控制理论部分实验指导书DOC
自动控制理论实验指导书
吴彰良编
郑州轻工业学院
机电工程学院
目录
实验一典型环节与系统的模拟与分析实验二频率特性的测试与分析
实验三控制系统的串联校正
实验一典型环节与系统的模拟与分析
一、实验目的
1．熟悉并掌握THZK-1型测控技术综合实验装置的使用方法。
2．熟悉各典型环节的传递函数及其特性，掌握典型环节的电路模拟。
3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对其动态特性的影响。
二、实验设备
1．控制理论及计算机控制技术（一）、（二）
2．示波器
3．直流电压表
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、实验步骤
1．利用实验装置上控制理论及计算机控制技术实验箱（一）中的模拟电路单元，构建所设计的各典型环节（包括比例、积分、惯性环节）的模拟电路。待检查电路接线无误后，接通实验台的总电源，将直流稳压电源接入实验箱中。（注意地线也要接入）。
2．对相关的实验单元的运放进行锁零（将信号发生器单元中的锁零按钮打到锁零状态即可）。注意：积分、比例积分、比例积分微分实验中所用到的积分环节单元实验前需锁零（按下锁零按钮）实验开始时须将锁零按钮弹起
3．测试各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对输出响应的影响
（1）用直流电压表测试其输出电压,并调节电位器,使其输出电压为“1”V。
（2）将“阶跃信号发生器”的输出端与相关电路的输入端相连。
（3）加阶跃信号电压，按照实验内容进行，对每一组参数都要将曲线描绘下来，由示波器读出相应数据。
五、实验报告要求
1．画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。
2．写出各典型环节的传递函数。
3．根据所测的典型环节单位阶跃响应曲线，分析参数变化对动态特性的影响？
六、实验思考题
1．用运放模拟典型环节时，其传递函数是在什么假设条件下近似导出的？
2．积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节？而又在什么条件下，惯性环节可以近似地视为比例环节？
3．在积分环节和惯性环节实验中，如何根据单位阶跃响应曲线的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？
七、附录
1．比例（P ）环节
比例环节的传递函数与方框图分别为
K s u s u s G i o ==
)
()
()( 其模拟电路（后级为反相器）和单位阶跃响应曲线分别如图1-1所示。
图1-1 比例环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线
其中K=
1
2
R R ，这里取 R 1=100K ，R 2=200K ，R 0=200K 。通过改变电路中R1、R2的阻值，可改变放大系数。
实验台上的参考单元：实验箱（一）U15、U17。 2．积分(I)环节
积分环节的传递函数与方框图分别为
Ts
1)s (U )s (U )s (G i o =
=
其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-2所示。
图1-2 积分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线
其中 T=RC ，这里取 C=10uF ，R=100K ，R 0=200K 。通过改变R 、C 的值可改变响应曲线的上升斜率。
实验台上的参考单元: 实验箱（一）U6、U9。
3．比例积分(PI)环节
积分环节的传递函数与方框图分别为
)CS
R 1
1(R R CS R 1R R CS R 1CS R )s (U )s (U )s (G 21211212i o +=+=+==
其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-3所示。
其中 ，T=R 1C ，这里取C=10uF ，R 1=100K ，R 2=100K ，R 0=200K 。通过改变R2、R1、C 的值可改变比例积分环节的放大系数K 和积分时间常数T 。
图1-3 比例积分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线
实验台上的参考单元：实验箱（一）U7、U9。 4．比例微分(PD)环节
比例微分环节的传递函数与方框图分别为：
)1()1()(11
2
CS R R R TS K s G +=
+= 其中C R T R R K 112,/== 其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-4所示。
图1-4 比例微分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线
这里取C=1uF ，R 1=100K ，R 2=200K ，R 0=200K 。通过改变R2、R1、C 的值可改变比例微分环节的放大系数K 和微分时间常数T 。
实验台上的参考单元: 实验箱（一）U7、U9。 5．比例积分微分(PID)环节
比例积分微分(PID)环节的传递函数与方框图分别为 S T S T Kp s G d i ++
=1
)( 其中2
1221
1C R C R C R Kp +=，21C R T i =，12C R T d = S
C R S C R S C R 211122)
1)(1(++=
1
2R R K
=
S C R S C R C R C R C R 12212111221
+++=
S S
1.01.01
2++
=（当Kp =2，i T =0.1,d T =0.1时）
其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-5所示。
图1-5 比例积分微分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线
