重庆大学自控原理课程设计实验报告
自动控制原理的实训报告
一、实训目的本次实训旨在通过实际操作和实验，加深对自动控制原理的理解，掌握控制系统分析和设计的基本方法，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。
通过实训，使学生能够：1. 理解自动控制系统的基本组成和原理；2. 掌握典型控制系统的时域响应和频域响应分析方法；3. 学会使用实验设备进行控制系统实验，并能够分析实验结果；4. 培养团队协作和沟通能力。
二、实训仪器与设备1. 自动控制原理实验台；2. 信号发生器；3. 数据采集器；4. 计算机；5. 控制系统模拟软件。
三、实训内容1. 控制系统结构分析通过实验台搭建一个典型的控制系统，分析其结构，包括各个环节的功能和相互关系。
2. 时域响应实验对搭建的控制系统进行阶跃响应实验，记录并分析系统的输出波形，计算超调量、上升时间、调节时间等性能指标。
3. 频域响应实验对搭建的控制系统进行频率特性实验，记录并分析系统的幅频特性、相频特性，绘制Bode图。
4. 控制系统设计根据实验结果，对控制系统进行设计，包括PID参数整定、控制器设计等。
四、实验过程1. 搭建控制系统根据实验要求，搭建一个典型的控制系统，包括控制器、执行器、被控对象等环节。
2. 进行阶跃响应实验使用信号发生器产生阶跃信号，输入到控制系统中，记录输出波形，并计算超调量、上升时间、调节时间等性能指标。
3. 进行频率特性实验使用信号发生器产生不同频率的正弦信号，输入到控制系统中，记录输出波形，并绘制Bode图。
4. 控制系统设计根据实验结果，对控制系统进行设计，包括PID参数整定、控制器设计等。
五、实验结果与分析1. 阶跃响应实验通过阶跃响应实验，可以分析系统的稳定性和动态性能。
例如，超调量反映了系统的振荡程度，上升时间反映了系统的响应速度，调节时间反映了系统达到稳态所需的时间。
2. 频率特性实验通过频率特性实验，可以分析系统的频率响应特性。
例如，幅频特性反映了系统对不同频率信号的放大倍数，相频特性反映了系统对不同频率信号的相位延迟。
自动控制原理实验报告(一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试等三个实验)
自动控制原理实验报告作者姓名学科专业机械工程及自动化班级学号X X年10月27日实验一一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试一、实验目的1、了解一、二阶系统阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系。
2、学习在电子模拟机上建立典型环节系统模型的方法。
3、学习阶跃响应的测试方法。
二、实验内容1、建立一阶系统的电子模型,观测并记录在不同时间常数T时的跃响应曲线,并测定其过渡过程时间TS。
2、建立二阶系统的电子模型,观测并记录在不同阻尼比ζ时的跃响应曲线,并测定其超调量σ%及过渡过程时间TS。
三、实验原理1、一阶系统阶跃响应性能指标的测试系统的传递函数为:()s()1C s KR s Ts φ=+（）=模拟运算电路如下图:其中21R K R =,2T R C =;在实验中，始终保持21,R R =即1K =，通过调节2R 和C 的不同取值，使得T 的值分别为0.25,0.5,1。
记录实验数据，测量过度过程的性能指标，其中按照经验公式取3s t T=2、二阶系统阶跃响应性能指标的测试系统传递函数为：令ωn=1弧度/秒，则系统结构如下图：二阶系统的模拟电路图如下：在实验过程中，取22321,1R C R C ==，则442312R R C R ζ==，即4212R C ζ=；在实验当中取123121,1R R R M C C F μ===Ω==，通过调整4R 取不同的值，使得ζ分别为0.25,0.5,1；记录所测得的实验数据以及其性能指标，其中经验公式为3.5%100%,s net σζω=⨯=.四、试验设备：1、HHMN-1型电子模拟机一台。
2、PC机一台。
3、数字万用表一块。
4、导线若干。
五、实验步骤：1、熟悉电子模拟机的使用，将各运算放大器接成比例器，通电调零。
2、断开电源，按照实验说明书上的条件和要求，计算电阻和电容的取值，按照模拟线路图搭接线路，不用的运算放大器接成比例器。
3、将D/A输出端与系统输入端Ui连接，将A/D1与系统输出端UO连接(此处连接必须谨慎，不可接错)。
重庆大学自控原理课程设计实验报告
自动控制理论课程设计倒立摆系统的控制器设计学生姓名：张萌指导教师：谢昭莉班级：自动化3班重庆大学自动化学院二O一六年十二月课程设计指导教师评定成绩表指导教师评定成绩：指导教师签名：年月日重庆大学本科学生课程设计任务书摘要....................................................................... 错误！未定义书签。
