实验1 模拟控制系统在阶跃响应下的特性实验一、实验目的
根据等效仿真原理，利用线性集成运算放大器及分立元件构成电子模拟器，以干电池作为输入信号，研究控制系统的阶跃时间响应。
二、实验内容
研究一阶与二阶系统结构参数的改变，对系统阶跃时间响应的影响。
三、实验结果及理论分析
1.一阶系统阶跃响应
a.电容值1uF，阶跃响应波形：
b.电容值2.2uF，阶跃响应波形：
c. 电容值4.4uF ，阶跃响应波形：
2. 一阶系统阶跃响应数据表
电容值 （uF ） 稳态终值U c （∞）（V ） 时间常数T(s) 理论值 实际值 理论值 实际值 1.0 2.87 2.90 0.51 0.50 2.2 2.87 2.90 1.02 1.07 4.4
2.87
2.90
2.24
2.06
元器件实测参数
U r = -2.87V
R o =505k Ω
R 1=500k Ω
R 2=496k Ω
其中
C R T 2=
r c U R R U )/()(21-=∞
误差原因分析：
①电阻值及电容值测量有误差；
②干电池电压测量有误差；
③在示波器上读数时产生误差；
④元器件引脚或者面包板老化，导致电阻变大；
⑤电池内阻的影响输入电阻大小。
⑥在C=4.4uF的实验中，受硬件限制，读数误差较大。
3.二阶系统阶跃响应
a.阻尼比为0.1，阶跃响应波形：
b.阻尼比为0.5，阶跃响应波形：
c.阻尼比为0.7，阶跃响应波形：
d.阻尼比为1.0，阶跃响应波形：
4.二阶系统阶跃响应数据表
ξR w（Ω）峰值时间
t p（s）
U o(t p)
（V）
调整时间
t s（s）
稳态终值
U s（V）
超调（%）
M p
震荡次数
N
0.1 454k 0.3 4.8 2.8 2.95 62.7 6
0.5 52.9k 0.4 3.3 0.5 2.95 11.9 1
0.7 24.6k 0.4 3.0 0.3 2.92 2.7 1
1.0
2.97k 1.0 2.98 1.0 2.98 0 0
四、回答问题
1.为什么要在二阶模拟系统中设置开关K1和K2，而且必须
同时动作？
答：K1的作用是用来产生阶跃信号，撤除输入信后，K2则是构成了C2的放电回路。当K1一旦闭合（有阶跃信号输入），为使C2不被短路所以K2必须断开，否则系统传递函数不是理论计算的二阶系统。而K1断开后，此时要让C2尽快放电防止烧坏电路，所以K2要立即闭合。
2.为什么要在二阶模拟系统中设置F3运算放大器？
答：反相电压跟随器。保证在不影响输入和输出阻抗的情况下将输出电压传递到输入端，作为负反馈。
实验2 模拟控制系统的校正实验
一、实验目的
了解校正在控制系统中的作用。
二、实验内容
设计一个串联校正装置来改善系统性能，使其满足指定的指标要求。
三、实验结果及理论分析
1.系统校正前输出波形：
2.校正前二阶系统数据表
峰值时间
t p（s）
U o(t p)
（V）
调整时间t s
（s）
稳态终值
U s（V）
超调（%）
M p
震荡次数
N
测量数值0.6 4.4 3.6 2.9 50.7 4
元器件参数
R1=98.2kΩ, R2=98.7kΩ, R3=98.5kΩ, R4=97.8kΩ, R5=98.8kΩ
R6=506kΩ, R7=100kΩ, R8=234kΩ, R9=98.8kΩ
C1=1.08uF, C2=1.10uF, C3=1.2.87uF
理论数值0.5 4.6 3.5 2.9 60 4
3.系统校正后输出波形：
4.校正后二阶系统数据表
峰值时间t p（s）U o(t p)
（V）
调整时间t s
（s）
稳态终值
U s（V）
超调（%）
M p
震荡次数
N
测量数值0.2 3.1 0.3 2.92 6.2 1 系统校正后，达到稳态的时间大大缩短，而且振荡过程中超调量也变得很小，总之，系统校正后稳定性大大提高。
四、回答问题
1.校正前系统的输出为何与输入反相？
答：因为校正前输入信号经过了三个放大器，而且每次都是从放大器负引脚输入，所以每经过一次信号反相一次，三次之后输出信号正好与输入信号反相。
或者说，系统的传递函数中还有一个“－”。
2.校正后的系统电模拟线路原理图中F5的作用是什么？
答：反相电压跟随器。保证在不影响输入和输出阻抗的情况下将输出电压传递到输入端，作为负反馈。
实验3 模拟一阶系统频率特性测试实验
一、实验目的
学习频率特性的测试方法，根据所测量的数据，绘制一阶惯性环节的开环Bode图，并求取系统的开环传递函数
二、实验内容
利用频域法的理论，有一阶系统的开环频率特性分析其闭环系统的特性。
三、实验结果及理论分析
1.频率特性数据记录表
设计频率值
（Hz）
20 40 50 60 70 80 90 100 110 120 150
实测频率值（Hz）20.2
8
40.8
8
49.9
5
59.8
1
70.9
2
79.6
2
90.0
9
100.
2
110.
6
120.
2
150.
4
输入峰-峰
值
(V)
1.88 1.96 1.96
2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00
周期
T
49.3
6
24.5
20.1
16.7
6
14.1
2
12.5
6
11.0
8
10.0
2
9.60 8.30 6.65
输出峰-峰
值
(V)
6.16 3.64 3.00 2.60 2.20 2.00 1.76 1.60 1.48 1.32 1.08 相移
7.20 4.80 4.00 3.50 3.00 2.70 2.40 2.20 2.10 1.90 1.50
频率特性幅频 3.28 1.86 1.53 1.30 1.10 1.00 0.88 0.80 0.74 0.66 0.54 相频-52.5 -70.5 -71.6 -75.1 -76.4 -77.3 -77.9 -79.0 -78.7 -82.4 -81.2
元件实测参数
R1=9.91(KΩ) R2=9.91(KΩ) R3=9.91(KΩ) R4=10.16(KΩ) R6=10.12(KΩ) R7=9.86(KΩ) R8=51.8(KΩ) C1=1.04(μF)
理论计幅频
3.15 1.85 1.55 1.31 1.12 1.00 0.89 0.80 0.73 0.67 0.54 相频-51.8 -68.7 -72.3 -75.0 -77.3 -78.6 -79.9 -80.9 -81.8 -82.4 -83.9
