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实验一典型环节及其阶跃响应

一、实验目的

1.掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。

2.掌握控制系统时域性能指标的测量方法。

二、实验仪器

1．EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台

2．计算机一台

三、实验原理

1．模拟实验的基本原理：

控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输

入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起

来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测

量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，

还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。

四、实验内容

构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：

1.比例环节的模拟电路及其传递函数。

G（S）=−R2/R1

2.惯性环节的模拟电路及其传递函数。

G（S）=−K/TS+1

K=R2/R1，T=R2C

3.积分环节的模拟电路及传递函数。

G（S）=1/TS

T=RC

4.微分环节的模拟电路及传递函数。

G（S）=−RCS

被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接DA1，电路的输出U2接AD1。

检查无误后接通电源。

4.在实验项目的下拉列表中选择实验一[一、典型环节及其阶跃响应]。

5.鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置

相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果

6.观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。

7.记录波形及数据（由实验报告确定）。

六、实验报告

1、比例环节：G(S)=-R2/R1

R2=5KR1=10K

2、惯性环节：

R1=100KR2=200KC=1UF

其中有K=R2/R1=2，T=R2*ｃ=0.2，则有

G（S）=−10/S+1

3、积分环节

R0=200KC=1UF

G（S）=1/TS

T=RC=200000*1UF=0.2

所以有G(S)=5/S

4、微分环节

R0=300KC=1UF

5、比例微分环节：

R1=100KR2=200KC=1UF

实验二二阶系统阶跃响应

一、实验目的

1．研究二阶系统的特征参数，阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn对系统动态性能的影响。定

量分析ζ和ωn与最大超调量Mp和调节时间tS之间的关系。

2．学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。

二、实验仪器

1．EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台

2．计算机一台

三、实验原理

控制系统模拟实验利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然

后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入

信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统

的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的

影响。

四、实验内容

典型二阶系统的闭环传递函数为

ω2

n

ϕ（S）=（1）

s2＋2ζωns＋ω2

n

其中ζ和ωn对系统的动态品质有决定的影响。构成图2-1典型二阶系统的模拟电路，

并测量其阶跃响应：

图2-1二阶系统模拟电路图

根据二阶系统的模拟电路图，画出二阶系统结构图并写出系统闭环传递函数。把不同ζ

和ωn条件下测量的Mp和ts值列表，根据测量结果得出相应结论。.画出系统响应曲线，

再由ts和Mp计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。

自控理论实验指导书

五、实验步骤

1.取ωn=10rad/s,即令R=100KΩ，C=1μf；分别取ζ=0、0.25、0.5、1、2，即取R1=100KΩ，

R2分别等于0、50KΩ、100KΩ、200KΩ、400KΩ。输入阶跃信号，测量不同的ζ时系

统的阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量Mp和调节时间Ts的数值和响应动态

曲线，并与理论值比较。

2.取ζ=0.5。即电阻R2取R1=R2=100KΩ；ωn=100rad/s,即取R=100KΩ，改变电路中的电

容C=0.1μf(注意：二个电容值同时改变)。输入阶跃信号测量系统阶跃响应，并由显

示的波形记录最大超调量σp