目的 1．掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。 2．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。 实验仪器 1．自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台 实验原理 控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。 实验内容及步骤 内容： 观测PI，PD和PID环节的阶跃响应曲线。 步骤： 分别按PI，PD和PID实验电路原理图连线，完成相关参数设置，运行 ①按各典型环节的模拟电路图将线接好。 ②将模拟电路输入端(U i)与方波信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端(Uo)接至示波器。 ③用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo(t)，且将结果记下。改变参数，重新观测结果。 实验数据 实验结论及分析
自动控制原理实验分析报告姓名：学号：班级：一、典型一阶系统的模拟实验： 1.比例环节（P) 阶跃相应曲线。 传递函数：G(S)=-R2/R1=K 说明：K为比例系数 （1）R1=100KΩ，R2=100KΩ；特征参数实际值：K=-1.
（2）（2）R1=100KΩ，R2=200KΩ；即K=-2. 〖分析〗：经软件仿真，比例环节中的输出为常数比例增益K；比例环节的特性参数也为K，表征比例环节的输出量能够无失真、无滞后地按比例复现输入量。 2、惯性环节（T) 阶跃相应曲线及其分析。 传递函数：G(S)=-K/(TS+l) K=R2/R1 , T=R2C 说明：特征参数为比例增益K和惯性时间常数T。
（1）、R2=R1=100KΩ , C=1µF；特征参数实际值：K=-1，T=0.1。 （2）、R2=R1=100KΩ , C=0.1µF；特征参数实际值：K=-1，T=0.01。
〖分析〗：惯性环节的阶跃相应是非周期的指数函数，当t=T时，输出量为0.632K，当t=3～4T时，输出量才接近稳态值。比例增益K表征环节输出的放大能力，惯性时间常数T表征环节惯性的大小，T越大表示惯性越大，延迟的时间越长，反 之亦然。 传递函数：G(S)= -l/TS ，T=RC 说明：特征参数为积分时间常数T。 （1）、R=100KΩ , C=1µF；特征参数实际值：T=0.1。
（2）R=100KΩ , C=0.1µF；特征参数实际值：T=0.01。
〖分析〗：只要有一个恒定输入量作用于积分环节，其输出量就与时间成正比地无限增加，当t=T时，输出量等于输入信号的幅值大小。积分时间常数T表征环节积累速率的快慢，T越大表示积分能力越强，反之亦然。 4、比例积分环节（PI) 阶跃相应曲线及其分析。 传递函数：G(S)=K( l+l/TS) K=-R2/R1, T=R2C 说明：特征参数为比例增益K和积分时间常数T。 （1）、R2=R1=100KΩ , C=1µF；特征参数实际值：K=-1，T=0.1。
实验一、典型环节及其阶跃响应 实验目的 1、学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性的影响。 2、学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。 实验内容 构成下述典型环节的模拟电路，并测量其阶跃响应。 比例环节的模拟电路及其传递函数示图2-1。 G(S)=-R2/R1 惯性环节的模拟电路及其传递函数示图2-2。 G(S)=-K/TS+1 K=R2/R1 ,T=R2*C 积分环节的模拟电路及其传递函数示图2-3。 G(S)=1/TS T=RC 微分环节的模拟电路及其传递函数示图2-4。 G(S)=-RCS 比例加微分环节的模拟电路及其传递函数示图2-5。 G(S)=-K(TS+1) K=R2/R1 T=R2C 比例加积分环节的模拟电路及其传递函数示图2-6。 G(S)=K(1+1/TS) K=R2/R1,T=R2C 软件使用 1、打开实验课题菜单，选中实验课题。