其中C 1=1uF ，C 2=1uF ，R 1=100K ，R 2=100K ，R 0=200K 。通过改变R 2、R 1、C 1、C 2的值可改变比例积分微分环节的放大系数K 、微分时间常数d T 和积分时间常数i T 。
实验台上的参考单元：实验箱（一）U8、U9。 6．惯性环节
惯性环节的传递函数与方框图分别为
1
T S K
)s (U )s (U )s (G i o +==
其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-6所示。 其中1
2
R R K =
，T=R 2C ，这里取C=1uF ，R 1=100K ，R 2=100K ，R 0=200K 。通过改变R2、R1、C 的值可改变惯性环节的放大系数K 和时间常数T 。
图1-6惯性环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线
实验台上的参考单元：实验箱（一）U9、U10。
实验二 频率特性的测试与分析
一、实验目的
1．掌握系统的频率特性曲线的测试原理及方法。 2．根据实验求得的频率特性曲线求取相应的传递函数。 二、实验设备
同实验一 三、实验内容
1．惯性环节的频率特性测试。 2．二阶系统频率特性测试。
3．由实验测得的频率特性曲线，求取相应的传递函数。 四、实验原理
设G(S)为一最小相位系统（环节）的传递函数。如在它的输入端施加一幅值为Xm 、频率为ω的正弦信号，则系统的稳态输出为
)sin()()sin(?ωω?ω+=+=t j G Xm t Y y m ①
由式①得出系统输出，输入信号的幅值比
)()
(ωωj G Xm
j G Xm Xm Ym == ②
显然，)(ωj G 是输入X(t)频率的函数，故称其为幅频特性。如用dB （分贝）表示幅频值的大小，则式②可改写为
Xm
Ym j G Lg L lg
20)(20)(==ωω ③
在实验时，只需改变输入信号频率ω的大小（幅值不变），就能测得相应输出信号的幅值Ym ，代入上式，就可计算出该频率下的对数幅频值。根据实验作出被测系统(环节)的对数幅频曲线，就能对该系统（环节）的数学模型作出估计。 五、实验步骤
1．利用实验箱上的模拟电路单元，设计一个惯性环节（可参考本实验附录的图2-4）的模拟电路。当电路接线检查无误后，接通实验装置的总电源，将直流稳压电源接入实验箱。
2．惯性环节频率特性曲线的测试
把“低频函数信号发生器”的输出端与惯性环节的输入端相连，当“低频函数信号发生器”输出一个幅值恒定的正弦信号时，用示波器观测该环节的输入与输出波形的幅值，随着正弦信号频率的不断改变，可测得不同频率时惯性环节输出的增益和相位，画出该环节的频率特性。
3．利用实验平台上的模拟电路单元，设计一个二阶闭环系统（可参考本实验附录的图2-7）
的模拟电路。完成二阶系统闭环频率特性曲线的测试，并求取其传递函数。 六、实验报告要求
1．写出被测环节和系统的传递函数，并画出相应的模拟电路图。
2．不用上位机实验时，把实验测得的数据和理论计算数据列表，绘出它们的Bode 图，并分析实测的Bode 图产生误差的原因。
3．用上位机实验时，根据由实验测得二阶闭环频率特性曲线，写出该系统的传递函数。 七、实验思考题
1．在实验中如何选择输入正弦信号的幅值？
2．根据上位机测得的Bode 图的幅频特性，就能确定系统（或环节）的相频特性，试问这在什么系统时才能实现？ 八、附录
1．Bode 图的测试方法 1) 用示波器测量幅频特性 m
m m m X Y
X Y j G 22)(==
ω 改变输入信号的频率，测出相应的幅值比，并计算 m
m
X Y A L 22log 20)(log 20)(==ωω （dB ） 其测试框图如下所示：
图2-2 幅频特性的测试图
2）用虚拟示波器测幅频特性
图2-3 用虚拟示波器测幅频特性的方框图
2．惯性环节
传递函数和电路图为
11.01
1)()()(+=
+==s TS K s u s u s G i o
图2-4 惯性环节的电路图
其中 C=1uF,R 1=100K ，R 2=100K ，R 0=200K 其幅频特性为
图2-5 惯性环节的幅频特性
实验台所用参考单元：实验箱（一）U11、U16 3．二阶系统
传递函数和方框图为：
22
2
22255512.01)(n
n n S S S S S S S W ωξωω++=++=++= 5=n ω,12.12
5
5
25==
=
ξ（过阻尼）
图2-6 典型二阶系统的方框图
其模拟电路图为
图2-7 典型二阶系统的电路图
其中Rx 可调。这里可取100K )1(>ξ、10K )707.00(<<ξ两个典型值。 其幅频特性为
图2-8 典型二阶系统的幅频特性)1(>ξ
实验台所用参考单元：实验箱（一）之U5、U6、U7 4．无源滞后—超前校正网络 其模拟电路图为
图2-9无源滞后—超前校正网络
其中R 1=100K ，R 2=100K ，C 1=0.1uF ，C 2=1uF
其传递函数为 )
/1)(1()1)(1()(1212ββS T S T S T S T S G C ++++=
其幅频特性为
图2-10 无源滞后—超前校正网络的幅频特性
实验台所用参考单元：实验箱（二）U5。
实验三控制系统的串联校正
一、实验目的
1．熟悉串联校正装置的结构和特性。
2．掌握串联校正装置的设计方法和对系统的实时调试技术。
二、实验设备
同实验一
三、实验内容
1．观测未加校正装置时系统的动、静态性能。
2．按动态性能的要求，分别用时域法或频域法（期望特性）设计串联校正装置。
3．观测引入校正装置后系统的动、静态性能，并予以实时调试，使之动、静态性能均满足设计要求。
四、实验原理
下图是一串联校正系统的方块图：
图中校正装置G c（S）与被控对象G0（S）是串联相连接。串联校正装置有两种：一种是超前校正，它是利用超前校正装置的相位超前特性来改善系统的动态性能；另一种是滞后校正，它是利用滞后校正装置的高频幅值衰减特性，使系统在满足静态性能的前提下又能满足其动态性能的要求。本实验采用串联超前校正，使校正后的系统同时能满足动态和稳态性能的要求。
有关串联校正装置的设计和实验系统的模拟电路，请参看附录。
五、实验步骤
1．利用实验平台，画出图3-1所示系统的模拟电路(可参考本实验附录的图3-2)。在系统的输入端输入一阶跃信号，观测该系统的稳定性和动态性能指标。
