控制工程基础实验报告
控制工程基础仿真实验报告
本科生课程论文控制工程基础仿真实验报告实验一一阶系统的单位阶跃响应一、实验目的1、学会使用ATLABM编程绘制控制系统的单位阶跃响应曲线；2、掌握准确读取动态特征指标的方法；3、研究时间常数T对系统性能的影响；4、掌握一阶系统11Ts+时间响应分析的一般方法；5、通过仿真实验，直观了解各典型环节的时间响应和频率响应，巩固课程中所学的基本概念和基本原理；二、实验要求1、输入3个不同的时间常数T，观察一阶系统11Ts+的单位阶跃响应曲线的变化，绘制响应曲线图，并分析时间常数T对系统性能的影响。
2、若通过实验已测得一阶系统11Ts+的单位阶跃响应曲线，试说明如何通过该曲线确定系统的时间常数T。
三、实验内容（一）实验设备计算机；WINDOWS操作系统，并安装Matlab语言编程环境。
（二）实验原理通过对各种典型环节的仿真实验，可以直观的看到各种环节的时间响应和频率响应的图像。
通过对所得图像的分析可以得出各种参数如何影响系统的性能。
四、实验过程在Matlab平台对一阶系统11Ts+的单位阶跃响应进行仿真。
（1）输入3个不同的时间常数T，观察一阶系统单位阶跃响应曲线的变化，绘制响应曲线图，并分析时间常数T对系统性能的影响。
在Matlab中进行操作，其代码如下：1.num=1;2.den=[11];3.g=tf(num,den)4.5.g =6.7.18. -----9. s + 110.11.Continuous-time transfer function.12.13.>> step(g)14.hold on15.>> step(tf(1,[21]))16.>> step(tf(1,[41]))17.>> legend('T=1','T=2','T=4');（2）对于已测得的一阶系统的单位阶跃响应曲线，分析通过该曲线确定系统的时间常数T的方法。
南京理工大学控制工程基础实验报告
《控制工程基础》实验报告姓名欧宇涵 914000720206周竹青 914000720215 学院教育实验学院指导老师蔡晨晓南京理工大学自动化学院2017年1月实验1：典型环节的模拟研究一、实验目的与要求：1、学习构建典型环节的模拟电路；2、研究阻、容参数对典型环节阶跃响应的影响；3、学习典型环节阶跃响应的测量方法，并计算其典型环节的传递函数。
二、实验内容：完成比例环节、积分环节、比例积分环节、惯性环节的电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃响应特性的影响。
三、实验步骤与方法（1）比例环节图1-1 比例环节模拟电路图比例环节的传递函数为：K s U s U i O =)()(，其中12R RK =，参数取R 2=200K ，R 1=100K 。
步骤： 1、连接好实验台，按上图接好线。
2、调节阶跃信号幅值(用万用表测)，此处以1V 为例。
调节完成后恢复初始。
3、Ui 接阶跃信号、Uo 接IN 采集信号。
4、打开上端软件，设置采集速率为“1800uS”，取消“自动采集”选项。
5、点击上端软件“开始”按键，随后向上拨动阶跃信号开关，采集数据如下图。
图1-2 比例环节阶跃响应（2）积分环节图1-3 积分环节模拟电路图积分环节的传递函数为：ST V V I I O 1-=，其中T I =RC ，参数取R=100K ，C=0.1µf 。
步骤：同比例环节，采集数据如下图。
图1-4 积分环节阶跃响应（3）微分环节图1-5 微分环节模拟电路图200KRV IVoC2CR 1V IVo200K微分环节的传递函数为：K S T S T V V D D I O +-=1，其中 T D =R 1C 、K=12R R。
参数取：R 1=100K ，R 2=200K ，C=1µf 。
步骤：同比例环节，采集数据如下图。
图1-6 微分环节阶跃响应（４）惯性环节图1-7 惯性环节模拟电路图惯性环节的传递函数为：1+-=TS K V V I O ，其中2T R C =,21RK R =-。
控制工程实验报告
《控制工程基础》实验任务实验一 系统时域响应分析1. 实验目的本实验的主要目的是：通过实验使学生进一步理解系统参数对时域响应的影响，理解系统参数与时域性能指标之间的关系，同时了解系统稳定性的充要条件。
本实验的内容覆盖了教材第3、4、5章的内容。
2. 实验内容完成一阶、二阶系统在典型输入信号作用下的响应，求取二阶系统的性能指标，记录试验结果并对此进行分析。
