自动控制原理实验教案2
自动控制原理电子教案-第二章
第一节 概论 第二节 机理分析建模方法 第三节 拉氏变换和传递函数 第四节 典型环节的动态特性 第五节 系统方框图等效变换和信号流图 第六节 实验建模方法 第七节 PID 控制器
第一节
控制系统数学模型的定义
概论
揭示系统各变量内在联系的数学表达式和关系图表
数学模型的类型
2 M d y f dy f dx 2 y x K dt K dt K dt
y
2.2.2.1 建模举例---机械系统
4). 机械转动系统
已知: 转动惯量 J , 转矩 T , 摩擦系数 f , 转角 . 求: 系统动态方程式. 解: T 根据牛顿第二定律 J
(2)
解: 根据物质守恒定律 和流量近似公式
Q2 K1 H1 H 2
(3)
Q3 K 2 H 2
中间变量为 Q2, Q3, H1, 由(2),(4) dH 2 1 Q2 K 2 H 2 dt F2 dH 2 K 2 H 2 Q2 或 F2 dt
(4)
(5)
2.2.2.3 建模举例---液力系统
Le
1
at
0
e e dt e
at st 0
a s t
1 dt sa
1 L e at s a
2.3.1.2 典型函数的拉氏变换(续)
4）正弦函数的拉氏变换
x(t ) sin t
0
t0
Lx(t ) sin t e st dt 1 jt e e jt e st dt 0 2j 1 1 1 s j s j s 2 2 2j
《自动控制原理》实验2(线性系统时域响应分析)
实验二 线性系统时域响应分析一、实验目的1．熟练掌握step( )函数和impulse( )函数的使用方法，研究线性系统在单位阶跃、单位脉冲及单位斜坡函数作用下的响应。
2．通过响应曲线观测特征参量ζ和n ω对二阶系统性能的影响。
二、基础知识及MATLAB 函数（一）基础知识时域分析法直接在时间域中对系统进行分析，可以提供系统时间响应的全部信息，具有直观、准确的特点。
为了研究控制系统的时域特性，经常采用瞬态响应（如阶跃响应、脉冲响应和斜坡响应）。
本次实验从分析系统的性能指标出发，给出了在MATLAB 环境下获取系统时域响应和分析系统的动态性能和稳态性能的方法。
用MATLAB 求系统的瞬态响应时，将传递函数的分子、分母多项式的系数分别以s 的降幂排列写为两个数组num 、den 。
由于控制系统分子的阶次m 一般小于其分母的阶次n ，所以num 中的数组元素与分子多项式系数之间自右向左逐次对齐，不足部分用零补齐，缺项系数也用零补上。
1．用MATLAB 求控制系统的瞬态响应1）阶跃响应 求系统阶跃响应的指令有：step(num,den) 时间向量t 的范围由软件自动设定，阶跃响应曲线随即绘出step(num,den,t) 时间向量t 的范围可以由人工给定（例如t=0:0.1:10）[y ，x]=step(num,den) 返回变量y 为输出向量，x 为状态向量在MATLAB 程序中，先定义num,den 数组，并调用上述指令，即可生成单位阶跃输入信号下的阶跃响应曲线图。
考虑下列系统：25425)()(2++=s s s R s C 该系统可以表示为两个数组，每一个数组由相应的多项式系数组成，并且以s的降幂排列。
则MATLAB 的调用语句：num=[0 0 25]; %定义分子多项式 den=[1 4 25]; %定义分母多项式step(num,den) %调用阶跃响应函数求取单位阶跃响应曲线grid %画网格标度线 xlabel(‘t/s’),ylabel(‘c(t)’) %给坐标轴加上说明 title(‘Unit -step Respinse of G(s)=25/(s^2+4s+25)’) %给图形加上标题名 则该单位阶跃响应曲线如图2-1所示：为了在图形屏幕上书写文本，可以用text 命令在图上的任何位置加标注。
自动控制系统实验教案
一、实验目的1. 理解自动控制系统的原理和组成；2. 熟悉自动控制系统的实验方法和步骤；3. 掌握自动控制系统的分析和设计方法；4. 培养实验操作能力和团队协作精神。
二、实验原理1. 自动控制系统的基本原理：根据输入信号和系统状态，通过控制器对系统进行调节，使系统输出满足期望值。
2. 自动控制系统的组成：控制器、被控对象、反馈环节、输入输出环节等。
