实验二二阶系统阶跃响应分析.docVIP

《工程控制基础》课程 基础实验指导书 电子科技大学 目 录 实验一 典型环节动态特性分析 3 实验二 二阶系统阶跃响应分析 7 实验三 系统频率特性分析 10 实验四 控制系统校正 14 实验一 典型环节动态特性分析 一、实验目的 本实验的目的是运用电子模拟线路构成比例、惯性、积分等典型环节，并研究这些环节及电路的动态特性。即： 掌握运用运算放大器构成各种典型环节的方法，观察比例、惯性、积分环节的阶跃响应，并分析其动态性能。 了解参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、实验原理 1、比例环节 比例环节也称为放大环节，其方框图如图1-1(a)所示。 传递函数为： G(S) = = K 比例环节模拟线路如图1-1(b)所示。这种线路也称作比例或P调节器。其中：K = = 2 (a) (b) 图1-1 比例环节的模拟图 Ur Uc -10V -5V t t 0 0 (a)输入波形 (b)输出波形 图1-2 比例环节波形图 改变R1的值（Ur一定），观察其阶跃响应曲线。若按图 (b)接线，设Ur 为-5V,则图(b)的输入Ur和输出Uc实验波形如图1-2所示。 2、一阶惯性环节 一阶惯性环节的方框图如图1-3(a)所示。 传递函数为： G(S) = = 一阶惯性环节含有弹性或容性储能元件和阻性耗能元件，其输出落后于输入，与比例环节相比，此环节具有“惯性”，在阶跃输入时，输出不能立即（需经历一段时间）接近所要求的阶跃输出值，因此其输出不可能显现线形，而是一指数函数图象。惯性大小由时间常数T衡量。 一阶惯性环节模拟线路图如图1-3（b）所示。这种线路也称作惯性或T调节器。其中： K = T = R1C 分别改变R1、C的值（Ur一定），观察其阶跃响应曲线。 图1-3 一阶惯性环节的模拟图 (a)输入波形 (b)输出波形 图1-4 一阶惯性环节波形图 若按图 (b)接线，设Ur 为-5V,则图(b)的输入Ur和输出Uc实验波形如图1-4所示。 3、积分环节 积分环节的方框图如图1-5(a)所示。 传递函数为： G(S) = = 积分环节模拟线路如图1-5（b）所示。这种线路也称作积分或I调节器。其中 K = 若按图 (b)接线，设Ur 为-5V,则图(b)的输入Ur和输出Uc实验波形如图1-6所示。改变C1的值（Ur一定），观察其阶跃响应曲线。 （a） (a)输入波形 (b)输出波形 图1-6 积分环节波形图 积分环节具有记忆功能。在实验过程中，当断开输入信号Ur，输出Uc仍然保持。每次实验结束，因为其电容储能元件达到饱和而没有放电，因此其输出图象一直是饱和值，因此若要进行下一次实验，必须使用教学模拟机上的“清零”开关给电容提供一个放电回路，将其放电到输出为零，然后再进行下一次实验。 三、实验设备 XJM-1型教学模拟机、示波器。 四、方法与步骤 1、检查电源线、地线是否接好，注意将模拟装置、电源、示波器、信号源的线连接好。直流运算放大器输出严禁短路。 2、将运算放大器接成比例状态，将波段开关拨到“调零”位置，开电源后调零。 3、调零后，关电源，按预先准备好的模拟线路连线。 4、用模拟机上的电压表及外接示波器观察由给定装置给出的Ur端电压信号的大小。 5、合上教学模拟机电源，加入阶跃信号，按实验内容进行实验。 五、注意事项 1、直流稳压电源为模拟机提供15V电压，调节时不得超过15V。 2、放大器输出端的连线不可乱插，也不允许悬空碰机壳。每次改变实验线路时应先关断模拟机电源，连线检查无误后方可接通电源。 3、积分环节及做完后必须清零，否则无法进行下一步实验。 六、实验报告要求 1、简述实验目的和原理 2、按实验步骤整理出比例、惯性、积分等典型环节的特性，说明各环节的特点。 3、画出各典型环节的阶跃响应线Uc=f(t)，并与理论值比较，说明实际分析结果与理论分析之间的差异。 七、思考题 1、求出各典型环节在给定参数下的阶跃响应。 2、积分环