实验一 典型环节的电路模拟
实验学时：3 实验类型：验证 实验要求：必做
一、实验目的
1. 熟悉THBCC-1型 信号与系统?控制理论及计算机控制技术实验平台及“THBCC-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. THBCC-1型 信号与系统?控制理论及计算机控制技术实验平台；
2. PC机一台(含“THBCC-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、实验步骤
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和反相器单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示：
R2R0
uiR1R0 --uo ++++
图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。 电路参考单元为：U8和反相器单元。
若比例系数K=1时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K。 若比例系数K=2时，电路中的参数取：R1=100K，R2=200K。 当ui为一单位阶跃信号时，用“THBCC-1”软件观测(选择“通道1-2”，其中通道AD1接电路的输出uO；通道AD2接电路的输入ui )并记录相应K值时的实验曲线，并与理论值进行比较。
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为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件上的分频系数(一般调至刻度2)和选择“
”按钮(时基自动)，并选择菜单中的示波
器选项——波形模式——Chart(X1,X2)。以下实验相同。
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和反相器单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示：
R0C uiRR0--uo
++ ++
图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。 电路参考单元为：U8和反相器单元。
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=0.1S时，电路中的参数取：R=100K，C=1uF(T=RC=100K×1uF=0.1)；
当ui为单位阶跃信号时，用“THBCC-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。
注：由于实验电路中有积分环节，实验前一定要用“锁零单元”对积分电容进行锁零。
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和反相器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R0=200K。 电路参考单元为：U4和反相器单元。
若取比例系数K=1、积分时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K×10uF=1S)；
若取比例系数K=1、积分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K×1uF=0.1S)。
注：通过改变R2、R1、C的值可改变比例积分环节的放大系数K和积分时间常数T。
当ui为单位阶跃信号时，用“THBCC-1”软件观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。
4. 比例微分(PD)环节
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根据比例微分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元和反相器单元设计并组建其模拟电路，如下图所示：
图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。 电路参考单元为：U4和反相器单元。
若比例系数K=1、微分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K×1uF=0.1S)；
若比例系数K=1、微分时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K×10uF=1S)。
当ui为一单位阶跃信号时，用“THBCC-1”软件观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。
5. 比例积分微分(PID)环节
根据比例积分微分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元和反相器单元设计并组建其相应的模拟电路，如下图所示：
图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。 电路参考单元为：U4和反相器单元。
若比例系数K=2、积分时间常数TI =0.1S、微分时间常数TD =0.1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C1=1uF、C2=1uF (K= (R1 C1+ R2 C2)/ R1 C2=2,TI=R1C2=100K×1uF=0.1S，TD=R2C1=100K×1uF=0.1S)；
若比例系数K=1.1、积分时间常数TI =1S、微分时间常数TD =0.1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C1=1uF、C2=10uF (K= (R1 C1+ R2 C2)/ R1 C2=1.1,TI=R1C2=100K×10uF=1S，TD=R2C1=100K×1uF=0.1S)。
当ui为一单位阶跃信号时，用“THBCC-1”软件观测并记录不同K、TI、TD值时的实验曲线，并与理论值进行比较。
6. 惯性环节
根据惯性环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元和反相器单元设计并组建其相应的模拟电路，如下图所示：
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图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。 电路参考单元为：U8和反相器单元。
若比例系数K=1、时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K×10uF=1)。
若比例系数K=1、时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K×1uF=0.1)。
通过改变R2、R1、C的值可改变惯性环节的放大系数K和时间常数T。
当ui为一单位阶跃信号时，用“THBCC-1”软件观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。
7. 根据实验时存储的波形及记录的实验数据完成实验报告。 五、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。
六、实验思考题
1. 用运放模拟典型环节时，其传递函数是在什么假设条件下近似导出的？
2. 积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节？而又在什么条件下，惯性环节可以近似地视为比例环节？
3. 在积分环节和惯性环节实验中，如何根据单位阶跃响应曲线的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？
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实验二 二阶系统的瞬态响应
实验学时：3 实验类型：设计 实验要求：必做
一、实验目的
1. 通过实验了解参数?(阻尼比)、?n(阻尼自然频率)的变化对二阶系统动态性能的影响；
2. 掌握二阶系统动态性能的测试方法。 二、实验设备
1. THBCC-1型 信号与系统?控制理论及计算机控制技术实验平台；
2. PC机一台(含“THBCC-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和?>1三种情况下1. 观测二阶系统的阻尼比分别在0
的单位阶跃响应曲线；
2. 调节二阶系统的开环增益K，使系统的阻尼比??1，测量此
2时系统的超调量?p、调节时间ts(Δ= ±0.05)；
3. ?为一定时，观测系统在不同?n时的响应曲线。
四、实验步骤
根据方框图2-1，选择实验台上的通用电路单元和反相器单元设计并组建模拟电路，如图2-2所示：
图2-1 二阶系统的方框图
图2-2 二阶系统的模拟电路图
电路参考单元为：U3、U5、U11、反相器单元。
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