3. 自动控制系统的分类：线性控制系统、非线性控制系统、离散控制系统、连续控制系统等。
4. 自动控制系统的性能指标：稳态性能、动态性能、鲁棒性能等。
三、实验设备与器材1. 实验台：自动控制系统实验台；2. 控制器：模拟控制器、数字控制器；3. 被控对象：电机、Servo 电机、液体阻尼器等；4. 传感器：位置传感器、速度传感器、压力传感器等；5. 信号发生器：正弦信号发生器、方波信号发生器；6. 示波器、数字万用表、频率分析仪等实验仪器。
四、实验内容与步骤1. 实验一：模拟控制系统基本原理验证（1）搭建模拟控制系统实验台；（2）给定输入信号，观察系统输出；（3）调整控制器参数，观察系统性能变化。
2. 实验二：数字控制系统基本原理验证（1）搭建数字控制系统实验台；（2）给定输入信号，观察系统输出；（3）调整控制器参数，观察系统性能变化。
3. 实验三：PID 控制器参数调整与优化（1）搭建PID 控制器实验台；（2）给定输入信号，观察系统输出；（3）调整PID 控制器参数，使系统性能达到最佳。
4. 实验四：自动控制系统鲁棒性分析（1）搭建鲁棒性分析实验台；（2）给定输入信号，观察系统输出；（3）改变系统参数，观察系统性能变化。
5. 实验五：自动控制系统建模与仿真（1）利用数学软件建立系统模型；（2）进行系统仿真，观察系统性能；（3）对比实验结果，分析建模与仿真的准确性。
五、实验要求与评价1. 实验要求：（1）按时完成实验任务；（2）认真观察实验现象，记录实验数据；2. 实验评价：（1）实验操作规范性；（2）实验数据准确性；（3）实验报告完整性；（4）实验分析深入程度。
《自动控制原理》实验教案
（3）振荡环节（二阶系统）：当r(t)=1V时，分别设置ξ=0.1,0.5,0.707,1观察输出波形，读出并记录各ξ值时的超调量σp%和过渡过程时间ts(取Δ=0.05)，并绘制ξ=0.1、0.5、0.707、1四种情况时的输出波形。
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教学重点与难点
重点：验证一阶系统的比例环节、积分环节、惯性环节的响应特性和二阶系统的振荡环节响应特性；对比各每种响应曲线与理论内容的相同点与不同点。
难点：二阶系统振荡环节，在四种不同阻尼比情况下的输出响应。
教学手段
回顾课堂理论讲授内容+实际电路模拟验证
参考资料
《自动控制原理》实验指导书
报告要求
（1）写明实验内容及一切原始数据，测试数据及波形图；
要求：通过该实验，写出被测系统传递函数；整理实验数据，在直角坐标纸上做出被测系统的频率特性，在半对数坐标纸上做出被测系统的对数幅频特性和相频特性；参考相频特性，对对数幅频特性采取折线近似，从而确定出被测系统的参数（转折频率、阻尼比、开环放大倍数）与实验时所设置的原始数据进行比较。
实验教学设计
课时分配（分）
示波器 一台
数字万用表 一块
所需的消耗性器材：电线，电池，插针，探头
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3.简单提问预习的部分内容，给出预习成绩；
5
3.讲述实验：
（1）简单回顾与该实验内容相关的课堂讲授的基本原理
（2）实验内容及操作步骤
（3）实验注意事项
（4）实验报告要求
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4.学生操作，教师巡回检查辅导：
（1）比例环节：当r(t)=1V时，观测不同的比例系数K时的输出波形，并作记录（以下记录波形时均这样处理。绘制曲线时，应将输入输出信号绘制于同一坐标系中，标示出相应参数）；
《自动控制原理》实验教案
《自动控制原理》武汉工程大学电气信息学院2012年11月25日《自动控制原理》实验说明一、实验条件要求硬件：个人计算机；软件：MATLAB仿真软件(版本6.5或以上)。
带上课用教材和纸笔二、实验内容实验1 认识MATLAB实验2 基于MATLAB的控制系统建模实验3 基于MATLAB的控制系统时域及稳定性分析实验4 基于MATLAB的控制系统频域及根轨迹分析三、实验报告要求说明认真阅读教材，深刻理解和掌握自动控制原理的基本概念和原理，掌握利用MATLAB对控制系统进行仿真分析和设计。
针对每个命令，查看帮助文件，加强练习，认真完成实验报告。
