典型环节的模拟研究及阶跃响应分析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：R1R 图 1-1B 比例环节模拟电路 R0=200K R1=1OOK; (200K)图 2-2其传递函数是:UO(S) K (2-1) Ui (S)比例环节的模拟电路图如图2-2所示，其传递函数是:UO (S)R1 Ui(S)RO比较式(2-1)和(2-2)得(2-2) K R1RO (2-3)当输入为单位阶跃信号，即Ui(t) (t)时,Ui(s) 1/S,则由式(1-1)得到: 1UO(S) K S所以输出响应为：UO K (t 0) (2-4)Ui ⑸ - Uo(S ► K ►2、积分环节。
其方框图如图2-3所示其传递函数为：图图1-2A积分环节方框图2-3RUO (S)1Ui(S)TS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： UO (S) 1Ui(S)R OCS比较式(2-5)和(2-6)得:T ROC当输入为单位阶跃信号，即Ui(t)l(t)时,Ui (S) S,则由式(2-5)得到:U) 111o (STS S TS2所以输出响应为：Uo (t)t 3、比例积分(PI)环节其方框图如图2-5所示图图1-3A积分环节方框图2-5其传递函数为：UO (S)Ui(S) K 1TS比例积分环节的模拟电路如图2-6所示：其传递函数为:U1(S)1Uo(STS|^2-4 积分环节模拟电路O1|J f(2p f);Ro=2001R1RU 图 1-3B PI 模拟电路(R0=200K, Rl=200K, C=1 u f(2u f)(2-5) (2-6) (2-7) (2-8) (2-9)UO (S)R1CS 1R11 Ui(S)ROCSROROCS比较(2-9)和(2-10)得：(2-10)K R1R0 (2-11) R图 2-6 TOC当输入为单位阶跃信号，即Ui(t) l(t)时,Ui S,贝U由式(1-9)得到:UO(S) (K 1TS) 1S所以输出响应为：Ul0(t) K Tt4、惯性环节。
其方框图如图2-7所示其传递函数为：UO(S)KU(S) TS 1 (2-13) i惯性环节的模拟电路如图2-8所示:其传递函数为：uo(s)U Rl/ROi(S)RlCS 1图2-8比较式(2-13)和(2-14)得：K=R1/RO, T= R1C当输入为单位阶跃信号，即Ui(t) l(t)时Ui(S) 1/S,贝lj由式(2-13)得到US) KIO(TS 1 S所以输出响应为UO(t) K (1一e—tT)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；Ui(S)KUo(S)D1TS+1(2-12) (2-14) (2-15)2)3)计算机一台；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-llo六(1)实验内容与步骤 准备工作 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2-13o图2-13连接电脑串口与TDN-AC/ACS+系统的RS232接口(2)图 2-14„开启电脑 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，如我的文档fTTt；-Frotel 99 SE我的电脑ACS2002网上邻居（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2-165ACS2002文件0）查看©）庭择串目）窗口他）帮助00SI图2-14实验箱电源指示灯图2-15双击ACS2002图标，以运行软件图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图2-17B示波器功能显示对话框(8) (9)单击，进行界面大小控制选择启动示波器不运行程序，如图2-18g«ACS2002 - ［示波器窗口］口文件0）启停 暂停功能 显示比例D Q日I抽踞唱鼠國！: 塗薩）0®l琴拳IQ月打*:图2-18A初始模式下图2-18B最大模式下图2-18 “启动不运行程序”按键位置（10）记录波形与显示方法1：停止波形显示（图2-19）,按下拷屏按键（Print Screen Sys Rq,图2- 20）,打开画图软件，粘贴即可5（V） dB图2-19 “停止波形显示”按键位置图2-20 “拷屏”按键位置方法2：单击记录波形按键（图2-21）,选择图形位置（图2-22）,按下停止键（图 1-14）,单击显示波形按键（图2-23）,即可显示波形（图2-24）。
