典型环节的电路模拟
实验一控制系统典型环节的模拟
图 1-8 为振荡环节的模拟线路图，它是由惯性环节，积分环 节和一个反号器组成。根据它们的传递函数，可以画出图 1-7 所
示的方框图，K1 = R1 / R0 ,T1 = R1C1 ，T2 = R2C2 .由图 1-7 求得 开环传递函数为：
G(S) = K S (T1S + 1)
K = K1 T
则
Uo(S) =
K
=
K /T1
=
ω
2 n
Ui (S ) T1S 2 + S + K S 2 + S /T1 + K /T1 S 2 + 2ξωn + ωn2
ωn =
K ,
T1
2ξωn
=
1 T1
,
ξ= 1 = 1 2T1ωn 2 KT1
为使图 1-8 成为振荡环节，需调整参数 K 和T1 ，使 0<ξ<1，呈欠
五、思考题
(1)设计一个能满足 e1 + e2 + e3 = e 。运算关系的实用加法
器。 (2)用运放模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件
下近似导出的？ (3)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？
(4)如何根据阶跃响应的波形，确定积分环节和惯性环节的时 间常数？ (5)如何设置必要的约束条件，使比例微分环节、比例积分微 分环节的参数计算工作得以简化？
R2 R1
-
uo
+ + 接示波器
0
t
图 1-3、惯性环节
第2页
(7)积分环节
G(S) = Z2 = 1/CR = 1 = 1
实验一--典型环节的电路模拟
自动控制原理实验报告院（系）：能源与环境学院专业：热能与动力工程姓名：周宇盛学号： 03010130 同组人员：王琪耀马晓飞实验时间： 2012 年 10 月 23 日实验名称：典型环节的电路模拟一、实验目的1. 熟悉THBDC-1型信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台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. THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台；2. PC机一台(含上位机软件)、数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、采接卡接口线；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；一、各典型环节电路图1. 比例（P ）环节根据比例环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。
图中后一个单元为反相器，其中R 0=200K 。
若比例系数K=1时，电路中的参数取：R 1=100K ，R 2=100K 。
若比例系数K=2时，电路中的参数取：R 1=100K ，R 2=200K 。
2. 积分（I ）环节根据积分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。
图中后一个单元为反相器，其中R 0=200K 。
若积分时间常数T=1S 时，电路中的参数取：R=100K ，C=10uF(T=RC=100K ×10uF=1)； 若积分时间常数T=时，电路中的参数取：R=100K ，C=1uF(T=RC=100K ×1uF=；3. 比例积分(PI)环节根据比例积分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。
图中后一个单元为反相器，其中R 0=200K 。
若取比例系数K=1、积分时间常数T=1S 时，电路中的参数取：R 1=100K ，R 2=100K ，C=10uF(K= R 2/ R 1=1,T=R 1C=100K ×10uF=1)；若取比例系数K=1、积分时间常数T=时，电路中的参数取：R 1=100K ，R 2=100K ，C=1uF(K= R 2/ R 1=1,T=R 1C=100K ×1uF=。
自动控制原理实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真
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；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较。
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。
典型环节的电路模拟
实验报告课程名称：_________控制理论（甲）实验_______指导老师：_____ ____成绩：__________________ 实验名称：_________典型环节的电路模拟______实验类型：________________同组学生姓名：__________ 一、实验目的 二、实验原理 三、实验接线图 四、实验设备 五、实验步骤 六、实验数据记录 七、实验数据分析 八、实验结果或结论一、实验目的1．熟悉THBDC-2型 控制理论·计算机控制技术实验平台及“THBDC-2”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。
要对系统的设计和分析，必须熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应。
本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，原理图如左图 图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。
