自动控制实验一
自动控制原理实验报告 (1)
实验1 控制系统典型环节的模拟实验（一）实验目的：1．掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。
2．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。
实验原理：控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。
再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。
实验内容及步骤实验内容：观测比例、惯性和积分环节的阶跃响应曲线。
实验步骤：分别按比例，惯性和积分实验电路原理图连线，完成相关参数设置，运行。
①按各典型环节的模拟电路图将线接好(先接比例)。
(PID先不接)②将模拟电路输入端(U i)与阶跃信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端(Uo)接至示波器。
③按下按钮(或松开按钮)SP时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo(t)，且将结果记下。
改变比例参数，重新观测结果。
④同理得积分和惯性环节的实际响应曲线，它们的理想曲线和实际响应曲线。
实验数据实验二控制系统典型环节的模拟实验（二）实验目的1．掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。
2．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。
实验仪器1．自动控制系统实验箱一台2．计算机一台实验原理控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。
再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。
实验内容及步骤内容：观测PI，PD和PID环节的阶跃响应曲线。
步骤：分别按PI，PD和PID实验电路原理图连线，完成相关参数设置，运行①按各典型环节的模拟电路图将线接好。
自动控制实验报告一-典型环节及其阶跃响应
实验一环典型环节节及其阶跃响应班级：学号：姓名：一、实验目的1.学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性的影响；2.学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会根据阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数；二、实验仪器1.EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台2.计算机一台三、实验原理1．模拟实验的基本原理：控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。
再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。
若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。
2．时域性能指标的测量方法：超调量Ó%：1)启动计算机，在桌面双击图标[自动控制实验系统] 运行软件。
2)测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。
如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。
3)连接被测量典型环节的模拟电路。
电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。
检查无误后接通电源。
4)在实验课题下拉菜单中选择实验一[典型环节及其阶跃响应] 。
5)鼠标单击实验课题弹出实验课题参数窗口。
在参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。
6)用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，代入下式算出超调量：YM A X- Y∞Ó%=——————×100%Y∞ T P 与T S ：利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达95%稳态 值所需的时间值，便可得到T P 与T S 。
四、实验内容构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应： 1.比例环节的模拟电路及其传递函数：G （s ）=-R1/R22.惯性环节：G(s)= -K/TS+1 K=R2/R1 ,T=R2C; 3.积分环节 G(S)= 1/TS T=RC 4.微分环节G(S)=-RCS5.比例+微分环节G(S)= -K(TS+1) K=R2/R1 T=R2C6.比例+积分环节G(S)=K(1+1/TS) K=R2/R1 T=R2C五、实验步骤1.启动计算机，在桌面双击图标【自动控制实验系统】运行软件。
自动控制原理实验（1）
实验一 典型环节的电路模拟一、实验目的1．熟悉THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱及“THKKL-5”软件的使用； 2．熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。
二、实验设备1．THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱；2．PC 机一台(含“THKKL-5”软件)、USB 数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB 接口线。
三、实验内容1．设计并组建各典型环节的模拟电路；2．测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响。