2．参阅本实验的附录，按对系统性能指标的要求设计串联校正装置的传递函数和相应的模拟电路。
3．利用实验平台，根据步骤2设计校正装置的模拟电路(具体可参考本实验附录的图3-3),并把校正装置串接到步骤1所设计的二阶闭环系统的模拟电路中（图3-4）。然后在系统的输入端输入一阶跃信号，用示波器观测该系统的稳定性和动态性能指标。
4．改变串联校正装置的相关参数，使系统的性能指标均满足预定的要求。
六、实验报告要求
1．根据实验对系统性能的要求，设计系统的串联校正装置，并画出它的电路图。
2．根据实验结果，画出校正前系统的阶跃响应曲线并求出相应的动态性能指标。
3．观测引入校正装置后系统的阶跃响应曲线,并对实验所得的性能指标与理论计算值作比较。
4．实时调整校正装置的相关参数,使系统的动、静态性能均满足设计要求，并分析相应参数的改变对系统性能的影响。 七、实验思考题
1．加入超前校正装置后，为什么系统的瞬态响应会变快？
2．什么是超前校正装置和滞后校正装置，它们各利用校正装置的什么特性对系统进行校正？
3．实验时所获得的性能指标为何与设计时确定的性能指标有偏差？ 八、附录
1．时域校正法
加校正前系统的方框图和模拟电路分别如图3-1和图3-2所示。
图3-1二阶闭环系统的方框图
图3-2 二阶闭环系统的模拟电路图
实验台上的参考单元：实验箱（一）U6、U7、U11、U12
设计要求： K v =25 M p ≤0.2, t s ≤1 s 校正前系统的开环传递函数为
)
15.0(25)15.0(2.05)(0+=
+=
S S S S S G 对应的闭环传递函数为
2
2
2
2002502501)()()(n n n S S S S S G S G S ωξωωφ++=++=+= 14.050
11
,22,50==
=
==∴n
n n ωξξωω
由此可知未加校正装置前系统的超调量为
%6363.02
1=≈=--
ξξπe Mp
S n S
T 3133==≈ξω
25=v K
根据对校正后系统性能指标要求 5.02.02
1≈?=≤--
ξξξπe
Mp
S n S
T 13≤≈ξω
65
.03=≥n ω
设校正装置的传递函数为 1
1
5.0)(++=
TS S S G C
则校正后系统的开环传递函数为
)1(25115.0)15.0(25)()()(0+=++?+==TS S TS S S S S G S Gc S G 相应的闭环传递函数
22
2
222/25//2525251)()()(n
n n S S T T S S T S TS S G S G S ωξωωφ++=++=++=+= T
n 252=ω，T
n 12=ξω
取 5.0=ξ, 则 T
T
1255.02=?,S T 04.0=
故
1
1104.015.0)(c 34
24
342321
42+++++
?
+=++=CS R CS
R R R R R R R R R R R S S S G
校正装置)(c S G 的模拟电路为（参考实验箱二中的U5单元）
图3-3 校正装置的电路图
其中 4.7uF =C 10K,=R 400K,=R 200K,=R =R 3142 T=S 04.0107.410 10=C R 633≈???
5.0107.44002000
400002000642434232≈??++=+++-R R R R R R R R
所以校正后系统的方框图为
图3-4校正后二阶系统的电路图
校正前后系统的阶跃响应的示意曲线分别如图3-5中的a 、b 所示。
图3-5 加校正装置前后二阶系统的阶跃响应曲线
2．期望特性校正法
根据给定的性能指标，确定期望的开环对数幅频特性L(w)，并令它等于校正装置的对数幅
频特性L c (w)和未校正系统开环对数幅频特性L 0(w)之和，即 L(w)= L c (w)+ L 0(w)
当知道期望开环对数幅频特性L(w)和未校正系统的开环幅频特性L 0(w)，就可以求出校正 装置的对数幅频特性
L c (w)= L(w)-L 0(w)
设未校正系统如图3-6所示，其传递函数为
)
12.0)(1(2
)1)(1()(21210++=
++=
S S S T S T K K S G 图中S T 11= ，S T 2.02=，K=K 1K 2=2 图3-6 二阶系统的方框图 则相应的模拟电路为：
图3-7 二阶系统的模拟电路图
要求校正后系统具有下列的性能指标：Mp ≤10%，Kv ≥2 设计步骤：
1) 绘制未校正系统的开环对数幅频特性L0(w)；
2) 绘制期望的开环对数幅频特性L(w) (取ω1=5 1/s ，ωc=2.3， Kv =2.5)； 3) 求Lc(w)； （Lc(w)= L(w)-L0(w)） 4) 确定校正装置GC （S ）的参数； 5) 画出校正后系统的结构图。
图3-8 二阶系统校正前后的的理想幅频特性曲线
令S S K S S S G c )1()1()(+=+=τ，则校正后系统的开环传递函数为：
)
2(510)2.01)(1(21)()()(2
20n n
C S S S S K S S S S K S G S G S G ξωω+=
+=++?+== K n 10=ω，52=n ξω，若取2
1=
ξ，则K=1.25
PI 调节器电路与参数为
图3-9 PI 校正装置的电路图
R 1=80K(为了方便,实际可取100K)，R 2=100K ，C=10uF s
s K CS R CS R R R R CS R S U S U S G c o ττ11121
)
()()(2212c +=+?=+
=
-= S C R 12==τ 25.11
2==R R K
校正后系统的方框图和电路图分别为
图3-10 校正后系统的方框图
图3-11 校正后系统的模拟电路图实验台上的参考单元：实验箱（一）U5、U6、U7、U9、U16。
自动控制原理实验
自动控制原理实验 实验报告 实验三闭环电压控制系统研究 学号姓名 时间2014年10月21日 评定成绩审阅教师