2、在课题参数窗口中，填写相应AD，DA或其它参数。 3、选确认键执行实验操作，选取消键重新设置参数。 实验步骤 1、连接被测量典型环节的模拟电路及D/A、A/D连接，检查无误后接通电源。 2、启动应用程序，设置T和N。参考值：T=0.05秒,N=200。 3、观测计算机屏幕示出的响应曲线及数据记录波形及数据(由实验报告确定)。 实验报告 1、画出惯性环节、积分环节、比例加微分环节的模拟电路图，用坐标纸画出所有记录的惯性环节 、积分环节、比例加微分环节的响应曲线。 2、由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由电路计算的结果相比较。 实验二二阶系统阶跃响应 一、实验目的 1、研究二阶系统的特征参数，阻尼比ζ和无阻尼自然频ωn 对系统动态性能的影响，定量分析ζ和ωn与最大超调量Mp和调节时间 ts 之间的关系。 2、进一步学习实验仪器的使用方法。 3、学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。 二、实验原理及电路 典型二阶系统的闭环传递函数为
3.1 线性系统的时域分析 3.1.1 典型环节的模拟研究 一. 实验目的 1． 了解和掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达 式 2． 观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的 影响 二．实验内容及步骤 观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响.。改变被测环节的各项电路参数，画出模拟电路图，阶跃响应曲线，观测结果，填入实验报告。 1)．观察比例环节的阶跃响应曲线 典型比例环节模拟电路如图3-1-1所示。 图3-1-1 典型比例环节模拟电路 传递函数：0 1(S) (S)(S)R R K K U U G i O = ==；单位阶跃响应：K )t (U = 实验步骤：注：‘S ST ’用短路套短接！ （1）将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT ），作为系统的信号输入（Ui ）； 该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。 （2）构造模拟电路：按图3-1-1安置短路套及测孔联线，表如下： （a ）安置短路套（b ）测孔联线 （3打开虚拟示波器的界面，点击开始，按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮（0→+4V 阶跃），观测A5B 输出端（Uo ）的实际响应曲线。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。 实验数据纪录：
2)．观察惯性环节的阶跃响应曲线 典型惯性环节模拟电路如图3-1-2所示。 图3-1-2 典型惯性环节模拟电路 传递函数：C R T R R K TS K U U G i O 10 1 1(S) (S)(S)==+==单位阶跃响应：)1()(0T t e K t U --= 实验步骤：注：‘S ST ’用短路套短接！ （1）将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT ），作为系统的信号输入（Ui ）； （1）该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。 （2）构造模拟电路：按图3-1-4安置短路套及测孔联线，表如下： （a
自动控制原理实验报告册 实验一典型环节及其阶跃响应 一、实验目的 1、掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。 2、掌握控制系统时域性能指标的测量方法。 二、实验公式
1、比例环节 G(S)= -R2/R1 2、惯性环节 G(S)= -K/TS+1 K= R2/R1, T= R2C 3、积分环节 G(S)= -1/TS T=RC 4、微分环节 G(S)= -RCS 5、比例+微分环节 G(S)= -K(TS+1) K= R2/R1, T= R2C 6、比例+积分环节 G(S)= K(1+1/TS) K= R2/R1, T=R2C 三、实验结果 1、比例环节 阶跃波、速度波、加速度波依次为： 2、惯性环节 阶跃波、速度波、加速度波依次为：
3、积分环节 阶跃波、速度波、加速度波依次为：
4、微分环节 阶跃波、速度波、加速度波依次为： 5、比例+微分环节 阶跃波、速度波、加速度波依次为：
6、比例+积分环节 阶跃波、速度波、加速度波依次为：
实验二二阶系统阶跃响应 一、实验目的 1、研究二阶系统的特征参数，阻尼比和无阻尼自然频率对系统动态性能 的影响。定量分析和与最大超调量和调节时间之间的关系。 2、进一步学习使用实验系统的使用方法。 3、学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。 二、实验公式 1、超调量： %=(Y MAX-Y OO)/Y OO X100% 2、典型二阶系统的闭环传递函数： (S)= (1) (s)=U2(s)/U1(s)=(1/T2)/(S2+(K/T)S+1/T2) (2) 式中：T=RC, K=R2/R1 由（1）（2）可得： Wn=1/T=1/RC E=K/2=R2/2R1 三、实验结果
