典型环节及其阶跃响应
自动控制实验报告一-典型环节及其阶跃响应
实验一典型环节及其阶跃响应班级：学号：姓名：一、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，并学会根据阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数；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：超调量Ó %：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。
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，代入下式算出超调量：Y M AX - Y∞Ó %=——————×100%Y∞T P与T S：利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达95%稳态值所需的时间值，便可得到T P与T S。
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）=-R1/R22.惯性环节：G(s)= -K/TS+1 K=R2/R1 ,T=R2C;3.积分环节G(S)= 1/TS T=RC4.微分环节G(S)=-RCS5.比例+微分环节G(S)= -K(TS+1) K=R2/R1 T=R2C6.比例+积分环节G(S)=K(1+1/TS) K=R2/R1 T=R2C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。
自动控制原理实验指导典型环节及其阶跃响应
%100%max ⨯-=∞∞Y Y Y σ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。
2． 时域性能指标的测量方法： 超调量Ó %：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) 检查USB 线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击按钮，出现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信 正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验。
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) 在实验项目的下拉列表中选择实验一[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) 用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，代入下式算出超调量： T P 与T S ：利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达95%稳态值所需的时间值，便可得到T P 与T S 。
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。
典型环节与及其阶跃响应
实验一: 典型环节与及其阶跃响应一、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/R12、惯性环节的模拟电路及其传递函数G（S）= −K/TS+1K=R2/R1T=R2C3、积分环节的模拟电路及传递函数G（S）=1/TST=RC4、微分环节的模拟电路及传递函数G（S）= −RCS5、比例+微分环节的模拟电路及传递函数G（S）= −K（TS+1）K=R2/R1T=R1C五、实验结果及分析（注：图中黄色为输入曲线、紫色为输出曲线）1、比例环节（1）模拟电路图：（2）响应曲线：2、惯性环节（1）模拟电路图：（2）响应曲线：（3）传递函数计算：实验值：X1=1029ms=1.029s=4TT=0.257sK=Y2/1000=2.017G(S)=-2.017/(0.257S+1) 理论值：G（S）=-2/(0.2S+1)结论：实验值与理论值相近。
3、积分环节（1）模拟电路图：（2）响应曲线：（3）传递函数计算：实验值：5000/(2110/2/2)=9.1G（S）=-9.1/S=-1/0.11S 理论值：G（S）=-1/0.1S结论：实验值与理论值相近。
4、微分环节（1）模拟电路图：（2）响应曲线：5、比例+微分环节（1）模拟电路图：（2）响应曲线：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。
典型环节及其阶跃响应
图1-1 运放的反馈连接 典型环节及其阶跃响应
比例环节：
参数设置：Z1=100K Ω Z2=100K Ω 单位阶跃响应波形如下：
波形分析如下： 惯性环节：
图 1-2 惯性环节模拟电路
参数设置：R1=100K Ω R2=100K C1=1f 单位阶跃响应波形如下：
分析波形如下：
积分环节
参数设置：R1=100K C1=1f
单位阶跃响应波形如下：
