第三章自动控制原理实验
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．典型环节的结构图及传递函数
三．实验容及步骤
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
运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。具体用法参见用户手册中的示波器部分。
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。
① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。
② 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度＞1秒（D1单元左显示）。
③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 4V （D1单元右显示）。 （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
模块号 跨接座号 1 A5 S4，S12 2
B5
‘S-ST ’
（3）运行、观察、记录：
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Uo （t ）见图3-1-2。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。
图3-1-2 比例环节阶跃响应曲线图 图3-1-3 惯性环节阶跃响应曲
线
实验报告要求：按下表改变图3-1-1所示的被测系统比例系数，观测结果，填入实验报告。
R0 R1 输入Ui
比例系数K 计算值 测量值 200K 100K 4V 0.5 0.51 200K 4V 1 1.02 50K
100K 2V 2 1.93 200K
1V
4
4.06
1 信号输入（Ui ） B5（OUT ）→A5（H1） 2
示波器联接
×1档
A6（OUT ）→B3（CH1）
3 B5（OUT ）→B3（CH2）
R0=200K ,
R1=100K ,Ui=4v
R0=200K , R1=200K ,Ui=4v
R0=50K , R1=100K ,Ui=2v
R0=50K , R1=200K ,Ui=1v
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3-1-4所示。
图3-1-4 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
11(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 ）；
该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。
① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。
② 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度＞1秒（D1单元左显示）。
③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 4V （D1单元右显示）。 （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 ）安置短路套 （b ）测孔联线
模块号 跨接座号 1 A5 S4，S6，S10 2
B5
‘S-ST ’
（3 打开虚拟示波器的界面，点击开始，按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮时（0→+4V 阶跃），等待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到输出稳态值×0.632处，，得到与输出曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到输出曲线的交点，量得惯性环节模拟电路时间常数T 。A5B 输出端响应曲线Uo(t ）见图3-1-3。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。
实验报告要求：按下表改变图3-1-4所示的被测系统时间常数及比例系数，观测结果，填入R0 R1 C 输入Ui
比例系数K 惯性常数T 计算值
测量值 计算值 测量值
200K 200K 1u 4V 1 1.015 0.2 0.22 2u 1 1.015 0.4 0.41 50K
100K 1u
2V 2 2.032 0.1 0.11 200K
1V
4
4.063
0.2
0.20
1 信号输入（Ui ） B5（OUT ）→A5（H1）
2 示波器联接 ×1档
A5B （OUTB ）→B3（CH1） 3
B5（OUT ）→B3（CH2）
R0=200K , R1=200K ,Ui=4v, C=1u
R0=200K , R1=200K ,Ui=4v, C=2u
R0=50K , R1=100K ,Ui=2v, C=1u
R0=50K , R1=200K ,Ui=1v, C=1u
3)．观察积分环节的阶跃响应曲线
典型积分环节模拟电路如图3-1-5所示。
图3-1-5 典型积分环节模拟电路
传递函数：C R T
TS
U U G i
i O 01
(S)
(S)(S)=== 单位阶跃响应：t Ti
1)(t U 0=
实验步骤：注：‘S ST ’用短路套短接！
（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT ），代替
信号发生器（B1）中的人工阶跃输出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。
① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。
② 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度＞1秒（D1单元左显示）。
③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 1V （D1单元右显示）。 （2）构造模拟电路：按图3-1-5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）运行、
观察、记录：
打开虚拟示波器的界面，点击开始，等待完整波形出来后，点击停止，移动虚拟示波器横游标到0V 处，再移动另一根横游标到ΔV=1V （与输入相等）处，得到与输出曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到输出曲线的交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti 。A5B 输出响应曲线Uo(t)见图3-1-6。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。
