自动控制理论实验指导 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．在MATLAB软件上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。
三．实验步骤
1．熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，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。接线时要注意：先断电，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。（U3单元的O1接被测对象的输入、G接G1、U3单元的I1接被测对象的输出）。
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。
首先必须在熟悉上位机界面的操作，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。接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。
软件界面上的操作步骤如下：
①按通道接线情况:通过上位机界面中“通道选择” 选择I1、I2路
A/D通道作为被测环节的检测端口,选择D/A通道的O1（“测试信号1”）作为被测对象的信
号发生端口.
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不同的通道,图形显示控件中波形的颜色
自动控制理论实验指导 将不同。B口通讯连线和实验箱电源后，运行上位机软件程 ②硬件接线完毕后,检查US序,如果有问题请求指导教师帮助。
③进入实验模式后，先对显示模式进行设置：选择
“X-t模式”；选择“T/DIV”
为1s/1HZ。
④完成上述实验设置，然后设置实验参数，在界面的右边可以设置系统测试信号参数，选择“测试信号”为“周期阶跃信号”，选择“占空比”为50%，选择“T/DIV”为“1000ms”， 选择“幅值”为“3V”，可以根据实验需要调整幅值，以得到较好的实验曲线，将“偏移”设为“0”。以上除必须选择“周期阶跃信号”外，其余的选择都不是唯一的。要特别注意，除单个比例环节外，对其它环节和系统都必须考虑环节或系统的时间常数，如仍选择“输入波形占空比”为50%，那么“T/DIV”至少是环节或系统中最大时间常数的6～8倍。这样，实验中才能观测到阶跃响应的整个过程。
⑤以上设置完成后，按LabVIEW上位机软件中的然后点击右边的
“RUN”运行图标来运行实验程序，
“启动/停止”按钮来启动实验，动态波形得到显示，直至周
期响应过程结束，如上述参数设置合理就可以在主界面图形显示控件中间得到环节的“阶跃响应”。
⑥利用LabVIEW软件中的图形显示控件中光标“Cursor”功能观测实验结果；改变实验箱上环节参数，重复⑤的操作；如发现实验参数设置不当，看不到“阶跃响应”全过程，可重复④、⑤的操作。
⑦按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件。 3．分析实验结果，完成实验报告。
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自动控制理论实验指导 四．附录
1．比例(P)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 比例环节的传递函数为：
UO(s)?K Ui(s)R1。 R0其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.1.1、图1.1.2和图1.1.3所示，于是K?实验参数取R0＝100k，R1＝200k，R=10k。
实验接线如下图：
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自动控制理论实验指导 2．积分(I)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 积分环节的传递函数为：
UO(s)1? Ui(s)Ts其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.2.1、图1.2.2和图1.2.3所示，于是T?R0C， 实验参数取R0＝100k，C＝1uF，R=10k。 实验接线如下图：
3．比例积分(PI)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 比例积分环节的传递函数为：
UO1?K? UiTs
其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.3.1、图1.3.2和图1.3.3所示，于是
K?R1，T?R0C R0- 8
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4．比例微分(PD)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 比例微分环节的传递函数为：
UO?K(1?Ts) Ui其方块图和模拟电路分别如图1.4.1、图1.4.2所示。其模拟电路是近似的（即实际PD环节），取R1,R2??R3，则有K?R1?R2RR,T?12C，实验参数取R0＝10k，R1＝10k，R0R1?R2R2＝10k，R3＝1K，C＝10uF，R=10k。
对应理想的和实际的比例微分(PD)环节的阶跃响应分别如图1.4.3a、图1.4.3b所示。 实际PD环节的传递函数为：
Uo(s)R1?R2?Ui(s)R0??R1R2Cs1???(R?R)(RCs?1)123?? （供软件仿真参考）
(RR?R2R3?R3R1)Cs?(R1?R2)?12R0R3Cs?R0
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