实验一-典型环节及其阶跃响应.doc

实验一 典型环节及其阶跃响应
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-II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。
2． 时域性能指标的测量方法：
1) 启动计算机，开始→程序→北京理工达盛科技→自动控制理论实验系统软件，运行软件。
2) 测试计算机与实验箱的通信是否正常, 测试方法：接通电源点击[系统设置－通信串口测试]如图1，点击通信串口测试按钮，控制测试区内将出现0－255个数据，如图2，如果数据没有或不全，则说明通讯有故障，应检查计算机串口与实验箱的连接。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。
图1 串口测试窗口 (a) 图2 串口测试窗口(b)
3) 连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1
输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。
4) 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] 。
5) 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单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。
6) 用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，
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如图1-1。

2. 惯性环节的模拟电路及其传递函数如图1-2。

3. 积分环节的模拟电路及传递函数如图1-3。

4. 微分环节的模拟电路及传递函数如图1-4。

5. 比例+微分环节的模拟电路及传递函数如图1-5（未标明的C=0.01uf）。

6.比例+积分环节的模拟电路及传递函数如图1-6。

五、实验步骤
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。
比例环节
3.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-1)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。
4.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] 。
5.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。
惯性环节
8.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-2)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。
9.实验步骤同4～7
积分环节
10.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-3)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。
11.实验步骤同4～7
微分环节
12.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-4)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。
13.实验步骤同4～7
比例+微分环节
14.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-5)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。
15.实验步骤同4～7
比例+积分环节
16.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-6)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。
17.实验步骤同4～7
18. 测量系统的阶跃响应曲线，并记入下表。
六、实验报告
将实验中测得的曲线、数据及理论计算值，整理列表。
七、预习要求
1．阅读实验原理部分，掌握时域性能指标的测量方法。
2．分析典型一阶系统的模拟电路和基本原理。

参数
阶跃响应曲线
t=0.5（秒）

理论值
实测值
R1=R2=
100K
C=1uf
K=1 T=0.1S

比例环节

惯性环节

积分环节

微分环节

比例+微分环节

比例+积分环节

R1=100K
R2=200K
C=1uf
K=2 T=0.2S

比例环节

惯性环节

积分环节

微分环节

比例+微分环节

比例+积分环节

实验说明
1. 阶跃响应
输入量：单位阶跃函数

其拉氏变换：

两端取拉氏反变换：

2. 冲激函数

其拉氏变换：

3. 一阶典型环节的阶跃响应
1）比例环节

2）惯性环节

3）积分环节

4）微分环节

5）比例+微分环节

6）比例+积分环节

6