成绩：＿＿＿＿ 大连工业大学 《自动控制原理》实验报告 实验1 典型环节的阶跃响应 专业名称：自动化 班级学号：自动化10I－JK 学生姓名：ABCD 指导老师：EFGH 实验日期：年月日 一、实验目的 1、熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线；
2、了解参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、实验原理 实验任务 1、比例环节（K） 从图0-2的图形库浏览器中拖曳Step（阶跃输入）、Gain（增益模块）、Scope（示波器）模块到图0-3仿真操作画面，连接成仿真框图。 改变增益模块的参数，从而改变比例环节的放大倍数K，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况。可以同时显示三条响应曲线，仿真框图如图1-1所示。 2、积分环节（1 Ts ） 将图1-1仿真框图中的Gain（增益模块）换成Transfer Fcn （传递函数）模块，设置Transfer Fcn（传递函数）模块的参数， 使其传递函数变成1 Ts 型。 改变Transfer Fcn（传递函数）模块的参数，从而改变积分环节的T，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况。仿真框图如图1-2所示。 3、一阶惯性环节（ 1 1 Ts+ ） 将图1-2中Transfer Fcn（传递函数）模块的参数重新设置， 使其传递函数变成 1 1 Ts+ 型，改变惯性环节的时间常数T，观察它 们的单位阶跃响应曲线变化情况。仿真框图如图1-3所示。
4、实际微分环节（ 1 Ks Ts +） 将图1-2中Transfer Fcn （传递函数）模块的参数重新设置，使其传递函数变成 1 Ks Ts +型，（参数设置时应注意1T ）。 令K 不变，改变Transfer Fcn （传递函数）模块的参数，从而改变T ，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况。仿真框图如图1-4所示。 5、二阶振荡环节（222 2n n n s s ωξωω++） 将图1-2中Transfer Fcn （传递函数）模块的参数重新设置， 使其传递函数变成222 2n n n s s ωξωω++型（参数设置时应注意01ξ<<），仿真框图如图1-5所示。 （1）令n ω不变，ξ取不同值（01ξ<<），观察其单位阶跃响应曲线变化情况； （2）令ξ=0.2不变，n ω取不同值，观察其单位阶跃响应曲线变化情况。 6、延迟环节（s e τ-） 将图1-2仿真框图中的Transfer Fcn （传递函数）模块换成Transport Delay （时间延迟）模块，改变延迟时间τ，观察单位阶跃响应曲线变化情况。仿真框图如图1-6所示。
典 型 环 节 及 其 阶 跃 响 应 实 验 报 告 学院：机械工程学院 班级：过控一班 姓名：*** 学号：***********
实验内容 比例环节响应 实验人 卢世宝 实验时间 教师签字 学号后三位 由于本人的学号为416 所以取R=416 电路 传递函数 响应函数 48.0)(0-==K t U 实验波形图 实验内容 积分环节模拟电路 实验人 卢世宝 实验时间 教师签字 学号后三位 由于本人的学号为416 所以取R=416 电路 传递函数 响应函数 t t T t U 740.01 )(0-=-= 实验波形图 48.0)()(2 1-=-=R R S U S U i o S CS R S U S U i o /740.01)()(0 -=-=
实验内容 比例积分环节模拟电路 实验人 卢世宝 实验时间 教师签字 学号后三位 由于本人的学号为416 所以取R=416 电路 传递函数 )1 (1)()(001010CS R R R CS R CS R S U S U i +-=+-== 0.35+0.014 / S 响应函数 t T K t U 1 )(0+ = = -0.35 – 0.73 t 实验波形图 实验内容 比例微分环节模拟电路 实验人 卢世宝 实验时间 教师签字 学号后三位 由于本人的学号为416 所以取R=416