图3-1-6 积分环节响应曲线 图3-1-7 比例积分环节响应曲线 实验报告要求：按下表改变图3-1-5所示的被测系统时间常数，观测结果，填入实验报告。
R0 C 输入Ui
积分常数Ti 计算值 测量值 200K 1u 1V 0.2 0.20 2u 0.4 0.42 100K
1u 0.1 0.10 2u
0.2
0.20
1 信号输入（Ui ） B5（OUT ）→A5（H1）
2 示波器联接 ×1档 A5B （OUTB ）→B3（CH1）
3 B5（OUT ）→B3（CH2） 模块号 跨接座号
1 A5 S4，S10
2 B5 ‘S-ST ’
R0=200K, C=1u, Ui=1v
R0=200K, C=2u, Ui=1v
R0=100K, C=1u,
Ui=1v
R0=100K, C=2u, Ui=1v
4)．观察比例积分环节的阶跃响应曲线 典型比例积分环节模拟电路如图3-1-8所示.。
图3-1-8 典型比例积分环节模拟电路
传递函数：C R T R R K TiS
K U U G i i O 10
1)
11((S)
(S)(S)==
+== 单位阶跃响应：
）（t T
11K )t (U O +
= 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。
① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。
②量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度＞1秒（D1单元左显示）。
（注：为了使在积分电容上积分的电荷充分放掉，锁零时间应足够大，即矩形波的零输出宽度时间足够长！ “量程选择”开关置于下档时，其零输出宽度恒保持为2秒！） ③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压 = 1V （D1单元右显示）。 （2）构造模拟电路：按图3-1-8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）运行、观察、记录：
打开虚拟示波器的界面，点击开始，等待完整波形出来后，点击停止。移动虚拟示波器横游标到输入电压×比例系数K 处，再移动另一根横游标到（输入电压×比例系数K ×2）处，得到与积分曲线的两个交点。
再分别移动示波器两根纵游标到积分曲线的两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti 。典型比例积分环节模拟电路A5B 输出响应曲线Uo(t)见图3-1-7 。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。
实验报告要求：按下表改变图3-1-8所示的被测系统时间常数及比例系数，观测结果，填入实验报告。
模块号 跨接座号
1 A5 S4，S8
2 B5 ‘S-ST ’
1 信号输入（Ui ） B5（OUT ）→A5（H1）
2 示波器联接 ×1档 A5B （OUTB ）→B3（CH1）
3 B5（OUT ）→B3（CH2） R0 R1
C 输入Ui
比例系数K 积分常数Ti 计算值 测量值
计算值
测量值
200K
200K
1u 1V 1 0.2 2u 1 0.4 100K
1u 2 0.2 2u
2
0.4
R0=200K, R1=200K C=1u, Ui=1v
R0=200K, R1=200K C=2u, Ui=1v
R0=100K, R1=200K C=1u, Ui=1v
R0=100K, R1=200K C=2u, Ui=1v
5)．观察比例微分环节的阶跃响应曲线
为了便于观察比例微分的阶跃响应曲线，本实验增加了一个小惯性环节，其模拟电路如图
3-1-9所示。
图3-1-9 典型比例微分环节模拟电路
比例微分环节+惯性环节的传递函数： )S
1TS 1(K (S)
U (S)U (S)G i O τ++==
微分时间常数： C R R R R R )(T 3
2
121D ++= 惯性时间常数： C R 3=τ 0
21R R R K +=
3
321D )//(R K R R R +=
0.48S K T D
D =?=τ 单位阶跃响应：
K t KT t U +=)()(0δ
实验步骤：注：‘S ST ’用短路套短接!
（1）将函数发生器（B5）单元的矩形波输出作为系统输入R 。（连续的正输出宽度足够大的阶跃信号)
① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。
② 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒左右（D1单元左显示）。
③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压 = 0.5V （D1单元右显示）。 （2）构造模拟电路：按图3-1-9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）运
行、观察、记录：虚拟示波器的时间量程选‘／4’档。
① 打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测系统的A6输出端（Uo ），响应曲线见图3-1-10。等待完整波形出来后，把最高端电压（4.77V ）减去稳态输出电压（0.5V ），然后乘以0.632，得到ΔV=2.7V 。
② 移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到ΔV=2.7V 处为止，得到与微分的指数曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得τ=Δt=0.048S 。
③ 已知K D =10，则图3-1-9的比例微分环节模拟电路微分时间常数：
0.48S K T D D =?=τ
模块号 跨接座号
1 A4 S4，S9
2 A6 S2，S6
3
B5 ‘S-ST ’
1 信号输入(Ui) B5（OUT ）→A4（H1）
2 运放级联 A4（OUT ）→A6（H1）
3 示波器联接 ×1档 A6（OUT ）→B3（CH1）
4 B5（OUT ）→B3（CH2）
图3-1-10 比例微分环节模拟电路响应曲线
6)．观察PID（比例积分微分）环节的响应曲线
PID（比例积分微分）环节模拟电路如图3-1-11所示。
图3-1-11 PID（比例积分微分）环节模拟电路
典型比例积分环节的传递函数：S
T
K
S
T
K
K
(S)
U
(S)
U
(S)
G
d
P
i
P
P
i
O+
+
=
=
2
1
1
2
1
2
3
2
1
2
1,
)
(
,
)
(
R
R
R
K
C
R
R
T
C
R
R
R
R
R
T
P
i
d
+
=
+
=
+
+
=
3
3
2
1
D
)
//
(R
K
R
R
R+
=
惯性时间常数：
2
3
C
R
=
ττ
?