1. 积分环节（I ）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 时的响应曲线如右图所示。
2. 比例微分环节（PD ）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，右图示出了比例系数(K)为2、微分系数为T D 时PD 的输出响应曲线。
专业： __TsS U S U s G i O 1)()()(==3.惯性环节惯性环节的传递函数与方框图分别为：1)()()(+==TSKSUSUsGiO当U i(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且放大系数(K)为1、时间常数为T时响应曲线如右图所示。
三．实验设备1．THBDC-2型控制理论·计算机控制技术实验平台；2．PC机一台(含“THBDC-2”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。
自动控制原理实验(1)
实验一 典型环节的电路模拟一、实验目的1．熟悉THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱及“THKKL-5”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．THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱；2．PC 机一台(含“THKKL-5”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：KS 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。
TsS U S Us G i O1)()()(==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 CSR R R CSR 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。
典型环节的电路模拟
典型环节的电路模拟————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：装 订线实验报告课程名称：_________控制理论（甲）实验_______指导老师：_____ ____成绩：__________________ 实验名称：_________典型环节的电路模拟______实验类型：________________同组学生姓名：__________ 一、实验目的 二、实验原理 三、实验接线图 四、实验设备 五、实验步骤 六、实验数据记录 七、实验数据分析 八、实验结果或结论一、实验目的1．熟悉THBDC-2型 控制理论·计算机控制技术实验平台及“THBDC-2”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。
要对系统的设计和分析，必须熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应。
本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，原理图如左图 图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。
1. 积分环节（I ）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 时的响应曲线如右图所示。
2. 比例微分环节（PD ）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，右图示出了比例系数(K)为2、微分系数为T D 时PD 的输出响应曲线。
专业：__TsS U S U s G i O 1)()()(==实验名称： 典型环节的电路模拟 姓名：装 订线 3. 惯性环节惯性环节的传递函数与方框图分别为：1)()()(+==TS KS U S U s G i O当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且放大系数(K)为1、时间常数为T 时响应曲线如右图所示。
自控典型环节的电路模拟
实验报告课程名称：自动控制原理实验名称：典型环节的电路模拟一、实验目的（1）熟悉THBDC-1型信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台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、实验仪器（1）THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台。
（2）PC机一台(含上位机软件)、数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、采接卡接口线。
三、五种典型环节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成。
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。
它的实验电路与方框图分别如下：由运算放大器的虚短、虚断原理：u +=u -，i +=i -=0，可得：I R1=I R2,1UI R =2R UO (反相器改变了UO 的符号),U O =12R R U I ,作为比例环节的传递函数与方框图如下： G(s)=)()(S U S U i O =12R R =K 当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K 时的响应曲线如图所示。