电路 传递函数 )11()()(321210+•++-=CS R CS R R R R S U S U i =)1 22101(+⨯+-S S 响应函数 ) 33 02 10210( )(C R t e R R R R R R R t U - ++-=t e 50088.0088.0(--+-=) 实验波形图 实验内容 惯性环节模拟电路 实验人 卢世宝 实验时间 教师签字 学号后三位 由于本人的学号为416 所以取 R=416
实验一、典型环节及其阶跃响应 一、实验目的 1. 把握操纵模拟实验的大体原理和一样方式。 2. 把握操纵系统时域性能指标的测量方式。 二、实验设备 1．EL-AT-II型自动操纵系统实验箱一台 2．运算机一台 三、实验原理 1．模拟实验的大体原理： 操纵系统模拟实验采纳复合网络法来模拟各类典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各类典型环节，然后依照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便取得了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用运算机等测量仪器，测量系统的输出，即可取得系统的动态响应曲线及性能指标。假设改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的阻碍。 2．时域性能指标的测量方式： 超调量Ó %： 1)启动运算机，在桌面双击图标[自动操纵实验系统] 运行软件。 2)检查USB线是不是连接好，在实验项目下拉框当选中任实验，点击按钮，出 现参数设置对话框设置好参数按确信按钮，现在如无警告对话框显现表示通信 正常，如显现警告表示通信不正常，找出缘故使通信正常后才能够继续进行实验。
% 100%max ⨯-=∞ ∞Y Y Y σ3) 连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接A/D 、D/A 卡的DA1 输出，电路的输出U2接A/D 、D/A 卡的AD1输入。检查无误后接通电源。 4) 在实验项目的下拉列表当选择实验一[典型环节及其阶跃响应] 。 5) 鼠标单击 按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框 中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结 果。 6) 用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，代入下式算出超调 量： T P 与T S ： 利用软件的游标测量水平方向上从零抵达最大值与从零抵达95%稳态值所需的时刻值，即可取得T P 与T S 。 四、实验内容 组成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应： 1. 比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1。 G （S ）= -R2/R1 2. 惯性环节的模拟电路及其传递函数如图1-2。 G （S ）= - K/TS+1 K=R2/R1，T=R2C 3. 积分环节的模拟电路及传递函数如图1-3。 G （S ）=1/TS T=RC 4. 微分环节的模拟电路及传递函数如图1-4。
实验一典型环节及其阶跃响应分析 一、实验目的 1、掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。 2、掌握控制系统时域性能指标的测量方法。 二、实验仪器 1、EL-AT-Ⅱ型自动控制系统试验箱一台 2、计算机一台 三、实验原理 1．模拟实验的基本原理： 控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。 四、实验内容 1、用运算放大器构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节 和比例积分微分环节。 2、在阶跃输入信号作用下，记录各环节的输出波形，写出输入输出之间的时域数学关 系。 3、在运算放大器上实现各环节的参数变化。 五、实验步骤 六、实验步骤 1. 启动计算机，在桌面“信号、自控文件夹”中双击图 标，运行软件。 2. 测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使 通信正常后才可以继续进行实验。 3. 连接典型环节的模拟电路,电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输 出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。 4. 在实验项目的下拉列表中选择[一、典型环节及其阶跃响应] ,鼠标单击按 钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数 后用鼠标单击确定，等待屏幕的显示区显示实验结果. 5. 观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据,记录波形及数 七、实验结果 1、比例环节 K=2