实验1 认识MATLAB一、实验目的1.了解MA TLAB的发展过程及MATLAB在自动控制中的用途。
2.掌握MA TLAB的基本指令。
二、实验要求实验前复习教材中的相关内容，做好实验预习报告。
三、实验内容及步骤1.MA TLAB的基本操作(1) MATLAB命令窗口计算机安装好MATLAB之后，双击MA TLAB图标，即进入命令窗口，此时意味着系统处于准备接受命令的状态，可以在命令窗口中直接输入命令语句。
MATLAB语句形式为：》变量= 表达式但键入回车时，该语句被执行。
该语句执行之后，窗口自动显示出执行语句的结果。
如果不希望结果显示在命令窗口，只需要在该语句之后加一个分号“；”即可。
此时尽管没有显示结果，但它依然被赋值并在MATLAB的工作空间中分配了内存。
注意：a.用方向键和控制键可以编辑修改已输入的命令。
b.用命令窗口的分页输出“more off”表示不允许分页；“more on”表示允许分页；“more(n)”指定每页输出的页数。
c.多行命令为“…”。
(2)变量变量的名字必须以字母开头，之后可以是任意字母、数字或下划线；变量名称区分字母的大小写；变量中不能包含标点符号。
MATLAB规定了一些特殊的变量，如果没有特别定义，将其表示为默认值。
(3)数值显示格式任何MATLAB语句执行的结果都可以显示在屏幕上，同时赋值给指定的变量；没有指定变量时，赋值给一个特殊的变量“ans”。
自动控制系统实验教案
自动控制系统实验教案一、实验目的1. 理解自动控制系统的原理和组成；2. 掌握自动控制系统的分析和设计方法；3. 熟悉自动控制系统的实验操作和调试技巧；4. 培养学生动手能力和团队协作精神。
二、实验原理1. 自动控制系统的基本概念：系统、输入、输出、反馈、控制目标等；2. 自动控制系统的分类：线性系统、非线性系统、时间不变系统、时变系统等；3. 自动控制系统的数学模型：差分方程、微分方程、传递函数、状态空间表示等；4. 自动控制器的设计方法：PID控制、模糊控制、自适应控制等。
三、实验设备与器材1. 实验台：自动控制系统实验台；2. 控制器：可编程逻辑控制器（PLC）、微控制器（MCU）等；3. 传感器：温度传感器、压力传感器、流量传感器等；4. 执行器：电动机、电磁阀、伺服阀等；5. 信号发生器：函数发生器、任意波形发生器等；6. 示波器、频率分析仪等测试仪器。
四、实验内容与步骤1. 实验一：自动控制系统的基本原理与组成（1）了解自动控制系统实验台的基本结构；（2）学习自动控制系统的原理和组成；（3）分析实验台上的控制系统。
2. 实验二：线性系统的时域分析（1）根据实验要求，搭建线性系统实验电路；（2）利用信号发生器和示波器进行实验数据的采集；（3）分析实验数据，得出系统特性。
3. 实验三：线性系统的频域分析（1）搭建线性系统实验电路，并连接频率分析仪；（2）进行频域实验，采集频率响应数据；（3）分析频率响应数据，得出系统特性。
4. 实验四：PID控制器的设计与调试（1）学习PID控制原理；（2）根据系统特性，设计PID控制器参数；（3）搭建PID控制实验电路，并进行调试。
5. 实验五：模糊控制器的设计与调试（1）学习模糊控制原理；（2）根据系统特性，设计模糊控制器参数；（3）搭建模糊控制实验电路，并进行调试。
五、实验要求与评价2. 实验操作：熟悉实验设备的操作，正确进行实验；3. 数据处理：能够正确采集、处理实验数据；4. 分析与总结：对实验结果进行分析，得出合理结论；5. 课堂讨论：积极参与课堂讨论，分享实验心得。
自动控制原理教案
自动控制原理教案经典控制部分第一章控制理论一般概念3学时 (2)第二章控制系统的数学模型9学时 (6)第三章控制系统的时域分析10学时 (15)第五章频率特性12学时 (26)第六章控制系统的校正与设计8学时 (36)第七章非线性系统8学时 (40)第八章离散控制系统8学时 (45)第一章控制理论一般概念3学时1．本章的教学要求1）使学生了解控制工程研究的主要内容、控制理论的发展、控制理论在工程中的应用及控制理论的学习方法等内容，认识本学科在国民经济建设中的重要作用，从而明确学习本课程的目的。
2）使学生深入理解控制系统的基本工作原理、开环闭环和复合控制系统、闭环控制系统的基本组成等内容，学会利用所学控制原理分析控制系统。