2.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。
它的实验电路与方框图分别如下： （图中后一个单元为反相器）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。
3. 比例积分(PI)环节比例积分环节的电路图与方框图分别为：其中T=R 2C ，K=R 2/R 1设U i (S)为一单位阶跃信号，下图示出了比例系数(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电路图与方框图分别为如下：TsS U S U s G i O 1)()()(==)11(11)()()(21211212CSR R R CS R R R CS R CS R S U S U s G i O +=+=+==)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，下图示出了比例系数(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在电子电路设计中，电路模拟和软件仿真是至关重要的环节。
通过电路模拟和软件仿真，我们可以有效地预测电路的性能和行为，从而提前发现并解决潜在问题，确保电路设计的稳定性和可靠性。
本文将从定义、方法、工具、应用等方面对典型环节的电路模拟和软件仿真进行全面研究和说明。
一、定义和方法电路模拟是指通过计算机软件模拟电路中电信号的传递和变化过程，以达到预测电路性能并进一步优化电路设计的目的。
常见的电路模拟方法有蒙特卡罗模拟法、数字仿真法等。
软件仿真是指使用计算机软件对电路进行仿真，以模拟电路的行为、响应和参数等信息。
常见的软件仿真软件有PSpice、Multisim和LTspice等。
二、工具介绍1、PSpicePSpice是一款电路仿真软件，由Cadence公司开发。
它可以模拟模拟和数字电路，且操作简单，使用广泛。
PSpice提供丰富的电路组件、仿真模型和矢量图像等，可以满足大部分的仿真需求。
2、MultisimMultisim是美国NI公司开发的电路仿真软件，具有图形化界面和多样的仿真功能。
Multisim 能够模拟模拟和数字电路，并包括了数据采集和设计验证等附加功能，确保了高效且精确的仿真和分析。
3、LTspiceLTspice是一种用于模拟和构建电路图的自由软件，由Linear Technology公司开发。
它可以对模拟电路进行精确的SPICE仿真，并提供方便的电流波形捕获和频谱分析工具。
三、应用电路模拟和软件仿真广泛应用于电子电路设计的各个环节，如模拟和数字电路的设计、电源电路的设计、信号放大器的设计等。
1、模拟电路的设计在模拟电路的设计中，电路模拟和软件仿真是必不可少的工具。
首先，我们可以通过仿真软件对模拟电路的直流参数进行模拟分析和计算，如电流、电压、功率等。
同时，通过软件仿真，我们可以预测电路的动态性能特征，如相位响应、时间响应等。
2、电源电路的设计在电源电路的设计中，电路模拟和软件仿真也是必不可少的工具。
作业-典型环节的电路模拟实验-自动控制原理-深圳大学
深圳大学实验报告课程名称：自动控制原理实验项目名称：典型环节的电路模拟实验学院：机电专业：自动化指导教师：报告人：学号：班级：实验时间：实验报告提交时间：教务部制实验一典型环节的电路模拟实验一、实验目的1.学习构成典型线性环节的模拟电路。
2.研究阻、容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。
3.学习典型线性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。
4.二、实验内容1.完成比例环节的电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。
2.完成积分环节的电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。
3.完成比例积分环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。
4.完成比例微分环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。
5.完成惯性环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。
6.完成比例积分微分环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。
7.三、实验仪器1.ZY17AutoC12BB自动控制原理实验箱。
2.双踪低频慢扫示波器。
3.数字万用表。
4.四、实验原理1.比例环节下载后图可变大图1.1.2图1.1.1`比例环节的阶跃响应图比例环节的传递函数为：()()K s U s U I O =。
比例环节的方块图、阶跃响应及模拟电路图分别如图1.1.1、图1.1.2和图1.1.3所示。
其中012R R R K +=，试验参数取R 2=200K ，R 1=100K ，R 0=100K ，R=10K 或100K 。
2. 积分环节积分环节的传递函数为：()()TSs U s U I O 1=。
积分环节的方块图、阶跃响应及模拟电路图分别如图1.2.1、图 1.2.2和图1.2.3所示。
其中()110C R R T +=，试验参数取R 0=100K 可调，R 1=100K ，C 1=1uF ，R=10K 或100K 。
图1.2.2图1.2.1` 积分环节的阶跃响应图图1.1.33. 比例积分环节比例积分环节的传递函数为：()()TSK s U s U I O 1+=比例积分环节的方块图、阶跃响应及模拟电路图分别如图1.3.1、图1.3.2和图1.3.3所示。