《自动控制》一二阶典型环节阶跃响应实验分析报告一、实验目的 本实验旨在通过实际的一二阶典型环节阶跃响应实验，掌握自动控制理论中的基本概念和方法，并能够分析系统的动态响应特性。 二、实验原理 1.一阶惯性环节：一阶惯性环节是工程实际中常见的系统模型，其传递函数为G(s)=K/(Ts+1)，其中K为传递函数的增益，T为时间常数。 2.二阶惯性环节：二阶惯性环节是另一类常见的系统模型，其传递函数为G(s)=K/((Ts+1)(αTs+1))，其中K为传递函数的增益，T为时间常数，α为阻尼系数。 3.阶跃响应：阶跃响应是指给定一个单位阶跃输入，观察系统的输出过程。根据系统的阶数不同，其响应形式也不同。 实验仪器：电动力控制实验台，控制箱，计算机等。 三、实验步骤 1.将实验台上的一阶惯性环节模型接入控制箱和计算机，并调整增益和时间常数的初始值。 2.发送一个单位阶跃信号给控制器，观察实验台上的输出响应，并记录时间和输出值。 3.根据记录的数据，绘制一阶惯性环节的阶跃响应图像。 4.类似地，将实验台上的二阶惯性环节模型接入控制箱和计算机，并调整增益、时间常数和阻尼系数的初始值。
5.发送一个单位阶跃信号给控制器，观察实验台上的输出响应，并记录时间和输出值。 6.根据记录的数据，绘制二阶惯性环节的阶跃响应图像。 四、实验结果与分析 1.一阶惯性环节的阶跃响应图像如下： （在此插入阶跃响应图像） 根据图像可以看出，随着时间的增加，输出逐渐趋于稳定。根据实验数据，可以计算出一阶惯性环节的增益K和时间常数T的估计值。 2.二阶惯性环节的阶跃响应图像如下： （在此插入阶跃响应图像） 根据图像可以看出，相较于一阶惯性环节，二阶惯性环节的响应特性更加复杂。根据实验数据，可以计算出二阶惯性环节的增益K、时间常数T和阻尼系数α的估计值。 五、实验结论 通过本实验，我们成功地进行了一二阶典型环节阶跃响应实验，并获得了实际的响应数据。通过对实验数据的分析，我们得到了一阶惯性环节和二阶惯性环节的估计参数值。这些数据和结果证明了一二阶惯性环节的阶跃响应特点，并对理解自动控制系统的动态响应特性具有重要的意义。 六、实验心得 通过本次实验，我深入了解了一二阶典型环节的阶跃响应特性，并学会了如何通过实验来获取系统参数。同时，我也意识到了自动控制理论在
实验一典型环节的模拟研究及阶跃响应分析 1、比例环节 可知比例环节的传递函数为一个常数： 当Kp 分别为，1，2时，输入幅值为的正向阶跃信号，理论上依次输出幅值为，，的反向阶跃信号。实验中，输出信号依次为幅值为，，的反向阶跃信号， 相对误差分别为1.8%,2.2%,0.2%. 在误差允许范围内可认为实际输出满足理论值。 2、 积分环节 积分环节传递函数为： 〔1〕T=0.1(0.033)时，C=1μf(0.33μf)，利用MATLAB ，模拟阶跃信号输入下的输出信号如图： 与实验测得波形比较可知，实际与理论值较为吻合，理论上时的波形斜率近似为时的三倍，实际上为，在误差允许范围内可认为满足理论条件。 3、 惯性环节 惯性环节传递函数为： K = R f /R 1,T = R f C, （1） 保持K = R f /R 1= 1不变，观测秒，秒 〔既R 1 = 100K,C = 1μf ，μf 〕时的输出波形。利用matlab 仿真得到理论波形如下： 时 t s 〔5%〕理论值为300ms,实际测得t s =400ms 相对误差为：〔400-300〕/300=33.3%,读数误差较大。 K 理论值为1，实验值， 相对误差为〔〕/2.28=7%与理论值较为接近。 时 t s 〔5%〕理论值为30ms,实际测得t s =40ms 相对误差为：〔40-30〕/30=33.3% 由于ts 较小，所以读数时误差较大。 K 理论值为1，实验值， 相对误差为〔〕/2.28=7%与理论值较为接近 （2） 保持T = R f s 不变，分别观测K = 1，2时的输出波形。 K=1时波形即为〔1〕中时波形 K=2时，利用matlab 仿真得到如下结果： t s 〔5%〕理论值为300ms,实际测得t s =400ms 相对误差为：〔400-300〕/300=33.3% 读数误差较大 K 理论值为2，实验值， 相对误差为〔〕/2=5.7% i f i o R R U U -=1 TS K )s (R )s (C +-=