=
D
d
K
T
单位阶跃响应：t
T
K
K
)t(
T
K
)t(
U p
P
D
p
+
+
=δ
实验步骤：注：‘S ST’用短路套短接！
（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的人工阶跃输出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。
①在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。
②量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度0.4秒左右（D1单元左显示）。
③调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 0.3V（D1单元右显示）。（2）构造模拟电路：按图3-1-11安置短路套及测孔联线，表如下。
（a）安置短路套（b）测孔联线
模块号跨接座号
1 A
2 S4，S8
2 B5 ‘S-ST’
（3）运行、观察、记录：
①打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测A2B输出端（Uo）。
1 信号输入（Ui）B5（OUT）→A2（H1）
2 示波器联接
×1档
A2B（OUTB）→B3（CH1）
3 B5（OUT）→B3（CH2）
②等待完整波形出来后，点击停止，移动虚拟示波器两根横游标使之ΔV=Kp×输入电
压，得到与积分的曲线的两个交点。
③再分别移动示波器两根纵游标到积分的曲线的两个交点，量得积分环节模拟电路时间
常数Ti，见图3-1-12（a）。示波器的截图详见虚拟示波器的使用。
④将A2单元的S9短路套套上，点击开始，用示波器观测系统的A2B输出端（Uo），
响应曲线见图3-1-12（b）。等待完整波形出来后，，点击停止，把最高端电压（3.59V）减去稳态输出电压（0.6V=Kp*Ui），然后乘以0.632，得到ΔV=1.88V。
⑤移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到ΔV=1.88V处为止，得到与微分的指数
曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得τ=Δt=0.01S
⑥已知K D=6，则图3-1-11的比例微分环节模拟电路微分时间常数：
=τ。
T=
?
K
0.06S
图3-1-12（a）比例积分微分环节响应曲线图3-1-12（b）比例微分环节响应曲线
第三章 自动控制原理实验 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．典型环节的结构图及传递函数 方 框 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 运行LABACT 程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。具体用法参见用户手册中的示波器部分。
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。 ① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。 ② 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度＞1秒（D1单元左显示）。 ③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 4V （D1单元右显示）。 （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。 （b ）测孔联线 （3）运行、观察、记录： 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Uo （t ）见图3-1-2。示波器的截图详见虚 拟示波器的使用。 图3-1-2 比例环节阶跃响应曲线图 图3-1-3 惯性环节阶跃响应曲 线 实验报告要求：按下表改变图3-1-1所示的被测系统比例系数，观测结果，填入实验报告。
实验报告 课程名称： 控制理论（乙） 指导老师： 韦巍老师的助教 成绩：_________________ 实验名称： 典型环节的电路模拟 实验类型： 控制理论实验 同组学生姓名： 无 第一次课 典型环节的电路模拟 一、实验目的 1.1熟悉THBDC-2型实验平台及“THBDC-2”软件的使用； 1.2熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟； 1.3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、实验内容 2.1设计并组建各典型环节的模拟电路； 2.2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。 三、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十分有益。 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3-1所 示。图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。 图3-1 3.1 积分环节 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： 设U i (S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T 时的响应曲线如图3-2所示。 图3-2 3.2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： )11(11)()()(21211212CS R R R CS R R R CS R CS R S U S U s G i O +=+=+== 其中T=R 2C ，K=R 2/R 1 设U i (S)为一单位阶跃信号，图3-3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 3-3 Ts S U S U s G i O 1 )()()(= =
实验报告 实验课程：自动控制理论 学生： 学号： 专业班级：
