典型环节动态特性的仿真
实验一 典型环节的模拟研究
实验一 典型环节的模拟研究一、实验目的:1.了解并掌握XMN-2型《自动控制原理》学习机的使用方法，掌握典型环节模拟电路的构成方法，培养学生实验技能。
2.熟悉各种典型线性环节的阶跃响应曲线。
3.了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验设备1． XMN-2型机。
2． CAE98。
3． 万用表。
三、实验内容：本实验是利用运算放大器的基本特性（开环增益高、输入阻抗大、输出阻抗小等），设置不同的反馈网络来模拟各种典型环节。
1、比例（P ）环节：其方块图如图1-1A 所示。
KU o (S)U i (S)图1-1A 比例环节方块图2、积分(I)环节。
其方块图如图1-2A 所示。
U o (S)U i (S)1TS图1-2A 积分环节方块图3、比例积分（PI ）环节。
其方块图如图1-3A 所示。
TS1KU i (S)U o (S)图1-3A PI方块图4、惯性（T ）环节。
其方块图如图1-4A 所示。
其传递函数为TSS U S U i 1)()(0= (1-2)其传递函数为：K S U S U i =)()(0 (1-1)其传递函数为：K S U S U i =)()(0+TS 1 (1-3)U i (S)K U o (S)图1-4A 惯性环节方块图TS+15、比例微分（PD ）环节。
其方块图如图1-5A 所示。
图1-5A PD方块图TSU o (S)1KU i (S)6、比例积分微分（PID ）环节。
其方块图如图1-6A 所示。
U o (S)图1-6A PID方块图1K p T I S U i (S)T D四、实验内容及步骤五、思考题： 1、由运算放大器组成的各种环节的传递函数是在什么条件下可推导出的？输入电阻、反馈电阻的阻值范围可任意选用吗？答：忽略极小的参数影响，如晶体管的极间电容的，也忽略噪声影响，进行估算的。
不能任意选用。
如果电阻阻值选取得太大（并联值大），由运放输入失调电流引起的附加 失调电压也会大（乘积项），这不利于运放零位输出的稳定性。
自动实验一——典型环节的MATLAB仿真 报告
班级 姓名 学号XXXXXX 电子与信息工程学院实验报告册课程名称：自动控制原理 实验地点： 实验时间同组实验人： 实验题目： 典型环节的MATLAB 仿真一、实验目的：1．熟悉MATLAB 桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK 功能模块的使用方法。
2．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应曲线的理解。
3．定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验原理及SIMULINK 图形：1．比例环节的传递函数为 221211()2100,200Z R G s R K R K Z R =-=-=-==其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-3所示。
2．惯性环节的传递函数为2211211212()100,200,110.21R Z R G s R K R K C uf Z R C s =-=-=-===++其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-4所示。
3．积分环节(I)的传递函数为uf C K R s s C R Z Z s G 1,1001.011)(111112==-=-=-=其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-5所示。
图1-5 积分环节的模拟电路及及SIMULINK 图形 图1-4 惯性环节的模拟电路及SIMULINK 图形4．微分环节(D)的传递函数为uf C K R s s C R Z Z s G 10,100)(111112==-=-=-= uf C C 01.012=<<其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-6所示。
5．比例+微分环节（PD ）的传递函数为)11.0()1()(111212+-=+-=-=s s C R R R Z Z s G uf C C uf C K R R 01.010,10012121=<<=== 其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-7所示。
6．比例+积分环节（PI ）的传递函数为)11(1)(11212s R s C R Z Z s G +-=+-=-= uf C K R R 10,100121===其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-8所示。
控制系统典型环节的模拟
本科实验报告课程名称：自动控制原理实验姓名：学院(系)：专业：控制学号：指导教师：浙江大学实验报告实验项目名称：控制系统典型环节的模拟同组学生姓名：实验地点：月牙楼301实验日期：一、实验目的1) 熟悉超低频扫描示波器的使用方法2) 掌握用运放组成控制系统典型环节的电子电路3) 测量典型环节的阶跃响应曲线4) 通过实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响二、实验仪器1) 控制理论电子模拟实验箱一台2) 超低频慢扫描示波器一台3) 万用表一只三、实验原理以运算放大器为核心原件，由其不同的R-C 输入网络和反馈网络组成的各种典型环节1) 比例环节2) 惯性环节3) 积分环节4) 比例微分环节（PD）5) 比例积分环节四、按所设计的电路原理图接线，并在各电路的输入端输入阶跃信号，在电路的输出端观察并记录其单位阶跃响应的输出波形。
