实验一 控制系统典型环节的模拟实验

自动控制原理实验指导书实验一 控制系统典型环节的模拟一、 实验目的1、掌握用运放组成控制系统典型环节的电子电路2、测量典型环节的阶跃响应曲线3、通过实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响 二、 实验仪器1、自控原理电子模拟实验箱一台2、电脑一台（虚拟示波器）3、万用表一只 三、 实验原理以运算放大器为核心元件，由其不同的R-C 输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图1-1所示。

图中Z1和Z2为复数阻抗，它们都是由R 、C 构成。

基于图中A 点的电位为虚地，略去流入运放的电流，则由图1-1得：120)(Z ZU U s G i =-= （1）由上式可求得由下列模拟电路组成的典型环节的 传递函数及其单位阶跃响应。

1、比例环节比例环节的模拟电路如图1-2所示：图1-1、运放的反馈连接1212)(R R Z Z s G ==（2）图1-2 比例环节取参考值K R 1001=，K R 2002=；或其它的阻值。

2、惯性环节惯性环节的模拟电路如图1-3所示：111/1/)(21212212+=+∙=+==TS KCS R R R R CS R CSR Z Z s G （3）图1-3 惯性环节取参考值K R 1001=，K R 1002=，uF C 1=。

3、积分环节积分环节的模拟电路如图1-4所示：TSRCS R CS Z Z s G 111)(12==== （4）图1-4 积分环节取参考值K R 200=，uF C 1=。

4、比例积分环节积分环节的模拟电路如图1-5所示：)11()11(11/1)(2212112121212ST K CS R R R CS R R R CS R CS R R CS R Z Z s G +=+∙=+=+=+==（5）图1-5 比例积分环节取参考值K R 2001=，K R 4002=，uF C 1=。

5、比例微分环节比例微分环节的模拟电路如图1-6所示：)1()1(/1/)(112111212+=+∙=+==S T K CS R R RCS R CS R R Z Z s G D （6）取参考值K R 2001=，K R 2002=，uF C 1.0=。

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．通过对典型环节的软件仿真研究，熟悉并掌握ACES 软件的使用方法。

3．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，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。

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。

3．运行ACES 软件中的软件仿真功能，完成各典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与模拟电路观测的结果作比较。

三．实验步骤在实验中观测实验结果时，可选用普通示波器，也可选用本实验台上的虚拟示波器。

如果选用虚拟示波器，只要运行ACES 程序，选择菜单列表中的相应实验项目，再选择开始实验，就会打开虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验台上的虚拟示波器CH1、CH2两通道观察被测波形。

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 实验中所用到的功能区域：阶跃信号、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2。

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（1） 设置阶跃信号源：A ．将阶跃信号区的选择开关拨至“0～5V ”；B ．将阶跃信号区的“0～5V ”端子与实验电路A1的“IN13”端子相连接；C ．按压阶跃信号区的红色开关按钮就可以在“0～5V ”端子产生阶跃信号。

（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“IN23”端子相连接；B ．按照图1-1-1选择拨动开关：K=1时：将A1的S6、S13拨至开的位置，将A2的S7、S11拨至开的位置； K=0.5时：将A1的S6、S14拨至开的位置，将A2的S7、S11拨至开的位置。

（3） 连接虚拟示波器：将实验电路A2的“OUT2”与示波器通道CH1相连接。

控制系统的典型环节的模拟实验报告修订版 IBMT standardization office【IBMT5AB-IBMT08-IBMT2C-ZZT18】课程名称：控制理论乙指导老师：成绩：实验名称：控制系统典型环节的模拟实验类型：同组学生姓名：一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求1．熟悉超低频扫描示波器的使用方法2．掌握用运放组成控制系统典型环节的电子电路3．测量典型环节的阶跃响应曲线4．铜鼓哦是暗夜男了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响二、实验内容和原理以运算放大器为核心元件，由其不同的RC输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如下图所示。

右图中可以得到：由上式可求得有下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应1．积分环节连接电路图如下图所示和第一个实验相同，电源为峰峰值为30V 的阶跃函数电源，运放为LM358型号运放。