实验三闭环电压控制系统研究 一、实验目的： （1）通过实例展示，认识自动控制系统的组成、功能及自动控制原理课程所要解决的问题。 （2）会正确实现闭环负反馈。 （3）通过开、闭环实验数据说明闭环控制效果。 二、预习与回答： （1）在实际控制系统调试时，如何正确实现负反馈闭环？ 答：负反馈闭环，不是单纯的加减问题，它是通过增量法实现的，具体如下： 1.系统开环； 2.输入一个增或减的变化量； 3.相应的，反馈变化量会有增减； 4.若增大，也增大，则需用减法器； 5.若增大，减小，则需用加法器，即。 （2）你认为表格中加1KΩ载后，开环的电压值与闭环的电压值，哪个更接近2V？ 答：闭环更接近。因为在开环系统下出现扰动时，系统前部分不会产生变化。故而系统不具有调节能力，对扰动的反应很大，也就会与2V相去甚远。 但在闭环系统下出现扰动时，由于有反馈的存在，扰动产生的影响会被反馈到输入端，系统就从输入部分产生了调整，经过调整后的电压值会与2V相差更小些。 因此，闭环的电压值更接近2V。 （3）学自动控制原理课程，在控制系统设计中主要设计哪一部份？ 答：应当是系统的整体框架及误差调节部分。对于一个系统，功能部分是“被控对象”部分，这部分可由对应专业设计，反馈部分大多是传感器，因此可由传感器的专业设计，而自控原理关注的是系统整体的稳定性，因此，控制系统设计中心就要集中在整个系统的协调和误差调节环节。 二、实验原理： （1）利用各种实际物理装置（如电子装置、机械装置、化工装置等）在数学上的“相似性”，将各种实际物理装置从感兴趣的角度经过简化、并抽象成相同的数学形式。我们在设计控制系统时，不必研究每一种实际装置，而用几种“等价”的数学形式来表达、研究和设计。又由于人本身的自然属性，人对数学而言，不能直接感受它的自然物理属性，这给我们分析和设计带来了困难。所以，我们又用替代、模拟、仿真的形式把数学形式再变成“模拟实物”来研究。这样，就可以“秀才不出门，遍知天下事”。实际上，在后面的课程里，不同专业的学生将面对不同的实际物理对象，而“模拟实物”的实验方式可以做到举一反三，我们就是用下列“模拟实物”——电路系统，替代各种实际物理对象。
自动控制原理实验报告
《自动控制原理》 实验报告 姓名： 学号： 专业： 班级： 时段： 成绩： 工学院自动化系
实验一 典型环节的MATLAB 仿真 一、实验目的 1．熟悉MATLAB 桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK 功能模块的使用方法。 2．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应曲线的理解。 3．定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、实验原理 1．比例环节的传递函数为 K R K R R R Z Z s G 200,1002)(211 212==-=-=- = 其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-3所示。 三、实验内容 按下列各典型环节的传递函数，建立相应的SIMULINK 仿真模型，观察并记录其单位阶跃响应波形。 ① 比例环节1)(1=s G 和2)(1=s G ； ② 惯性环节11)(1+= s s G 和1 5.01 )(2+=s s G ③ 积分环节s s G 1)(1= ④ 微分环节s s G =)(1 ⑤ 比例+微分环节（PD ）2)(1+=s s G 和1)(2+=s s G ⑥ 比例+积分环节（PI ）s s G 11)(1+=和s s G 211)(2+= 四、实验结果及分析 图1-3 比例环节的模拟电路及SIMULINK 图形
① 仿真模型及波形图1)(1=s G 和2)(1=s G ② 仿真模型及波形图11)(1+= s s G 和1 5.01)(2+=s s G 11)(1+= s s G 1 5.01 )(2+=s s G ③ 积分环节s s G 1)(1= ④ 微分环节
《自动控制原理》实验指导书
自动控制原理实验指导书 池州学院 机械与电子工程系
目录 实验一、典型线性环节的模拟 (1) 实验二、二阶系统的阶跃响应 (5) 实验三、根轨迹实验 (7) 实验四、频率特性实验 (10) 实验五、控制系统设计与校正实验 ......................................... 错误！未定义书签。实验六、控制系统设计与校正计算机仿真实验...................... 错误！未定义书签。实验七、采样控制系统实验 ..................................................... 错误！未定义书签。实验八、典型非线性环节模拟 ................................................. 错误！未定义书签。实验九、非线性控制系统分析 ................................................. 错误！未定义书签。实验十、非线性系统的相平面法 ............................................. 错误！未定义书签。
实验一、典型线性环节的模拟 一、实验目的： 1、学习典型线性环节的模拟方法。 2、研究电阻、电容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。 二、实验设备： 1、XMN-2型实验箱； 2、LZ2系列函数记录仪； 3、万用表。 三、实验内容： 1、比例环节： r(t) 方块图模拟电路 图中： i f P R R K= 分别求取R i=1M，R f=510K，（K P=0.5）； R i=1M，R f=1M，（K P=1）； R i=510K，R f=1M，（K P=2）； 时的阶跃响应曲线。 2、积分环节： r(t) 方块图模拟电路图中：T i=R i C f 分别求取R i=1M，C f=1μ，（T i=1s）； R i=1M，C f=4.7μ，（T i=4.7s）；）；
自动化控制实验报告(DOC 43页)
自动化控制实验报告(DOC 43页)
本科生实验报告 实验课程自动控制原理 学院名称 专业名称电气工程及其自动化 学生姓名 学生学号2013 指导教师 实验地点6C901 实验成绩 二〇一五年四月——二〇一五年五月
