實驗1 典型環節的模擬研究
1.1 實驗目的
1．掌握各典型環節模擬電路的構成方法，掌握td－acc 裝置的使用方法。
2．熟悉各種典型環節的理想階躍響應曲線和實際階躍響應曲線。
3．了解引數變化對典型環節動態特性的影響。
1.2 實驗裝置
pc 機一台，td－acc 系列教學實驗系統一套。
1.3 實驗原理及內容
下面列出了各典型環節的方框圖、傳遞函式、模擬電路圖、階躍響應，實驗前應熟悉了解。
1．比例環節 （p）
(1) 方框圖：
圖1.1－1
(2) 傳遞函式：
(3) 階躍響應： uo(t) = k ( t ≥ 0 ) 其中k = r1 / r0
(4) 模擬電路圖：
2．積分環節（i）
(1) 方框圖：
(2) 傳遞函式：
(3) 階躍響應：
(4) 模擬電路圖
3．慣性環節（t）
(1) 方框圖：
圖1.1-5
(2) 傳遞函式：
(3) 模擬電路圖：見圖1.1－6
(4) 階躍響應：
圖1.1-6
4．比例積分環節（pi）
(1) 方框圖：
圖1.1-7
(2) 傳遞函式：
(3) 階躍響應：
(4) 模擬電路圖：見圖 1.1－8
r0=200k；r1＝200k；c＝1uf或2uf
圖1.1-8
5．比例微分環節（pd）
(1) 方框圖：見圖1.1－9
(2) 傳遞函式：
(3) 階躍響應：
其中，，δ(t)為理想單位脈衝函式，這是乙個面積為1的脈衝函式，脈衝寬度為零，幅值為無窮大，在實際中是得不到的。
(4) 模擬電路圖：
r0=100k, r2=100k，c=1uf; r3=10k
r1=100k 或 200k
圖1.1-10
1. 4 實驗步驟
1．觀察比例、積分、比例積分、慣性環節和比例微分的階躍響應曲線
(1) 實驗接線
準備：輸入訊號ui 採用u1 sg訊號源單元的週期性方波訊號，具體實現如下：將訊號源u1單元的「st」的插針改為與「s」插針用短路塊短接，s11波段開關置於「方波訊號」檔，「out」端的輸出電壓即為方波訊號電壓。
訊號的週期由波段選擇開關s12和電位器w12來調節，訊號幅值由電位器w11來調節。以訊號幅值小、訊號週期較長比較適宜。
(2) 實驗操作
① 按比例環節的模擬電路圖將線接好。檢查無誤後開啟裝置電源。
②將 (1) 中產生的週期性方波訊號加到比例環節的輸入端ui ，用示波器觀測比例環節模擬電路的輸出u0 端，可以觀測到比例環節的階躍響應曲線。
③改變電路引數，重新觀察並將結果記錄到表1-1中。
④ 用同樣的方法分別搭接積分、比例積分、比例微分和慣性環節的模擬電路圖，檢查無誤後開啟裝置電源，用示波器觀測這些環節對階躍訊號的實際響應曲線，並將結果記錄到表1-1中。
2．注意事項
(1)做完實驗後，應將導線及元器件收好，千萬不要散亂地放在機箱中，以免下次做實驗引起短路。
(2)本系統安裝了高效開關電源，它的重新開啟和上一次斷開之間的時間應大於30秒，因此不要過於頻繁的開啟電源。
1. 5 實驗預習要求
(1)實驗前預習實驗指導書上相應內容；
(2)求出各典型環節在給定引數下的理想階躍響應曲線；
(3)認真思考一般環節的電路模擬圖構成，並找出規律，學會設計簡單的環節模擬圖。
1. 6 實驗報告要求
(1)畫出各典型環節的實驗電路圖，並註明相應的引數。
(2)畫出各典型環節的單位階躍響應波形，並分析引數對響應曲線的影響。
(3)寫出實驗的心得與體會。
表1-1
續表1-1
實驗2 典型系統的時域響應和穩定性分析
2.1 實驗目的