3. 实验要求要求掌握应用MATLAB 软件的相应功能，实现一阶、二阶系统在典型输入信号（包括单位脉冲信号、单位阶跃信号、单位斜坡信号、正弦信号等）作用下的响应；记录实验结果并对结果进行分析，要求用实验结果来分析系统特征参数对系统时间响应的影响。
4. 实验地点工字楼127。
5. 实验过程一、系统的传递函数及其MATLAB 表达 (1)一阶系统 传递函数为：1)(+=Ts Ks G 传递函数的MATLAB 表达： num=[k]；den=[T,1]；G(s)=tf(num,den) (2)二阶系统 传递函数为：2222)(nn n w s w s w s G ++=ξ传递函数的MATLAB 表达： num=[wn^2]；den=[1，2*s* wn ，wn^2]；G(s)=tf(num,den) （3）任意的高阶系统传递函数为：nn n n m m m m a s a s a s a b s b s b s b s G ++++++++=----11101110)(传递函数的MATLAB 表达：num=[m m b b b b ,,,110- ]；den=[n n a a a a ,,,110- ]；G(s)=tf(num,den) 若传递函数表示为：)())(()())(()(1010n m p s p s p s z s z s z s Ks G ------=则传递函数的MATLAB 表达：z=[m z z z ,,,10 ]；p=[n p p p ,,,10 ]；K=[K]；G(s)=zpk(z,p,k) 二、 各种时间输入信号响应的表达 （1）单位脉冲信号响应：[y,x]=impulse(sys,t) （2）单位阶跃信号响应：[y,x]=step(sys,t) （3）任意输入信号响应：[y,x]=lsim(sys,u,t)其中，y 为输出响应，x 为状态响应（可选）；sys 为建立的模型；t 为仿真时间区段（可选）,u 为给定输入信号（列向量）。
控制工程基础实验(测控)
实验一典型环节阶跃响应一、实验目的1.掌握控制系统模拟实验的基本原理和方法；2.掌握典型环节阶跃响应曲线的测量和分析方法。
二、实验仪器1. XK-KL1型自动控制系统实验箱一台2.计算机一台三、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，然后可按给定的系统电路图将其连接，以获得相应的模拟系统；再将输入信号加到模拟系统的输入端，利用计算机测量系统的输出，便可获得系统的响应曲线及性能指标，若改变系统参数，可进一步分析研究参数对系统性能的影响。
四、实验内容构建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如图1-1。
G（S）= -R2/R12.惯性环节的模拟电路及其传递函数如图1-2。
G（S）= - K/TS+1K=R2/R1，T=R2C3.积分环节的模拟电路及传递函数如图1-3。
G（S）=1/TST=RC4.微分环节的模拟电路及传递函数如图1-4。
G（S）= - RCS5. 比例+微分环节的模拟电路及传递函数如图1-5（未标明的C=0.01uf）。
G（S）= -K（TS+1）K=R2/R1，T=R2C6. 比例+积分环节的模拟电路及传递函数如图1-6。
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。
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。
比例环节3.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-1)。
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。
控制工程基础实验报告
控制工程基础[英]实验实验一.典型环节的模拟研究：已知一个小车、倒单摆系统非线性系统方程为：( 2.92)0.008x x u =-+20.004sin 36cos n n x θωθωθθ=-+-其中假设 (0)0;(0)0.2x x ==，(0)0;(0); 6.781,n θθπω===（1）要求绘出系统[0,10]t ∈的状态响应曲线（2）并将上述系统在0θ≈的条件下线性化，并要求绘出线性化后系统[0,10]t ∈的状态响应曲线，并与非线性系统状态响应曲线相比较。
(1)下面利用Simulink 对该系统进行仿真如下图所示。