典型环节的电路模拟与软件仿真研究实验结论
典型环节的电路模拟与软件仿真研究实验结论本研究实验以典型环节的电路模拟与软件仿真为研究对象，通过理论推导与实验验证的方式，得出以下结论：
1.钳位电路是一种常用的电路保护装置，可以在控制电压范围内保护电路不被过压或过流损坏。
2.比例积分控制器在控制系统中具有广泛应用，能够实现稳态误差为零的控制效果，并能够对系统的超调量和响应速度进行调节。
3.串联型PID控制器在控制系统中也有着重要的应用，其控制效果优于传统的比例积分控制器，能够更加精确地控制系统的稳态误差和动态响应性能。
4.在软件仿真实验中，利用MATLAB/Simulink软件可以方便快捷地进行电路模拟和控制系统仿真，有效提高了研究效率和准确性。
综上所述，本研究实验对典型环节的电路模拟和控制系统仿真进行了深入研究，得到了有价值的结论，为相关领域的研究提供了参考和借鉴。
- 1 -。
实验一 典型环节的电路模拟
实验一典型环节的电路模拟一、实验目的1. 熟悉THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台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. THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台；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。
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、实验原理及其步骤自控系统是由比例、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。
实验准备：①当u i为一单位阶跃信号时，用上位软件观测，选择“通道1-2”，其中通道AD1接电路的输出u O；通道AD2接电路的输入u。
i②为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件上的分频系数(一般调至刻度2以上)和“”按钮(时基自动)。
③如采集卡不能正常采集数据，请更新USB数据采集卡驱动。
具体操作步骤：右击“我的电脑”，点击“管理”-“设备管理器”-“通用串行总线控制器”，找到“UsbCard Device”，右击-“卸载”，确定。
卸载后再次点击“计算机管理”菜单中的“操作”-选择“扫描检测硬件改动”，打开硬件安装向导，选择“从列表或指定位置安装（高级）”，点击“下一步”，点击“浏览”，驱动在D盘THBDC软件文件夹中，选择安装即可。
④实验电路中如使用到电容时，每次试验中需要利用“锁零按钮”对电容进行放电复位处理。
⑤输入阶跃信号幅值调节在±2V 以内。
1. 比例（P ）环节根据比例环节，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图1-1所示。
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。
#自动控制原理实验一典型环节电路模拟软件仿真
实验一典型环节的电路模拟与软件仿真一、实验目的1. 熟习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.熟习各典型环节的阶跃响应特征及其电路模拟；3.丈量各典型环节的阶跃响应曲线，并认识参数变化对其动向特征的影响。
二、实验设施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数据收集卡、 37 针通讯线 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、实验内容1.设计并组建各典型环节的模拟电路；2.丈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质参数，据此达成它们对阶跃响应的软件仿真，并与模拟电路测试的结果对比较。
四、实验原理自控系统是由比率、积分、微分、惯性等环节按必定的关系组建而成。
熟习这些典型环节的构造及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和剖析是十分有益的。
本实验中的典型环节都是以运放为中心元件组成，其原理框图如图 1-1 所示。
图中 Z1和 Z2表示由 R、 C 组成的复数阻抗。
1. 比率 <P）环节图 1-1比率环节的特色是输出不失真、不延缓、成比率地复现输出信号的变化。
它的传达函数与方框图分别为：G (S) U O(S)K U i (S)当 U (S>输入端输入一个单位阶跃信号，且比率系数为K 时的响应曲线如图1-2 所示。
i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红正比。
它的传达函数与方框图分别为：U O(S) 1G ( s )TsU i ( S )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.比率积分 (PI> 环节比率积分环节的传达函数与方框图分别为：G(s) U O (S)R 2CS 1R 2 1 R 2 (1 1 )U i (S) R 1CS R 1 R 1CSR 1 R 2 CS此中 T=R 2C ， K=R 2/R 1设 U i (S> 为一单位阶跃信号，图 1-4 示出了比率系数 (K>为 1、积分系数为 T 时的 PI 输出响应曲线。
实验二 典型环节的模型电路和软件仿真
实验二 比例，惯性环节的模拟仿真
一、实验目的
（1）学习比例环节，惯性环节的模拟方法。