波形分析如下：
微分环节
微分环节模拟电路参数设置：C1=1f C2=0.01f R2=100K
单位阶跃响应波形如下：
波形分析如下：
比例微分环节
比例微分模拟电路
参数设置：R1=100K R2=100K C1=1f C2=0.01f 单位阶跃波形如下
波形分析如下：
比例积分环节
比例积分环节模拟电路
参数设置：R1=100K R2=200K C1=1f
单位阶跃波形如下
波形分析如下：
比例积分微分环节
比例积分微分模拟电路
参数设置1：R1=100K R2=200K C1=1f C2=0.1f 单位阶跃波形如下
单位阶跃波形如下
波形分析如下：。
典型环节及其阶跃响应
比例环节
惯性环节
积分环节
微分环节
四、实验步骤
1. 在桌面双击图标 [自动控制理论] 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。
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(电源开关OFF)。检查无误后接通电源。
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. 学习典型环节模拟电路的构成，了解电路参数 对环节特性的影响。
3. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法，并学
会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。
二、实验仪器
1. EL-CAT-III型自动控制系统实验箱一台
理论值 比例环节 惯性环节 实测值
R1=R2=100K C=1uf K=1 T=0.1S
积分环节 微分环节 比例+微分环节 比例+积分环节 比例环节
R1=100K R2=200K C=1uf K=2 T=1S
惯性环节 积分环节 微分环节 比例+微分环节 比例+积分环节
五、实验报告
1. 由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数， 并与由电路计算的结果相比较。
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. 鼠标双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，记录波形及数 据（由实验报告确定）。
参数
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
概述：
在控制系统中，典型环节是指能够用数学模型描述的一类基本功能模块，包括比例环节、积分环节和微分环节等。
它们在工程中应用十分广泛，可用于控制系统的建模和分析。
本文将介绍比例环节、积分环节和微分环节的定义及其阶跃响应。
一、比例环节
比例环节是指将输入信号按一定比例进行放大或缩小的环节。
用数学式子表示为y=kx，其中k为比例常数，x为输入信号，y为输出信号。
比例环节的作用是调整输入信号与输出信号之间的比例关系。
比例环节的阶跃响应：在阶跃信号的作用下，比例环节的输出将按比例变化。
阶跃信
号是指输入信号在某一时刻瞬间从0跳变到一个确定的值。
对比例环节而言，其阶跃响应
可以表示为：
$$
y(t)=K_{p} u(t)
$$
其中，$K_{p}$为比例放大的增益，$u(t)$为阶跃函数。
二、积分环节
总结：
比例环节、积分环节和微分环节是控制系统中常用的三种典型环节。
它们可以按照不
同的方法进行组合和调整，形成复杂的系统结构，实现对输入信号的更为精细的控制。
在
实际应用中，需要针对具体问题进行具体分析，选择合适的环节组合方案，以实现最佳的
控制效果。
自动控制原理实验典型环节及其阶跃响应,二阶系统阶跃
实验一、典型环节及其阶跃响应实验目的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。
实验内容构成下述典型环节的模拟电路，并测量其阶跃响应。
比例环节的模拟电路及其传递函数示图2-1。
G(S)=-R2/R1惯性环节的模拟电路及其传递函数示图2-2。
G(S)=-K/TS+1 K=R2/R1 ,T=R2*C积分环节的模拟电路及其传递函数示图2-3。
G(S)=1/TS T=RC微分环节的模拟电路及其传递函数示图2-4。
G(S)=-RCS比例加微分环节的模拟电路及其传递函数示图2-5。
G(S)=-K(TS+1) K=R2/R1 T=R2C比例加积分环节的模拟电路及其传递函数示图2-6。
G(S)=K(1+1/TS) K=R2/R1,T=R2C软件使用1、打开实验课题菜单，选中实验课题。
2、在课题参数窗口中，填写相应AD，DA或其它参数。
3、选确认键执行实验操作，选取消键重新设置参数。
实验步骤1、连接被测量典型环节的模拟电路及D/A、A/D连接，检查无误后接通电源。
2、启动应用程序，设置T和N。
参考值：T=0.05秒,N=200。
3、观测计算机屏幕示出的响应曲线及数据记录波形及数据(由实验报告确定)。
实验报告1、画出惯性环节、积分环节、比例加微分环节的模拟电路图，用坐标纸画出所有记录的惯性环节、积分环节、比例加微分环节的响应曲线。