线性系统的时域分析 实验一（3.1.1）典型环节的模拟研究 一. 实验目的 1． 了解和掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式 2． 观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响 二．典型环节的结构图及传递函数 方 框 图 传递函数 比例 （P ） K (S) U (S) U (S)G i O == 积分 （I ） TS 1 (S)U (S)U (S)G i O == 比例积分 （PI ） )TS 1 1(K (S)U (S)U (S)G i O +== 比例微分 （PD ） )TS 1(K (S) U (S) U (S)G i O +== 惯性 TS 1K (S)U (S)U (S)G i O += =
环节 （T） 比例 积分 微分 （PI D） S T K S T K K (S) U (S) U (S) G d p i p p i O + + = = 三．实验内容及步骤 观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响.。 改变被测环节的各项电路参数，画出模拟电路图，阶跃响应曲线，观测结果，填入实验报告 运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。具体用法参见用户手册中的示波器部分。1)．观察比例环节的阶跃响应曲线 典型比例环节模拟电路如图3-1-1所示。 图3-1-1 典型比例环节模拟电路 传递函数： 1 (S) (S) (S) R R K K U U G i O= = = ；单位阶跃响应：
《自动控制理论》讲稿(完整版)
《自动控制理论》讲稿
自动控制原理是自动化类专业基础课，是自动控制技术的基础，是研究自动控制共同规律的技术科学。 自动控制理论可分为自动控制原理（经典控制理论）和现代控制理论。开始主要用于研究工程技术领域的自动控制问题，现已将其应用范围扩展工程领域，如应用到经济学、生物医学、社会学、生产管理等领域。自动控制理论已成为普遍使用的基础理论。 我们本学期介绍的自动控制原理是自动控制技术基础的基础，计划授课85学时，其中10学时用于实验。 参考书： 《自动控制原理》，天大、技师、理工合编，天津大学出版社; 《自动控理论》，两航一校合编，国防工业出版社; 《现代控制工程》，（日），绪方胜彦，科出版社; 《自动控制系统》，（美），本杰明，水利电力出版社; 《线性系统理论》 《反馈控制理论》 自动控制理论：经典控制理论（自控原理） 现代控制理论 自动控制理论的划分是以控制理论发展的不同阶段人为归纳为： 建立在时域法、频率法和根轨迹法基础上的经典控制理论和建立在状态空间法基础上的现代控制理论。 经典控制理论：主要研究单输入、单输出（SISO）线性定常系统的分析和设计问题。其基本方法是采用描述输入-输出关系的传递函数为基础，包括：时域法、频域法、根轨迹法、相平面法等，工具：乃氏曲线，伯德图，尼氏图，根轨迹等曲线。现代控制理论：主要研究具有多输入-多输出系统（MIMO）、变参数系统的分析和设计问题。基本方法是：采用描述系统内部特征的状态空间的方法，更多的采用计算机作为其工具。 自动控制原理包括下列内容： 第一章：控制理论的基本概念，开、闭环，分类 第二章：数学模型即：描述系统运动状态的数学表达式——微分方程、传递函数、结构图信、号流程图第三章时域分析法：动态性能、静态性能、一二阶系统分析 第四章根轨迹分析法：常规根轨迹、特殊根轨迹 第五章频域分析法：频率特性、频域指标、频域分析 第六章系统综合与校正 第七章非线性系统与分析 第八章采样控制系 学习要求： 1.掌握自动控制系统的一般概念及其组成与分类； 2.掌握控制系统的基本性能要求。 教学内容： §1-1 概述 §1-2 自动控制的基本方式 §1-3 自动控制系统的类型 §1-4 本章小结 §1-5 思考题与习题
《自动控制原理 》实验讲义
《自动控制原理》 实验讲义 目录 实验一典型环节的时域响应 (2) 实验二典型系统的时域响应和稳定性分析 (12) 实验三线性系统的频域响应分析 (17) 实验四线性系统的校正 (23) 实验五线性系统的根轨迹分析 (26) 安徽大学电气工程与自动化学院 2010年9月 张媛媛编写
实验一典型环节的时域响应 时域分析法是在时间域内研究控制系统在各种典型信号的作用下系统响应（或输出）随时间变化规律的方法。因为它是直接在时间域中对系统进行分析的方法，所以具有直观、准确的优点，并且可以提供系统响应的全部信息。下面就实验中将要遇到的一些概念做以简单介绍： 1、稳态分量和暂态分量：对于任何一个控制系统来说，它的微分方程的解，总是包括两部分：暂态分量和稳态分量。稳态分量反映了系统的稳态指标或误差,而暂态分量则提供了系统在过渡过程中的各项动态性能信息。 2、稳态性能和暂态性能：稳态性能是指稳态误差，通常是在阶跃函数、斜坡函数或加速度函数作用下进行测定或计算的。若时间趋于无穷时，系统的输出量不等于输入量或输入量的确定函数，则系统存在稳态误差。稳态误差是对系统控制精度或抗扰动能力的一种度量。暂态性能又称动态性能，指稳定系统在单位阶跃函数作用下，动态过程随时间t的变化规律的指标。其动态性能指标通常为： ? 延迟时间td：指响应曲线第一次达到其终值一半所需的时间。 ? 上升时间tr：指响应从终值10％上升到终值90％所需的时间。对于有振荡的系统，亦可定义为响应从第一次上升到终值所需的时间。上升时间是系统响应速度的一种度量，上升时间越短，响应速度越快。 ? 峰值时间tp：指响应超过其终值到达第一个峰值所需的时间。 ? 调节时间ts：指响应到达并保持在终值±5％或±2％内所需的时间。 ? 超调量δ％：指响应的最大偏离量 h (tp) 与终值h (∞) 之差的百分比。 上述五个动态性能指标基本上可以体现系统动态过程的特征。在实际应用中，常用的动态性能指标多为上升时间、调节时间和超调量。通常，用tr或tp评价系统的响应速度；用δ％评价系统的阻尼程度；而ts是反映系统响应振荡衰减的速度和阻尼程度的综合性能指标。应当指出，除简单的一、二阶系统外，要精确确定这些动态性能指标的解析表达式是很困难的。本章通过对典型环节、典型系统的时域特性的实验研究来加深对以上概念的认识和理解。 1.1 典型环节的时域响应 1.1 实验目的 1．熟悉并掌握TD-ACC+设备的使用方法及各典型环节模拟电路的构成方法。 2．熟悉各种典型环节的理想阶跃响应曲线和实际阶跃响应曲线。对比差异、分析原因。 3．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。 1.2 实验设备 PC机一台，TD-ACC实验系统一套。 1.3 实验原理及内容