2013年 12 月 20日 大学实验报告 学生：学号：专业班级： 实验类型：■验证□综合□设计□创新实验日期：实验成绩： 典型环节的模拟研究 一、实验要求： 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、主要仪器设备及耗材： 1．计算机一台（Windows XP操作系统） 2．AEDK-labACT自动控制理论教学实验系统一套 3．LabACT6_08软件一套 三、实验容和步骤： 选用虚拟示波器，只要运行LABACT 程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。具体用法参见用户手册中的示波器部分。 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 实验步骤：注：‘S ST’不能用“短路套”短接！ （1）用信号发生器（B1）的‘阶跃信号输出’和‘幅度控制电位器’构造输入信号（Ui）： B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。阶跃信号输出（B1的Y测孔）调整为4V（调节方法：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y测孔）。 （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
实验一典型环节的电路模拟与数字仿真实验 一实验目的 通过实验熟悉各种典型环节传递函数及其特性，掌握电路模拟和数字仿真研究方法。 二实验内容 1.设计各种典型环节的模拟电路。 2.编制获得各种典型环节阶跃特性的数字仿真程序。 3.完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。 4.运行所编制的程序，完成典型环节阶跃特性的数字仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。 三实验步骤 1.熟悉实验设备，设计并连接各种典型环节的模拟电路； 2.利用实验设备完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响； 3.用MATLAB编写计算各典型环节阶跃特性的数字仿真研究，并与电路模拟测试结果作比较。分析实验结果，完成实验报告。 四实验结果 1.积分环节模拟电路、阶跃响应
仿真结果： 2.比例积分环节模拟电路、阶跃响应 仿真结果：
3.比例微分环节模拟电路、阶跃响应 仿真结果： 4.惯性环节模拟电路、阶跃响应
仿真结果： 5.实验结果分析： 积分环节的传递函数为G=1/Ts(T为积分时间常数)，惯性环节的传递函数为G=1/(Ts+1)（T为惯性环节时间常数）。 当时间常数T趋近于无穷小，惯性环节可视为比例环节， 当时间常数T趋近于无穷大，惯性环节可视为积分环节。
实验二典型系统动态性能和稳定性分析的电路模拟与数 字仿真研究 一实验目的 1.学习和掌握动态性能指标的测试方法。 2.研究典型系统参数对系统动态性能和稳定性的影响。 二实验内容 1.观测二阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。 三实验步骤 1.熟悉实验设备，设计并连接由一个积分环节和一个惯性环节组成的二阶闭环系统的模拟电路； 2.利用实验设备观测该二阶系统模拟电路的阶跃特性，并测出其超调量和调节时间； 3.二阶系统模拟电路的参数观测参数对系统的动态性能的影响； 4.分析结果，完成实验报告。 四实验结果 典型二阶系统 仿真结果：1）过阻尼
自动控制原理实验报告 院（系）：能源与环境学院 专业：热能与动力工程 姓名：周宇盛学号： 03010130 同组人员：王琪耀马晓飞 实验时间： 2012 年 10 月 23 日 实验名称：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；
一、各典型环节电路图 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。 图中后一个单元为反相器，其中R 0=200K 。 若比例系数K=1时，电路中的参数取：R 1=100K ，R 2=100K 。 若比例系数K=2时，电路中的参数取：R 1=100K ，R 2=200K 。 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。 图中后一个单元为反相器，其中R 0=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=时，电路中的参数取：R=100K ，C=1uF(T=RC=100K ×1uF=； 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R 0=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：R 1=100K ，R 2=100K ，C=10uF(K= R 2/ R 1=1,T=R 1C=100K ×10uF=1)； 若取比例系数K=1、积分时间常数T=时，电路中的参数取：R 1=100K ，R 2=100K ，C=1uF(K= R 2/ R 1=1,T=R 1C=100K ×1uF=。 -+ + R 1 R 2u i -+ + R 0 R 0 u o -+ + R C u i -+ + R 0 R 0 u o
南昌大学实验报告 学生姓名：梁志甲学号：6101113153 专业班级：电气134 实验类型：■验证□综合□设计□创新实验日期：实验成绩： 一、实验项目名称：典型环节的模拟研究 二、实验要求 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三、主要仪器设备及耗材 1．计算机一台（Windows XP操作系统） 2．AEDK-labACT自动控制理论教学实验系统一套 3．LabACT6_08软件一套 四、实验内容和步骤 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 实验步骤：注：‘S ST’不能用“短路套”短接！ （1）用信号发生器（B1）的‘阶跃信号输出’和‘幅度控制电位器’构造输入信号（Ui）：B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。阶跃信号输出（B1的Y测孔）调整为4V（调节方法：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y测孔）。 （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）运行、观察、记录：（注：CH1选‘×1’档。时间量程选‘×1’档） ①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），