图1.倒单摆系统仿真图在图中已经对主要信号进行了标注下面给出每个未标注信号后加入放大器的增益：008.092.2=阶跃K 008.01-=一阶微分x K 98.45=二阶微分θK通过示波器Scope 和Scope1观察x(t)和θ(t)的波形图如下所示。
图2.x(t)波形图3.θ(t)波形（2）将上述系统在0θ≈的条件下线性化，则方程组改写成如下形式：( 2.92)0.008x x u=-+20.004sin36n n xθωθωθ=-+-在Simulink中对系统仿真如下所示。
图4.线性化后仿真系统通过示波器模块可以观察输出信号，图形如下图所示。
图5.x(t)输出波形图6.θ（t ）输出波形实验二.典型系统时域响应动、静态性能和稳定性研究； 已知系统的开环传递函数为2()11G s s s =++（1）利用已知的知识判断该开环系统的稳定性（系统的特征方程根、系统零极点表示法）。
（2）判别系统在单位负反馈下的稳定性，并求出闭环系统在[0,10]t ∈内的脉冲响应和单位阶跃响应，分别绘制出相应响应曲线。
（1）该系统的特征方程的根、零极点表示的求解代码如下：输出结果如下图所示。
图7.特征方程求根结果图8.零极点分布图从图中可以看出两个极点在虚轴上，所以该系统处于临界稳定状态。
控制工程基础实验报告
控制工程基础实验报告控制工程基础实验报告引言：控制工程是一门涉及自动化、电子、计算机等多个学科的交叉学科，其实验是培养学生动手能力和实践能力的重要环节。
本篇文章将以控制工程基础实验为主题，探讨实验的目的、过程和结果等方面。
实验目的：控制工程基础实验的目的是让学生通过实践了解控制系统的基本原理和方法，培养其分析和解决问题的能力。
通过实验，学生可以掌握闭环控制系统的设计与调试技巧，加深对控制理论的理解。
实验内容：本次实验的内容是设计一个简单的温度控制系统。
系统由温度传感器、控制器和加热器组成。
温度传感器采集环境温度，控制器根据设定的温度值来控制加热器的工作状态，以维持温度在设定值附近。
实验步骤：1. 搭建实验平台：将温度传感器、控制器和加热器按照实验要求连接起来，确保电路正常工作。
2. 设计控制算法：根据控制系统的要求，设计合适的控制算法。
可以采用比例控制、积分控制或者PID控制等方法。
3. 参数调试：根据实验平台和控制算法的特点，调试控制器的参数，使系统能够快速、稳定地响应设定值的变化。
4. 实验数据采集：通过实验平台上的数据采集器，记录系统的输入和输出数据，以便后续分析和评估。
实验结果：经过实验，我们得到了一组温度控制系统的数据。
通过对这些数据的分析，我们可以评估系统的控制性能和稳定性。
在实验中，我们使用PID控制算法，经过参数调试，得到了较好的控制效果。
系统能够在设定值附近稳定工作，并且对设定值的变化能够快速响应。
实验总结：通过这次实验，我们深入了解了控制工程的基本原理和方法。
实践中遇到的问题和挑战，锻炼了我们的动手能力和解决问题的能力。
实验结果表明，合适的控制算法和参数调试是实现良好控制效果的关键。
控制工程实验的重要性不言而喻，它不仅是理论学习的延伸，更是培养学生实践能力的重要途径。
结语：控制工程基础实验是掌握控制工程理论和方法的重要环节。
通过实践，学生能够更好地理解和应用所学知识，提高解决实际问题的能力。
燕山大学控制工程基础实验报告(带数据)
自动控制理论实验报告实验一典型环节的时域响应院系：班级：学号：姓名：实验一 典型环节的时域响应一、 实验目的1．掌握典型环节模拟电路的构成方法，传递函数及输出时域函数的表达式。
2．熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。
3．了解各项参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、 实验设备PC 机一台，TD-ACC+教学实验系统一套。
三、 实验步骤1、按图1-2比例环节的模拟电路图将线接好。
检查无误后开启设备电源。
注：图中运算放大器的正相输入端已经对地接了100k 电阻。
不需再接。
2、将信号源单元的“ST ”端插针与“S ”端插针用“短路块”接好。
将信号形式开关设为“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT ”端输出的方波幅值为1V ，周期为10s 左右。
3、将方波信号加至比例环节的输入端R(t)， 用示波器的“CH1”和“CH2”表笔分别监测模拟电路的输入R(t)端和输出C(t)端。
记录实验波形及结果。
4、用同样的方法分别得出积分环节、比例积分环节、惯性环节对阶跃信号的实际响应曲线。