自动控制原理实验1-6
实验一MATLAB 仿真基础 一、实验目的： （1）熟悉MATLAB 实验环境，掌握MATLAB 命令窗口的基本操作。 （2）掌握MATLAB 建立控制系统数学模型的命令及模型相互转换的方法。 （3）掌握使用MATLAB 命令化简模型基本连接的方法。 （4）学会使用Simulink 模型结构图化简复杂控制系统模型的方法。 二、实验设备和仪器 1．计算机；2. MATLAB 软件 三、实验原理 函数tf ( ) 来建立控制系统的传递函数模型，用函数printsys ( ) 来输出控制系统的函数，用函数命令zpk ( ) 来建立系统的零极点增益模型，其函数调用格式为：sys = zpk ( z, p, k )零极点模型转换为多项式模型[num , den] = zp2tf ( z, p, k ) 多项式模型转化为零极点模型 [z , p , k] = tf2zp ( num, den ) 两个环节反馈连接后，其等效传递函数可用feedback ( ) 函数求得。 则feedback （）函数调用格式为： sys = feedback （sys1, sys2, sign ） 其中sign 是反馈极性，sign 缺省时，默认为负反馈，sign ＝-1；正反馈时，sign ＝1；单位反馈时，sys2＝1，且不能省略。 四、实验内容： 1.已知系统传递函数，建立传递函数模型 2.已知系统传递函数，建立零极点增益模型 3．将多项式模型转化为零极点模型 1 2s 2s s 3s (s)23++++=G )12()1()76()2(5)(332 2++++++= s s s s s s s s G 12s 2s s 3s (s)23++++= G )12()1()76()2(5)(3322++++++=s s s s s s s s G
自动控制原理实验报告
实验报告 课程名称：自动控制原理 实验项目：典型环节的时域相应 实验地点：自动控制实验室 实验日期：2017 年 3 月22 日 指导教师：乔学工 实验一典型环节的时域特性 一、实验目的 1.熟悉并掌握TDN-ACC+设备的使用方法及各典型环节模拟电路的构成方法。
2.熟悉各种典型环节的理想阶跃相应曲线和实际阶跃响应曲线。对比差异，分析原因。 3.了解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+(或TD-ACS)实验系统一套。 三、实验原理及内容 下面列出各典型环节的方框图、传递函数、模拟电路图、阶跃响应，实验前应熟悉了解。 1．比例环节 (P) (1)方框图 (2)传递函数： K S Ui S Uo =) () ( (3)阶跃响应：) 0()(≥=t K t U O 其中 01/R R K = (4)模拟电路图： (5) 理想与实际阶跃响应对照曲线： ① 取R0 = 200K ；R1 = 100K 。 ② 取R0 = 200K ；R1 = 200K 。
2．积分环节 (I) (1)方框图 (2)传递函数： TS S Ui S Uo 1 )()(= (3)阶跃响应： ) 0(1)(≥= t t T t Uo 其中 C R T 0= (4)模拟电路图 (5) 理想与实际阶跃响应曲线对照： ① 取R0 = 200K ；C = 1uF 。 ② 取R0 = 200K ；C = 2uF 。
1 Uo 0t Ui(t) Uo(t) 理想阶跃响应曲线 0.4s 1 Uo 0t Ui(t) Uo(t) 实测阶跃响应曲线 0.4s 10V 无穷 3．比例积分环节 (PI) (1)方框图： (2)传递函数： (3)阶跃响应： (4)模拟电路图： (5)理想与实际阶跃响应曲线对照： ①取 R0 = R1 = 200K；C = 1uF。 理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线 ②取 R0=R1=200K；C=2uF。 K 1 + U i(S)+ U o(S) + Uo 10V U o(t) 2 U i(t ) 0 0 .2s t Uo 无穷 U o(t) 2 U i(t ) 0 0 .2s t
自动控制理论实验指导书
《自动控制理论》实验指导书
目录 《自动控制原理》实验须知 (3) 一、仪器简介 (3) 二、预习及预习报告 (6) 三、实验及实验报告 (6) 实验一典型环节及其阶跃响应 (7) 实验二控制系统的瞬态响应 (12) 实验三控制系统的稳定性分析 (14) 实验四系统的频率特性测量 (16) 实验五连续系统的串联校正 (19)
《自动控制原理》实验须知 一、仪器简介 本课程实验的仪器主要为爱迪克labACT自控/计控原理教学实验系统。 (一) 构成 labACT自控/计控原理实验机由以下七个模块组成： 1．自动控制原理实验模块 2．计算机控制原理实验模块 3．信号源模块 4．控制对象模块 5．虚拟示波器模块 6．控制对象输入显示模块 7．CPU控制模块 各模块相互交联关系框图见图1-1-1所示： 图1-1-1 各模块相互交联关系框图 自动控制原理实验模块由模拟运算单元及模拟运算扩充库组成，这些模拟运算单元的输入回路和反馈回路上配有多个各种参数的电阻、电容，因此可以完成各种自动控制模拟运算。例如构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例微分环节，PID环节和典型的二阶、三阶系统等。利用本实验机所提供的多种信号源输入到模拟运算单元中去，再使用本实验机提供的虚拟示波器界面可观察和分析各种自动控制实验的响应曲线。 主实验板外形尺寸为35厘米×47厘米，主实验板的布置简图见图1-1-2所示。
根据功能本实验机划分了各种实验区均在主实验板上。实验区组成见表1-1-1。