在这次实验中，R2并不出现在电路中，所以我们可以同时调节R1的值和C 的值来改变该传递函数的其他参量值。

具体表达式为：式中：RC T =由表达式可以画出在阶跃函数的激励下，电路所出现的阶跃响应图像实验要求积分环节的传递函数需要达到（1）s s G 1)(1=（2）ss G 5.01)(2= 2．比例微分环节连接电路图如下图所示在该电路中，实验器材和第一次实验与第二次实验不变，R2仍然固定为1M 不改变。

R1与C 并联之后与运算放大器的负端相连，R2接在运放的输出端和负输入端两端，起到了负反馈调节作用。

具体表达式为： 式中，12R R K =，C R T 1= 由表达式可以画出在阶跃函数的激励下，电路所出现的阶跃响应图像实验要求惯性环节的传递函数需要达到（1）s s G +=2)(1（2）s s G 21)(2+=3．惯性环节连接电路图如图所示在该图中，电源由控制理论电子模拟箱中的阶跃响应电源来代替，电源的峰峰值为30V ；在模拟电子箱中，运算放大器采用LM358型号的运算放大器。

控制系统的典型环节的模拟实验报告一、实验题目：控制系统的典型环节的模拟实验报告二、实验目的：1. 了解控制系统中的典型环节的特性；2. 学习如何模拟典型环节的动态响应；3. 分析和验证控制系统的稳态和动态特性。

三、实验设备和材料：计算机、MATLAB软件、控制系统模拟工具箱。

四、实验原理：控制系统在工程实践中常常包括传感器、执行器、控制器以及被控对象等多个环节。

典型环节主要包括惯性环节和一阶滞后环节。

1. 惯性环节：惯性环节指的是一种动态响应特性，常用一阶惯性环节来描述。

其传递函数表达式为：G(s) = K / (Ts + 1)，其中K为增益，T为时间常数。

2. 一阶滞后环节：一阶滞后环节指的是一种静态响应特性，常用一阶滞后环节来描述。

其传递函数表达式为：G(s) = Ke^(-To s) / (Ts + 1)，其中K为增益，To为滞后时间常数，T为时间常数。

五、实验步骤：1. 打开MATLAB软件，并导入控制系统模拟工具箱；2. 定义惯性环节的传递函数：G1 = tf([K],[T 1]);3. 定义一阶滞后环节的传递函数：G2 = tf([K*exp(-To)],[T 1]);4. 绘制惯性环节的阶跃响应曲线：step(G1);5. 绘制一阶滞后环节的阶跃响应曲线：step(G2);6. 根据实验结果，分析和比较两种环节的动态响应特性。

六、实验结果：1. 惯性环节的阶跃响应曲线呈现一定的超调和过渡时间，随着时间的增加逐渐趋于稳态；2. 一阶滞后环节的阶跃响应曲线较为平滑，没有显著的超调和过渡时间现象，但需要较长的调节时间才能达到稳态。

七、实验结论：控制系统中的典型环节具有不同的响应特性，惯性环节一般具有超调和过渡时间现象，而一阶滞后环节则响应相对平滑。

在实际应用中，可以根据具体的控制要求和实际环境选择适合的环节类型，以达到理想的控制效果。

八、实验心得：通过本次实验，我进一步了解了控制系统中的典型环节，学会了如何模拟和分析这些环节的特性。

控制系统典型环节的模拟研究实验预习实验报告1. 一阶系统的仿真分析与电子模拟电阻电容的参数：K=1，T=0.5时，电阻取100k Ω，电容取5µFK=1，T=1 时，电阻取100k Ω，电容取10µFMatlab 程序：clc; clear; k=[1]; t=[0.5,1];gg=[];wwn=[];zz=[]; fori=1:length(t) num=[k]; den=[t(i),1];g=tf(num,den); [wn,z,p]=damp(g) gg=[gg,g]wwn=[wwn,wn] zz=[zz,z] endstep(gg(1),'-',gg(2),'--')Tim e (sec)A m p l i t u d e01234560.10.20.30.40.50.60.70.80.912. 二阶系统的仿真分析与电子模拟 Matlab 程序：clc; clear; k=[100,2];gg=[];wwn=[];zz=[]; fori=1:length(k) num=[k(i)]; den=[0.1,1,0];g0=tf(num,den); g=feedback(g0,1); [wn,z,p]=damp(g) gg=[gg,g]wwn=[wwn,wn] zz=[zz,z] endstep(gg(1),'-',gg(2),'--')Step ResponseTime (sec)A m p l i t u d e00.20.40.60.81 1.2 1.4 1.6 1.820.20.40.60.811.21.41.61.8各图错误分析：(a).缺少比例环节(b).反馈中未接入R=100kΩ的电阻，没有形成比较环节(c).反馈中的电阻阻值应为100kΩ(d).惯性环节直接放大100倍会产生放大失真(e). 比例环节直接放大100倍户产生放大失真(f).比例环节直接放大100倍户产生放大失真(g).输出在比例环节之前，输出结果缺少10倍的放大EWB模拟电路：。