四、实验原理自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。
熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分有益。
本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图 如图1-1所示。
图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。
1．比例（P ）环节比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。
图1-1 它的传递函数与方框图分别为：KS U S U S G i O ==)()()(当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K 时的响应曲线如图1-2所示。
2．积分（I ）环节 图1-2积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。
它的传递函数与方框图分别为：设U i (S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T 时的响应曲线如图1-3所示。
TsS U S U s G i O 1)()()(==图1-33．比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为：)11(11)()()(21211212CS R R R CS R R R CS R CS R S U S U s G i O +=+=+==其中T=R 2C ，K=R 2/R 1设U i (S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T 时的PI 输出响应曲线。
自动控制原理实验
返回
实验二 典型环节的模拟研究(2学时) 实验三 典型二阶系统实验(2学时)
1、 实验目的：（1）学习系统（或环节）频率特 性的测量方法；（2）学习用频率特性确定数学模型的 方法 。 2、 实验要求：（1）测量并绘制一阶和二阶典型 环节的频率特性；（2）根据一阶和二阶典型环节的频 率特性确定其传递函数；（3）测量并绘制一个闭环系 统的频率特性
返回
实验六 系统的串联校正(2学时)
返回
实验四 根轨迹曲线的计算机绘制(2学时)
1、实验目的（1）训练学生应用计算机进行根轨迹 辅助分析；（2）让学生进一步加深系统零极点分布 对根轨迹形状的影响。 2、实验要求：（1）教师提供辅助分析软件，让学 生尽快学会使用；（2）每个学生做十例以上，并记 录各种根轨迹图。
返回
实验五 频率特性的研究 (2学时)
1、 实验目的：（1）学习正确选择校正装置的 种类及参数；（2）学习系统的调试方法。 2、 实验要求：（1）学生必须根据给定的条件及 指标要求确定校正装置的传递函数；（2）测出系统 的开环频率特性和闭环频率特性；（3）根据频率特 性求取系统的性能指标。
返回
1、 实验目的：（1）学习用阻容元件及线性组件 组成一个二阶系统进行各种实验的方法；（2）研 究阻尼比ξ和无阻尼自然振荡频率ω 对阶跃响应的
n
影响。 2、 实验要求：（1）要求学生画出实验电路图， 选择元器件并按照原理图连接成控制系统；（2） 改变参数，用长余辉示波器观察系统阶跃响应的变 化并记录。
自动控制原理实验(全面)
自动控制原理实验实验一 典型环节的电模拟及其阶跃响应分析一、实验目的⑴ 熟悉典型环节的电模拟方法。
⑵ 掌握参数变化对动态性能的影响。
二、实验设备⑴ CAE2000系统（主要使用模拟机，模/数转换，微机，打印机等）。
⑵ 数字万用表。
三、实验内容１．比例环节的模拟及其阶跃响应微分方程 )()(t Kr t c -= 传递函数 =)(s G )()(s R s C K -= 负号表示比例器的反相作用。
模拟机排题图如图9-1所示，分别求取K=1，K=2时的阶跃响应曲线，并打印曲线。
图9-1 比例环节排题图 图9-2 积分环节排题图 ２．积分环节的模拟及其阶跃响应微分方程 )()(t r dtt dc T= 传递函数 sKTs s G ==1)(模拟机排题图如图9-2所示，分别求取K=1，K=0.5时的阶跃响应曲线，并打印曲线。
３．一阶惯性环节的模拟及其阶跃响应微分方程 )()()(t Kr t c dtt dc T=+ 传递函数 1)(+=TS KS G模拟机排题图如图３所示，分别求取K=1, T=1; K=1, T=2; K=2, T=2 时的阶跃响应曲线，并打印曲线。
４．二阶系统的模拟及其阶跃响应微分方程 )()()(2)(222t r t c dt t dc T dt t c d T =++ξ传递函数 121)(22++=Ts s T s G ξ2222nn n s s ωξωω++= 画出二阶环节模拟机排题图，并分别求取打印： ⑴ T=1，ξ=0.1、0.5、1时的阶跃响应曲线。
⑵ T=2，ξ=0.5 时的阶跃响应曲线。
四、实验步骤⑴ 接通电源，用万用表将输入阶跃信号调整为2V 。
⑵ 调整相应系数器；按排题图接线，不用的放大器切勿断开反馈回路（接线时，阶跃开关处于关断状态）；将输出信号接至数/模转换通道。
⑶ 检查接线无误后，开启微机、打印机电源；进入CAE2000软件，组态A/D ，运行实时仿真；开启阶跃输入信号开关，显示、打印曲线。
自动控制原理实验(1)
实验一 典型环节的电路模拟一、实验目的1．熟悉THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱及“THKKL-5”软件的使用； 2．熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。
二、实验设备1．THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱；2．PC 机一台(含“THKKL-5”软件)、USB 数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB 接口线。