倒立摆系统的概述 (2)2 数学模型的建立 (4)2.1小车倒立摆物理模型的建立 (4)2.2小车倒立摆实际数学模型的建立 (7)3 开环响应分析 (8)4 根轨迹法设计 (10)4.1 未校正系统根轨迹分析 (10)4.2根轨迹矫正及仿真 (11)4.2.1根轨迹矫正 (11)4.2.2Matlab计算和仿真 (12)5 频域法设计 (14)5.1未校正的bode图与奈奎斯特分析 (14)5.2 频域法矫正 (15)5.2.1 控制目标要求 (16)5.2.2 矫正步骤 (16)5.3 用Matlab进行阶跃响应仿真 (18)6 PID控制器设计 (19)6.1 控制器设计过程 (20)7 课程设计总结 (23)8参考资料 (24)摘要通过对一级倒立摆系统进行数学建模，得到摆杆角度和小车加速度之间的传递函数：()()()22s mlV s I ml s mglΦ=+- 首先从时域角度着手，分析直线一级倒立摆的开环单位阶跃响应和单位脉冲响应，得出该系统的开环响应是发散的这一结论。
利用根轨迹分析法，并借助Matlab 一级其中的Simulink 仿真系统辅助分析。
通过加入超前校正校正环节，得到系统的校正函数，并且校正后的系统满足课设的要求，即最大超调量：%10%p σ≤，调整时间：0.5(2%s t s =误差带）。
同样，利用频域分析法也得到校正环节的传递函数。
对系统进行校正系统的静态位置误差函数常数为10，相位裕量为50，增益裕量等于或大于10dB 。
重庆大学 自动控制原理课程设计
目录1 实验背景 (2)2 实验介绍 (3)3 微分方程和传递函数 (6)1 实验背景在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。
自动控制原理是相对于人工控制概念而言的，自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。
在自动控制原理【1】中提出，20世纪50年代末60年代初，由于空间技术发展的需要，对自动控制的精密性和经济指标，提出了极其严格的要求；同时，由于数字计算机，特别是微型机的迅速发展，为控制理论的发展提供了有力的工具。
在他们的推动下，控制理论有了重大发展，如庞特里亚金的极大值原理，贝尔曼的动态规划理论。
卡尔曼的能控性能观测性和最优滤波理论等，这些都标志着控制理论已从经典控制理论发展到现代控制理论的阶段。
现代控制理论的特点。
是采用状态空间法（时域方法），研究“多输入-多输出”控制系统、时变和非线性控制系统的分析和设计。
现在，随着技术革命和大规模复杂系统的发展，已促使控制理论开始向第三个发展阶段即第三代控制理论——大系统理论和智能控制理论发展。
在其他文献中也有所述及（如下）：至今自动控制已经经历了五代的发展：第一代过程控制体系是150年前基于5－13psi的气动信号标准（气动控制系统PCS，Pneumatic Control System）。
简单的就地操作模式，控制理论初步形成，尚未有控制室的概念。
第二代过程控制体系（模拟式或ACS,Analog Control System）是基于0－10mA或4－20mA 的电流模拟信号，这一明显的进步，在整整25年内牢牢地统治了整个自动控制领域。
它标志了电气自动控制时代的到来。
控制理论有了重大发展，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础；控制室的设立，控制功能分离的模式一直沿用至今。
第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）.70年代开始了数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在测量，模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）。
自控原理实验报告
一、实验目的1. 理解并掌握自动控制原理的基本概念和基本分析方法。
2. 掌握典型环节的数学模型及其在控制系统中的应用。
3. 熟悉控制系统的时间响应和频率响应分析方法。
4. 培养实验操作技能和数据处理能力。
二、实验原理自动控制原理是研究控制系统动态性能和稳定性的一门学科。
本实验主要涉及以下几个方面：1. 典型环节：比例环节、积分环节、微分环节、惯性环节等。
2. 控制系统：开环控制系统和闭环控制系统。
3. 时间响应：阶跃响应、斜坡响应、正弦响应等。
4. 频率响应：幅频特性、相频特性等。
