典型环节的模拟研究及阶跃响应分析
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实验二 典型环节的模拟研究及阶跃响应分析 一
实验目的
1.掌握各典型环节（比例、积分、比例积分、比例微分、惯性环节、比例积分微分环节等）模拟电路的构成方法，培养实验技能。
2.测试并熟悉各典型环节（比例、积分、比例积分、比例微分、惯性环节、比例积分微分环节等）的阶跃响应曲线。
3.了解参数变化对典型环节（比例、积分、比例积分、比例微分、惯性环节、比例积分微分环节等）阶跃响应的影响。
二 实验任务与要求
1.观测各种典型环节的阶跃响应曲线。
2.观测参数变化对典型环节阶跃响应的影响。
三 实验原理
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2-1所示：
其传递函数是：
K S Ui S U =)
()
(0 (2-1)
比例环节的模拟电路图如图2-2所示，其传递函数是：
1
0)()(R R S Ui S U = (2-2)
比较式(2-1)和(2-2)得
01R R K = (2-3)
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：
S
K S U 1
)(0•=
所以输出响应为：
K U =0
)0(≥t
(2-4)
图1-1B 比例环
节模拟电路 R0=200K R1=100K;(200K)R 1
R 图 2-1
图 2-2
图1-1A 比例环节方框图
2、积分环节。其方框图如图2-3所示。 其传递函数为：
TS
S Ui S U 1
)()(0= (2-5)
积分环节的模拟电路图如图2-4所示。 积分环节的模拟电路的传递函数为：
CS
R S Ui S U 001
)()(=
(2-6)
比较式(2-5)和(2-6)得：
C R T 0= (2-7)
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(2-5)得到：
2
1
11)(TS S TS S U o =
•= 所以输出响应为：
t T
t U o 1
)(=
(2-8) 3、比例积分(PI)环节。其方框图如图2-5所示。
其传递函数为：
TS
K S Ui S U 1
)()(0+= (2-9)
比例积分环节的模拟电路如图2-6所示： 其传递函数为：
R 图1-2A 积分环节方框图C
R 图1-3B PI模拟电路(R 0=200K,R 1=200K,C=1μf(2μf)
R 1
U 图1-3A 积分环节方框图
图 2-3
图 2-5
CS
R R R CS R CS R S Ui S U 0010101
1)()(+
=+= (2-10) 比较(2-9)和(2-10)得：
⎩⎨
⎧==C
R T R R K 00
1 (2-11)
当输入为单位阶跃信号，即)(1)
(t t U i =时，S U i 1=，则由式(1-9)得到：
S
TS K S U 1)1()(0•+
= 所以输出响应为： t T
K t U 1
)(0+= (2-12)
4、惯性环节。其方框图如图2-7所示。
其传递函数为：
1
)()(0+=TS K
S U S U i (2-13)
惯性环节的模拟电路如图2-8所示：
其传递函数为：
1
/)()(1010+=CS R R
R S U S U i (2-14)
比较式(2-13)和(2-14)得： K=R 1/R 0，T= R 1C 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(2-13)得到
S
TS K S U 1
1)(0⋅+=
所以输出响应为
)1()(0T
t e
K t U —
—= (2-15)
四
实验设备与器件
1)
西安唐都科教仪器公司TDN-AC/ACS+系统一套；
图1-4B 惯性环节模拟电路 R0=200K,R1=200K,C=1μf(2μf)
图 2-6
图 2-8
2)计算机一台；
3)短路块，连线，探头若干。
五仪器简介
1. TDN-AC/ACS+系统的整体结构，如图2-9。
图2-9 TDN-AC/ACS+系统面板图
2.串口转接头，如图2-10。
图2-10串口转接头图2-11短路块与排线
3. 短路块与排线，如图2-11。
六实验内容与步骤
1 准备工作
（1）通过串口线将电脑串口与TDN-AC/ACS+系统的RS232接口（右上角）相连，如图2-13。
图2-13连接电脑串口与TDN-AC/ACS+系统的RS232接口
（2）开启电脑
（3）将TDN-AC/ACS+系统实验箱接上电源，并按下电源开关（左上角），此时电源指示灯会亮，如图2-14。
图2-14 实验箱电源指示灯图2-15 双击ACS2002图标，以运行软件
（4）此时，根据需要连接电路。
（5）启动实验系统软件ACS2002，如图2-15。
（6）选择串口（多数软件已设置好，无需改变），如图2-16。
图2-16 选择串口
（7）选择示波器模式，如图2-17；并在弹出的对话框中进行功能选择。
图2-17A 单击选择示波器模式