控制工程实验
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。
控制工程实验报告
控制工程实验报告1. 引言控制工程是一门研究如何通过设计和操作系统来达到预期目标的学科。
实验是控制工程学习过程中重要的一部分，通过实验可以加深对控制理论的理解，提高实际操作能力。
本实验报告旨在总结和分析在进行控制工程实验时所遇到的问题和解决方法。
2. 实验背景本次实验旨在研究单输入单输出（SISO）的控制系统。
通过建模、设计和实施控制器，我们将探讨如何使系统达到期望的性能指标。
在实验过程中，我们使用了控制工程中常用的方法和工具，如PID控制器、校正方法和稳定性分析等。
3. 实验目标本实验的主要目标是设计一个PID控制器来控制一个特定的系统，使其满足给定的性能要求。
具体目标如下： - 理解PID控制器的原理和工作方式； - 利用实验数据建立系统的数学模型； - 利用系统模型设计优化的PID控制器； - 分析和评估实验结果，判断控制系统的稳定性和性能。
4. 实验过程实验分为以下几个步骤： ### 4.1 建立系统模型首先，我们需要对所控制的系统进行建模。
使用传感器收集系统的输入和输出数据，并通过系统辨识方法分析这些数据，得到系统的数学模型。
常用的辨识方法包括最小二乘法和频域分析法。
4.2 设计PID控制器基于系统模型的分析，我们可以设计PID控制器。
通过调整PID控制器的参数，如比例增益、积分时间常数和微分时间常数，我们可以优化控制系统的性能。
4.3 实施控制器将设计好的PID控制器实施到实际系统中。
在实验中，我们需要将传感器和控制器与被控对象连接，并配置合适的控制策略。
4.4 性能评估通过收集系统的输入和输出数据，并利用系统模型进行仿真和分析，我们可以评估控制系统的性能。
常见的评估指标包括超调量、上升时间和稳态误差等。
5. 实验结果与分析根据实验数据和分析结果，我们得到了以下结论： - PID控制器可以有效地控制被控对象，使其稳定在期望值附近； - 通过适当调整PID控制器的参数，我们可以优化控制系统的性能； - 预测模型与实际系统存在一定差异，可能需要进一步改进和校正。
控制工程实验-第6章
• 如果对具有速度函数性质的输入信号要求稳态 误差为零，则系统必须是 II 型或高于I单位加速度输入的稳态误差是
essls i0m s1G 1(s)s13s2G 1(s)
定义静态加速度误差系数为
Ka
lims2G(s) s0
在一个给定的系统中，输出量可以是位置、
速度、压力、温度等，然而，输出量的物理形式 对控制系统的分析并不重要，因此，可称系统输 出量是“位置”，输出量的变化率为“速度”等。
将阶跃、斜坡、加速度等输入信号称为广义 位置、速度、加速度信号。
静态位置误差系数
系统对单位阶跃输入的稳态误差是
11 1 essls i0m s1G(s)s1G(0)
一般情况下， H(s)H为常值，因此
ess ss H • 稳态误差取决于系统结构参数和输入信号 • 求解稳态误差首先必须判断系统的稳定性
6.2.2 静态误差系数
1、控制系统的类型
控制系统可以按照它们跟踪阶跃输入、 斜坡（速度）输入、加速度输入等信号的 能力来分类，因为实际的输入往往可以认 为是这些输入的组合，所以这样的分类是 合理的。由这些特定的输入所引起的稳态 误差的大小表征了系统的“优良度”。
控制工程基础
第六章 控制系统的误差分析
和计算
系统在达到稳态时，输出量与希望输 出量之间的误差称为稳态误差。稳态误差 是控制系统准确度的一种度量。
对于稳定的控制系统，它的稳态性能 一般是根据阶跃、速度或加速度输入所引 起的稳态误差来判断的。本章所研究的稳 态误差是由于系统不能很好地跟踪特定形 式的输入信号或者由于扰动作用而引起的 稳态误差，即系统原理性误差。
本节要点：
了解动态误差系数概念及计算动态 误差的方法。
控制工程基础实验指导书(答案) 2讲解
实验二二阶系统的瞬态响应分析一、实验目的1、熟悉二阶模拟系统的组成。
2、研究二阶系统分别工作在ξ=1，0<ξ<1，和ξ> 1三种状态下的单位阶跃响应。
3、分析增益K对二阶系统单位阶跃响应的超调量σP、峰值时间tp和调整时间ts。
4、研究系统在不同K值时对斜坡输入的稳态跟踪误差。
5、学会使用Matlab软件来仿真二阶系统，并观察结果。
二、实验仪器1、控制理论电子模拟实验箱一台；2、超低频慢扫描数字存储示波器一台；3、数字万用表一只；4、各种长度联接导线。
三、实验原理图2-1为二阶系统的原理方框图，图2-2为其模拟电路图，它是由惯性环节、积分环节和反号器组成，图中K=R2/R1，T1=R2C1，T2=R3C2。