三、实验内容1. 典型环节的阶跃响应- 比例环节- 积分环节- 比例积分环节- 比例微分环节- 比例积分微分环节2. 典型环节的频率响应- 幅频特性- 相频特性3. 二阶系统的阶跃响应- 上升时间- 调节时间- 超调量- 峰值时间4. 线性系统的稳态误差分析- 偶然误差- 稳态误差四、实验步骤1. 典型环节的阶跃响应- 搭建比例环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节、比例积分微分环节的实验电路。
- 使用示波器观察并记录各个环节的阶跃响应曲线。
- 分析并比较各个环节的阶跃响应曲线，得出结论。
2. 典型环节的频率响应- 搭建比例环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节、比例积分微分环节的实验电路。
- 使用频率响应分析仪测量各个环节的幅频特性和相频特性。
- 分析并比较各个环节的频率响应特性，得出结论。
3. 二阶系统的阶跃响应- 搭建二阶系统的实验电路。
- 使用示波器观察并记录二阶系统的阶跃响应曲线。
- 计算并分析二阶系统的上升时间、调节时间、超调量、峰值时间等性能指标。
4. 线性系统的稳态误差分析- 搭建线性系统的实验电路。
- 使用示波器观察并记录系统的稳态响应曲线。
- 计算并分析系统的稳态误差。
五、实验数据记录与分析1. 典型环节的阶跃响应- 比例环节：K=1，阶跃响应曲线如图1所示。
- 积分环节：K=1，阶跃响应曲线如图2所示。
自控原理课程实验报告
一、实验目的1. 理解并掌握自动控制原理的基本概念和基本分析方法。
2. 熟悉自动控制系统的典型环节，包括比例环节、积分环节、比例积分环节、惯性环节、比例微分环节和比例积分微分环节。
3. 通过实验，验证自动控制理论在实践中的应用，提高分析问题和解决问题的能力。
二、实验原理自动控制原理是研究自动控制系统动态和稳态性能的学科。
本实验主要围绕以下几个方面展开：1. 典型环节：通过搭建模拟电路，研究典型环节的阶跃响应、频率响应等特性。
2. 系统校正：通过在系统中加入校正环节，改善系统的性能，使其满足设计要求。
3. 系统仿真：利用MATLAB等仿真软件，对自动控制系统进行建模和仿真，分析系统的动态和稳态性能。
三、实验内容1. 典型环节实验（1）比例环节：搭建比例环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数对系统性能的影响。
（2）积分环节：搭建积分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析积分时间常数对系统性能的影响。
（3）比例积分环节：搭建比例积分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数和积分时间常数对系统性能的影响。
（4）惯性环节：搭建惯性环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析时间常数对系统性能的影响。
（5）比例微分环节：搭建比例微分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数和微分时间常数对系统性能的影响。
（6）比例积分微分环节：搭建比例积分微分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数、积分时间常数和微分时间常数对系统性能的影响。
2. 系统校正实验（1）串联校正：在系统中加入串联校正环节，改善系统的性能，使其满足设计要求。
（2）反馈校正：在系统中加入反馈校正环节，改善系统的性能，使其满足设计要求。
3. 系统仿真实验（1）利用MATLAB等仿真软件，对自动控制系统进行建模和仿真，分析系统的动态和稳态性能。
（2）根据仿真结果，优化系统参数，提高系统性能。
四、实验步骤1. 搭建模拟电路：根据实验内容，搭建相应的模拟电路，并连接好测试设备。
自控原理实验报告实验一
自控原理实验报告实验一
《自控原理实验报告实验一》
自控原理是一种重要的控制理论，它在工程、生物学、心理学等领域都有着广
泛的应用。
在本次实验中，我们将通过实验一来探索自控原理的基本概念和应用。
实验一的目的是通过控制系统的搭建和实验验证，来理解自控原理的基本原理。
在实验中，我们将使用一台简单的控制系统，通过调节输入信号和反馈信号的
关系，来实现对系统的自控。
首先，我们搭建了一个简单的控制系统，包括一个输入信号发生器、一个控制
器和一个被控对象。
通过调节输入信号发生器的输出信号，我们可以改变被控
对象的状态。
而控制器则根据被控对象的状态和预设的目标状态，来调节输入
信号的大小，从而实现对被控对象的自控。
在实验过程中，我们进行了多组实验，通过改变输入信号的频率、幅值和相位
等参数，来观察被控对象的响应。
同时，我们也调节了控制器的参数，来验证
自控原理的稳定性和鲁棒性。
通过实验一的实验结果，我们得出了一些结论。
首先，我们发现控制系统的稳