（1）比例电路波形图G(s)=1G(s)=2(2) 惯性环节，G1(s) =1/(s+1)G (s) =1/（0.5s+1）3) 积分环节 G (s) =1/sG (s) =1/(0.5s)(4)比例微分G (s) =2+sG (s) =1+2s5) 比例积分环节（PI）G (s) =1+1/sG (s) =2（1+1/2s）1、比例环节：输出量不失真，无惯性地跟着输入量变化，而且两者成比例关系；2、惯性环节：由于惯性环节中含有一个储能原件，当输入量突然变化时，输出量不能跟着变化，而是按指数规律变化；3、积分环节：只要有一个恒定的输入量作用于积分环节，其输出量就与时间成正比地无限增加。
(输出量取决于输入量对时间的积累,输入量作用一段时间后,即使输入量变化,输出量仍会保持在已达到的数值)；4、微分环节：理想微分环节的输出与输入量的变化速度成正比，在阶跃输入作用下的输出响应为一理想脉冲（实际上无法实现）。
五、实验思考题1、用运算放大器模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出来的？答：①假定运放具有理想特性，即满足“虚短”“虚断”特性②运放的静态量为零，个输入量、输出量和反馈量都可以用瞬时值表示其动态变化。
实验二 典型环节的模拟与仿真
1 t (1-12) T 特点： 输出量不但与输入量的积分成正比例， 当输入消失， 输出具有记忆功能。 具备比例环节与积分环节的共同优点。比例反映系统“快速性” ，而“积分”则 反映系统“过去”的所有变化。 4、惯性（T）环节。
其结构图如图 16-7 所示。 其传递函数为：
Ui(s)
K Ts+1
UO(s)
U 0 (S ) K = U i ( S ) TS + 1
(1-13)
图 16-7 惯性 （ T） 环节
惯性环节的模拟电路如图 16-8 所示,
R1
其传递函数为：
Ui(s)
R0
+
C
100k 100k
+
UO(s)
U 0 (S ) R /R = 1 0 U i ( S ) R1CS + 1
比较式(1-13)和(1-14)得
R1
C1
R2 C2 R3
Ui(s) R0
100k
+
100k
+
UO(s)
图 16-12
比例积分微分（PID）环节的模拟电路
其传递函数为
U 0 ( S ) R1 + R2 R C R C S +1 1 = + + 2 2⋅ 1 1 U i (S ) R0 R0 C1 S R0 C1 R3C 2 S + 1
U 0 ( s ) s 2 + 21s + 10 = U i ( s) s 2 + 10 s
在 MATLAB 的 simulink 环境下,作出如下结构图 16-13、并仿真。
图 16-13
各个环节仿真结构图
仿真结果如图 16-14 典型环节仿真结果图
典型环节时域特性的仿真实验
典型环节时域特性的仿真实验1、通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，熟悉各种典型环节的响应曲线。
2 、定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。
3、初步了解Matlab中Simulink的使用方法。
研究典型环节(比例、积分、微分、惯性、二阶)在阶跃输入信号及白噪声干扰信号输入的响应。
1.1 运行Matlab，在命令窗口“Command Window”下键入“Simulink”后回车，则打开相应的系统模型库；或者点击菜单上的“Simulink”图标，进入系统仿真模型库。
然后点击左上角“创建新文件图标”，打开模型编辑窗口。
1.2 调出模块在系统仿真模型库中，把要求的模块都放置在模型编辑窗口里面。
从信号源模块包(Sources)中拖出1个阶跃信号(step)和1个白噪声信号发生器 (band-limited white noise) ；从输出模块包(Sinks)中拖出1个示波器(Scope)；从连续系统典型环节模块包(Continuous) 中拖出1个微分环节(Derivative)和3个传函环节(Transfer Fcn)；从数学运算模块包(Math Operations)中拖出1个比例环节(Gain)和1个加法器 (Sum) ；从信号与系统模块包(Signals Routing) 拖出1个汇流排(Mux)；所有模块都放置在模型编辑窗口里面。
1.3 模块参数设置双击打开3个传函环节(Transfer Fcn)，通过设定参数 (参照图1的数据)，分别构成积分、惯性和二阶环节；打开比例环节，设定比例增益为2；打开白噪声信号发生器，设定功率(Noise power)为0.0001，采样时间(Sample time) 为0.05。
1.4 模块连接将各模块连接成如图1所示的仿真模型系统。
图1仿真模型系统22.1 双击Scope打开示波器，点击按钮“”启动仿真，画出输入信号波形图。
2.2 将比例环节的输出端接到汇流排(如图1所示)，打开示波器, 点击按钮“”启动仿真，观察比例环节的阶跃响应及对白噪声信号是否敏感，然后画出波形图。
实验1典型环节的动态特性仿真分析
■ 5．仿真系统连接完成且仿真所用的参数 均正确设置后，可进行仿真操作，点击 图形仿真操作画面“Simulation”下拉 式菜单“start”选项和“stop”选项可 分别控制仿真过程的启动与停止。仿真 过程结束后，点击示波器可显示出仿真 曲线。
■ 若需要同时显示三条响应曲线时的仿真 框图可采用如下的形式，其中传递函数 的形式根据不同环节进行设置。
实验一 典型环节的动态特 性仿真分析
一、实验目的和要求
■ （1）熟悉MATLAB软件的SIMULINK工 具箱。
■ （2）通过观察典型环节在单位阶跃信 号作用下的响应曲线，熟悉它们的动态 特性。
■ （3）了解各典型环节中参数变化对其 动态特性的影响。
二、实验主要仪器和设备
■ 装有Matlab软件的计算机
五、实验数据记录
■ （1）比例环节 G(S)=