（2）学习比例环节，惯性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。
（3）掌握用运放组成控制系统比例环节，惯性环节的电子电路。
（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、实验内容
（1）构成比例、惯性环节的模拟电路。
（2）用Multisim 仿真各典型环节。
（3）由阶跃响应计算典型环节的传递函数。
三、电路模拟实验原理
1.构成比例环节的模拟电路（见图1） 该电路的传递函数为：1
2
)(R R s G -
=。
图1 比例环节的模拟电路原理图
比例环节中，分别取以下数据，观察现象： ①K R OK R 20,121== ②M R M R 5.1,121== ③K R K R 120,1521==
2.构成惯性环节的模拟电路（见图2） 该电路的传递函数为：1)(+-
=Ts K
s G ，其中1
2R R K =，12C R T =。
图2 惯性环节模拟电路原理图
惯性环节中，分别取以下数据，观察现象： ①M R M R 1,121==F C μ01.0= ②M R M R 1,121==F C μ5.0= ③110R =M ，220R =M ，0.01C F μ=。
四、实验报告要求
（1）写出图1、图2的传递函数。
（2）把图1、图2示波器的波形画在实验报告中。
五、问题讨论
根据测得的比例和惯性环节单位阶跃响应曲线，分析参数变化对动态特性的影响？。
实验一 典型环节的电路模拟与控制软件仿真
实验一 典型环节的电路模拟一．实验类型：验证性实验二．实验目的：1．熟悉并掌握THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台及上位机软件的使用方法。
2．熟悉各典型环节的电路传递函数及其特性，掌握典型环节的电路模拟与软件仿真研究。
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。
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，用示波器观察其波形，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。
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1-1 输出响应曲线2. 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示出了比例系数为1、积分系数为T 时的PI 输出响应曲线。
)11(11)()()(21211212CSR R R CS R R R CS R CS R S U S U s G i O +=+=+==图1-2输出响应曲线3. 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,/==图1-3 输出响应曲线设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。
4. 惯性环节惯性环节的传递函数与方框图分别为：当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且放大系数(K)为1、时间常数为T 时响应曲线如图所示。
实验三 将 控制系统典型环节的模拟电路实验
实验三 控制系统典型环节的模拟电路实验一、实验目的与要求(1) 学习典型环节的数学模型的建立，掌握典型环节模拟电路的构成方法。
(2) 学习瞬态性能指标的测试性能。
(3) 了解参数对系统瞬态性能及稳定性的影响。
(4) 利用EWB 软件软件仿真，观察典型环节的阶跃响应曲线，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、实验设备和仪器计算机（仿真用）软件：EWB三、实验原理和电路：（一）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环节。
典型环节原理方框图及其模拟电路如下： 1、比例环节(P)。
其方框图如图1-1A 所示：其传递函数是：K S Ui S U =)()(0 (1-1)（学习比较模拟电路与方框图传递函数之间的关系） 比例环节的模拟电路图如图1-1B 所示，其传递函数是：10)()(R R S Ui S U = (1-2)比较式(1-1)和(1-2)得 01R R K = (1-3) 当输入为单位阶跃信号，即)(1)(t t U i =时，S s U i /1)(=，则由式(1-1)得到：SK S U 1)(0∙=所以输出响应为： K U =0 )0(≥tKU i(S)U o(S)图1-1A 比例环节方框图图1-1B 比例环节模拟电路 R 0=200K R 1=100K ;(200K )R 0R 1R R U iU o10K10K+-+-10K100Ko p5o p6(1-4)2、积分环节。
其方框图如图1-2A 所示。
其传递函数为：TSS Ui S U 1)()(0= (1-5)（学习比较模拟电路与方框图传递函数之间的关系） 积分环节的模拟电路图如图1-2B 所示。
积分环节的模拟电路的传递函数为：CSR S Ui S U 001)()(=(1-6)比较式(1-5)和(1-6)得：C R T 0= (1-7)当输入为单位阶跃信号，即)(1)(t t U i =时，S S U i 1)(=，则由式(1-5)得到：op5op6R 0UoCR 10KU i图1-2B 积分环节模拟电路C=1μf(2μf);R 0=200KR 10K 100K10K--U i(S)U o(S)1TS图1-2A 积分环节方框图2111)(TSSTSS Uo=∙=所以输出响应为：t Tt U o 1)(=(1-8)3、比例积分(PI)环节。