定性和鲁棒性与控制器的参数设置有着密切的关系。
合理的参数设置可以使控
制系统更加稳定和鲁棒。
其次，我们也验证了自控原理中的负反馈和正反馈的
概念，并通过实验结果来解释这些概念的作用和影响。
总的来说，实验一为我们提供了一个很好的机会来理解自控原理的基本概念和
应用。
通过实验，我们不仅加深了对自控原理的理解，同时也学会了如何通过
控制系统来实现对被控对象的自控。
这对于我们今后在工程、生物学、心理学
等领域的研究和应用都具有着重要的意义。
自控原理实验报告 实验一
自动控制原理实验报告一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试学院姓名班级学号日期一、实验目的1. 了解一、二阶系统阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系。
2. 学习在电子模拟机上建立典型环节系统模型的方法。
3. 学习阶跃响应的测试方法。
二、实验内容1. 建立一阶系统的电子模型,观测并记录在不同时间常数T时的跃响应曲线,并测定其过渡过程时间Ts。
2. 建立二阶系统的电子模型,观测并记录在不同阻尼比ζ时的跃响应曲线,并测定其超调量σ%及过渡过程时间Ts。
三、实验原理1．一阶系统：系统传递函数为：∅(S)=C(S)R(S)=KTS+1模拟运算电路如图1- 1所示：图1- 1由图1-1得U0(S)U i(S)=R2/R1R2CS+1=KTS+1在实验当中始终取R2= R1，则K=1，T= R2C取不同的时间常数T分别为：0.25s、0.5s、1s2．二阶系统:其传递函数为：ϕ(S)=C(S)R(S)=ωn2S+2ζωn S+ωn令ωn=1弧度/秒，则系统结构如图1-2所示：图1-2根据结构图，建立的二阶系统模拟线路如图1-3所示：图1-3取R2C1=1 ，R3C2 =1，则R 4R 3=R 4C 2=12ξ及 ξ=12R 4C 2s T 理论及σ%理论由公式21-e %ξπξσ-=和）（8.05.3T ns <=ξξω及）（8.07.145.6T ns ≥-=ξωξ计算得到。
ζ取不同的值ζ=0.25 , ζ=0.5 , ζ=1，ζ=0.707四、实验步骤1. 确定已断开电子模拟机的电源，按照实验说明书的条件和要求，根据计算的电阻电容值，搭接模拟线路；2. 将系统输入端 与D/A1相连，将系统输出端 与A/D1相；3. 检查线路正确后，模拟机可通电；4. 双击桌面的“自控原理实验”图标后进入实验软件系统。
5. 在系统菜单中选择“项目”——“典型环节实验”；在弹出的对话框中阶跃信号幅值选1伏，单击按钮“硬件参数设置”，弹出“典型环节参数设置”对话框，采用默认值即可。
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课程设计的工作计划：
1、布置课程设计任务；消化课程设计内容，查阅并参考相关资料，进行初步设计（3天）；
2、按课程设计的要求进行详细设计（3天）；
3、进行实时控制实验，并按课程设计的规范要求撰写设计报告（3天）；
4、课程设计答辩，实时控制验证（1天）。
7、完成课程设计报告。
参考资料：
1、固高科技有限公司.直线倒立摆安装与使用手册R1.0，2005
2、固高科技有限公司.固高MATLAB实时控制软件用户手册，2005
3、Matlab/Simulink相关资料
4、谢昭莉，李良筑，杨欣.自动控制原理（上）.北京：机械工业出版社，2012
5、胡寿松.自动控制原理（第五版）.北京：科学出版社，2007
学习态度尚可，动手能力一般，能遵守组பைடு நூலகம்纪律，能按期完成任务
学习马虎，纪律涣散，动手能力较差，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度
报告技术水平与撰写质量
50
设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信。报告结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，图纸非常工整、清晰
任务下达日期2015年12月29日
完成日期2016年12月30日
指导教师（签名）
学生（签名）
摘要
通过对一级倒立摆系统进行数学建模，得到摆杆角度和小车加速度之间的传递函数：
首先从时域角度着手，分析直线一级倒立摆的开环单位阶跃响应和单位脉冲响应，得出该系统的开环响应是发散的这一结论。
利用根轨迹分析法，并借助Matlab一级其中的Simulink仿真系统辅助分析。通过加入超前校正校正环节，得到系统的校正函数，并且校正后的系统满足课设的要求，即最大超调量： ，调整时间： 。同样，利用频域分析法也得到校正环节的传递函数。对系统进行校正系统的静态位置误差函数常数为10，相位裕量为 ，增益裕量等于或大于 。最后利用PID控制器设计出校正函数，并且也满足最大超调量： ，调节时间： 。