;
■ 所选的几个不同参数值分别为K1= ；K2= ； K3= ；
■ 对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应 的有关参数值）：
■ （2）积分环节 G(S)=
;
■ 所选的几个不同参数值分别为Ti1= ；Ti2= ； Ti3= ；
■ 对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应 的有关参数值）：
■ ② 令ξ=0，ωn取不同值：ωn1= ；ωn2= ；
■ 对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关 参数值）：
■ ③ 令ξ=0.216，ωn取不同值：ωn1= ；ωn2= ；
■ 对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关 参数值）：
六、实验报告
■ 实验报告应包含如下内容：实验目的和 要求、实验所需主要仪器与设备、实验 内容、实验步骤与方法、原始实验数据 记录和处理（数据曲线、图表等）、实 验结果分析等。报告要求书写认真，图 表规范、完整，数据记录真实，分析透 彻和结论正确。
实验一 控制系统典型环节的模拟实验
实验一控制系统典型环节的模拟实验一、实验目的1．掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。
2．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。
二、实验内容1．对表一所示各典型环节的传递函数设计相应的模拟电路(参见表二)2．测试各典型环节在单位阶跃信号作用下的输出响应。
3．改变各典型环节的相关参数，观测对输出响应的影响。
三、实验内容及步骤1．观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶跃响应曲线。
①准备：使运放处于工作状态。
将信号发生器单元U1的ST端与+5V端用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管（K30A）夹断，这时运放处于工作状态。
②阶跃信号的产生：电路可采用图1-1所示电路，它由“阶跃信号单元”（U3）及“给定单元”（U4）组成。
具体线路形成：在U3单元中，将H1与+5V端用1号实验导线连接，H2端用1号实验导线接至U4单元的X端；在U4单元中，将Z端和GND端用1号实验导线连接，最后由插座的Y端输出信号。
以后实验若再用阶跃信号时，方法同上，不再赘述。
实验步骤：①按表二中的各典型环节的模拟电路图将线接好(先接比例)。
(PID先不接)②将模拟电路输入端(U i)与阶跃信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端(Uo)接至示波器。
③按下按钮(或松开按钮)SP时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo(t)，且将结果记下。
改变比例参数，重新观测结果。
④同理得积分、比例积分、比例微分和惯性环节的实际响应曲线，它们的理想曲线和实际响应曲线参见表三。
2．观察PID环节的响应曲线。
实验步骤：①将U1单元的周期性方波信号(U1 单元的ST端改为与S端用短路块短接，S11波段开关置于“方波”档，“OUT”端的输出电压即为方波信号电压，信号周期由波段开关S11和电位器W11调节，信号幅值由电位器W12调节。
以信号幅值小、信号周期较长比较适宜)。
②参照表二中的PID模拟电路图，按相关参数要求将PID电路连接好。
典型环节的电路模拟与软件仿真研究
典型环节的电路模拟与软件仿真研究一·实验目的1．通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。
2．通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。
二·实验要求1．设计各种典型环节的模拟电路。
2．完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。
3．在上位机界面上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。
三·实验原理无上位机时，利用实验箱上的信号源单元U2所输出的周期阶跃信号作为环节输入，即连接箱上U2的“阶跃”与环节的输入端（例如对比例环节即图1.1.2的Ui），同时连接U2的“锁零（G）”与运放的锁零G。
然后用示波器观测该环节的输入与输出（例如对比例环节即测试图1.1.2的Ui和Uo）。
有上位机时，必须在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。
为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能，接线方式将不同于上述无上位机情况。
四·实验所用仪器PC微机（含实验系统上位机软件）、ACT-I实验箱、USB2.0通讯线五·实验步骤和方法1．设计各种典型环节的模拟电路。
2．完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。
3．在上位机界面上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。
具体步骤：1．熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录设计并连接各种典型环节（包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。
注意实验接线前必须先将实验箱上电，以对运放仔细调零。
然后断电，再接线。