2、由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由电路计算的结果相比较。
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、进一步学习实验仪器的使用方法。
3、学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。
二、实验原理及电路典型二阶系统的闭环传递函数为其中ζ和ωn对系统的动态品质有决定的影响。
典型环节及其阶跃响应实验报告
一、实验目的1. 了解并掌握典型环节的原理和特点。
2. 熟悉阶跃响应实验方法，分析典型环节阶跃响应的特性。
3. 通过实验，提高对自动控制理论的认识和实际操作能力。
二、实验原理1. 典型环节：比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节、比例积分微分环节等。
2. 阶跃响应：当系统输入信号从零突然跃变到某一值时，系统输出信号随时间的变化规律。
3. 阶跃响应特性：上升时间、调整时间、超调量、稳态误差等。
三、实验仪器1. 自动控制系统实验箱2. 计算机3. 数据采集卡4. 信号发生器5. 示波器四、实验内容1. 比例环节阶跃响应实验（1）搭建比例环节实验电路，包括比例环节电路、运算放大器、反馈电阻、输入电阻等。
（2）调整电路参数，使比例环节的传递函数为G(s) = K。
（3）在输入端施加阶跃信号，利用数据采集卡和示波器观察输出波形，记录上升时间、调整时间、超调量等特性。
2. 惯性环节阶跃响应实验（1）搭建惯性环节实验电路，包括惯性环节电路、运算放大器、反馈电阻、输入电阻等。
（2）调整电路参数，使惯性环节的传递函数为G(s) = Kτs/(τs+1)。
（3）在输入端施加阶跃信号，利用数据采集卡和示波器观察输出波形，记录上升时间、调整时间、超调量等特性。
3. 积分环节阶跃响应实验（1）搭建积分环节实验电路，包括积分环节电路、运算放大器、反馈电阻、输入电阻等。
（2）调整电路参数，使积分环节的传递函数为G(s) = 1/s。
（3）在输入端施加阶跃信号，利用数据采集卡和示波器观察输出波形，记录上升时间、调整时间、超调量等特性。
4. 比例积分环节阶跃响应实验（1）搭建比例积分环节实验电路，包括比例积分环节电路、运算放大器、反馈电阻、输入电阻等。
（2）调整电路参数，使比例积分环节的传递函数为G(s) = K(1+τs)/s。
（3）在输入端施加阶跃信号，利用数据采集卡和示波器观察输出波形，记录上升时间、调整时间、超调量等特性。
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典型环节及其阶跃响应
一、实验目的
1. 掌握控制系统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。
3. 加深典型环节的概念在系统建模、分析、研究中作用的认识。
4. 加深对模拟电路——传递函数——响应曲线的联系和理解。
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
根据数学模型的相似原理，我们应用电子元件模拟工程系统中的典型环节，然后加入典型测试信号，测试环节的输出响应。
反之，从实测的输出响应也可以求得未知环节的传递函数及其各个参数。
模拟典型环节传递函数的方法有两种：第一种方法，利用模拟装置中的运算部件，采用逐项积分法，进行适当的组合，构成典型环节传递函数模拟结构图；第二种方法将运算放大器与不同的输入网络、反馈网络组合，构成传递函数模拟线路图，这种方法可以称为复合网络法。
本节介绍第二种方法。
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构成相应的模拟系统。
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，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。
图1-1 模拟实验基本测量原理
模拟系统以运算放大器为核心元件，由不同的R-C输入网络和反馈网络组成的各种
典型环节，如图1-2所示。
图中Z1和Z2为复数阻抗，它们都是由R、C构成。
基于图中A点的电位为虚地，略去流入运放的电流，则由图1-2得：
1
21
0)(Z Z u u s G -
=-=
由上式可求得由下列模拟电路组成典型环节的传递函数及其单位阶跃响应。
2．一阶系统时域性能指标s r d t t t ,,的测量方法：
利用软件上的游标测量响应曲线上的值，带入公式算出一阶系统时域性能指标。
d t ：响应曲线第一次到达其终值∞
y 一半所需的时间。
r t ：响应曲线从终值∞y %10上升到终值∞
y %
90所需的时间。
s
t ：响应曲线从0到达终值∞y 95%所需的时间。
3.实验线路与原理（注：输入加在反相端，输出信号与输入信号的相位相反） 1．比例环节
K
R R Z Z s G -=-
=-
=1
21
2)(
比例环节的模拟电路及其响应曲线如图1-3。
K
——放大系数。
K 是比例环节的特征量，它表示阶跃输入后，输出与输