5、再将各环节实验数据改为如下：比例环节：；，k R k R 20020010== 积分环节：；，u C k R 22000==比例环节：；，，u C k R k R 220010010=== 惯性环节：。
，u C k R R 220010=== 用同样的步骤方法重复一遍。
四、 实验原理、内容、记录曲线及分析下面列出了各典型环节的结构框图、传递函数、阶跃响应、模拟电路、记录曲线及理论分析。
1．比例环节 (1) 结构框图：图1－1 比例环节的结构框图(2) 传递函数：K S R S C =)()( KR(S)C(S)(3) 阶跃响应：C(t = K ( t ≥0 ) 其中K = R 1 / R 0 (4) 模拟电路：图1－2 比例环节的模拟电路图(5)记录曲线：(6)k R k R 20020010==，时的记录曲线：_R0=200kR1=100k_ 10K10KC(t)反相器 比例环节 R(t)(7)曲线分析：比例放大倍数K 与1R 的阻值成正比。
控制工程基础实验报告
控制工程基础实验报告实验一 典型环节及其阶跃响应实验目的1．学习构成典型环节的模拟电路。
2．熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
3．学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。
4．熟悉仿真分析软件。
实验内容各典型环节的模拟电路如下：1. 比例环节 12)(R R s G -=2. 惯性环节 RC T Tss G =-=1)(3. 积分环节 1221)(R R K C R T Ts Ks G ==+-=4. 微分环节 RCs s G -=)(改进微分环节1)(12+-=Cs R Cs R s G 5. 比例微分环节)41()(212s C R R R s G +-=实验步骤1．用Workbench 连接好比例环节的电路图，将阶跃信号接入输入端，此时使用理想运放;2．用示波器观察输出端的阶跃响应曲线，测量有关参数;改变电路参数后，再重新测量,观察曲线的变化。
3． 将运放改为实际元件，如采用“LM741",重复步骤2。
5．仿真其它电路，重复步骤2，3，4。
实验总结通过这次实验，我对典型环节的模拟电路有了更加深刻的了解,也熟悉了各种典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对典型环节动态特性的影响；熟悉仿真分析软件。
这对以后的控制的学习有很大的帮助。
实验二 二阶系统阶跃响应实验目的1． 研究二阶系统的两个重要参数阻尼比ξ和无阻尼自然频率ωn 对系统动态性能的影响。
2． 学会根据阶跃响应曲线确定传递函数，熟悉二阶系统的阶跃响应曲线。
实验内容二阶系统模拟电路如图： 1)/(1)(12222++-=RCs R R s C R s G 思考：如何用电路参数表示ξ和ωn实验步骤1． 在workbench 下连接电路图；将阶跃信号接入输入端，用示波器观测记录响应信号；2．取ωn=10rad/s,即令R=100K,C=1uf ：分别取ξ=0，0.25,0.5,0.7,1,2, 即取R1=100K,考虑R2应分别取何值，分别测量系统阶跃响应，并记录最大超调量δp%和调节时间ts 。
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控制工程基础[英]实验
实验一.典型环节的模拟研究：
已知一个小车、倒单摆系统非线性系统方程为：
( 2.92)0.008x x u =-+
20.004sin 36cos n n x θωθωθθ=-+-
其中假设 (0)0;(0)0.2x x ==，
(0)0;(0); 6.781,n θθπω===
（1）要求绘出系统[0,10]t ∈的状态响应曲线
（2）并将上述系统在0θ≈的条件下线性化，并要求绘出线性化后系统
[0,10]t ∈的状态响应曲线，并与非线性系统状态响应曲线相比较。
(1)下面利用Simulink 对该系统进行仿真如下图所示。
图1.倒单摆系统仿真图
在图中已经对主要信号进行了标注下面给出每个未标注信号后加入放大器的增益：
008.092.2=
阶跃K 008
.01
-=一阶微分x K 98.45=二阶微分θK
通过示波器Scope 和Scope1观察x(t)和θ(t)的波形图如下所示。
图2.x(t)波形图3.θ(t)波形（2）将上述系统在0
θ≈的条件下线性化，则方程组改写成如下形式：
( 2.92)0.008
x x u
=-+
2
0.004sin36
