自动控制原理实验
典型环节及其阶跃相应
.1 实验目的
1. 学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性的影响。
2. 学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。
3. 学习用Multisim、MATLAB仿真软件对实验内容中的电路进行仿真。
.2 实验原理
典型环节的概念对系统建模、分析和研究很有用，但应强调典型环节的数学模型是对各种物理系统元、部件的机理和特性高度理想化以后的结果，重要的是，在一定条件下， 典型模型的确定能在一定程度上忠实地描述那些元、部件物理过程的本质特征。
1.模拟典型环节是将运算放大器视为满足以下条件的理想放大器： (1) 输入阻抗为∞。流入运算放大器的电流为零，同时输出阻抗为零； (2) 电压增益为∞： (3) 通频带为∞：
(4) 输入与输出之间呈线性特性： 2.实际模拟典型环节：
(1) 实际运算放大器输出幅值受其电源限制是非线性的，实际运算放大器是有惯性的。 (2) 对比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节和振荡环节，只要控制了输入量的大小或是输入量施加的时间的长短(对于积分或比例积分环节)，不使其输出工作在工作期间内达到饱和值，则非线性因素对上述环节特性的影响可以避免．但对模拟比例微分环节和微分环节的影响则无法避免，其模拟输出只能达到有限的最高饱和值。
(3) 实际运放有惯性，它对所有模拟惯性环节的暂态响应都有影响，但情况又有较大的不同。
3.各典型环节的模拟电路及传递函数
（1） 比例环节的模拟电路如图.1所示，及传递函数为：
G(S)??R2 R1
.1 比例环节的模拟电路
2. 惯性环节的模拟电路如图.2所示，及传递函数为：
R2/CSZ2R21KR?1/CSG(S)????2?? ?? Z1R1R1R2CS?1TS?1其中K?R2 T=R2C R1
图.2 惯性环节的模拟电路
3. 积分环节的模拟电路如图.3所示，其传递函数为：
G(S)??
其中 T=RC
Z21/CS11???? ?? Z1RRCSTS
.3 积分环节的模拟电路
4. 微分环节的模拟电路如图.4所示，及传递函数为：
G(S)??R1C1S??TS
其中T=R1C1
.4 微分环节的模拟电路
5. 比例＋微分环节的模拟电路如图.5所示，及传递函数为：
G(S)??K(TS?1)
其中K?R2 T?R1C1 R1
.5 比例＋微分环节的模拟
6. 比例+积分环节的模拟电路如图.6所示，及传递函数为：
G(S)??K(1?其中K?1) TSR2 T?R2C R1
.6 比例+积分环节的模拟电路
.3 实验内容
(1)分别画出比例、惯性、积分、微分、比例＋微分和比例＋积分的模拟电路图。 (2)按下列各典型环节的传递函数，调节相应的模拟电路的参数，观察并记录其单位阶跃响应波形。
①比例环节 G1(S)=-1和G2(S)=-2
②惯性环节 G1(S)=-「1/(S+1)」和G2(S)=-「1/(0.5S+1)」 ③积分环节 G1(S)=-(1/S)和G2(S)=-(1/（0.5S） ④微分环节 G1(S)=－0.5S和G2(S)=-S ⑤比例微分环节 G1(S)=-(2+S)和G2(S)=-(1+2S)
⑥比例积分环节（PI）G1（S）=-(1+1/S)和G2（S）=-「2（1+1/2S）」
.4 实验步骤
1. 测试系统与计算机的连接
（1） 启动计算机，在桌面双击图标[自动控制实验系统]运行软件。
（2） 测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续。如通信不正常查找原 因使通信正常后才可以继续进行实验。 2. 比例环节
（1） 连接被测量典型环节的模拟电路图.1。电路的输入R(S)接A／D、D／A卡的D/Al输出，电路的输出C(S)接A／D、D/A卡的A/Dl输入。检查无误后接通电源。 （2） 在实验课题下拉菜单中选择实验一[典型环节及其阶跃响应]。
（3） 鼠标单击实验课题弹出实验课题参数窗口。在参数设置窗口中设置相应的实 验参数后鼠标点击确认，等待屏幕的显示区显示实验结果。 （4） 观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。 （5） 记录波形及数据(由实验报告确定)。 3. 惯性环节
（1） 连接被测量典型环节的模拟电路图.2。电路的输入R(S)接A／D、D／A卡的D/Al输出，电路的输出C(S)接A／D、D/A卡的A/Dl输入。检查无误后接通电源。 9. 实验步骤同比例环节的（2）～（5） 4. 积分环节