系统与控制实验一实验内容1.比例环节：2.积分环节：比例环节传递函数为一个常数。

即：U oU i=−R fR i=−K p。

K p = 0.5，1，2时输入幅值为阶跃信号。

阶跃响应曲线如下图所示：k=2 k=1k=0.5传递函数：C(s)R(s)=−KTS实验中取R1 = 100K改变电容C的大小，分别取他C = 1μf，（0.33μf）可以得到不同的积分时间常数T，输入阶跃信号，MATLAB仿真观测T = 0.1秒(0.033秒)时输出波形并作记录。

保持num = [k] 不变，改变den = [T,0]，T 为积分环节的时间常数。

（T = RC，不妨取T = 0.1s，0.033s）3.惯性环节保持num = [k]不变，改变den = [T,1],T 为惯性环节的时间18常数。

（T = RC，不妨取T = 1s , 0.1s）这里时间长度t 可以适当调整，如t = 0:0.1:10; t=0:0.1:1。

（1）k=1，T=1，2时：显然，T=1 时曲线更陡峭，变化速度更快，更早达到饱和。

（2）T=1，k=1，2T=0.1 T=0.003传递函数：C(s)R(s)=−KTS+1式中：K = R2 /R1，T = R f C(1) 保持K = R f/R1 = 1不变，MATLAB仿真T =1秒，0.1秒（既R1 = 100K,C = 10μf，1μf ）时的输出波形。

(2) 保持T = R f C = 1s不变，仿真K = 1，2时的输出波形。

T=1 T=2K 为传递函数的分子系数向量，两张图阶跃响应的纵轴坐标随 k 改变做出相应变化4. 二阶振荡环节（1.）取R 1 = R 3 = 100K ，C 1 = C 2 = 1μf 即令：T = 0.1秒，调节R 2分别置阻尼比 ξ= 0.1，k=1 k=2 由一个惯性环节和一个积分环节相串联，再经过反向器引入单位负反馈而构成，由图可得： 传递函数C(s)R(s)=1R 1R 3C 1C 2S 2+R 1R 3R2C 2S +1令R 3 = R 1,C 2 = C 1C(s)R(s)=1T 2S 2+TS K+1T = R 1 C 1，K = R 2/ R 1，与二阶系统的标准形式作比较，得： ωn =1T=1/(R 1 C 1) ξ=1/(2k)=R 1/ (2R 2)同时改变C1和C2的大小 (C1 = C2),可以改变无阻尼自然频率的大小，改变R2的大小可改变ξ的大小0.5，1时观察输入同样幅度的阶跃或方波信号时间响应，读出并记录各ξ值时的超调量M p 和过渡过程时间t s (取σ=0.05)并绘制出ξ= 0.1,0.5,1三种情况时的波形➢ξ= 0.1超调量M p：0.73过渡过程时间t s：5.39 second➢ξ= 0.5超调量M p：0.16过渡过程时间t s：1.25 second➢ξ= 1超调量几乎为0；过渡过程时间1.02 second显然：随着阻尼比ξ的增大，超调量减小，过渡过程时间减小。