接线时要注意不同环节、不同测试信号对运放锁零的要求。
在输入阶跃信号时，除比例环节运放可不锁零（G 可接-15V）也可锁零外，其余环节都需要考虑运放锁零。
典型环节仿真研究
典型环节仿真研究一.实验目的：1.通过实验熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线、斜坡响应曲线，传递函数及其特性。
2.研究分析参数变化对典型环节动态特性的影响。
二.实验内容：1.应用MATLAB仿真软件，实现对各种典型环节阶跃、斜坡信号的输入，用仿真示波器观测并记录各种典型环节的阶跃、斜坡响应曲线。
2.修改各典型环节的参数，观测参数变化对典型环节阶跃响应的影响,测试并记录响应的数据。
三.实验原理1.惯性环节(一阶环节)仿真，如图(1-1)所示：上图可观察输入输出两条曲线。
该图只能观察输出曲线。
图（1-1）注：将图中的输入信号模块step 模块更换为Ramp模块既可观察斜坡响应曲线。
2.二阶环节仿真，如图(1-2)所示：或图（1-2）3.积分环节仿真，如图(1-3)所示：图（1-3）4.比例积分环节仿真，如图(1-4)所示：图（1-4）5.比例+微分环节仿真，如图(1-5)所示：图（1-5）6.比例+积分+微分环节仿真，如图(1-6)所示：图（1-6）四.实验步骤:1.进入WINDOWS操作系统；2.进入MATLAB COMMAND WINDOW(双击桌面上的MATLAB图标进入)；3.进入SIMULINK 窗口(在MATLAB COMMAND WINDOW 窗口中,键入SIMULINK 后按回车键) 或单击工具栏中的图标；4.移动鼠标到FILE 菜单,单击鼠标左键,打开FILE 菜单的子菜单.5.点击NEW ----(MODEL)，建立一个新的系统窗口（MODEL窗口）；6.参照第三部分的原理图，用鼠标将左边Simulink Library Browser窗口中的各个模块拖动到右边的MODEL窗口；方法如下：（1）移动光标到Sources 模块，点击后出现Sources 模块的内容，将该模块中的Step Fcn(阶跃信号)选中，然后按住鼠标左键将其拖到Untitled窗口；（2）在Untitled窗口中，将光标移到Step Fcn模块双击鼠标左键产生属性对话框，在该对话框中可以选择阶跃起始时间，初始值和阶跃值；（3）SIMULINK窗口中的Continuous模块打开，将Transfer Fcn(传递函数)模块移到Untitled窗口中；（4）在Untitled窗口中,将鼠标移动到Transfer Fcn模块双击鼠标左键产生属性对话框，在该对话框中可以设置传递函数的分子、分母多项式的系数；（5）将SIMULINK窗口中的Sinks模块打开，将Scope示波器模块移到Untitled窗口；（6）将鼠标移动到Scope模块，双击鼠标左键产生属性对话框，在该对话框中可以选择Horizontal Range(水平范围)和Vertical Range(垂直范围)。
实验一 典型环节的MATLAB仿真
1. 比例环节
和
对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料电试力卷保相护互装作置用调与试相技互术关，系电，力根保通据护过生高管产中线工资敷艺料设高试技中卷术资配0料不置试仅技卷可术要以是求解指，决机对吊组电顶在气层进设配行备置继进不电行规保空范护载高高与中中带资资负料料荷试试下卷卷高问总中题体资，配料而置试且时卷可，调保需控障要试各在验类最；管大对路限设习度备题内进到来行位确调。保整在机使管组其路高在敷中正设资常过料工程试况中卷下，安与要全过加，度强并工看且作护尽下关可都于能可管地以路缩正高小常中故工资障作料高；试中对卷资于连料继接试电管卷保口破护处坏进理范行高围整中，核资或对料者定试对值卷某，弯些审扁异核度常与固高校定中对盒资图位料纸置试，.卷保编工护写况层复进防杂行腐设自跨备动接与处地装理线置，弯高尤曲中其半资要径料避标试免高卷错等调误，试高要方中求案资技，料术编试交写5、卷底重电保。要气护管设设装线备备置敷4高、调动设中电试作技资气高，术料课中并中3试、件资且包卷管中料拒含试路调试绝线验敷试卷动槽方设技作、案技术，管以术来架及避等系免多统不项启必方动要式方高，案中为；资解对料决整试高套卷中启突语动然文过停电程机气中。课高因件中此中资，管料电壁试力薄卷高、电中接气资口设料不备试严进卷等行保问调护题试装，工置合作调理并试利且技用进术管行，线过要敷关求设运电技行力术高保。中护线资装缆料置敷试做设卷到原技准则术确：指灵在导活分。。线对对盒于于处调差，试动当过保不程护同中装电高置压中高回资中路料资交试料叉卷试时技卷，术调应问试采题技用，术金作是属为指隔调发板试电进人机行员一隔，变开需压处要器理在组；事在同前发一掌生线握内槽图部内纸故，资障强料时电、，回设需路备要须制进同造行时厂外切家部断出电习具源题高高电中中源资资，料料线试试缆卷卷敷试切设验除完报从毕告而，与采要相用进关高行技中检术资查资料和料试检，卷测并主处且要理了保。解护现装场置设。备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。
典型环节的电模拟及阶跃响应分析
典型环节的电模拟及阶跃响应分析在电力系统中，典型环节电模拟及阶跃响应分析是一项重要的工作，能够为系统的设计、分析和优化提供有力的支持。
以下将对典型环节的电模拟及阶跃响应分析进行详细的介绍。
典型环节的电模拟是对电力系统中的各种元件或子系统进行建模和仿真，以实现对系统的快速分析和性能预测。
在电力系统中，常见的典型环节包括电压源、电流源、电阻、电感和电容等。
这些典型环节可以组成各种不同的电路，如简单的R、L、C电路、RC滤波器、LC谐振电路等。
在电模拟中，首先需要确定系统的输入和输出，将其分别定义为函数或信号。
常见的输入信号有正弦波、方波、脉冲信号等，而输出信号则可以是电压或电流等。