图2-1 二阶系统原理框图图2-1 二阶系统的模拟电路由图2-2求得二阶系统的闭环传递函1222122112/() (1)()/O i K TT U S K U S TT S T S K S T S K TT ==++++ :而二阶系统标准传递函数为(1)(2), 对比式和式得n ωξ==12 T 0.2 , T 0.5 , n S S ωξ====若令则。
调节开环增益K 值，不仅能改变系统无阻尼自然振荡频率ωn 和ξ的值，可以得到过阻尼(ξ>1)、临界阻尼（ξ=1）和欠阻尼（ξ<1）三种情况下的阶跃响应曲线。
（1）当K >0.625， 0 < ξ < 1，系统处在欠阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为：图2-3 0 < ξ < 1时的阶跃响应曲线（2）当K =0.625时，ξ=1，系统处在临界阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为：如图2-4为二阶系统工作临界阻尼时的单位响应曲线。
(2) +2+=222nn nS S )S (G ωξωω1()1sin( 2-3n to d d u t t tgξωωωω--=+=式中图为二阶系统在欠阻尼状态下的单位阶跃响应曲线etn o n t t u ωω-+-=)1(1)(图2-4 ξ=1时的阶跃响应曲线（3）当K < 0.625时，ξ> 1，系统工作在过阻尼状态，它的单位阶跃响应曲线和临界阻尼时的单位阶跃响应一样为单调的指数上升曲线，但后者的上升速度比前者缓慢。
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。
控制工程实验报告
图2-4 =1时的阶跃响应曲线
（3）当K 0.625时， 1，系统工作在过阻尼状态，它的单位阶跃响应 曲线和临界阻尼时的单位阶跃响应一样为单调的指数上升曲线，但后者 的上升速度比前者缓慢。
四、实验内容与步骤
1、根据图2-2，调节相应的参数，使系统的开环传递函数为： 将调节后的电路图画出，并标出所选各元器件的参数值。
四、实验内容与步骤
1、分别画出比例、惯性、积分、比例微分环节的电子电路； 2、熟悉实验设备并在实验设备上分别联接各种典型环节； 3、按照给定的实验参数，利用实验设备完成各种典型环节的阶跃特性 测试，观察并记录其单位阶跃响应波形。
五、实验报告
1、画出四种典型环节的实验电路图，并标明相应的参数； 2、画出各典型环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影
4、各种长度联接导线。
三、实验原理
图2-1为二阶系统的原理方框图，图2-2为其模拟电路图，它是由惯
性环节、积分环节和比例环节组成，图中K=R2/R1， T2=R3C2。
T1=R2C1，
图2-1 二阶系统原理框图
图2-2 二阶系统的模拟电路
由图2-2求得二阶系统的闭环传递函
（2-1） 而二阶系统的标准传递函数为：
一、实验目的
1、 熟悉二阶模拟系统的组成；
2、 研究二阶系统分别工作在=1， 0< <1， 和 1三种状态下的单
位阶跃响应；
3、 分析增益K对二阶系统单位阶跃响应的超调量P、峰值时间tp
和调整时间ts。
二、实验仪器设备
1、控制理论电子模拟实验箱一台；
2、超低频慢扫描数字存储示波器一台；
3、数字万用表一只；
对比式(2-1)和式（2-2）得 。调节开环增益K值，不仅能改变系统无阻尼自然振荡频率ωn和的
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。
控制工程基础实验教案
一. 实验教学目的和任务机械设计制造及其自动化、机械电子工程专业培养目标为机械与电子结合、信息与控制相结合的宽口径的人才，要求学生有扎实的基础理论知识、较强的实践动手能力与创新能力。
因而要求本专业的学生必须掌握《控制工程基础》的相关基础知识。
实验的主要目的是使学生通过实验中的系统设计及理论分析，帮助学生进一步理解自动控制系统的设计和分析方法，综合应用所学的工程数学、模拟电路、数字电路等基础知识，培养控制系统的独立设计与研究开发能力，从自动控制工程的角度自觉地建立系统的思维方法。
二. 实验教学基本要求1. 本实验课程单独设课，教师需向学生讲解实验课程的性质，任务，要求，课程安排和进度，平时考核内容，期末考试办法，实验守则及实验室安全制度等。