三、实验内容1．设计并组建各典型环节的模拟电路；2．测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响。
四、实验原理自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。
熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分有益。
本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图 如图1-1所示。
图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。
1．比例（P ）环节比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。
图1-1 它的传递函数与方框图分别为：KS U S U S G i O ==)()()(当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K 时的响应曲线如图1-2所示。
2．积分（I ）环节 图1-2积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。
它的传递函数与方框图分别为：设U i (S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T 时的响应曲线如图1-3所示。
TsS U S Us G i O1)()()(==图1-33．比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为：)11(11)()()(21211212CSR R R CSR R R CSR CS R S U S U s G i O +=+=+==其中T=R 2C ，K=R 2/R 1设U i (S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T 时的PI 输出响应曲线。
自动控制原理实验一
自动控制理论实验报告姓名罗晋学号201623010505班级电气F1606同组人实验一典型系统的阶跃响应分析一、实验目的1. 熟悉一阶系统、二阶系统的阶跃响应特性及模拟电路；2. 测量一阶系统、二阶系统的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响；3. 掌握系统动态性能的测试方法。
二、实验内容1. 设计并搭建一阶系统、二阶系统的模拟电路；2. 观测一阶系统的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响；σ、3. 观测二阶系统的阻尼比0<ξ<1时的单位阶跃响应曲线；并求取系统的超调量%调节时间t s(Δ= ±0.05)；并研究参数变化对其输出响应的影响。
三、实验结果（一）一阶系统阶跃响应研究1. 一阶系统模拟电路如图1-1所示，推导其传递函数G（s）=K/(Ts+1)，其中R0=200K。
图1-1 一阶系统模拟电路2. 将阶跃信号发生器的输出端接至系统的输入端。
3. 若K=1、T=1s时，取：R1=100K，R2=100K，C=10uF（K= R2/ R1=1，T=R2C=100K×10uF=1）。
当T=1，光标为起点和终值：光标为起点和0.95的终值：传递函数为:(R2/R1)/(R2CS+1)4 若K=1、T=0.1s时，重复上述步骤（R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K×1uF=0.1)）。
当T=0.1时，光标为起点和终值;光标为起点和0.95终值:6. 保存实验过程中的波形，记录相关的实验数据.，参数变化对系统动态特性的影响分析。
传递函数为:(R2/R1)/(R2CS+1), t=3T ，当T 减小需要达到稳定的时间也会减少，（二）二阶系统阶跃响应研究二阶系统模拟电路如图1-2所示，Rx 阻值可调范围为0～470K 。
图1-2 二阶系统模拟电路传递函数为1. n ω值一定（取10n ω=）时：1.1 当ξ=0.2时，各元件取值：C=1uF ，R=100K ， R X =250K （实际操作时可用200k+51k=251k 代替），理论计算系统的%σ，t s (Δ= ±0.05)，记录此时系统的阶跃响应曲线（阶跃信号的幅值自定），在曲线上求取系统的%σ，t s (Δ= ±0.05)，并与理论值进行比较。
自控实验[1]
![自控实验[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/8140de7102768e9951e7384a.png)
实验一自动控制系统实验箱的使用及Matlab控制工具箱的使用一、预习要求1、查阅模拟电子技术基础，掌握由集成运放电路组成的积分运算电路和微分运算电路原理。
2、了解Matlab控制工具箱基础知识（上网查阅、图书馆资料）。
二、实验目的1、掌握自动控制系统模拟实验的基本原理和基本方法。
2、熟悉Matlab控制工具箱的基本用法。
三、实验仪器1、EL-AT-Ⅲ型自动控制系统试验箱一台。
2、计算机一台。
四、实验内容1、自动控制原理实验箱的硬件资源EL-AT-Ⅲ型自动控制系统试验箱面板主要由计算机、AD/DA采集卡、自动控制原理实验箱组成，其中计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制和数据处理的作用，打印机主要记录各种实验数据和结果，实验箱主要用于构造被控模拟对象。
（1）本实验系统有八组放大器、电阻、电容组成的实验模块。
每个模块中都有一个uA741构成的放大器和若干个电阻、电容。
通过对这七个实验模块的灵活组合可构造出各种形式和阶次的模拟环节和控制系统。
（2）二极管、电阻、电容区（3） AD/DA卡输入输出模块该区域是引出AD/DA卡的输入输出端，一共引出两路输出端和两路输入端，分别是DA1、DA2, AD1、AD2。
20针的插座用来和控制对象连接。
（4）电源模块电源模块有一个实验箱电源开关，有四个开关电源提供的DC电源端子，分别是+12V、-12V、+5V、GND，这些端子给外扩模块提供电源。