入的比例关系，可以从响应曲线上求出。
改变1R 或2R
的电阻值便可以改变比例
图1-2 运放的反馈连接
t
K -1
图1-3 比例环节的模拟电路及其响应曲线
器的放大倍数K 。
实际物理系统中的比例环节： 无弹性变形的杠杆；
不计非线性和惯性的电子放大器； 传递链的速度比；
测速发电机的电压与转速的关系。
2．惯性环节
1
21
2121
2
1
2,1
1
)(C R T R R K Ts K C R R R Z Z s G ==
+-=+-
=-
=
惯性环节的模拟电路及其响应曲线如图1-4。
式中：K ——静态放大倍数； T ——惯性时间常数；T 和K 是响应曲线的两个特征量。
T 表示阶跃信号输入后，响应按指数上升的快慢，可以从响应曲线实测得到。
实际物理系统中的惯性环节： RC 阻容电路； 直流电机的激磁电路。
3．积分环节(I)
1
1111
211)(C R T Ts
s
C R Z Z s G =-
=-
=-
=
积分环节的模拟电路及响应曲线如图1-5。
图1-4 惯性环节的模拟电路及其响应曲线
t
K -1
式中：T ——积分时间常数。
T 是积分环节的特征量，它表示阶跃输入后，响应按线性上升的快慢，可以从响应曲线上求出，即响应上升到阶跃输入幅值时所需的时间。
积分环节的特点是不管输入幅值多小，输出就不断地按线性增长，输入幅值愈小，增长的速率愈小，只有输入为零时，输出才停止增长而保持其原来的数值。
实际物理系统中的积分环节：运算放大器做成的积分器。
4．微分环节(D)
11111
2)(C R T Ts
s C R Z Z s G =-=-=-
=12C C <<
微分环节的模拟电路及响应曲线如图1-6。
式中：T ——微分时间常数。
微分过程表示阶跃输入后，对输入的求导过程。
注意：实际物理系统中得不到这种理想微分环节。
5
．比例+微分环节（PD ） 12
C C << 111
2111
21
2,)
1()1()(C R T R R K Ts K s C R R R Z Z s G ==
+-=+-
=-
=
比例+微分环节(PD)的模拟电路及响应曲线如图1-7。
图1-6 微分环节的模拟电路及其响应曲线
t
1 t
1
式中：K ——比例系数；T ——微分时间常数。
6．比例+积分环节(PI)
121
2111
21
121
2,)
11()1(
1)(C R T R R K Ts K s
C R R R R s
C R Z Z s G ==
+
-=+
-=+-
=-
=
比例+积分环节(PI)的模拟电路及响应曲线如图1-8。
式中：K ——比例系数；T ——积分时间常数。
T 和K 是响应曲线的两个特征量，可以从响应曲线上求出。
综上所述，典型环节的模拟方法是：根据典型环节的传递函数，选择适当的网络作为运算放大器的输入阻抗与反馈阻抗，使模拟电路的传递函数与被模拟环节的传递函数具有同一表达式，然后根据被模拟环节传递函数的参数，计算出模拟电路各元件的参数值。
四、实验内容
按下列各典型环节的传递函数，调节相应的模拟电路参数，观察并记录其单
位阶跃响应波形。
（电路中的电阻取Ωk ，电容为uF ，2C 取0.01uF ，接地电阻一般接k
10电阻。
）
①比例环节1)(1=s G 和2
)(1=s G ；
图1-8 比例+积分环节的模拟电路及其响应
t
1
K -
②惯性环节1
1()0.11
G
s s =
+和2
1()0.21
G
s s =
+
③积分环节11
()0.1G s s
=，21
()0.2G s s
=
④ 微分环节1
()0.1G
s s =，2
()0.2G
s s
= ⑤比例+微分环节（PD ）1()0.12
G
s s =+和2
()0.21G
s s =+
⑥ 比例+积分环节（PI ）11
()10.1G s s
=+和21
()10.2G s s
=+
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。
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。
3．连接被测量典型环节的模拟电路。
电路的输入U 1接A/D 、D/A 卡的DA 1输出，电路的输出U 2接A/D 、D/A 卡的AD 1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，用鼠标单击确认，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。
六、实验报告
1．画出六种典型环节的实验电路图，并注明相应的参数。
2. 画出各典型环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影响。
3. 写出实验的心得与体会。
七、预习要求
1．阅读实验原理部分，掌握一阶系统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。
3. 如何根据阶跃响应的波形，确定惯性环节的时间常数？
4. 思考：积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节？在什么条件下，又可以视为比例环节？。