为了进行模拟计算，需要使用电路方程、基尔霍夫定律、欧姆定律等基本原理进行建模。
根据电路的特性和连接方式，可以利用电路分析方法，如节点分析、等效电路法、工具箱法等，求解电路的参数和状态。
在典型环节的电模拟过程中，我们可以通过仿真软件进行计算，如MATLAB、PSPICE等。
这些软件提供了丰富的电路元件库、仿真环境和分析工具，方便进行复杂电路的建模和仿真。
通过电模拟，我们可以得到电路的幅频特性、相频特性、传递函数等信息，为系统的分析和设计提供依据。
阶跃响应是对典型环节的动态特性进行分析的一种方法。
在实际应用中，常常需要对系统进行刺激以观察其响应，比如输入一个阶跃信号，即突然改变输入的大小。
阶跃信号的定义是单位信号，从负无穷到正无穷的瞬间突变。
通过观察系统对阶跃信号的响应，可以了解系统的时间特性、稳态误差、稳定性等信息。
阶跃响应分析通常包括以下步骤：首先，通过电路分析方法得到系统的传递函数。
传递函数可以描述输入和输出之间的关系，是系统的重要特性之一、然后，根据传递函数的形式，可以利用计算工具或仿真软件求解系统的阶跃响应。
在MATLAB中，可以使用step函数来计算，该函数可以输入系统的传递函数，并返回系统对阶跃信号的响应。
最后，根据得到的阶跃响应曲线，可以分析系统的重要性能指标，如超调量、上升时间、峰值时间等。
实验一 典型环节的模拟研究
实验一 典型环节的模拟研究一、实验目的1. 熟悉THBDC -1型 控制理论实验平台及“THBDC -1”软件的使用；2. 熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3. 测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。
二、实验设备1. THBDC -1型 控制理论实验平台；2. PC 机一台(含“THBDC -1”软件)、USB 数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB 接口线； 三、实验内容1. 设计并组建各典型环节的模拟电路；2. 测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响； 四、实验原理自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。
熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分有益。
本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图 如图1-1所示。
图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。
1. 比例（P ）环节比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。
图1-1 它的传递函数与方框图分别为：K S U S U S G i O ==)()()(当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K 时的响应曲线如图1-2所示。
2. 积分（I ）环节 图1-2积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。
它的传递函数与方框图分别为：设U i (S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T 时的响应曲线如图1-3所示。
图1-3Ts S U S U s G i O 1)()()(==3. 比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为：其中T=R 2C ，K=R 2/R 1设U i (S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T 时的PI 输出响应曲线。
图1-44. 比例微分(PD)环节比例微分环节的传递函数与方框图分别为：)1()1()(112CS R R R TS K s G +=+= 其中C R T R R K D 112,/==设U i (S)为一单位阶跃信号，图1-5示出了比例系数(K)为2、微分系数为T D 时PD 的输出响应曲线。
典型环节的模拟研究 实验报告材料
第三章 自动控制原理实验3.1 线性系统的时域分析 3.1.1典型环节的模拟研究一. 实验目的1． 了解和掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式2． 观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响二．典型环节的结构图及传递函数方 框 图传递函数比例（P ） K (S)U (S)U (S)G i O ==积分 （I ）TS1(S)U (S)U (S)G i O ==比例积分 （PI ）)TS11(K (S)U (S)U (S)G i O +==比例微分 （PD ） )TS 1(K (S)U (S)U (S)G i O +==惯性环节 （T ）TS1K (S)U (S)U (S)G i O +==比例积分微分（PID ）ST K ST K K (S)U (S)U (S)G d p i p p i O ++==三．实验内容及步骤观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响.。
改变被测环节的各项电路参数，画出模拟电路图，阶跃响应曲线，观测结果，填入实验报告运行LABACT 程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。
具体用法参见用户手册中的示波器部分。
