典型环节的模拟研究

自动控制原理 实验报告

实验名称：班 级：姓 名：学 号：

实验一 典型环节的模拟研究

一、实验目的

1、 学习典型环节模拟电路，通过搭建典型环节模拟电路，熟悉并掌握自动控制实验箱的使

用方法。

2、 掌握典型环节的matlab软件仿真方法。

3、 了解并掌握各典型环节的传递函数及其特性，观察和分析个典型环节的响应曲线。

二、实验内容

1、 构成个典型环节模拟电路，计算传递函数，明确各参数物理意义 2、 用Matlab软件仿真个典型环节的阶跃响应，分析其性能。

3、 在自控实验箱中搭建个典型环节的模拟电路，调节模拟电路参数，观测并记录各环节的

阶跃响应曲线，研究参数变化对典型环节阶跃响应的影响。 4、 将软件仿真结果与模拟电路观测的结果作比较。

三、实验步骤

1、 构成典型环节模拟电路 （1） 比例环节

传递函数为：G（s）=K=R2/R1，R1=200K, R2=100K或R2=200K （2） 积分环节

传递函数为：G（s）=1/(T*s),T=R1*C1，R1=200K，C1=1.0uF或2.0uF （3） 比例积分环节

传递函数为：G（s）=K+1/(T*s), K=R4/R3，T=R3*C1，R

自动控制原理实验报告

实验题目 典型环节的模拟研究

姓名： 刘墉 班级： 电气 2班 学号： 0000000000 指导老师： 刘罗锅 同组学生： 时间： 2013-5-18

一、实验目的

1．学习典型线性环节的模拟方法。

2．定性了解各参数变化对典型环节动特性的影响。 3．熟悉各种典型环节的输出响应曲线。 二、实验内容

构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。

实验一 典型环节的模拟研究

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。 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“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

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。 图1-1 它的传递函数与方框图分别为：

G(S)?UO(S)Ui(S)?K

当Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例

典型环节的研究 学时（2学时）

一、实验目的

通过对典型环节阶跃响应曲线的观测，另深对典型环节的理解，掌握基本知识。

二、实验要求

1、要求学生认真听指导教师的讲解后，自己画出电路图，进行仿真。

2、做完全实验后，关闭计算机后，方可离开实验室。

三、实验原理

本实验主要采用电子模拟实验方法进行，即采用运算放大器，对各种环节和系统进行数学模型的模拟，从而达到研究各种具有相同数学模型的实际装置和环节的目的。

四、实验设备及仪表

计算机，Multisim仿真电子工作平台（示波器，信号发生器，原器件等）。

五、实验步骤和方法

根据各典型环节的模拟电路及其传递函数画其方块图，观测示波器显示出的响应曲线及数据,记录波形及数据。

比例环节

比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1。

G（S）= -R2/R1 K= R2/R1

要求:

连接被测量典型环节的模拟电路,分别观察和记录K = 2 ; 4时的波形及数据. 实验步骤同1～4

惯性环节

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

要求:

连接被测量典型环节的模拟电路,分别观察和记录T = 0.1s ;0.2s;

典型环节的研究 学时（2学时）

一、实验目的

通过对典型环节阶跃响应曲线的观测，另深对典型环节的理解，掌握基本知识。

二、实验要求

1、要求学生认真听指导教师的讲解后，自己画出电路图，进行仿真。

2、做完全实验后，关闭计算机后，方可离开实验室。

三、实验原理

本实验主要采用电子模拟实验方法进行，即采用运算放大器，对各种环节和系统进行数学模型的模拟，从而达到研究各种具有相同数学模型的实际装置和环节的目的。

四、实验设备及仪表

计算机，Multisim仿真电子工作平台（示波器，信号发生器，原器件等）。

五、实验步骤和方法

根据各典型环节的模拟电路及其传递函数画其方块图，观测示波器显示出的响应曲线及数据,记录波形及数据。

比例环节

比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1。

G（S）= -R2/R1 K= R2/R1

要求:

连接被测量典型环节的模拟电路,分别观察和记录K = 2 ; 4时的波形及数据. 实验步骤同1～4

惯性环节

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

要求:

连接被测量典型环节的模拟电路,分别观察和记录T = 0.1s ;0.2s;

实验一：典型电路环节的电路模拟与软件仿真研究

一、 实验目的

熟悉各环节的传递函数与其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。 二、 实验内容

1. 设计个典型环节的模拟电路

2. 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。

3. 在上位机界面上，填入各个环节的实际传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软件特性仿真研究，并与

