目录一、实验一典型线性环节的模拟·29二、附录1：XMN-2型自动控制原理学习机的结构和使用方法...三、附录2：CALTEKCA8000系列双踪示波器操作说明12四、实验二气动差压变送器的调整和性能实验·24五、实验三辅锅炉自动控制系统的操作与管理·2731六、实验四巡回监测与报警实验·
目 录 一、实验一 典型线性环节的模拟. 2 二、附录 1：XMN-2 型自动控制原理学习机的结构和使用方法. 9 三、附录 2：CALTEK CA8000 系列双踪示波器操作说明. 12 四、实验二 气动差压变送器的调整和性能实验. 24 五、实验三 辅锅炉自动控制系统的操作与管理. 27 六、实验四 巡回监测与报警实验. 31 1
实验一典型线性环节的模拟实验目的1.学习典型线性环节的模拟方法；2.研究电阻、电容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。实验内容二、：1.模拟比例环节，设定不同的Kp，实验观测阶跃响应。2.模拟比例积分环节，设定不同的Kp、Ti，实验观测阶跃响应。3.模拟比例微分环节，设定不同的Kp、Ta，实验观测阶跃响应。4，模拟比例积分微分环节，设定不同的K。、T、Td，实验观测阶跃响应。三、典型线性环节1.比例环节（P)：其方块图如图1-1A所示。其传递函数为：Ui (S)Ua (s)KpU.(S)=Kp(1-1)U(S)图1-1A比例环节方块图比例环节的模拟电路如图1-1B所示。其传递函数为：Ri100KU.(S)_R(1-2)UiUoRo100KU(S)R,比较式(1-1)和(1-2)得K,=R/Ro(1-3)图1-1B比例环节模拟电路当输入为单位阶跃信号，即Ui(t)=1()时，Ui(s)=1/S。则由式（1-1）得到1Uo(S)=Kps(t≥0)所以输出响应为：Uo(t)=K,(1-4)2.积分环节（I)：其方块图如图1-2A所示。其传递函数为：Ui (S)Uo (S)U.(S)1(1-5)TisU(S)"TS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。其传递函数为：100KU.(S)_1(1-6)UiUo100KRU(S)R.CS比较式(1-5)和(1-6)得T,=RoC(1-7)图1-2B积分环节模拟电路2
实验一 典型线性环节的模拟 一、实验目的 1．学习典型线性环节的模拟方法； 2．研究电阻、电容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。 二、实验内容 1．模拟比例环节，设定不同的 Kp，实验观测阶跃响应。 2．模拟比例积分环节，设定不同的Kp、 Ti ，实验观测阶跃响应。 3．模拟比例微分环节，设定不同的Kp、 Td ，实验观测阶跃响应。 4．模拟比例积分微分环节，设定不同的Kp、 Ti、 Td ，实验观测阶跃响应。 三、典型线性环节 1．比例环节（P）： 其方块图如图 1-1A 所示。 比例环节的模拟电路如图 1-1B 所示。 图1-1B 比例环节模拟电路 R1 100K Uo 100K Ui R0 K SU SU i = )( )(0 p (1-1) 其传递函数为： Kp=R1/RO (1-3) 比较式(1-1)和(1-2)得 0 0 1 )( )( R R SU SU i = (1-2) 其传递函数为： 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)=Kp S 1 ⋅ 所以输出响应为： Uo(t)=Kp (t≥0) (1-4) 2．积分环节（I）： 其方块图如图 1-2A 所示。 积分环节的模拟电路如图 1-2B 所示。 图1-2B 积分环节模拟电路 C 100K Uo 100K Ui R0 Ti=ROC (1-7) 比较式(1-5)和(1-6)得 CSRSU SU i 0 0 1 )( )( = (1-6) 其传递函数为： STSU SU i i 1 )( )( 0 = (1-5) 其传递函数为： 2
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111Uo(S)TS?TSS所以输出响应为：1(1-8)U.(t)T3.比例积分环节（PI)：其方块图如图1-3A所示。Kp其传递函数为：Ui (s)Ub (s)1U.(S)1(1-9)=KptTisT,SU(S)图1-3API方块图比例积分环节的模拟电路如图1-3B所示。cRI100KRoUiUo100K图1-3BPI模拟电路其传递函数为：U(S)_RCS+1_1Re1(1-10)U(S)R,CSRR.CS比较式(1-9)和(1-10)得K,=R/RoT;=RoC(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1).1Uo(S)= (K,+TSSUo(t)=K(1-12)所以输出响应为：4.惯性环节（T)：其方块图如图1-4A所示。其传递函数为：Ui(s)Uo (s)KU.(S)K(1-13)TS +1TS+1U(S)图1-4A惯性环节方块图3
当输入为单位阶跃信号，即 Ui(t)=1(t)时，Ui(s)=1/S。则由式（1-5）得到 Uo(S)= 2 111 i SST iST =⋅ 所以输出响应为： t T tU i 1 )( 0 = （1-8） 3．比例积分环节（PI）： 其方块图如图 1-3A 所示。 比例积分环节的模拟电路如图 1-3B 所示。 Ui R0 图1-3B PI模拟电路 100K Uo 100K R1 C K SU SU i = )( )(0 p+ iST 1 (1-9) 其传递函数为： CSRR R CSR CSR SU SU i 00 1 0 0 1 11 )( )( += + = (1-10) 其传递函数为： 比较式(1-9)和(1-10)得 Kp=R1/R0 Ti=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)=（Kp+ iST 1 ） S 1 ⋅ 所以输出响应为： Uo(t)=Kp+ t Ti 1 (1-12) 4．惯性环节（T）： 其方块图如图 1-4A 所示。 U i (S) K Uo (S) 图 1-4A 惯 性环节方块图 TS+1 = )( )(0 SU SU i TS +1 K (1-13) 其传递函数为： 3
