《自动控制原理》
实 验 指 导 书
北方交通大学机电学院测控实验室
2012年9月
目录
实验一 典型环节的模拟研究 （验证型） （2） 实验二 典型系统的瞬态响应和稳定性（设计型） （7） 实验三 动态系统的数值模拟（验证型） （12） 实验四 动态系统的频率特性研究（综合型） 实验五 动态系统的校正研究 （设计型） 附 录 XMN—2学习机使用方法简介 第一章 概述 第二章 XMN—2型自动控制原理学习机的结构
和使用方法 第三章 CAE-98E型计算机辅助实验系统 第四章 CAE-PCI计算机辅助实验系统 - 1 -
14） 16） 18）18）（18）（20）（22）（（ （
（
实验一 典型环节的模拟研究
一、实验目的:
1、了解并掌握XMN-2型《自动控制原理》学习机的使用方法，掌握典型环节模拟电路的构成方法，培养学生实验技能。
2、熟悉各种典型线性环节的阶跃响应曲线。 3、了解参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、实验设备
1． XMN-2型机。 2． CAE98。 3． 万用表。 三、实验内容： 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典型环节。 1、比例（P）环节：其方块图如图1-1A所示。
Ui(S)KUo(S)其传递函数为： 比例环节的模拟电路如图1-1B所示,
图1-1A 比例环节方块图U0(S)?K (1-1) Ui(S)其传递函数为： U0(S)R1 (1-2) ?Ui(S)R0比较式(1-1)和(1-2)得 K=R1/R0 (1-3) 当输入为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(s)=1/S。则由式（1-1）得到Uo(S)=K?所以输出响应为 Uo(t)=K (t≥0) (1-4) 2、积分(I)环节。其方块图如图1-2A所示。 1 SUi(S)1TSUo(S) 其传递函数为 图1-2A 积分环节方块图 积分环节的模拟电路如图1-2B所示。 U0(S)1 (1-5) ?Ui(S)TS积分环节模拟电路的传递函数为 U0(S)1? (1-6) Ui(S)R0CS比较式(1-5)和(1-6)得 T=R0C (1-7) 当输入为单位阶跃信号，即Ui(t)=1(t)时,Ui(s)=1/S。则由式（1-5）得到
- 2 -
Uo(S)=111??2 TSSTS所以输出响应为 U0(t)?1t （1-8） T3、比例积分（PI）环节。其方块图如图1-3A所示。 KUi(S)1TSUo(S) 其传递函数为： 图1-3A PI方块图1U0(S) (1-9) ?K+TSUi(S) 比例积分环节的模拟电路如图1-3B所示。 其传递函数为： U0(S)R1CS?1R11 ???Ui(S)R0CSR0R0CS (1-10) 比较式(1-9)和(1-10)得 K=1/R0 T=R0C （1-11） 当输入为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(S)=1/S。则由式（1-9）得到 Uo(S)=（K+
11）? TSS所以输出响应为Uo(t)=K+1t (1-12) T4、惯性（T）环节。其方块图如图1-4A所示。 Ui(S)KTS+1Uo(S)其传递函数为： 图1-4A 惯性环节方块图 惯性环节的模拟电路如图1-4B所示, KU0(S) (1-13) ?Ui(S)TS?1其传递函数为： U0(S)R/R?10 (1-14) Ui(S)R1CS?1比较式(1-13)和(1-14)得 K=R1/R0 T=R1C （1-15）
当输入为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(S)=1/S。则由式（1-13）得到
Uo(S)=
K1?
TS?1S- 3 -
所以输出响应为 Uo(t)=K（1-e?tT） (1-16) 5、比例微分（PD）环节。其方块图如图1-5A所示。 1Ui(S)KTSUo(S) 其传递函数为： 图1-5A PD方块图U0(S)?K(1+TS) (1-17) Ui(S)比例微分环节的模拟电路如图1-5B所示, 其传递函数为 U0(S)R1?R2RRCS?(1?12?)Ui(S)R0R1?R2R3CS?1
（1-18） 考虑到R3《R1、R2，所以
U0(S)R1?R2RR?(1?12CS) （1-19）
Ui(S)R0R1?R2R1?R2R0比较式(1-17)和(1-19)得
K=
T=
R1R2?C （1-20）
R1?R21K?KT =SS当输入为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(S)=1/S。则由式（1-17）得到
Uo(S)=K（1+TS）?所以输出响应为 Uo(t)=KTδ(t)+K (1-21) 式中δ(t)为单位脉冲函数。 式（1-21）为理想的比例微分环节的输出响应，考虑到比例微分环节的实际模拟电路[式（1-18）]，则实际输出响应为 R1?R2R1R2?R3C?e U0(t)? （1-22） R0R0R3t6、比例积分微分（PID）环节。其方块图如图1-6A所示。 Ui(S)Kp1TISTDUo(S)其传递函数为： 1U0(S)+TDS （1-23） ?Kp+Ui(S)T1S 比例积分微分环节的模拟电路如图1-6B所示, 图1-6A PID方块图- 4 -