自动控制原理实验 典型环节及其阶跃相应 .1 实验目的 1. 学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性的影响。 2. 学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。 3. 学习用Multisim 、MATLAB 仿真软件对实验容中的电路进行仿真。 .2 实验原理 典型环节的概念对系统建模、分析和研究很有用，但应强调典型环节的数学模型是对各种物理系统元、部件的机理和特性高度理想化以后的结果，重要的是，在一定条件下， 典型模型的确定能在一定程度上忠实地描述那些元、部件物理过程的本质特征。 1.模拟典型环节是将运算放大器视为满足以下条件的理想放大器： (1) 输入阻抗为∞。流入运算放大器的电流为零，同时输出阻抗为零； (2) 电压增益为∞： (3) 通频带为∞： (4) 输入与输出之间呈线性特性： 2.实际模拟典型环节： (1) 实际运算放大器输出幅值受其电源限制是非线性的，实际运算放大器是有惯性的。 (2) 对比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节和振荡环节，只要控制了输入量的大小或是输入量施加的时间的长短(对于积分或比例积分环节)，不使其输出工作在工作期间达到饱和值，则非线性因素对上述环节特性的影响可以避免．但对模拟比例微分环节和微分环节的影响则无法避免，其模拟输出只能达到有限的最高饱和值。 (3) 实际运放有惯性，它对所有模拟惯性环节的暂态响应都有影响，但情况又有较大的不同。 3.各典型环节的模拟电路及传递函数 （1） 比例环节的模拟电路如图.1所示，及传递函数为： 1 2)(R R S G - =
.1 比例环节的模拟电路 2. 惯性环节的模拟电路如图.2所示，及传递函数为： 其中1 2R R K = T=R 2C 图.2 惯性环节的模拟电路 3. 积分环节的模拟电路如图.3所示，其传递函数为： 1 11R /1/)(21212212+-=+-=+-=-=TS K CS R R R CS R CS R Z Z S G
自动控制原理实验报告实验工程：自动控制原理实验 专业班级： 学号： 学生：
目录 实验一典型环节的模拟研究 实验二二阶系统瞬态响应和稳定性实验三三阶系统的瞬态响应和稳定性实验四一阶惯性环节的频率特性实验五二阶闭环系统的频率特性实验六二阶开环系统的频率特性 实验七频域法串联超前校正 实验八频域法串联滞后校正
实验一典型环节的模拟研究 一、实验目的 1.了解和掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出的时 域表达式。 2.观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响。 二、典型环节的方块图及传递函数表达式 方块图 传递函数 比例 〔P 〕 K (S) U (S)U (S)G i O == 积分 〔I 〕 TS 1(S)U (S)U (S)G i O == 比例积分 〔PI 〕 )TS 11(K (S)U (S)U (S)G i O +== 比例微分 〔PD 〕 )TS 1(K (S)U (S)U (S)G i O +== 惯性环节 〔T 〕 TS 1K (S)U (S)U (S)G i O +==
比例积分 微分 〔PID 〕 S T K S T K K (S)U (S)U (S)G d p i p p i O ++== 三、实验仪器 LABACT 自控原理试验机一台，装有虚拟示波器程序的计算机一台，导线假 设干 四、实验容及步骤 1〕观察比例环节的阶跃响应曲线 1.在主实验板上，用信号发生器的“阶跃信号输出〞和“幅度控制电位器〞构造输入信号Ui 。 2.根据实验书上的比例环节模拟电路图接线，构造模拟电路。 3.翻开虚拟示波器的界面，点击开场，运行、观察输出端Uo 的实际响应曲线，改变比例系数，重新观测结果，并记录数据。 2〕观察惯性环节的阶跃响应曲线 1.在主实验板上，用信号发生器的“阶跃信号输出〞和“幅度控制电位器〞构造输入信号Ui 。 2.根据实验书上的惯性环节模拟电路图接线，构造模拟电路。 3.翻开虚拟示波器的界面，点击开场，运行、观察输出端Uo 的实际响应曲线。 4.移动虚拟示波器横游标到4V*0.632处，得到与惯性的曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开场到曲线的交点，量的惯性关节模拟电路时间常数T 。 5.改变时间常数T 以及比例系数K,重新观测结果，并记录数据。