3）使学生学会控制系统的基本分类方法，4）掌握对控制系统的基本要求。
2．本章讲授的重点本章讲授的重点是控制系统的基本概念、反馈控制原理、控制系统的的基本分类方法及对控制系统的基本要求。
3．本章的教学安排本课程讲授3个学时，复习学时3个。
演示《自动控制技术与人类进步》及《自动化的应用举例》幻灯片，加深同学对本课程研究对象和内容的了解，加深对反馈控制原理及系统参数对系统性能影响的理解。
[教案1-1]第一节概述1．教学主要内容：本讲主要介绍控制工程研究的主要内容、控制理论的发展、控制理论在工程中的应用及控制理论的学习方法等内容。
2．讲授方法及讲授重点：本讲首先介绍控制工程研究的主要内容，给出定义，并以瓦特发明的蒸汽机离心调速器为例，说明需要用控制理论解决控制系统的稳定、准确、快速等问题。
其次，在讲授控制理论的发展时，主要介绍控制理论的发展的三个主要阶段，重点说明经典控制理论、现代控制理论研究的范围、研究的手段，强调本课程重点介绍经典控制理论。
另外，在介绍控制理论在工程中的应用时，应举出控制理论在军事、数控机床、加工中心、机器人、机电一体化系统、动态测试、机械动力系统性能分析、液压系统的动态特性分析、生产过程控制等方面的应用及与后续课的关系，激发同学的学习兴趣。
《自动控制原理》实验指导书2
G(S)H(S)= （2-15）
式中R的单位为KΩ，比较式（2-14）和（2-15）得
T0=1，T1=0.1
T2=0.51，K=510/R(2-16)
系统的特征方程为1+G(S)H(S)=0，由式（2-14）可得到
S(T1S+1)(T2S+1)+K=0
展开得到
T1T2 +(T1+T2) +S+K=0(2-17)
2．CAE98；
3．万用表。
=
其中： =
无阻尼自然频率和阻尼比：
，
1．选定R，C，Rf值，使 ，ξ=0.2；
2．用CAE98的正弦波作为系统的输入信号，即x(t)=XSin t，稳态时其响应为y(t)=Ysin( t+φ)；
3．改变输入信号的频率，使角频率 分别等于（或接近等于）0.2，0.4，0.6，0.8，0.9，1.0，1.2，1.4，1.6，2.0，3.0rad/s，稳态时，记录屏幕显示的正弦输入x(t)=XSint和正弦输出响应y(t)=Ysin( t+φ)。记录曲线序号依次记作 ；
2、零极点对控制系统性能的影响
已知传递函数为 ,1) 分别求加入附加零点分别为-2,-1,-0.4时,系统的单位阶跃响应;2) 分别求加入附加极点分别为-1.5,-0.6,-0.4时,系统的单位阶跃响应.
3、稳态误差
已知3个系统的开环传递函数分别为 , , ,请分别计算这3个系统对单位阶跃和单位斜坡信号的响应并计算稳态误差.
二、实验要求：
1、观测不同参数下二阶系统的阶跃响应并测出性能指标：超调量MP，峰值时间tp,调节时间ts。
2、观测增益对典型三阶系统稳定性的影响。
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实验一、控制系统典型环节的模拟
教学目标：
1、掌握传递函数的涵义；熟悉常见环节传递函数及单位阶跃响应特性。
2、验证常见环节的单位阶跃响应特性。
教学重点：
1、分析实验结果。
教学难点：
1、正确接线
2、示波器的调试。
教具、教学素材准备：
1、 实验仪器。
2、 教案
教学方法：
采用传统的教学方法与实验演示相结合的方法。
教学时数：
2学时
教学过程：（教师授课思路、设问及讲解要点）
一、典型环节的介绍。
1．比例环节
微分方程： C(t) = Kr(t)
其中：K ——比例环节系数
拉氏变换：C(s)=KR(s)
比例环节的传递函数：
C (s )
G(s) K
R (s ) 比例环节的方框图如下：
特点：输出不失真，不延迟，成比例地复现输入信号的变化。
比例环节实例：
K R(s) C(s)
（a ） 由运算放大器构成的比例环节 R
R 1
2. 惯性环节
惯性环节的微分方程：
dc (t )
T c (t ) K r (t )
d (t )
K
——比例系数其中：
T ——时间常数
拉氏变换： TsC(s) C(s) K R (s ) 惯性环节的传递函数：
C (s ) K G(s) R (s ) Ts
1
惯性环节方框图
单位阶跃信号作用下的响应： 1
R(s)
s
K 1
C (s )
11 Ts 2 K。