用示波器观测A6输出端（Uo ）的实际响应曲线Uo （t ）。 ② 改变比例系数（改变运算模拟单元A1的反馈电阻R 1），重新观测结果，填入实验报告。 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3-1-4所示。 图3-1-4 典型惯性环节模拟电路 实验步骤： 注：‘S ST’不能用“短路套”短接！ （1）用信号发生器（B1）的‘阶跃信号输出’ 和‘幅度控制电位器’构造输入信号（Ui ）： B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND ），右边K4开关拨下（0/+5V 阶跃）。阶跃信号输出（B1的Y 测孔）调整为4V （调节方法：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y 测孔）。 （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。 （b ）测孔联线 （1’档） ① 打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测A6输出端（Uo ），按下信号发生器（B1） 阶跃信号按钮时（0→+4V 阶跃），等待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到4V （输入）×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，从阶跃开始到曲线的交点，量得惯性环节模拟电路时间常数T 。A6输出端（Uo ）的实际响应曲线Uo （t ）。 ② 改变时间常数及比例系数（分别改变运算模拟单元 A1的反馈电阻R1和反馈电容C ），重 新观测结果，填入实验报告。 3)．观察积分环节的阶跃响应曲线 典型积分环节模拟电路如图3-1-5所示。 图3-1-5 典型积分环节模拟电路 实验步骤：注：‘S ST ’用短路套短接！ （1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT ），代替信号发生
典型环节的电路模拟
装 订 线实验报告 课程名称：_________控制理论（甲）实验_______指导老师：_____ ____成绩：__________________ 实验名称：_________典型环节的电路模拟______实验类型：________________同组学生姓名：__________ 一、实验目的 二、实验原理 三、实验接线图 四、实验设备 五、实验步骤 六、实验数据记录 七 、 实 验 数 据 分 析 八、实验结果或结论 一、实验目的 1．熟悉THBDC-2型 控制理论·计算机控制技术实验平台及“THBDC-2”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。要对系统的设计和分析，必须熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应。 本实验中的典型环节都是以运放 专业： __
P ．3 实验名称： 典型环节的电路模拟 姓名： 装 订 线为核心元件构成，原理图如左图 图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。 1. 积分环节（I ） 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： 设U i (S)为一单位阶跃信号，当积分系 数为T 时的响应曲线如右图所示。 2. 比例微分环节（PD ） 比例微分环节的传递函数与方框图分 别为： )1()1()(1 1 2 CS R R R TS K s G +=+= 其中C R T R R K D 1 12,/== 设U i (S)为一单位阶跃信号，右图示出了比例系数(K)为2、微分系数为T D 时PD 的输出响应曲线。 Ts S U S U s G i O 1 )()()(= =
实验一 典型环节的MATLAB 仿真 一、实验目的 1．熟悉MATLAB 桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK 功能模块的使用方法。 2．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应曲线的理解。 3．定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、SIMULINK 的使用 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。 1．运行MATLAB 软件，在命令窗口栏“>>”提示符下键入simulink 命令，按Enter 键或在工具栏单击按钮，即可进入如图1-1所示的SIMULINK 仿真 环境下。 2．选择File 菜单下New 下的Model 命令，新建一个simulink 仿真环境常规模板。 3．在simulink 仿真环境下，创建所需要的系统。 以图1-2所示的系统为例，说明基本设计步骤如下： 图1-1 SIMULINK 仿真界面 图1-2 系统方框图
1）进入线性系统模块库，构建传递函数。点击simulink 下的“Continuous ”，再将右边窗口中“Transfer Fen ”的图标用左键拖至新建的“untitled ”窗口。 2）改变模块参数。在simulink 仿真环境“untitled ”窗口中双击该图标，即可改变传递函数。其中方括号内的数字分别为传递函数的分子、分母各次幂由高到低的系数，数字之间用空格隔开；设置完成后，选择OK ，即完成该模块的设置。 3）建立其它传递函数模块。按照上述方法，在不同的simulink 的模块库中，建立系统所需的传递函数模块。例：比例环节用“Math ”右边窗口“Gain ”的图标。 4）选取阶跃信号输入函数。用鼠标点击simulink 下的“Source ”，将右边窗口中“Step ”图标用左键拖至新建的“untitled ”窗口，形成一个阶跃函数输入模块。 5）选择输出方式。用鼠标点击simulink 下的“Sinks ”，就进入输出方式模块库，通常选用“Scope ”的示波器图标，将其用左键拖至新建的“untitled ”窗口。 6）选择反馈形式。为了形成闭环反馈系统，需选择“Math ” 模块库右边窗口“Sum ”图标，并用鼠标双击，将其设置为需要的反馈形式（改变正负号）。 7）连接各元件，用鼠标划线，构成闭环传递函数。 8）运行并观察响应曲线。用鼠标单击工具栏中的“”按钮，便能自动运行仿真环境下的系统框图模型。运行完之后用鼠标双击“Scope ”元件，即可看到响应曲线。 三、实验原理 1．比例环节的传递函数为 K R K R R R Z Z s G 200,1002)(211 212==-=-=- = 其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-3所示。 图1-3 比例环节的模拟电路及SIMULINK 图形
实验一 典型环节的模拟研究 一．实验目的 1．通过搭建典型环节模拟电路，熟悉并掌握自动控制综合实验台的使用方法。 2．了解并掌握各典型环节的传递函数及其特性，观察和分析各典型环节的响应曲线，掌握电路模拟研究方法。 二．实验内容 1．搭建各种典型环节的模拟电路，观测并记录各种典型环节的阶跃响应曲线。 2．调节模拟电路参数，研究参数变化对典型环节阶跃响应的影响。 三．实验步骤 在实验中观测实验结果时，可选用普通示波器。 1．观察比例环节的阶跃响应曲线 实验中所用到的功能区域： 阶跃信号、示波器、实验电路A1、实验电路A2。 注： a.掌握示波器的使用、标定和测量。 b.搭建阶跃信号的电路，用示波器观察波形。 c.了解运算放大器的引脚定义。 典型比例环节模拟电路如图1-1-1所示，比例环节的传递函数为： 0() () i U s K U s 图1-1-1典型比例环节模拟电路 实验步骤： （1） 设置阶跃信号源： A ．将阶跃信号区的“0～1V ”端子与实验电路A1的“Ui ”端子相连接 B ．按压阶跃信号开关按钮就可以在“0～1V ”端子产生阶跃信号。 C. 用示波器通道CH2观察。 （2） 搭建典型比例环节模拟电路： A ．将实验电路A1的“OUT1”端子与实验电路A2的“IN ”端子相连接； B ．按照图1-1-1拨动阶跃信号开关按钮： （3） 连接示波器： 将实验电路A2的“Uo ”与示波器通道CH1相连接。 （4） 输入阶跃信号，通过示波器观测输出阶跃响应曲线并进行记录。