1)．观察比例环节的阶跃响应曲线典型比例环节模拟电路如图3-1-1所示。
图3-1-1 典型比例环节模拟电路传递函数：01(S)(S)(S)R R K KU U G i O === ； 单位阶跃响应： K )t (U =实验步骤：注：‘S ST ’用短路套短接！（1）将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT ），作为系统的信号输入（Ui ）；该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。
① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。
实验典型环节的动态特性实验报告
实验一典型环节的动态特性一．实验目的1.通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的相应曲线，熟悉它们的动态特性。
2.了解各典型环节中参数变化对其动态特性的影响。
二．实验容1．比例环节G(S)= K所选的几个不同参数值分别为K1= 33 ; K2= 34 ; K3= 35 ;对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关参数值）：2．积分环节G(S)=S Ti1所选的几个不同参数值分别为T i1= 33 ; T i2= 33 ; T i3= 35 :对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关参数值）：3．一阶惯性环节G(S)=STKc1令K不变（取K= 33 ），改变T c取值：T c1=12；T c2=14；T c3=16；对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关参数值）：4． 实际微分环节G(S)=ST ST K D D D 1令K D 不变（取K D =33），改变T D 取值：T D 1=10；T D 2=12；T D 3=14；对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关参数值）：5．纯迟延环节G(S)=S eτ-所选的几个不同参数值分别为τ1=2；τ2=5；τ3=8；对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关参数值）：6． 典型二阶环节G(S)=222nn nS S K ωξωω++令K 不变（取K =33）①令ωn =1，ξ取不同值：ξ1=0；ξ2=0.2,ξ3=0.4（0<ξ<1）；ξ4=1；ξ5=3（ξ≥1）；对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关参数值）：②令ξ=0，ωn 取不同值：ωn 1=1；ωn 2=2；对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关参数值）：③令ξ=0.216，ωn取不同值：ωn1=3；ωn 2=4；对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关参数值）：。
MATLAB实验一典型环节的MATLAB仿真
单位阶跃响应波形
（2）形
结果分析：
由以上单位阶跃响应波形图知，惯性环节使得输出波形在开始时以指数曲线上升，上升速度与时间常数（惯性环节中s的系数）有关。
3.积分环节 实验结果：
SIMULINK仿真模型
单位阶跃响应波形
结果分析：
SIMULINK仿真模型
单位阶跃响应波形
（2）比例环节 实验结果：
SIMULINK仿真模型
单位阶跃响应波形
结果分析：
由以上阶跃响应波形图知，比例环节使得输出量与输入量成正比，既无失真也无延迟，响应速度快，能对输入立即作出响应，因此系统易受外界干扰信号的影响，从而导致系统不稳定。
2.惯性环节 实验结果：
要求：正文用小四宋体，1.5倍行距，图表题用五号宋体，图题位于图下方，表题位于表上方。
积分环节的输出量反映了输入量随时间的积累，积分作用随着时间而逐渐增强，其反映速度较比例环节迟缓。
4.微分环节 的实验结果：
SIMULINK仿真模型
单位阶跃响应波形
结果分析：
由上图的单位阶跃响应波形图知，微分环节的输出反映了输入信号的变化速度，即微分环节能预示输入信号的变化趋势，但是若输入为一定值，则输出为零。，
曲线的理解。
3.定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验内容
按下列各典型环节的传递函数，建立相应的SIMULINK仿真模型，观察并记录其
单位阶跃响应波形。
1比例环节 和 ；
2惯性环节 和
3积分环节
4微分环节
5比例+微分环节（PD） 和
6比例+积分环节（PI） 和
三、实验结果分析
1．（1）比例环节 实验结果：
实验一典型环节的MATLAB仿真
典型环节的MATLAB仿真1、 实验目的：1．熟悉MATLAB桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK功能模块的使用方法。
2．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应曲线的理解。
3．定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验内容按下列各典型环节的传递函数，建立相应的SIMULINK仿真模型，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)=-2②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)=-S⑤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）」2、 实验步骤及结果启动MATLAB 6.0，进入Simulink后新建文档，分别在各文档绘制各典型环节的结构框图。