2. 实验课以设计性与验证性实验为主，实验指导书中给出设计题目与方法，也可由学生自主设计实验方法，实验前学生必需进行预习，设计报告经教师批阅后，方可进入实验室进行实验。
3. 在规定的时间内，学生分组独立完成，出现问题，教师要引导学生独立分析解决，不得包办代替。
4. 任课教师要认真上好每一堂课，实验前清点学生人数，实验中按要求做好学生实验情况及结果记录，实验后认真填写实验开出记录。
5. 学生必须严格遵守实验室规定，实验分组独立进行。
实验完成后一周内学生完成实验报告，指导教师二周内完成实验报告的批改、成绩登记，并上交相关文件存档。
三. 实验教学内容本课程实验教学安排以下2个实验。
可根据具体教学情况及实验设备性能情况，在THBCC-1信号与系统·控制理论及计算机技术实验平台实验指导书所给13个实验中合理选取2个实验项目进行。
实验项目一：控制系统时域分析实验项目二：控制系统频域分析四. 实验项目与学时分配实验项目与学时分配表五. 实验考核办法与成绩评定实验考核成绩占课程总成绩的权重为10%，计入平时成绩。
六. 实验教材（或参考书、指导书）本专业实验采用自编实验指导书。
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科目：控制工程姓名：颜人帅
班级学号:102012237
一：典型环节的奈奎斯特曲线和波德曲线：1：比例环节的(K=6)
（1）奈奎斯特曲线：
运行程序：
num=[6];
den=[1];
nyquist(num,den)
grid;
gtext('如图1-1.1')
运行结果：如图
1-1.1
（2）波德曲线：
运行程序：
num=[6];
den=[1];
bode(num,den)
grid
gtext[‘如图
1-1.2’]
运行结果：如图1-1.2
2：积分环节：
（1）奈奎斯特曲线：
运行程序：
num=[1];
den=[1 0];
nyquist(num,den)
grid
gtext('如图1-2.1')
运行结果：如图1-2.1
（2）波德曲线：
运行程序：
num=[1];
den=[1 0];
bode(num,den)
grid
gtext('如图1-2.2') 运行结果：：如图1-2.2
3：微分环节（理想）：
（1）奈奎斯特曲线：
运行程序：
num=[1 0];
den=[1];
nyquist(num,den)
grid
gtext('如图1-3.1')
运行结果：如图1-3.1
（2）波德曲线：
运行程序：
num=[1 0];
den=[1];
bode(num,den)
grid
gtext('如图1-3.2')
运行结果：如图1-3.2
4：惯性环节：(T=5)
（1）奈奎斯特曲线：
运行程序：
num=[1];
den=[5 1];
nyquist(num,den)
grid
gtext('如图1-4.1') 运行结果：
如图1-4.1
（2）波德曲线：
运行程序：
num=[1];
den=[5 1];
bode(num,den)
grid
gtext('如图1-4.2')
运行结果：
如图1-4.2
5：导前环节(T=5)：
（1）奈奎斯特曲线：
运行程序：
num=[1 5];
den=[1];
nyquist(num,den)
grid
gtext('如图1-5.1')
运行结果：如图1-5.1（2）波德曲线：
运行程序：
num=[1 5];
den=[1];
bode(num,den)
grid
gtext('如图
1-5.2')
运行结果：
如图1-5.2
6：振荡环节(Wn=10, =0.1,0.5,1)：
（1）奈奎斯特曲线：
运行程序：
num=[10*10];
den=[1 2*10*0.1 10*10];
nyquist(num,den)
grid
hold on
num=[10*10];
den=[1 2*10*0.5 10*10];
nyquist(num,den)
num=[10*10];
den=[1 2*10*1 10*10];
gtext('如图1-6.1')
运行结果：如图1-6.1
（2）波德曲线
运行程序：
num=[10*10];
den=[1 2*10*0.1 10*10];
bode(num,den)
grid
hold on
num=[10*10];
den=[1 2*10*0.5 10*10];
bode(num,den)
num=[10*10];
den=[1 2*10*1 10*10];
bode(num,den)
gtext(['§ =0.1';'§ =0.1'])