2．观察积分环节的阶跃响应曲线 实验中所用到的功能区域： 阶跃信号、示波器、实验电路A1、实验电路A2。 典型积分环节模拟电路如图1-1-2所示，积分环节的传递函数为： 0()1 ()i U s U s TS = 图1-1-2典型积分环节模拟电路 同上1实验步骤 3．观察比例积分环节的阶跃响应曲线 实验中所用到的功能区域： 阶跃信号、示波器、实验电路A3、实验电路A5。 典型比例积分环节模拟电路如图1-1-3所示，比例积分环节的传递函数为： 0()1 ()i U s K U s TS =+ 图1-1-3典型比例积分环节模拟电路 同上1实验步骤 4．观察微分环节的阶跃响应曲线 实验中所用到的功能区域： 阶跃信号、示波器、实验电路A1、实验电路A2。 典型微分环节模拟电路如图1-1-4所示，微分环节的传递函数为： 0() () i U s TS U s =
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)
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（3DJ6）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。 实验步骤： ①按表二中的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、比例积分、比例微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参见表三。 2、观察PID环节的响应曲线。 实验步骤： ①将U1单元的周期性方波信号(U1 单元的ST端改为与S端用短路块短接，S11波段开关置于“方波”档，“OUT”端的输出电压即为方波信号电压，信号周期由波段开关S11和电位器W11调节，信号幅值由电位器W12调节。以信号幅值小、信号周期较长比较适宜)。 ②参照表二中的PID模拟电路图，按相关参数要求将PID电路连接好。 ③将①中产生的周期性方波信号加到PID环节的输入端（U i），用示波器观测PID输出端(Uo)，改变电路参数，重新观察并记录。 四、实验思考题： 1、为什么PI和PID在阶跃信号作用下，输出的终值为一常量？ 2、为什么PD和PID在单位阶跃信号作用下，在t=0时的输出为一有限值？
第三章自动控制原理实验 3.1线性系统的时域分析 3.1.1典型环节的模拟研究 .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 .典型环节的结构图及传递函数 三.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 运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟 示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。具体用法参见用户手册中的示波器部分。
——0 dtnn 传递函数: 模块号跨接座号 1A5S4, S12 2B5‘ S-ST' 1信号输入（Ui）B5 (OUT T A5 ( H1) 2示波器联接A6 (OUT T B3 ( CH1) 3X 1档B5 (OUT T B3 (CH2) +4V 阶 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 单位阶跃响应：U（t）=K R o 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。 ①在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中’矩形波’（矩形波指示灯亮）。 ②量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度〉1秒（D1单元左 显示）。 ③调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=4V （D1单元右显示） （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。 跃）,观测A5B输出端（Uo）的实际响应曲线Uo （t ）见图3-1-2。示波器的截图详见虚拟示 波器的使用。 实验报告要求：按下表改变图3-1-1所示的被测系统比例系数，观测结果，填入实验报告。 R0 R1 输入Ui 比例系数K 计算值测量值 200K 100K 4V 0.5 0.51 200K 4V 1 1.02 同期住矩爪谀信号 B5 OUT 一 ?C0K （a）安置短路套 （3）运行、观察、记录: 打开虚拟示波器的界面，点击 （b）测孔联线 开始，按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮
实验报告 课程名称：_________控制理论（甲）实验_______指导老师：_____ ____成绩：__________________ 实验名称：_________典型环节的电路模拟______实验类型：________________同组学生：__________ 一、实验目的 二、实验原理 三、实验接线图 四、实验设备 五、实验步骤 六、实验数据记录 七、实验数据分析 八、实验结果或结论 一、实验目的 1．熟悉THBDC-2型 控制理论·计算机控制技术实验平台及“THBDC-2”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。要对系统的设计和分析，必须熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应。 本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，原理图如左图 图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。 1. 积分环节（I ） 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： 设U i (S)为一单位阶跃信号，当积分系 数为T 时的响应曲线如右图所示。 2. 比例微分环节（PD ） 比例微分环节的传递函数与方框图分别为： )1()1()(11 2 CS R R R TS K s G +=+= 其中C R T R R K D 112,/== 设U i (S)为一单位阶跃信号，右图示出了比例系数(K)为2、微分系数为T D 时PD 的输出响应曲线。 专业： __ Ts S U S U s G i O 1 )()()(==