惯性环节的模拟电路如图1-4B所示。其传递函数为：RU.(S) -R / Ro(1-14)c100KU,(S)RCS+1UiUoRo100K比较式(1-13)和(1-14)得K=R/R1T=RIC(1-15)图1-4B惯性环节模拟电路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K1U.(S):TS+1 SUo(t)-K (1-e T所以输出响应为：(1-16)5.比例微分环节（PD)：其方块图如图1-5A所示。1其传递函数为：Ui (s)Uo (s)KPHTaSXU.(S)= K,(I+TaS)(1-17)U,(S)图1-5APD方块图比例微分环节的模拟电路如图1-5B所示。R1R2FC古r100KUiUo100KRoOOF图1-5BPD模拟电路其传递函数为：CSR,R2U.(S)R, + R2(1(1-18)RoR,CS+1U,(S)R, +R,考虑到R，《R、R2，所以R,R,U.(S)R +R(1-19)0CS)-RoU (S)R, + R,比较式(1-17)和(1-19)得R, +RK,=Ro4
惯性环节的模拟电路如图 1-4B 所示。 Ui R0 100K Uo 图1-4B 惯性环节模拟电路 C R1 100K 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 T=R1C （1-15） K=R1 /R0 比较式(1-13)和(1-14)得 1 / )( )( 1 0 01 + = CSR RR SU SU i (1-14) 其传递函数为： Uo(S)= TS +1 K S 1 ⋅ 所以输出响应为： Uo(t)=K（1- T t e − ） (1-16) 5．比例微分环节（PD）： 其方块图如图 1-5A 所示。 比例微分环节的模拟电路如图 1-5B 所示。 图1-5B PD模拟电路 C 100K Uo 100K R1 R2 R3 Ui R0 考虑到R3《R1、R2，所以 = )( )(0 SU SU i Kp(1+TdS) (1-17) 其传递函数为： ) 1 1( )( )( 321 21 0 0 21 + ⋅ + + + = CSR CS RR RR R RR SU SU i （1-18） 其传递函数为： 1( ) )( )( 21 21 0 0 21 CS RR RR R RR SU SU i + + + ≈ （1-19） 比较式(1-17)和(1-19)得 Kp= 0 21 R + RR 4
R,R,Ta=.C(1-20)R +R2当输入为单位阶跃信号即Ui(t)=l()时，Ui(S)=1/S。则由式（1-17）得到1.K+K,TaU(S)=K, (I+TaS)ss所以输出响应为：(1-21)Uo(t)=K,Ta 8 ()+K,式中8(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）J，则实际输出响应为：R +R2+R,R2eR.cU.(t)=(1-22)RoR.R6.比例积分微分环节（PID）：其方块图如图1-6A所示。其传递函数为：KpUo()-Kp++Ts(1-23)Ui (S)Uo(S)U(S)TSTd图1-6APID方块图比例积分微分环节的模拟电路如图1-6B所示RIC1R2C2100KR3UiUoRo100KOo口工图1-6BPID模拟电路其传递函数为：1R, +R,R,C2U.(S)R,C,S+1(1-24)U.(S)RoR.C,SR,C,S+1R.C则式（1-24）可近似为考虑到R,》R,》R，R,U(S)1R.R2C,S(1-25)U,(S)R.R.C.SRoRKp=比较式(1-23)和(1-25)得T,=RoC,Ro5
Td= C RR RR ⋅ + 21 21 （1-20） 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)=Kp（1+TdS） S 1 ⋅ = dp p TK S K + 所以输出响应为： Uo(t)=KpTdδ(t)+Kp (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： CR t e RR RR R RR tU 3 30 21 0 21 0 )( − + + = （1-22） 6．比例积分微分环节（PID）： 其方块图如图 1-6A 所示。 比例积分微分环节的模拟电路如图 1-6B 所示, 图 1-6B PID模拟电路 100K U o 100K R 1 R 2 R 3 C 2 U i R 0 C 1 = )( )(0 SU SU i Kp+ i ST 1 +TdS （1-23） 其传递函数为： 其传递函数为： 1 1 1 )( )( 23 11 10 22 0 10 0 21 + + ⋅++ + = SCR SCR CR CR SCRR RR SU SU i (1-24) 考虑到R1》R2》R3，则式（1-24）可近似为 SC R RR SCRR R SU SU i 2 0 21 100 0 1 1 )( )( ++≈ （1-25） 比较式(1-23)和(1-25)得 KP= 0 1 R R ， Ti=R0C1 5