学生应完成的工作：
1、利用设计指示书中的实际参数，通过机理推导，建立倒立摆系统的实际数学模型。
2、进行开环系统的时域分析。
3、利用根轨迹法设计控制器，进行闭环系统的仿真分析。
4、利用频域法设计控制器，进行闭环系统的仿真分析。
5、设计或调整PID控制器参数，进行闭环系统的仿真分析。
6、将所设计的控制器在倒立摆系统上进行实时控制实验。
参考标准
学习态度
20
学习态度认真，科学作风严谨，有很强的实际动手能力和计算机应用能力，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作
学习态度比较认真，科学作风良好，有较强的实际动手能力和计算机应用能力，能按期圆满完成任务书规定的任务
学习态度尚好，遵守组织纪律，有一定的实际动手能力，基本保证设计时间，按期完成各项工作
答辩时，能大致地阐述自己设计的主要内容和完成的主要工作；能比较恰当地回答问题，对主要问题回答基本正确，有一定的表达能力，对相关知识理解无大错。
答辩时，阐述不清设计（论文）的主要内容，基本概念糊涂，对主要问题回答有错误，或回答不出。
指导教师评定成绩：
指导教师签名：年月日
重庆大学本科学生课程设计任务书
课程设计题目
设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错。报告结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整
设计不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，文献引用、调查调研有较大的问题。报告内容空泛，结构混乱，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰
答辩表现
30
答辩时，能简明扼要地阐述自己设计的主要内容和完成的主要工作；思路清晰；表达能力强；回答问题正确，有理论根据，基本要领清楚，对相关知识掌握好。
设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，文献引用、调查调研比较合理、可信。报告结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，图纸工整、清晰
设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，主要文献引用、调查调研比较可信。报告结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，图纸比较工整、清晰
答辩时，能比较清晰流利地阐述自己设计的主要内容和完成的主要工作；思路清晰；表达能力较强；回答问题正确，有理论根据，基本要领清楚，对相关知识掌握较好。
答辩时，能比较清晰流利地阐述自己设计的主要内容和完成的主要工作；能比较恰当地回答问题，对主要问题回答正确，并有一定的理论依据，有一定的表达能力，对相关知识有一定的理解和掌握。
2、利用根轨迹法设计控制器，使得校正后系统的性能指标满足：
调整时间
最大超调量
3、利用频率特性法设计控制器，使得校正后系统的性能指标满足：
(1)系统的静态位置误差常数为10；
(2)相位裕量为50；
(3)增益裕量等于或大于10dB。
4、设计或调整PID控制器参数，使得校正后系统的性能指标满足：
调整时间
最大超调量
通过以上的设计，得到一级倒立摆的控制器，对倒立摆进行有目的的控制，从而达到预期的效果。
关键字：倒立摆根轨迹分析法频域分析法PID
倒立摆系统的概述
倒立摆的种类：悬挂式、直线、环形、平面倒立摆等。一级、二级、三级、四级乃至多级倒立摆。
系统的组成：倒立摆系统由倒立摆本体，电控箱以及控制平台（包括运动控制卡和PC机）三大部分组成。
倒立摆系统的控制器设计
学院
自动化学院
专业
自动化
年级
2014级
1、已知参数和设计要求：
M：小车质量1.096kg
m：摆杆质量0.109kg
b：小车摩擦系数0.1N/sec
l：摆杆转动轴心到杆质心的长度0.25m
I：摆杆惯量0.0034kgm2
建立以小车加速度为系统输入，以摆杆角度为系统输出的被控对象数学模型。分别用根轨迹法、频率特性法设计控制器使闭环系统满足要求的性能指标；调整PID控制器参数，使闭环系统满足要求的性能指标。
自动控制理论课程设计
倒立摆系统的控制器设计
学生姓名：张萌
指导教师：谢昭莉
班级：自动化3班
重庆大学自动化学院
二O一六年十二月
课程设计指导教师评定成绩表
项目
分值
优秀
(100>x≥90)
良好
(90>x≥80)
中等
(80>x≥70)
及格
(70>x≥60)
不及格(x<60)
评分
参考标准
参考标准
参考标准
参考标准