实验一典型环节的MATLAB仿真 一、实验目的 1．熟悉MATLAB桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK功能模块的使用方法。 2．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应曲线的理解。 3．定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、SIMULINK的使用 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。 1．运行MATLAB软件，在命令窗口栏“>>”提示符下键入simulink命令，按Enter 键或在工具栏单击按钮，即可进入如图1-1所示的SIMULINK仿真环境下。 2．选择File菜单下New下的Model命令，新建一个simulink仿真环境常规模板。 3．在simulink仿真环境下，创建所需要的系统。 以图1-2所示的系统为例，说明基本设计步骤如下： 1）进入线性系统模块库，构建传递函数。点击simulink下的“Continuous”，再将右边窗口中“Transfer Fen”的图标用左键拖至新建的“untitled”窗口。 2）改变模块参数。在simulink仿真环境“untitled”窗口中双击该图标，即可改变传递函数。其中方括号内的数字分别为传递函数的分子、分母各次幂由高到低的系数，数字之间用空格隔开；设置完成后，选择OK，即完成该模块的设置。 图1-1 SIMULINK仿真界面图1-2 系统方框图
3）建立其它传递函数模块。按照上述方法，在不同的simulink的模块库中，建立 系统所需的传递函数模块。例：比例环节用“Math ”右边窗口“ Gain”的图标。 4）选取阶跃信号输入函数。用鼠标点击simulink下的“Source”，将右边窗口中“Step”图标用左键拖至新建的“untitled”窗口，形成一个阶跃函数输入模块。 5）选择输出方式。用鼠标点击simulink下的“Sinks”，就进入输出方式模块库，通常选用“Scope”的示波器图标，将其用左键拖至新建的“untitled”窗口。 6）选择反馈形式。为了形成闭环反馈系统，需选择“Math”模块库右边窗口“Sum”图标，并用鼠标双击，将其设置为需要的反馈形式（改变正负号）。 7）连接各元件，用鼠标划线，构成闭环传递函数。 8）运行并观察响应曲线。用鼠标单击工具栏中的“”按钮，便能自动运行仿真环境下的系统框图模型。运行完之后用鼠标双击“Scope”元件，即可看到响应曲线。 三、实验原理 1．比例环节的传递函数为 K R K R R R Z Z s G200 , 100 2 ) ( 2 1 1 2 1 2= = - = - = - = 其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-3所示。 2．惯性环节的传递函数为 uf C K R K R s C R R R Z Z s G1 , 200 , 100 1 2.0 2 1 ) ( 1 2 1 1 2 1 2 1 2= = = + - = + - = - = 其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-4所示。 3．积分环节(I)的传递函数为 uf C K R s s C R Z Z s G1 , 100 1.0 1 1 ) ( 1 1 1 1 1 2= = - = - = - = 其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-5所示。 图1-3 比例环节的模拟电路及SIMULINK图形
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 运行LABACT 程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。具体用法参见用户手册中的示波器部分 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。 ① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波’（矩形波指示灯亮）。 ② 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度＞1秒（D1单元左显示）。 ③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 4V （D1单元‘右显示）。
（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。 （b ）测孔联线 （3）运行、观察、记录： 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。 实验报告要求：按下表改变图3-1-1所示的被测系统比例系数，观测结果，填入实验报告。 R0=200K R1=100K Ui=4V
实验二 典型环节的模拟研究及阶跃响应分析 一 实验目的 1.掌握各典型环节（比例、积分、比例积分、比例微分、惯性环节、比例积分微分环节等）模拟电路的构成方法，培养实验技能。 2.测试并熟悉各典型环节（比例、积分、比例积分、比例微分、惯性环节、比例积分微分环节等）的阶跃响应曲线。 3.了解参数变化对典型环节（比例、积分、比例积分、比例微分、惯性环节、比例积分微分环节等）阶跃响应的影响。 二 实验任务与要求 1.观测各种典型环节的阶跃响应曲线。 2.观测参数变化对典型环节阶跃响应的影响。 三 实验原理 本实验是利用运算放大器的基本特性(开环增益高、输入阻抗大、输出阻抗小等)，设置不同的反馈网络来模拟各种环节。 典型环节原理方框图及其模拟电路如下： 1、比例环节(P)。其方框图如图2-1所示： 其传递函数是： K S Ui S U =) () (0 (2-1) 比例环节的模拟电路图如图2-2所示，其传递函数是： 1 0)()(R R S Ui S U = (2-2) 比较式(2-1)和(2-2)得 01R R K = (2-3) 当输入为单位阶跃信号，即)()(t t U i =时，S s U i /1)(=，则由式(1-1)得到： S K S U 1 )(0?= 所以输出响应为： K U =0 )0(≥t (2-4) 图1-1A 比例环节方框图图1-1B 比例环节模拟电路 R0=200K R1=100K;(200K)R 1 R 图 2-1 图 2-2
2、积分环节。其方框图如图2-3所示。 其传递函数为： TS S Ui S U 1 )()(0= (2-5) 积分环节的模拟电路图如图2-4所示。 积分环节的模拟电路的传递函数为： CS R S Ui S U 001 )()(= (2-6) 比较式(2-5)和(2-6)得： C R T 0= (2-7) 当输入为单位阶跃信号，即)(1) (t t U i =时，S S U i 1)(=，则由式(2-5)得到： 2 1 11)(TS S TS S U o =?= 所以输出响应为： t T t U o 1 )(= (2-8) 3、比例积分(PI)环节。其方框图如图2-5所示。 其传递函数为： TS K S Ui S U 1 )()(0+= (2-9) 比例积分环节的模拟电路如图2-6所示： 其传递函数为： R 图1-2A 积分环节方框图C R 图1-3B PI模拟电路(R 0=200K,R 1=200K,C=1μf(2μf) R 1 U 图1-3A 积分环节方框图 图 2-3 图 2-5