课程称呼：统制表面乙指挥教授：结果：之阳早格格创做真验称呼：统制系统典型关节的模拟真验典型：共组教死姓名：一、真验手段战央供（必挖）二、真验真质战本理（必挖）三、主要仪器设备（必挖）四、支配要领战真验步调五、真验数据记录战处理六、真验截止与分解（必挖）七、计划、心得一、真验手段战央供1．认识超矮频扫描示波器的使用要领2．掌握用运搁组成统制系统典型关节的电子电路3．丈量典型关节的阶跃赞同直线4．铜饱哦是暗夜男相识典型关节中参数的变更对于输出动背本能的效率二、真验真质战本理以运算搁大器为核心元件，由其分歧的RC输进搜集战反馈搜集组成的百般典型关节，如下图所示.左图中不妨得到：由上式可供得有下列模拟电路组成的典型关节的传播函数及其单位阶跃赞同1．积分关节连交电路图如下图所示战第一个真验相共，电源为峰峰值为30V 的阶跃函数电源，运搁为LM358型号运搁.正在那次真验中，R2本去不出当前电路中，所以咱们不妨共时安排R1的值战C 的值去改变该传播函数的其余参量值.简直表白式为：式中：RC T =由表白式不妨绘出正在阶跃函数的激励下，电路所出现的阶跃赞同图像真验央供积分关节的传播函数需要达到（1）ss G 1)(1=（2）ss G 5.01)(2= 2．比率微分关节连交电路图如下图所示正在该电路中，真验器材战第一次真验与第二次真验稳定，R2仍旧牢固为1M 不改变.R1与C 并联之后与运算搁大器的背端贯串，R2交正在运搁的输出端战背输进端二端，起到了背反馈安排效率.简直表白式为： 式中，12R R K =，C R T 1= 由表白式不妨绘出正在阶跃函数的激励下，电路所出现的阶跃赞同图像真验央供惯性关节的传播函数需要达到（1）s s G +=2)(1（2）s s G 21)(2+=3．惯性关节连交电路图如图所示正在该图中，电源由统制表面电子模拟箱中的阶跃赞同电源去代替，电源的峰峰值为30V ；正在模拟电子箱中，运算搁大器采与LM358型号的运算搁大器.正在统制表面电子模拟箱中，R2是一个牢固值，牢固为1M Ω，所以咱们不妨安排R1战C 去改变阶跃赞同函数图像的其余参数.电阻R2战电容C 并联交进正在运搁的背输进端战输出端之间，起到了背反馈安排效率.简直导出式如下 式中，12R R K =，C R T 2= 由表白式不妨绘出正在阶跃函数的激励下，电路所出现的阶跃赞同图像真验央供惯性关节的传播函数需要达到（1）11)(1+=s s G （2）15.01)(2+=s s G 三、主要仪器设备1．统制表面电子模拟真验箱一台2．超矮频缓扫描示波器一台3．万用表一只四、支配要领战真验步调（1）依照电路本理图，将本质的电路图连交起去（2）根据真验央供的传播函数算出R 1与C 的值.正在真验1中，T=RC=1，所以与R 1=1M Ω，C=1μF ；正在真验2中，T=RC=0.5，所以与R1=1M ΩμF （由二个1μμF 的电容）（3）将示波器的二个表笔交进输出端战输进端（4）交通电源，按下按钮，瞅察正在阶跃函数的直流电源激励下，输出端的阶跃赞同.2．比率微分关节（1）依照电路本理图，将本质的电路图连交起去（2）根据真验央供的传播函数算出R2、R1与C的值.由于R2牢固为1MΩ，所以只可安排R1战C的值去完毕真验.正在真验1中，K=2，T=1，所以与R1=0.5，R2Ω，C=1/R1=2μF （由二个1MΩΩ的电阻，由二个1μF并联起去得到2μF的电容）正在真验2中，K=1，T=2，所以R1=R2=1MΩ，C=1μF（3）将示波器的二个表笔交进输出端战输进端（4）交通电源，按下按钮，瞅察正在阶跃函数的直流电源激励下，输出端的阶跃赞同.3．惯性关节（1）依照电路本理图，将本质的电路图连交起去（2）根据真验央供的传播函数算出R1、R2与C的值.真验箱中R2电阻牢固为1MΩ.正在真验1中，T=1，K=1，所以R1=R2=1MΩ，C=1μF；正在真验2中，T=0.5，K=1，所以R1=R2=1MΩμF（由二个1μμF 的电容）（3）将示波器的二个表笔交进输出端战输进端（4）交通电源，按下按钮，瞅察正在阶跃函数的直流电源激励下，输出端的阶跃赞同.