双击各传递函数模块，在出现的对话框内设置相应的参数。
然后点击工具栏的按钮或simulation菜单下的start命令进行仿真，双击示波器模块观察仿真结果。
在仿真时设置各阶跃输入信号的幅度为1，开始时间为0（微分环节起始设为0.5，以便于观察）传递函数的参数设置为框图中的数值，自己可以修改为其他数值再仿真观察其响应结果。
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)=-S5、 比例微分环节： G1(S)=-(2+S)和G2(S)=-(1+2S)6、 比例积分：G1（S）=-(1+1/S)和G2（S）=-「2（1+1/2S）」四、实验结果分析：比较前后两个阶跃曲线的区别与联系，作出相应的实验分析结果。
自动控制原理MATLAB仿真实验指导书(4个实验)
自动控制原理MATLAB仿真实验实验指导书电子信息工程教研室实验一典型环节的MA TLAB仿真一、实验目的1．熟悉MATLAB桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK功能模块的使用方法。
2．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应曲线的理解。
3．定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、SIMULINK的使用MATLAB中SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。
利用SIMULINK功能模块可以快速的建立控制系统的模型，进行仿真和调试。
1．运行MA TLAB软件，在命令窗口栏“>>”提示符下键入simulink命令，按Enter键或在工具栏单击按钮，即可进入如图1-1所示的SIMULINK仿真环境下。
2．选择File菜单下New下的Model命令，新建一个simulink仿真环境常规模板。
图1-1 SIMULINK仿真界面图1-2 系统方框图3．在simulink仿真环境下，创建所需要的系统。
以图1-2所示的系统为例，说明基本设计步骤如下：1）进入线性系统模块库，构建传递函数。
点击simulink下的“Continuous”，再将右边窗口中“Transfer Fen”的图标用左键拖至新建的“untitled”窗口。
2）改变模块参数。
在simulink仿真环境“untitled”窗口中双击该图标，即可改变传递函数。
其中方括号内的数字分别为传递函数的分子、分母各次幂由高到低的系数，数字之间用空格隔开；设置完成后，选择OK，即完成该模块的设置。
3）建立其它传递函数模块。
按照上述方法，在不同的simulink的模块库中，建立系统所需的传递函数模块。
例：比例环节用“Math”右边窗口“Gain”的图标。
4）选取阶跃信号输入函数。
用鼠标点击simulink下的“Source”，将右边窗口中“Step”图标用左键拖至新建的“untitled”窗口，形成一个阶跃函数输入模块。
自动控制原理实验一典型环节的电路模拟及软件仿真
实验一典型环节的电路模拟与软件仿真一、实验目的1.熟悉THSSC-4型信号与系统·控制理论·计算机控制技术实验箱及上位机软件的使用；2.熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3.测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。
二、实验设备1.THSSC-4型信号与系统·控制理论·计算机控制技术实验箱；2.PC 机一台(含上位机软件)、USB 数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB 接口线；3.双踪慢扫描示波器一台(可选)； 三、实验容1.设计并组建各典型环节的模拟电路；2.测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响；3.在上位机仿真界面上，填入各典型环节数学模型的实际参数，据此完成它们对阶跃响应的软件仿真，并与模拟电路测试的结果相比拟。
四、实验原理自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。
熟悉这些典型环节的构造及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析是十分有益的。
本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图 如图1-1所示。
图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。
1.比例〔P 〕环节图1-1比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。
它的传递函数与方框图分别为：K S U S U S G i O ==)()()( 当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K 时的响应曲线如图1-2所示。
图1-22.积分〔I 〕环节积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。
它的传递函数与方框图分别为：TsS U S U s G i O 1)()()(==设U i (S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T 时的响应曲线如图1-3所示。