电路模拟研究的结果作比较。

三、 实验过程及分析

1． 比例环节的阶跃响应

比例环节的传递函数为：

实验现象：

U0(s)

K=R2/R1（实验时K=2） Ui(s)

说明：黄色为输出信号，绿色为输入。可知传递函数=K=2 改变两电阻的比值，增益变化

2． 积分环节的阶跃响应

典型积分环节模拟电路如图所示，积分环节的传递函数为：理想传递函数曲线如图：

U0(s)1

Ui(s)TS

实验现象：

说明：实验数据是在C=1uF时取得。可知传递函数曲线是一条以1/T为斜率的曲线。当C=2uF时，周期变大，斜率下降。

3． 比例积分环节的阶跃响应

U0(s)1

K

Ui(s)TS

理想传递函数曲线：

实验现象：

实验说明：实验数据在C=1uF下取得，此时的K=1.所以实验图像是一条起点在（0,1），斜率为1/T的直线。后面由于超过软件表示的最

试用

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)

试用

试用

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(Ui)与阶跃信号的输出端Y相连接

第5章 辅导

频率特性的基本概念

给系统输入一个正弦信号为

xr(t)＝Xrm sinωt

式中 Xrm——正弦输入信号的振幅； ω——正弦输入信号的频率。 当系统的运动达到稳态后，比较输出量的稳态分量和输入波形时就可以发现，稳态输出的频率与输入频率相同，但输出量的振幅及相位都与输入量不同。

可以把系统的稳态输出量写成

式中的A(ω)和?(ω)分别为复变函数G(jω)的模和幅角。

A(ω)—— G(jω)的模，它等于稳态输出量与输入量的振幅比，叫做幅频特性；

φ(ω)—— G(jω)的幅角，它等于稳态输出量与输入量的相位差，叫做相频特性。

例：电路的输出电压和输入电压的复数比为

式中

图

1

频率特性的求取方法

频率特性一般可以通过如下三种方法得到：

1.根据已知系统的微分方程，把输入以正弦函数代入，求其稳态解，取输出稳态分量和输入正弦的复数之比即得；

2．根据传递函数来求取； 3．通过实验测得。

线性系统，xr(t)、xc(t)分别为系统的输入和输出，G(s)为系统的传递函数。输入用正弦函数表示

xr(t)＝Asinωt

设系统传递函数为

（

重要结论：对正弦输入而言

系统的频率特性可直接由G(jω)=Xc(

验证性实验

实验一典型环节的电路模拟与软件仿真研究

一、实验目的

1．通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。

2．通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。

二、实验内容

1．设计各种典型环节的模拟电路。

2．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。

3．利用上位机界面上的软件仿真功能，完成各典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟测试的结果作比较。

三、实验步骤

1．熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录设计并连接各种典型环节（包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。注意实验前必须先将实验箱断电，再接线。接线时要注意不同环节、不同测试信号对运放锁零的要求。在输入阶跃信号时，除比例环节运放可不锁零（G可接-15V）也可锁零外，其余环节都需要考虑运放锁零。

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。

在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能，接线方式将不同于上述无上位机

实验六① 典型环节的MATLAB仿真

实验内容

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 SIMULINK仿真模型:

单位阶跃响应波形

:

② 惯性环节G1(s)

1s 1

SIMULINK仿真模型:

单位阶跃响应波形

:

③ 积分环节G1(s)

SIMULINK仿真模型

:

单位阶跃响应波形:

④ 微分环节G1(s) s SIMULINK仿真模型:

单位阶跃响应波形

:

⑤ 比例+微分环节(PD)G1(s) s 2 SIMULINK仿真模型:

单位阶跃响应波形

:

⑥ 比例+积分环节(PI)G1(s) 1

SIMULINK仿真模型

:

单位阶跃响应波形:

2.观察G(s)

T=1时

:

1

,随着Ts 1

T的变化输出波形的变化

T=2时

:

T=5时:

T=50时

:

结论:随着T的增大,输出波形的变化会越来越慢.

实验六② 典型系统的时域响应和稳定性分析

1.实验目的

(1)研究二阶系统的特征参数（ ， n）对过渡过程的影响。

(2)研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线和系统的稳定性。 (3)熟悉Routh判据，用Routh判据对三阶系统进行稳定性分析。

2.实验原理及内容

(1)典型的二阶系统稳定性分析(取T0=1,