gtext(['§ =1'])
gtext(['§ =0.1';'§ =0.1'])
gtext(['§ =1'])
运行结果：如图1-6.2
二：绘制教材对应例题的奈奎斯特曲线或波德曲线：
1.例4.13
奈奎斯特曲线：
运行程序：
num=[1];
den=[1 0.6 1];
nyquist(num,den) grid
运行结果：如图
2.例4.14
波德曲线：
运行程序：
num=[1];
den=[1 6 30 0 ]; bode(num,den)
grid
运行结果：如右图
3.例
4.15
波德曲线：
运行程序：
num=[1 1];
den=[1 2.5 9 0 0]; margin(num,den)
grid
运行结果：如右图
4.例4.16
波德曲线： 运行程序：
num=[100]; den0=conv([1 2 16],[1 3 0]); den=conv(den0,[1 2.5 9 ]);
sys=tf(num,den) grid
运行结果：如右图
5.例4.17
波德曲线： 运行程序：
ka=65; kv=0.0018; wv=120; bv=0.5; wh=65; bh=0.15; kh=95;
k=ka*kv*kh*wv*wv*wh*wh; num=[k];
den=conv([1 2*bv*wv wv*wv 0],[1 2*bh*wh wh*wh]); sys=tf(num,den); margin(sys) grid
运行结果：如右上图
三：求取控制系统的开环传递函数为：)
5)(1()()(++=
s s s K
s H s G 的系统的幅值裕度和 相
位裕度，（其中K=10，100，40，50，60，80）。
1. 取K=10，其系统的开环频率特性运行程序为：
k=10; num=[k];
den=conv([1 1 0],[1 5]);
sys=tf(num,den); margin(sys) grid
gtext('如图3-1') 运行结果：如图3-1
图像分析：由图可知，系统相位裕度 4.25w c =）
（γ，幅值裕度为B d 54.9k g =，幅值穿越频率s /rad 23.1w c =。
2. 取K=40，其系统的开环频率特性运行程序为：
k=40; num=[k];
den=conv([1 1 0],[1 5]);
sys=tf(num,den); margin(sys) grid
gtext('如图3-2') 运行结果：如图3-2
图像分析：由图可知，系统相位裕度
02.6-w c =）（γ，幅值裕度为
B
d 5.2-k g =，幅值穿越频率
s
/rad 57.2w c =。
3.取K=10，其系统的开环频率特性运行程序为：
k=50; num=[k];
den=conv([1 1 0],[1 5]);
sys=tf(num,den); margin(sys) grid
gtext('如图3-3') 运行结果：如图3-3
图像分析：由图可知，系统相位裕度 5.10-w c =）
（γ，幅值裕度为B d 44.4-k g =，幅值穿越频率s /rad 86.2w c =。
4.取K=10，其系统的开环频率特性运行程序为：
k=60; num=[k];
den=conv([1 1 0],[1 5]);
sys=tf(num,den); margin(sys) grid
gtext('如图3-4') 运行结果：如图3-4
图像分析：由图可知，系统相位裕度 1.14-w c =）
（γ，幅值裕度为B d 02.6-k g =，幅值穿越频率s /rad 11.3w c =。
5.取K=10，其系统的开环频率特性运行程序为：
k=80; num=[k]; den=conv([1 1
0],[1 5]);
第二章
页脚内容10 sys=tf(num,den);
margin(sys)
grid
gtext('如图3-5')
运行结果：如图3-5
图像分析：由图可知，系统相位裕度 6.19-w c =）
（γ，幅值裕度为B d 52.8-k g =，幅值穿越频率s /rad 54.3w c =。
6. 取K=10，其系统的开环频率特性运行程序为： k=100;
num=[k];
den=conv([1
1
0],[1 5]);
sys=tf(num,den);
margin(sys)
grid
gtext('
如图3-6') 运行结果：如图3-6
图像分析：由图可知，系统相位裕度 7.23-w c =）
（γ，幅值裕度为B d 52.8-k g =，幅值穿越频率s /rad 54.3w c =。