表1-1-1 实验区组成 (二 1）虚拟示波器的显示方式 为了满足自动控制不同实验的要求我们提供了示波器的四种显示方式。 （1）示波器的时域显示方式 （2）示波器的相平面显示（X-Y）方式 （3）示波器的频率特性显示方式有对数幅频特性显示、对数相频特性显示（伯德图），幅相特性显示方式（奈奎斯特图），时域分析（弧度）显示方式。 (4) 示波器的计算机控制显示方式 2）虚拟示波器的设置 用户可以根据不同的要求选择不同的示波器，具体设置方法如下： (1)示波器的一般用法：运行LABACT程序，选择‘工具’栏中的‘单迹示波器’项或‘双迹示波器’
自动控制原理_实验2(1)
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。 3．熟练掌握系统的稳定性的判断方法。 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： 25 425)()(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：
北航自动控制原理实验报告(完整版)
自动控制原理实验报告 一、实验名称：一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试 二、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 三、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时的响应曲线，测定过渡过程时间T s 2、建立二阶系统电子模型，观测并记录不同阻尼比的响应曲线，并测定超调量及过渡过程时间T s 四、实验原理及实验数据 一阶系统 系统传递函数： 由电路图可得，取则K=1，T分别取：0.25, 0.5, 1 T 0.25 0.50 1.00 R2 0.25MΩ0.5M Ω1MΩ C 1μ1μ1μ T S 实测0.7930 1.5160 3.1050 T S 理论0.7473 1.4962 2.9927 阶跃响应曲线图1.1 图1.2 图1.3 误差计算与分析 （1）当T=0.25时，误差==6.12%； （2）当T=0.5时，误差==1.32%； （3）当T=1时，误差==3.58% 误差分析：由于T决定响应参数，而,在实验中R、C的取值上可能存在一定误差，另外，导线的连接上也存在一些误差以及干扰，使实验结果与理论值之间存在一定误差。但是本实验误差在较小范围内，响应曲线也反映了预期要求，所以本实验基本得到了预期结果。 实验结果说明 由本实验结果可看出，一阶系统阶跃响应是单调上升的指数曲线，特征有T确定，T越小，过度过程进行得越快，系统的快速性越好。 二阶系统 图1.1 图1.2 图1.3
系统传递函数： 令 二阶系统模拟线路 0.25 0.50 1.00 R4 210.5 C2 111 实测45.8% 16.9% 0.6% 理论44.5% 16.3% 0% T S实测13.9860 5.4895 4.8480 T S理论14.0065 5.3066 4.8243 阶跃响应曲线图2.1 图2.2 图2.3 注：T s理论根据matlab命令[os,ts,tr]=stepspecs(time,output,output(end),5)得出，否则误差较大。 误差计算及分析 1）当ξ=0.25时，超调量的相对误差= 调节时间的相对误差= 2）当ξ=0.5时，超调量的相对误差==3.7% 调节时间的相对误差==3.4% 4）当ξ=1时，超调量的绝对误差= 调节时间的相对误差==3.46% 误差分析：由于本试验中，用的参量比较多，有R1,R2,R3,R4;C1,C2;在它们的取值的实际调节中不免出现一些误差，误差再累加，导致最终结果出现了比较大的误差，另外，此实验用的导线要多一点，干扰和导线的传到误差也给实验结果造成了一定误差。但是在观察响应曲线方面，这些误差并不影响，这些曲线仍旧体现了它们本身应具有的特点，通过比较它们完全能够了解阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系，不影响预期的效果。 实验结果说明 由本实验可以看出，当ωn一定时，超调量随着ξ的增加而减小，直到ξ达到某个值时没有了超调；而调节时间随ξ的增大，先减小，直到ξ达到某个值后又增大了。 经理论计算可知，当ξ=0.707时，调节时间最短，而此时的超调量也小于5%，此时的ξ为最佳阻尼比。此实验的ξ分布在0.707两侧，体现了超调量和调节时间随ξ的变化而变化的过程，达到了预期的效果。 图2.2 图2.1 图2.3
自动控制理论学习资料
1.传递函数是一种反映输入与输出关系的数学模型，与（ ）无关。 A 、输入量形式 B 、系统元件结构 C 、系统元件参数 D 、系统特性 2．一阶系统时间常数T 与输出响应调节时间之间关系的为（ ）。 A 、时间常数越大，调节时间越小 B 、时间常数不影响调节时间 C 、 时间常数越小，调节时间越小 D 、时间常数与调节时间无关 3．开环传递函数为 ） ）（（1151 2 ++S S S 的系统，其系统型别为（ ）。 A 、0 B 、1 C 、2 D 、3 4．设单位负反馈系统前向通道传递函数为） （11 +s s ，则闭环传递函数为 （ ）。 A 、）（11+s s B 、1-12s s + C 、1 1 2++s s D 、）（112+++s s s s 5．如果闭环极点全部位于左半复平面，则系统存在（ ）。 A 、开环系统不稳定 B 、开环系统稳定 C 、闭环系统不稳定 D 、闭环系统稳定 6．一阶制系统2 1 )(+= S S φ，在阶跃信号作用下输出值进入到2%稳态误差带的时间s t 为（ ）。 A 、3s B 、2s C 、 1.5s D 、 1s 7．在二阶系统中，引入比例微分环节改善系统稳定性，主要使系统（ ）。 A 、固有频率减小 B 、固有频率增加 C 、阻尼比减小 D 、阻尼比增加 8．某1型开环系统，其对数幅频渐近特性曲线在低频段的斜率应为（ ）。 A 、-20 dB/dec B 、0dB/dec C 、20 dB/dec D 、-40 dB/dec 9．对Ⅰ型单位反馈系统，在单位阶跃输入作用下的稳态误差为（ ）。 A 、1/（1+K ） B 、1/K C 、∞ D 、0 10 若系统的幅值裕度分贝值为零，那么其相角裕度应为（ ）。 A 、γ=-1800 B 、γ=00 C 、γ=450 D 、γ=1800 11．一个最小相位的开环系统，其幅相曲线不包围（-1，j0）点，则闭环系统（ ）。 A 、稳定 B 、不稳定 C 、稳定性不确定 D 、有可能稳定 12.通过提高系统的开环增益，能够（ ）。 A 、提高系统稳定性 B 、提高系统快速性 C 、减小系统稳态误差 D 、有可能稳定 13. 对于二阶系统，当存在ξ=0情况时，系统时域响应为（ ）。 A 、等幅振荡过程 B 、非周期过程
