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

表二：典型环节的模拟电路图

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？

表三：

第二篇：控制系统典型环节与系统的模拟实验报告

汕  头  大  学  实  验  报  告

      

一、实验目的

1、熟悉数字存储示波器及控制理论实验箱的使用方法。

2、掌握用运算放大器组成控制系统典型环节的电子模拟电路。

3、测量典型环节的阶跃响应曲线。

4、通过本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、TKKL-1控制理论实验箱1台

2、TDS1001B数字存储示波器1台

3、万用表1只

4、U盘1只（学生自备，4G以下）

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、数字存储示波器的工作原理及使用方法请参考《TDS1001B数字存储示波器用户手册》。

3、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、实验内容与步骤                    

1、分别画出比例、积分、惯性、微分和振荡环节的电路原理图

比例环节

惯性环节

积分环节

震荡环节

微分环节

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。

比例电路波形图，G（s）=1

比例环节，G（s）=2

惯性环节，G（s）=1/（Ts）其中T=RC

当R=200k，C=0.1uF时，G（s）=1/（Ts）=50波形图如下

当R=1M,C=1uF时，G（s）=1/（Ts）=10波形图如下

积分环节，G（s）=1/（Ts+1），其中T=RC

当R=1M,C=1uF时，波形图如下

当R=510K,C=1uF时，波形图如下

振荡电路，R1=100K,R2=1M,R3=100K,R4=1M,R5=1M,R6=100K,C1=1uF,C2=1uF

微分电路，R1=200K,R2=410K,C=0.1uF

五、实验思考题

1、用运算放大器模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出来的？

答：①假定运放具有理想特性，即满足“虚短”“虚断”特性

②运放的静态量为零，个输入量、输出量和反馈量都可以用瞬时值表示其动态变化。

2、  积分环节与惯性环节的主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节？在什么条件下，又可以视为比例环节？

答：惯性环节的特点是，当输入x(t)作阶跃变化时，输出y(t)不能立刻达到稳态值，瞬态输出以指数规律变化。而积分环节，当输入为单位阶跃信号时，输出为输入对时间的积分，输出y(t)随时间呈直线增长。当t趋于无穷大时，惯性环节可以近似地视为积分环节，当t趋于0时，惯性环节可以近似地视为比例环节。

3、  如何根据阶跃响应的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？

答：用示波器的“时标”开关测出过渡过程时间t（即98%UO时的时间），由公式T = t/4计算时间常数