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。
典型环节的电路模拟实验总结
典型环节的电路模拟实验总结
电路模拟实验是电子学教育中非常重要的一部分，它能帮助学生更好地理解电路的工作原理和特性。
在实验中，典型的环节包括DC 电路、交流电路、放大电路、滤波电路等。
DC电路实验主要是研究直流电路的特性，包括电压、电流、电阻的关系。
在实验中，我们可以通过调整电源电压和电阻来观察电路中电流和电压的变化情况。
通过实验分析，我们可以得出欧姆定律和基尔霍夫定律等的应用。
交流电路实验主要是研究交流电路的特性，包括电压、电流、频率等。
在实验中，我们可以通过调整信号发生器的频率和幅度来观察电路中电流和电压的变化情况。
通过实验分析，我们可以得出交流电路的相位差、阻抗等特性。
放大电路实验主要是研究放大电路的特性，包括放大倍数、频率响应等。
在实验中，我们可以通过调整输入信号的幅度和频率来观察输出信号的变化情况。
通过实验分析，我们可以得出放大电路的增益、截止频率等特性。
滤波电路实验主要是研究滤波电路的特性，包括低通滤波、高通滤波等。
在实验中，我们可以通过调整输入信号的频率和幅度来观察输出信号的变化情况。
通过实验分析，我们可以得出滤波电路的截止频率、衰减特性等。
通过以上典型环节的电路模拟实验，我们可以更深入地理解电路的工作原理和特性。
实验中的观察和分析能够帮助我们进一步巩固和
应用所学的电子学知识。
同时，实验还能培养我们的动手能力和实验设计能力，提高我们解决实际问题的能力。
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典型环节的电路模拟装 订线实验报告课程名称：_________控制理论（甲）实验_______指导老师：_____ ____成绩：__________________ 实验名称：_________典型环节的电路模拟______实验类型：________________同组学生姓名：__________ 一、实验目的 二、实验原理 三、实验接线图 四、实验设备五、实验步骤 六、实验数据记录 七、实验数据分析八、实验结果或结论一、实验目的1．熟悉THBDC-2型 控制理论·计算机控制技术实验平台及“THBDC-2”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。
要对系统的设计和分析，必须熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应。
本实验中的典型环节都是以运放专业：__P ．3实验名称： 典型环节的电路模拟 姓名：装 订线为核心元件构成，原理图如左图图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。
1. 积分环节（I ）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 时的响应曲线如右图所示。
2. 比例微分环节（PD ）比例微分环节的传递函数与方框图分别为：)1()1()(112CS R RRTS 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，右图示出了比例系数(K)为2、微分系数为T D 时PD 的输出响应曲线。
TsS U S U s G i O 1)()()(==装 订线3. 惯性环节惯性环节的传递函数与方框图分别为：1)()()(+==TS KS U S U s G iO当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且放大系数(K)为1、时间常数为T 时响应曲线如右图所示。
三．实验设备1．THBDC-2型 控制理论·计算机控制技术实验平台；2．PC 机一台(含“THBDC-2”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。
四． 实验步骤1．积分（I ）环节根据积分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。
图中后一个单元为反相器，其中R 0=200K 。
若积分时间常数T=1S 时，电路中的参数取：R=100K ，C=10uF(T=RC=100K ×10uF=1)；若积分时间常数T=0.1S 时，电路中的参数取：R=100K ，C=1uF(T=RC=100K ×1uF=0.1)；当u i 为单位阶跃信号时，用“THBDC-2”软件观测并记录相应T 值时的输出响应曲线，并与理论值进行-++R Cu i-++RR 0u实验名称： 典型环节的电路模拟姓名：装 订线比较。
（注：由于实验电路中有积分环节，实验前一定要用“锁零单元”对积分电容进行锁零。
）2．比例微分(PD)环节根据比例微分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)设计并组建其模拟电路，如下图所示。
图中后一个单元为反相器，其中R 0=200K 。
若比例系数K=1、微分时间常数T=0.1S 时，电路中的参数取：R 1=100K ，R 2=100K ，C=1uF(K= R 2/ R 1=1，T=R 1C=100K ×1uF=0.1S)；若比例系数K=1、微分时间常数T=1S 时，电路中的参数取：R 1=100K ，R 2=100K ，C=10uF(K= R 2/ R 1=1，T=R 1C=100K ×10uF=1S)；当u i 为一单位阶跃信号时，用“THBDC-2”软件观测(选择“通道3-4”，其中通道AD3接电路的输出u O ；通道AD4接电路的输入u i )并记录不同K 及T 值时的实验曲线，并与理论值进行比较。