控制系统典型环节与系统的模拟 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、实验设备 https://www.doczj.com/doc/c0131038.html,KL-1控制理论实验箱1台 2.TDS1001B数字存储示波器1台 3.台式计算机 4.U盘1只 三、实验原理 1. 以运算放大器为核心，由其不同的输入R-C网络和反馈R-C网络构成控制系统的各种典型环节，用数字存储示波器测量各环节的阶跃响应曲线。 2. 操作过程注意事项。 A、接通TKKL-1实验箱的电源总开关。 B、接通TKKL-1实验箱上的直流电源开关。 C、接通TKKL-1实验箱上的阶跃信号发生器电源开关。 D、电位器顺时针调节时电阻值增大。 E、示波器探头接地端要与实验箱的地端牢固连接。 四、实验内容 1. 分别画出比例、积分、惯性、微分和振荡环节的电路原理图。 2. 按所设计的电路原理图接线，并在各电路的输入端输入阶跃信号，在电路的输出端观察并记录其单位阶跃响应的输出波形。 比例环节 G1(S)=1 和 G2(S)=2
积分环节 G1(S)=1/(S+1) 和 G2(S)=1/(0.51S+1)
惯性环节 G1(S)=1/S 和 G2(S)=1/(0.51S)
震荡环节
R1=100K, R2=1M, R3=100K, R4=100K, R5=1M, R6=100K, C1=1uF, C2=1uF R1=100K, R2=1M, R3=100K, R4=100K, R5=1M, R6=100K, C1=2uF, C2=1uF 微分环节 G(s)=410(1+0.02S)/200
第三章 自动控制原理实验 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．典型环节的结构图及传递函数 方 框 图 传递函数 比例 G(S) U O (S) K （ P ） U i (S) 积分 G(S) U O (S) 1 （ I ） U i (S) TS 比例积分 U O (S) K ( 1 1 ) （PI ） G(S) U i (S) TS 比例微分 U O (S) K ( 1 TS ) （ PD ） G(S) U i (S) 惯性环节 G(S) U O (S) K （ T ） U i (S) 1 TS 比例积分 G(S) U O (S) U i (S) 微分 K p （PID ） K p K p T d S T i S 三．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 运行 LABACT 程序，选择 自动控制 菜单下的 线性系统的时域分析 下的 典型环节的模拟 研究 中的相应实验项目 ，就会弹出虚拟示波器的界面， 点击 开始 即可使用本实验机配套的虚拟示波器（ B3 ）单元的 CH1 测孔测量波形。具体用法参见用户手册中的示波器部分。
实验报告 课程名称控制工程基础 实验项目实验一典型环节的模拟研究 专业电子科学与技术班级一姓名学号 指导教师实验成绩 2014年4月3日
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、实验仪器 PC 机一台、实验箱 三、实验内容及操作步骤 运行LABACT 程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。具体用法参见用户手册中的示波器部分。 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）用信号发生器（B1）的‘阶跃信号输出’和‘幅度控制电位器’构造输入信号（Ui ）：B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND ），右边K4开关拨下（0/+5阶跃）。阶跃信号输出（B1的Y 测孔）调整为4V （调节方法：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y 测孔）。 （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 模块号 跨接座 号 1 A1 S4, S7 2 A6 S2, S6 （3）运行、观察、记录：（A6(OUT)接CH1X1档，Y 测孔接CH2X1档。） ①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 1 信号输入（Ui ） B1（OUT ）→A1（H1） 2 运放级联 A1（OUT ）→A6 （CH1）
一、实验目的 1．熟悉THBDC-1型 控制理论·计算机控制技术实验平台及“THBDC-1”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。 4．观测二阶系统的阻尼比分别在0<ζ<1，ζ =1和ζ>1三种情况下的单位阶跃响应曲线； 二、实验环境 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“THBDC-1”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。 三、实验报告要求 1．画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。 2．写出各典型环节的传递函数。 3．根据测得的典型环节单位阶跃响应曲线，分析参数变化对动态特性的影响。 4．画出二阶系统线性定常系统的实验电路，并写出闭环传递函数，表明电路中的各参数； 5．根据测得系统的单位阶跃响应曲线，分析开环增益K 和时间常数T 对系统的动态性能的影响。 四、实验内容及分析 1．比例（P ）环节 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，当u i 为一单位阶跃信号时，用“THBDC-1”软件观测并记录相应K 值时的实验曲线，并与理论值进行比较。 参数：一图比例系数K=1时，电路中的参数取：R 1=100K ，R 2=100K 。 二图比例系数K=2时，电路中的参数取：R 1=100K ，R 2=200K 。 传递函数： K S U S U S G i O ==)()()( 结论：如上图所示当K 值改变为2倍时，输出量也跳跃为原来的2倍，最后稳定时还是一样输出值等于原来的2倍 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(U12、U6)设计并组建相应的模拟电路，当u i 为单位阶跃信号时，用“THBDC-1”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。