图1-33.比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为：)11(11)()()(21211212CSR R R CS R R R CS R CS R S U S U s G i O +=+=+==其中T=R 2C ，K=R 2/R 1设U i (S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T 时的PI 输出响应曲线。
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苏州市职业大学实训报告
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实训名称典型环节动态特性的仿真实训日期
一、实训目的
1、掌握典型环节仿真结构图的建立方法；
2、通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，熟悉各种典型环节的响应曲线。
2、定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。
3、初步了解MATLAB中SIMULINK 的使用方法。
二、实训内容
掌握比例、积分、一阶惯性、实际微分、振荡环节的动态特性。
[例] 观察实际微分环节的动态特性
(1)连接系统, 如图所示:
(2)参数设置: 用鼠标双击阶跃信号输入模块，设置信号的初值和终值，采样时间sample time和阶跃
时间step time；用鼠标双击实际微分环节,设Kd=1,Td=1；用鼠标双击示波器,设置合适的示波器参数；
(3)在simulation/paramater中将仿真时间(Stop Time )设置为10秒；
(4)仿真:simulation/start，仿真结果如图1-1所示；
(5)改变Td、Kd，观察仿真结果有什么变化。
图1-1 实际微分环节的动态特性图
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①惯性环节
建立如下图1所示的仿真结构图，K值为1，并保持不变；T值依次为1,2和3，运行得到阶跃响应曲线（图2）：
图1 惯性环节仿真结构图 T值不同
图2 惯性环节T值不同的阶跃响应曲线
建立如下图2所示的仿真结构图，T值为1，并保持不变；K值依次为1,2和3，运行得到阶跃响应曲线（图3）：
图3 惯性环节仿真结构图 K值不同
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图4 惯性环节K值不同的阶跃响应曲线
分析结果：在同一信号的作用下，T（时间常数）越大，系统达到稳态所需的时间越长；K（比例系数）越大，系统的最终稳态值越大。
同时可以看出，在惯性环节中，输出量不能瞬时完成与输出量完全一致的变化。
②积分环节
建立如下图5所示的仿真结构图，T值依次为1,0.5和2，运行得到阶跃响应曲线（图6）：
图5 积分环节仿真结构图
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图6 积分环节T值不同的阶跃响应曲线
结果分析：在同一坐标轴中绘出r(t)-t和c(t)-t曲线，可以看出，r(t)-t和c(t)-t的交点的横坐标t就是积分时间常数T。
同时可以看出，在积分环节中，输出量与输入量对时间的积分成正比。
常利用积分环节来改善系统的稳态性能。
③比例环节
建立如下图7所示的仿真结构图，K值依次为0.5,1.2和2，运行得到阶跃响应曲线（图8）：
图7 比例环节仿真结构图
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图8 比例环节K值不同的阶跃响应曲线
结果分析：在同一坐标轴中绘出r(t)-t和c(t)-t曲线，可以看出，比例环节的特点是，其输出不失真、不延时、成比例地复现输入信号的变化，即信号的传递没有惯性。
④振荡环节
建立如下图9所示的仿真结构图，ωn2的值保持1不变，ζ依次为2,1,0.5和0，运行得到阶跃响应曲线（图10）：
图9 振荡环节ζ值不同
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院系电子信息工程学院班级姓名学号实训名称典型环节动态特性的仿真实训日期
图10 振荡环节ζ值不同的阶跃响应曲线
图11 实际微分环节T值不同
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图12 实际微分环节T值不同的阶跃响应曲线
结果分析：从上图中可以看出，实际微分环节的输出与输入信号对时间的微分成正比，即输出反映了输入信号的变化率，而不是反映输入量本身的大小。
常用微分环节来改善系统的动态性能。
三、实训中遇到的问题及解决办法
示波器所显示的图像是黑色底的，不利于打印后的观察。
可在MATLAB的工作区内输入语句“set(0,'ShowHiddenHandles','On')”，按回车；再输入“set(gcf,'menubar','figure')”，按回车。
可在虚拟的示波器上得到一行菜单栏，可进行相关操作。
四、思考题
1、积分环节中的时间常数，如何从记录的单位阶跃响应曲线上求得？
在同一坐标轴中绘出r(t)-t和c(t)-t曲线，r(t)-t和c(t)-t的交点的横坐标t就是积分时间常数T。
2、如何求惯性环节的时间常数？
惯性环节的方框图如下图所示：
T就是时间常数,但要注意，分母的常数项必须是1，T才是时间常数。
3、叙述振荡环节中阻尼系数对环节的影响。
ζ值越大，系统的平稳性越好，超调越小；ζ值越小，系统响应振荡越强，振荡频率越高。
当ζ=0时，系统输出为等幅振荡，不能正常工作，属不稳定
（注：文档可能无法思考全面，请浏览后下载，供参考。
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