n n x
θωθωθ
=-+-
在Simulink中对系统仿真如下所示。
图4.线性化后仿真系统
通过示波器模块可以观察输出信号，图形如下图所示。
图5.x(t)输出波形
图6.θ（t ）输出波形
实验二.典型系统时域响应动、静态性能和稳定性研究； 已知系统的开环传递函数为
2()11G s s s =
++
（1）利用已知的知识判断该开环系统的稳定性（系统的特征方程根、系统零极点表示法）。
（2）判别系统在单位负反馈下的稳定性，并求出闭环系统在[0,10]t ∈内的脉冲响应和单位阶跃响应，分别绘制出相应响应曲线。
（1）该系统的特征方程的根、零极点表示的求解代码如下：
输出结果如下图所示。
图7.特征方程求根结果
图8.零极点分布图
从图中可以看出两个极点在虚轴上，所以该系统处于临界稳定状
态。
（2）求解阶跃响应和脉冲响应的程序代码如下：
该系统的脉冲响应和阶跃响应图如下。
图9.系统脉冲响应和阶跃响应图
实验三.控制系统的频率特性研究; 针对如右图所示系统，已知被控系统G(s)的传递函数为：
2()1G s s s =
+
（1）要求画出该闭环系统的根轨迹曲线图（随K 变化）
（2）求出该闭环系统的传递函数T(s)，并画出当K=2该闭环系统的Bode 图，并分别在图中求出闭环系统的相角裕度与幅值裕度。
（1）由图可以看出系统的特征方程为
s
s K
s KG s ++
==∆21)()( 下面画出随K 变化的闭环系统的根轨迹曲线图，代码如下：
运行程序可以得到根轨迹如下图所示。
图10.随K 变话系统根轨迹图
系统的传递函数为
2
2
)(1)()(2++=+=
s s s KG s KG s T
下面给出计算代码如下：
程序的输出结果和波特图如下所示。
图11.系统求解传递函数输出
从波特图上的信息可以看出：
当sec /73.1rad =ω时，系统有0)(log 20=ωj G ，相角裕度为︒=60..M P 当+∞→ω时，系统有相角为180°，增益裕度为∞=..M G
图12.闭环系统波特图
实验四.线性系统校正.
针对如左图所示系统，已知系
统被控系统G(s)的传递函数为：
2()10510G s s s =
++
（1）当比例控制器增益K=1时，在Matlab/Simulink 中搭建仿真系统，当
输入为阶跃函数时，用示波器Scope 观测系统的输出，绘出响应曲线。
并将对象输出y(t)与时钟输出输入Workspace 中，编程求出系统的响应时间、调节时间及超调量，并将计算结果与根据理论公式计算值相比较。
（2）调节控制器增益，使超调量%32%
e<，给出
σ<，且稳态误差0.2
ss
此时K值的范围。
（3）如果想使稳态误差0
e=，应考虑将上述的比例控制器该为何种控
ss
制器，即选用比例积分控制器，或比例微分控制器，或比例、积分与微分控制器，试从超前/滞后校正理论论证，并绘出对应的响应曲线。
（1）K=1时在Simulink中搭建的仿真系统如下图所示。
图13.K=1时仿真系统
利用示波器观察输出结果可以看到如下波形
图14.K=1时仿真系统输出波形
下面将输出结果导出到Workspace中，利用To Workspace模块替换Scope将系统输出导入为矩阵y如下图所示，并编程计算相关的参数。
图14.导出系统输出数据
程序的输出结果如下:
系统超调量为pos =0.1188 系统响应时间为tr = 1.6211 系统调节时间为ts = 2.2319 系统稳态误差为ess = 0.5000
通过理论计算算出系统参数如下：
系统超调量为pos =0.1202 系统响应时间为tr = 1.801 系统调节时间为ts = 0.584
（2）调节系统放大器增益，利用上题程序计算参数。
①当K=4时，结果如下：
pos =0.3045 tr =1.3249 ts =2.5070 ess =0.2000 可以看出此时稳态误差正好在0.2，超调量满足要求。
②当K=4.386时，结果如下：
pos =0.3200 tr =1.3125 ts =2.4251 ess =0.1857 可以看出此时超调量正好在32%，稳态误差满足要求。
③当K>4.386或者K<4时都不满足要求
所以所求K的范围为4<K<4.386
(3)
选用比例微分积分控制器，设定其参数为：P=6 I=1 D=0.3 在放大器后增加PID控制器如下图所示。
图15.增加PID控制器后的系统
通过示波器观察到系统的输出波形如下。
图16.增加PID控制器后的系统输出波形
从波形图可以看出稳定后系统输出为1，符合稳态误差为0的要求。