1．研究二階系統的特徵參量（ξ、ωn）對過渡過程的影響。
2．研究二階物件的三種阻尼比下的響應曲線及系統的穩定性。
3．熟悉routh 判據，用routh 判據對三階系統進行穩定性分析。
2.2 實驗裝置
pc 機一台，td－acc 系列教學實驗系統一套。
2.3 實驗原理及內容
1．典型的二階系統穩定性分析
(1) 結構框圖：見圖1.2－1
(2) 對應的模擬電路圖
(3) 理論分析
系統開環傳遞函式為：
開環增益:
(4) 實驗內容
先算出臨界阻尼、欠阻尼、過阻尼時電阻r的理論值，再將理論值應用於模擬電路中，觀察二階系統的動態效能及穩定性，應與理論分析基本吻合。在此實驗中(圖1.2－2)，
系統閉環傳遞函式為：
2．典型的三階系統穩定性分析
(1) 結構框圖
(2) 模擬電路圖
(3) 理論分析
系統的開環傳函為:
利用勞思判據判斷系統的穩定性與r的關係。
1.2.4 實驗步驟
1．準備：輸入訊號ui 採用u1 sg訊號源單元的週期性方波訊號，具體實現如下：將訊號源u1單元的「st」的插針改為與「s」插針用短路塊短接，s11波段開關置於「方波訊號」檔，「out」端的輸出電壓即為方波訊號電壓。
訊號的週期由波段選擇開關s12和電位器w12來調節，訊號幅值由電位器w11來調節。以訊號幅值為1v 左右、訊號週期較長比較適宜。
2. 典型二階系統瞬態效能指標的測試
(1) 按模擬電路圖1.2－2 接線，將階躍訊號接至輸入端，取r = 10k，檢查無誤後開啟裝置電源。
(2)用示波器觀察系統階躍響應c(t)，測量並記錄超調mp、上公升時間tr 和調節時間ts。
(3) 分別取r = 50k；100k；改變系統開環增益，觀察相應的階躍響應c(t)，測量並記錄效能指標mp、tp 和ts，及系統的穩定性。並將測量值和計算值進行比較（實驗前必須按公式計算出）。並將實驗結果填入表1.
2－1 中。
3．典型三階系統的效能
(1) 按圖1.2－4 接線，將階躍訊號接至輸入端，自行取定r值，要求系統穩定，檢查無誤後開啟裝置電源。
(2) 觀察系統的階躍響應，並記錄波形及取定的r值。
(3)修正r值，要求分別使系統處於臨界穩定和不穩定的狀態，觀察階躍響應，並將實驗結果填入表1.2－2 中。
4．注意事項
(1)做完實驗後，應將導線及元器件收好，千萬不要散亂地放在機箱中，以免下次做實驗引起短路。
(2)本系統安裝了高效開關電源，它的重新開啟和上一次斷開之間的時間應大於30秒，因此不要過於頻繁的開啟電源。
1.2.5 實驗預習要求
(1)實驗前預習實驗指導書上相應內容；
(2)求出各種引數下典型二階系統的引數、及瞬態效能指標的理論值mp、tp 和ts(填入表中)。
(3)對給定的三階系統，利用勞思判據計算當系統處於穩定、不穩定、臨界穩定時的r值。
1.2.6 實驗報告要求
(1)畫出實驗電路圖，並註明相應的引數；
(2)將記錄的波形、測試資料以**形式列出(表1.2-1，表1.2-2)；
(3)討論二階系統系統特徵參量（，ξ）變化時對系統效能的影響；討論k值變化時對系統穩定性的影響。
（說明：系統處於欠阻尼狀態時，記上公升時間tr為輸出響應第一次到達穩態值的時間，計算公式請參考教材；系統處於臨界阻尼和過阻尼狀態時，定義上公升時間tr為響應從穩態值的10%上公升到90%所需的時間，計算公式：）
表1.2-2
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