五、真验数据记录战处理1．积分关节（1）s s G 1)(1=（2）s s G 5.01)(2=2. 比率积分关节（1）s s G +=2)(1（2）s s G 21)(2+=3. 惯性关节（2）15.01)(2+=s s G六、真验截止与分解1．真验截止分解（1）积分关节 ①s s G 1)(1=表面值：降高时间为15s ，输出电压为15V .本质值：输出电压为14.2V ，降高时间为13.0s.缺面为9.0%与5.3% ②s s G 5.01)(2=表面值：降高时间为7.5s ，输出电压为15V .本质值：输出电压为14.2V ，降高时间为7.32s.缺面为3.0%与5.3%（2）比率积分关节①s s G +=2)(1表面值：降高时间70ms ，降高电压15V本质值：降高时间72.0ms ，降高电压14.8V .缺面为2.8%战1.3%. ②s s G 21)(2+=表面值：降高时间140ms ，降高电压15V本质值：降高时间为132ms ，降高电压为14.2V .缺面为5.7%战5.3%（3）惯性关节 ①11)(1+=s s G 表面值：时间常数为1s ，降高时间为4s ，降高电压1V本质值：降高时间为3.02s ，降高电压为1.00V . ②15.01)(2+=s s G 表面值：时间常数为0.5s ，降高时间为2s ，降高电压1V本质值：降高时间为1.38V ，降高电压为1.00V .2．真验缺面分解（1）运算搁大器处事状态下本去不是理念状态，引导本质值战表面值出进较多.（2）示波器的读数时，采与了光标丈量的要领.用肉眼预计是可达到仄稳值，制成了一定的缺面.（3）惯性关节的缺面比较大，大概是咱们不等到储能式电容局部将电量真足搁出便启通了电源，继承了下一步真验，引导降高时间战表面值相比，缺面很大，以至出现了过失.（4）积分关节战比率积分关节的降高电压均不达到15V，本果大概是微弱电流正在较大电阻值上爆收了压落，进而使被测值与表面值存留缺面.（5）比率积分关节的输出电压达到宁静之后，出现了一定范畴内的动摇，使得波形非常搀纯.本果大概是果为电容正在不竭充电战搁电的历程中，制成了一定范畴内的阻僧震荡.3．真验思索题分解（1）用运搁模拟典型关节时，其传播函数真正在那二个假设条件下近似导出的？问：假定运搁具备理念的“真短”战“真断”个性；运搁的固态量为整，输进量、输出量战反馈量皆不妨用瞬时值表示其动背变更.（2）积分关节战惯性关节主要不共是什么？正在什么条件县，惯性关节不妨近似天视为积分关节？正在什么条件下，又不妨视为比率关节？问：惯性关节的个性是，当输进做阶跃变更时，输出旗号不克不迭坐刻达到稳态值，稳态输出以指数顺序变更，而级分关节，当输进为单位阶跃旗号的时间，输出为输进对于时间的积分，输出旗号随时间浮现直线删少，当t趋背于无贫大的时间，惯性关节不妨近似的视为积分关节，当趋于0的时间，惯性关节不妨近似的视为比率关节.（3）怎么样根据阶跃赞同的波形，决定积分关节战惯性关节的时间常数？问：用示波器的“时标”启闭测出渡过时间t.由公式T=t/4预计时间常数.七、计划、心得1.阶跃赞同的输进不宜过大，可则会烧坏运算搁大器.2.电容式储能元件，使用完之后一定要先对于其举止搁面处理，才搞举止下一次真验.3.波形瞅察终端会出现阻僧震荡，是电容充电战搁电的时间出现的情况.4.惯性关节的个性是，当输进x（t）做阶跃变更时间，输出y （t）不克不迭坐刻达到稳态值，瞬态输出以指数顺序变更.二积分关节，当输进为单位阶跃旗号的额时间，输出为输进对于时间的积分，输出波形随时间浮现删少.5.当t趋背于无贫大时（s趋近于0），惯性关节不妨近似视为积分关节；当t趋近于0（s趋近于无贫大）时，惯性关节课近似视为比率关节.6.通过本次真验，将课上教过的表面分解战真验历程战截止分解稀切的分离正在所有，正在明白了何如真止积分关节、比率微分关节战惯性关节的电路的共时，也充分明白传播函数正在电路系统的统制关节核心的要害性.那次真验虽然很简朴，但是却对于咱们以去的统制表面真验挨下了前提.。