华南农业大学实验报告
专业班次 组别
题 目 典型环节的电路模拟与软件仿真研究 姓名（学号） 日期 2024.03.27
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、实验内容
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．利用上位机界面上的软件仿真功能，完成各典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟测试的结果作比较。
三、实验原理
1．积分(I)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 积分环节的传递函数为：G(s)?U0(s)1? Ui(s)Ts其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图4、图5和图6所示。U为输入阶跃信号的幅值。 式中：T?R1C为积分时间常数。
K?1为积分增益。 TU0UCUiR1││RRUi(s)1TsU0(s)?+R0?+R2U00Tt
3．惯性环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 惯性环节的传递函数为：G(s)? U0K? UiTs?1其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图2-1-7、图2-1-8和图2-1-9所示。U为输入阶跃信号的幅值。 式中：T?R2C为惯性时间常数。
K?R2为惯性增益。 R1 成绩： 教师： 日期： 华南农业大学实验报告
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CU0KUUi(s)││RRUiR1R2KTs?1U0(s)0.632KU0Tt?+R0?+R2U0 四、实验步骤
1．积分(I)环节
（1）步骤1：构造模拟电路
典型积分环节模拟电路连线图如图16所示
C1=1uFR0=100KU3的O1Ui100K100K100K-+15KR=15KU9+10K10K10K-+U8+U3的I1U0U3的O1U3的I2运放单元上的锁零G端U3的G1
图16 典型积分环节模拟电路
（2）步骤2：打开labview的时域特性程序后，软件界面的参数设置如下: 测试信号：阶跃；幅值：3V（偏移0）；频率/周期：1s（占空比50%）；运行程序，直接进行实验。阶跃响应曲线如图17
图17 积分环节阶跃响应曲线
（3）步骤3：按表2-6改变实验参数，并将结果记录到表2-6中。 ※注意：为提高实验精度，在示波器屏幕上测取T时，数据应作均值滤波。
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注明：所有运放单元的+端所接的10K电阻均已经内部接好，实验时不需外接。 3．惯性环节
（1）步骤1：构造模拟电路，典型积分环节模拟电路连线图如图18所示
C1=1uFR1=200KR0=200KU3的O1Ui100K100K100K15K-+U9+R=15K10K10K10K-+U8+U3的I1U0U3的O1U3的I2运放单元上的锁零G端U3的G1 图18 典型惯性环节模拟电路
（2）步骤2：打开labview的时域特性程序，软件界面的参数设置如下：测试信号：阶跃；幅值：3V（偏移0）；频率/周期：1s（占空比50%）；运行程序，直接进行实验。阶跃响应曲线如图19
图19 惯性环节阶跃响应曲线
（3）步骤3：按表2-9改变实验参数，并将结果记录到表2-9中。
※注意：从输入阶跃信号起，由示波器测得（或记录曲线上量得）响应曲线对应于U0＝0.632KU的时间即为惯性时间常数T。其中KU值为响应曲线的稳态值。
五.实验结果与分析
1、积分环节实验所得系统阶跃响应曲线如下：
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510K 1uf
510K 2uf
理论值计算： 理论值计算：
250K 1uf
250K 2uf
理论值计算： 理论值计算：
表2-6
积分常数Ti R0 C 输入Ui 计算值 1u 510K 2u 1V 1.02 1.00 0.51 测量值 0.58 成绩： 教师： 日期： 华南农业大学实验报告
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题 目 典型环节的电路模拟与软件仿真研究 姓名（学号） 日期 2024.03.27 1u 250K 2u 0.50 0.48 0.25 0.274
2、惯性环节实验所得系统阶跃响应曲线如下：
R0=200K R1=200K C=1uf Ui=4V R0=200K R1=200K C=2uf Ui=4V
R0=50K R1=200K C=1uf Ui=2V R0=50K R1=200K C=1uf Ui=1V
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表2-9
比例系数K R0 R1 C 输入Ui 计算值 1u 200K 200K 2u 100K 50K 200K
惯性常数T 计算值 0.2 0.4 0.1 0.2 测量值 0.206 0.377 0.103 0.197 测量值 0.9325 0.95 2.005 3.68 1 4V 1 2V 2 4 1u 1V 其中：惯性增益的计算为： ，达到稳态时为： ，惯性常数为 ， 0.632
3、实验值误差分析
①由于实验设备精度不够高带来的微小误差。
②在对波形进行读数时，滑动游标读数时没有对准，产生误差。
③实验时所接入电路的实际电阻阻值与所需阻值存在一定偏差，电容容值亦是如此，从而产生误差。 ④实验时使用的运放并非理想运放，导致积分实际值与理论值产生偏差。
六、思考问题
电路参数变化对各种典型环节阶跃特性的影响：
1、比例环节：输入量与输出量成正比，不失真，不延迟
2、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)；
3、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，阶跃响应不能立即达到稳态。
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华南农业大学自动控制原理实验报告二 - 图文