CH2=5C显不渡形图2-21 “记录波形”按键位置图2-22 “显示波形”按键位置存储波形图2-23选择图形位置图2-24显示波形效果图（11）停止显示存储波形，恢复到实 时波形显示再次点击“显示波形”按键（图2-23）,回到原始状态，点击“启动不运行程序”按键 （图2-18）,即可得到实时波形显示2. 1阶跃信号的产生使运放处于工作状态将信号源单元（U1 SG）的ST端（插针）与+5V端（插针）用“短路块”短接，使模拟 电路中的场效应管（3DJ6）夹断，这时运放处于工作状态图2-25使运放处于工作状态2.2阶跃信号电路(U14电路可采用图2-26所示电路，它由“单脉冲单元” (U13 SP)及“电位器单元” P)组成图2-26阶跃信号产生电路具体连线方法:在U13 SP单元中，将Hl与+5V插针用“短路块”短接；H2插针用排线接至U14 P单元 的X插针；在U14 P单兀中，将Z插针和GND插针用"短路块"短接；最后由插座的Y端 输出信号其中W141控制节约信号的幅值大小，如图2-27o图2-27阶跃信号连线图3方波的产生将U1单元的ST的插针与S插针用“短路块”短接，S11波段开关置于“阶跃信号” 档，信号周期由波段开关S12和电位器W12调节，信号幅值由电位器W11调节。
如图2- 28 o图2-28方波连线图4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.各典型环节的方块图及传函2.各典型时及输入响应棣拟电路图比例(P)积分⑴比例积分(PI)貝WK5IK10K比例微分(PD)抽电耳M 关 X理热阶廿虫曲銭1"T11/2斷■100K比例PR】■ \M0(t>«rV!K・ KoRo・20010r1R, •2C0KUO1: 玄'C * b F■jrRjRi ■200KJ1 1 1侦牧7X ■ RoM 0<«)*K ( ] ■ e"S)o!0.2T * RjC200KiU a-JC -c ■ 1/表1—1（续）1)（先接2）按2方法将阶跃信号接好按表2中的各典型环节的模拟电路图将线接好; 比例环节，注意本输入信号下不接PID环节）如图2-29图2-29比例环节的连线图3) 将模拟电路输入端(Ui)与阶跃信号的输出端相连接，模拟电路的输出端(U0)接至 示波器如图2-30 o图2-30比例环节总体连线图4) 按下按钮H时，用示波器观测输出端的实际响应曲线U0 (t),且将结果记下改变 比例参数，重新观测结果如图2-31, 2-32□图2-31 H键位置图图2-32比例环节阶跃响应波形5) 按电路图分别接线，重复步骤(2) (3)，得出积分、比例积分、比例微分和惯性环节 的实际响应曲线，他们的理想曲线和实际相应曲线见表2-1。
比例积分，比例微分，PID环节连线需用到U21模块，如图2-33, 2-34„图2-33 U21模块图2-34比例微分环节连线图6）将结果记录下来51）观测PID环节的阶跃响应曲线此时U1采用U1 SP环节的周期性方波信号以信号 幅值较小（IV左右）、信号周期较长比较合适2)3） 参照表2中的PID模拟电路图，将PID环节搭接好将（1）中产生的周期性方波 加到PID环节的输出端（U1）,用示波器观测PID输出端（U0）,改变电路参数，重新观察4） 将结果记录下来七实验报告要求1. 实验前选定典型环节模拟电路的元件（电阻、电容）参数各两组，推导环节传递函数参 数与模拟电路电阻、电容值的关系，画出理想阶跃响应曲线2. 实验观测记录3. 实验结果分析、讨论和建议要求写出实验过程包括线路连线图，元件参数值的处理 等要有实验曲线和理论曲线的比较及不同参数取值的实验结果比较等八量结果选作实验 根据TDN-AC/ACS+系统布局图自行选择参数设计一个反馈控制环 节，计算理论参数，并记录实际测九1）2） 预习要求补充比例微分，PID环节的实验原理（公式推导）计算并画出各典型环 节的理想阶跃响应曲线十1）2）3） 思考题运算放大器组成的各环节的传递函数是在什么条件下推导出的？怎样选用运 算放大器？输入电阻、反馈电阻的阻值范围可任意选用吗？若各个。