（5）変阻箱、变容箱模块通过按动数字旁边的“+”、“-”按钮便可调节电阻电容的值，而且电阻电容值可以直接读出。
2、自动控制原理实验软件说明（1）软件启动在windows桌面上或“开始—程序”中双击“自动控制理论”，启动软件如图1-1所示。
QQ截图（2）实验前计算机与实验箱的连接用实验箱自带的USB线将实验箱后面的USB口与计算机的USB口连接。
（3）软件使用说明本套软件界面共分为两组画面。
A．软件说明和实验指导书画面，如图1-2所示。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
num [b1 , b2 , , bm , bm1 ]
den [1, a1 , a2 , , an1 , an ]
MATLAB控制系统工具箱中，定义了tf() 函数，它可由传递 函数分子分母给出的变量构造出单个的传递函数对象。从而 使得系统模型的输入和处理更加方便。 该函数的调用格式为： G＝tf(num，den);
一.用MATLAB建立传递函数模型 1．有理函数模型 线性系统的传递函数模型可一般地表示为：
b1 s m b2 s m1 bm s bm1 G( s) n s a1 s n1 an1 s an nm
将系统的分子和分母多项式的系数按降幂的方式以向量的形式 输入给两个变量和，就可以轻易地将传递函数模型输入到 MATLAB环境中。命令格式为：
② 最大(百分比)超调量(percentovershoot)可由以下命令得到： C=dcgain(G); [Y,k]=max(y); percentovershoot=100*(Y-C)/C
dcgain( )函数用于求取系统的终值，将终值赋给变量C，然 后依据超调量的定义，由Y和C计算出百分比超调量。 ③ 上升时间(risetime)可利用MATLAB中控制语句编制M文件 来获得。首先简单介绍一下循环语句while的使用。 while循环语句的一般格式为： while<循环判断语句> 循环体 end 当表达式的逻辑值为真时，就执行循环体内的语句；当表达 式的逻辑值为假时，就退出当前的循环体。
例
某系统的零极点模型为：
G( s) 6 ( s 1.9294 )(s 0.0353 0.9287j ) ( s 0.9567 1.2272j )(s 0.0433 0.6412j )
KGain=6; z=[-1.9294;-0.0353+0.9287j;-0.0353-0.9287j]; p=[-0.9567+1.2272j;-0.9567-1.2272j;0.0433+0.6412j;0.04330.6412j]; G=zpk(z,p,KGain)
c(t) c(∞) 0 .9c(∞)
误差带
稳态误差 t→ ( ∞) 0 .1c(∞) 0 tr tp ts t
方法一:游动鼠标法 这种方法简单易用，但同时应注意它不适用于用plot()命令 画出的图形。 方法二:编程方式 ① 峰值时间(timetopeak)可由以下命令获得： [Y,k]=max(y); timetopeak=t(k) 应用取最大值函数max()求出y的峰值及相应的时间，并存 于变量Y和k中。然后在变量t中取出峰值时间，并将它赋 给变量timetopeak。
控制系统工具箱中给出了一个函数step()来直接求取线性系统 的阶跃响应，如果已知传递函数为：
num G (s) den
则该函数可有以下几种调用格式： step(num,den) step(num,den,t) 或 step(G) step(G,t) 如果需要将输出结果返回到MATLAB工作空间中，则采用 以下调用格式： c=step(G)
将系统增益、零点和极点以向量的形式输入给三个变量
KGain K ;
Z [ z1； z2； ； z m ]；
P [ p1； p2； ； pn ]；
G=zpk(Z,P,KGain)
注意：对于单变量系统，其零极点均是用列向量来表示的， 故Z、P向量中各项均用分号（;）隔开。
例 一个简单的传递函数模型:
s5 G(s) 4 s 2s 3 3s 2 4s 5
num=[1,5]; den=[1,2,3,4,5]; G=tf(num,den)
例
一个稍微复杂一些的传递函数模型：
6( s 5) G( s) 2 ( s 3s 1) 2 ( s 6)
conv()函数（标准的MATLAB函数）用来计算两个向量的卷 积，多项式乘法 num=6*[1,5]; den=conv(conv([1,3,1],[1,3,1]),[1,6]); tf(num,den)
2.零极点模型 线性系统的传递函数还可以写成极点的形式：
( s z1 )(s z 2 ) ( s z m ) G( s) K ( s p1 )(s p2 ) ( s pn )
例 若负反馈系统图中的两个传递函数分别为：
1 G1 ( s) ( s 1) 2
求总传递函数。
1 G2 ( s) s 1
G1=tf(1,[1,2,1]); G2=tf(1,[1,1]); G=feedback(G1,G2)
例 若反馈系统为更复杂的结构如图所示。其中
s 3 7 s 2 24s 24 G1 ( s) 4 s 10s 3 35s 2 50s 24
G 2( s ) 10 s 5 s
1 H (s) 0.01s 1
G1=tf([1,7,24,24],[1,10,35,50,24]); G2=tf([10,5],[1,0]); H=tf([1],[0.01,1]); G_a=feedback(G1*G2,H)
二.单位阶跃响应的求法
例 已知传递函数为：
25 G(s) 2 s 4s 25
num=[0,0,25]; den=[1,4,25]; step(num,den) grid % 绘制网格线。 title('Unit-Step Response of G(s)=25/(s^2+4s+25) ') % 图 像标题
三.求阶跃响应的性能指标
3. 反馈系统结构图模型 设反馈系统结构图如图所示。
控制系统工具箱中提供了feedback()函数，用来求取反馈连接 下总的系统模型，该函数调用格式如下：
G=feedback(G1,G2,sign); 其中变量sign用来表示正反馈或负反馈结构，若sign=-1 表示负反馈系统的模型，若省略sign变量，则仍将表示负 反馈结构。