注：在本实验中“THBDC-2”软件的采集频率设置为150K ，采样通道最好选择“通道3-4(有跟随器，带负载能力较强)”3．惯性环节根据惯性环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)设计并组建其相应的模拟电路，如下图所示。
实验名称： 典型环节的电路模拟 姓名：装 订线图中后一个单元为反相器，其中R 0=200K 。
若比例系数K=1、时间常数T=1S 时，电路中的参数取：R 1=100K ，R 2=100K ，C=10uF(K= R 2/ R 1=1，T=R 2C=100K ×10uF=1)。
若比例系数K=1、时间常数T=0.1S 时，电路中的参数取：R 1=100K ，R 2=100K ，C=1uF(K= R 2/ R 1=1，T=R 2C=100K ×1uF=0.1)。
通过改变R 2、R 1、C 的值可改变惯性环节的放大系数K 和时间常数T 。
当u i 为一单位阶跃信号时，用“THBDC-2”软件观测并记录不同K 及T 值时的实验曲线，并与理论值进行比较。
五． 实验结果与分析1. 积分环节通过计算可得传递函数：s1)()()(RC s R s C s G ==,又可得t RC u u i o 1=若积分时间常数T=1S 时，电路中的参数取：R=100K ，C=10uF(T=RC=100K ×10uF=1)；装 订线理论得t t u t u io⋅=)()(，)(11t u i⋅= 理论输出应为)(1t t u o⋅= 实际输出： 直线段斜率为141410=-，与理论值相符。
若积分时间常数T=0.1S 时，电路中的参数取：R=100K ，C=1uF(T=RC=100K ×1uF=0.1)；理论得tt u t u i o 10)()(⋅=，)(110t u i⋅=理论输出应为)(110t t u o⋅= 实际输出： 直线段斜率为106.16.210=-，与理论值相符。
可以得出结论：增大R 或C ，T 增大，积分时间变长； 减小R 或C ，T 减小，积分时间变短。
实验名称：典型环节的电路模拟姓名：装订线2.比例微分环节通过计算可得传递函数：CsRRRsRsCsG212)()()(+==，ssR1)(=●比例系数K=1、微分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1，T=R1C=100K ×1uF=0.1S)由：CRsRRsUO2121)(+⋅=计算得到：)(1.01）（uottδ+=右图为放大图●比例系数K=1、微分时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1，T=R1C=100K×10uF=1S)，则有：)(1）（uottδ+=，实验结果如图6-4实验名称：典型环节的电路模拟姓名：装订线所示。
计算得到：)(11）（uottδ•+=三．惯性环节通过计算可得传递函数：实验名称：典型环节的电路模拟姓名：装订线121/2)()()(+==CSRRRSUSUsGiO●若比例系数K=1、时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1，T=R2C=100K ×10uF=1)。
计算得U0(t)=1-e−t●若比例系数K=1、时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1，T=R2C=100K ×1uF=0.1)。
计算得U0(t)=1-e−10t因为数据的精度原因，不能定量得检验函数的准确性，实验名称： 典型环节的电路模拟 姓名：装 订线只能肉眼观察惯性特性。
但是可以发现U0从0~饱和的时间差 图1Δt1为4.6-1.6=4s 图2Δt2为3.05-2.65=0.4s Δt2=0.1Δt1，符合理论要求 瞬态输出以指数规律变化.当电容C 值改变时，会改变输出的上升速度，C 越大，上升速度越慢。
七．实验思考题1．用运放模拟典型环节时，其传递函数是在什么假设条件下近似导出的？ 答：● 虚短虚断。
● 运放的输入输出满足零初始条件。
● 忽略了输入输出阻抗的影响，即默认输入阻抗为无穷，输出阻抗为02．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？而又在什么条件下，惯性环节可以近似地视为比例环节？实验名称： 典型环节的电路模拟 姓名：装 订线答：惯性环节的特点是：当输入x(t)作阶跃变化时,输出y(t)不能立刻达到稳态值,瞬态输出以指数规律变化.积分环节的特点：当输入为单位阶跃信号时,输出为输入对时间的积分,输出y(t)随时间呈直线增长. 当t 趋于无穷大时,惯性环节可以近似地视为积分环节；当t 趋于0时,惯性环节可以近似地视为比例环节. 3．在积分环节和惯性环节实验中，如何根据单位阶跃响应曲线的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？ 答：对积分环节，积分时间常数T 的数值等于输出信号变化到与输入信号的阶跃变化量相等时所经过的一段时间。
在单位阶跃响应曲线上就能确定；对惯性环节，时间常数T 就是当输入信号为阶跃函数时，输出信号以起始速度变化到最后平衡值所需的时间。
从单位阶跃响应曲线的起始点做切线与最后平衡值相交，则起始点到此交点所经历的时间就是惯性环节的实验名称： 典型环节的电路模拟 姓名：装 订线时间常数T 。
4．为什么实验中实际曲线与理论曲线有一定误差？答：原因如下 ● 器件的精度误差● 单位阶跃响应的器件抖动严重 ● 数值检测设备的精度误差● 传递函数是在理想条件下推导出来，实际情况中理想条件不存在5．为什么PD 实验在稳定状态时曲线有小范围的振荡？答：因为PD 环节中存在微分环节，而微分环节对偏差敏感。
输入的信号有噪声，并不是平直光滑的， 所以，经过微分后，使得偏差放大，会出现小范围振荡。