《自动控制原理》实验指导书
《自动控制原理》实验指导书梅雪罗益民袁启昌许必熙 南京工业大学自动化学院
目录 实验一典型环节的模拟研究--------------------------1 实验二典型系统时域响应和稳定性-------------------10 实验三应用MATLAB进行控制系统根轨迹分析----------15 实验四应用MATLAB进行控制系统频域分析------------17 实验五控制系统校正装置设计与仿真-----------------19 实验六线性系统校正-------------------------------22 实验七线性系统的频率响应分析---------------------26 附录：TDN—ACP自动控制原理教学实验箱简介----------31
实验一 典型环节的模拟研究 一． 实验目的 1．熟悉并掌握TD-ACC + 设备的使用方法及各典型环节模拟电路的构成方法。 2．熟悉各种典型环节的理想阶跃响应曲线和实际阶跃响应曲线。对比差异、分析原因。 3．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。 二．实验内容 下面列出各典型环节的方框图、传递函数、模拟电路图、阶跃响应，实验前应熟悉了解。 1．比例环节 (P) A 方框图：如图1.1-1所示。 图1.1-1 B 传递函数： K S Ui S Uo =) () ( C 阶跃响应：) 0()(≥=t K t U O 其中 01/R R K = D 模拟电路图：如图1.1-2所示。 图1.1-2 注意：图中运算放大器的正相输入端已经对地接了100K 的电阻，实验中不需要再接。以 后的实验中用到的运放也如此。 E 理想与实际阶跃响应对照曲线： ① 取R0 = 200K ；R1 = 100K 。
自动控制原理实验一
《自动控制原理》MATLAB仿真实验控制系统理论、计算方法与计算机技术的结合是当代控制理论发展的标志，因此在以MATLAB为代表的软件平台上，对控制系统进行分析、设计与仿真就成了控制工程师必须熟练掌握的重要知识与技能。 控制系统CAD及仿真是建立在古典控制理论、现代控制理论、计算方法、计算机技术等多方面知识上的综合性学科，是一门综合性与实践性较强的专业课，目前已成为自动化学科重要的研究分支，灵活地掌握与运用它有助于我们深刻理解已学过的有关课程内容，为今后从事控制系统领域的研究与开发工作提供坚实的基础。 本书是编者们对教学、实验与科研工作的总结，并在借鉴国内外控制领域专家、学者研究成果的基础上编写而成的。在内容编排上具有如下几方面的特点： 1、将MATLAB的使用方法和程序设计以简练的篇幅进行介绍，使得直接、快速地了解和掌握MATLAB软件平台成为可能，并采用由浅到深，由易到难逐步深入的方式对控制系统应用MATLAB软件进行刻化； 2、在已学习的古典与现代控制理论的基础上，介绍在MATLAB软件平台上对系统进行分析和设计的方法； 3、重点介绍目前控制系统仿真技术中状态空间法和Simulink仿真的主要思想，达到学以致用的效果； 4、所有的实验、习题都经过精心选择，书中所有的用MATLAB描述的程序都经过严格的上机调试，保证所写程序的可用性，是本书的最重要的特色。
准备工作 熟悉MATLAB的仿真实验环境 一、实验目的 1．学习了解MATLAB的仿真实验环境 2．练习MATLAB命令的基本操作； 3．练习MATLAB的m文件的基本操作。 二、实验步骤 1．学习了解MATLAB仿真实验环境 开机执行程序进入MATLAB环境 在命令提示符位置键入下述命令： help 显示MATLAB的功能目录．并浏览内容。 intro 显示MATLAB语言的基本介绍，如矩阵输人、数值激位计算、曲线绘图等，阅读命令平台上的注释，内容，以尽快MATLAB函数的应用方法。内容，以尽快了解毗LAn函数的应用方法。 help heLp 显示联机帮助查阅功能(要求用中文作简要记录)。 info 显示工具箱中各种工具箱组件信息和开发商的联络信息； demo MATLAB的各种功能演水。 help control 阅读控制系统工具箱命令清单，阅读如下命令的帮助文件内容： help step help impule help cloop help printsys 2.练习MATLAB命令的基本操作 键人常数矩阵输人命令 a＝[1 2 3]与a＝[1；2；3] 记录结果，比较显示结果有何不同、 b＝[1 2 5]与b=[l 2 5]; 记录结果，比较显示结果有何不同! a a’ b b’ 记录结果，比较变量加“'”后的区别。
西安交大自动控制原理实验报告
自动控制原理实验报告 学院： 班级： 姓名： 学号：
西安交通大学实验报告 课程自动控制原理实验日期2014 年12月22 日专业班号交报告日期 2014 年 12月27日姓名学号 实验五直流电机转速控制系统设计 一、实验设备 1.硬件平台——NI ELVIS 2.软件工具——LabVIEW 二、实验任务 1.使用NI ELVIS可变电源提供的电源能力，驱动直流马达旋转，并通过改变电压改变 其运行速度； 2.通过光电开关测量马达转速； 3.通过编程将可变电源所控制的马达和转速计整合在一起，基于计算机实现一个转速自 动控制系统。 三、实验步骤 任务一：通过可变电源控制马达旋转 任务二：通过光电开关测量马达转速 任务三：通过程序自动调整电源电压，从而逼近设定转速
编程思路：PID控制器输入SP为期望转速输出，PV为实际测量得到的电机转速，MV为PID输出控制电压。其中SP由前面板输入；PV通过光电开关测量马达转速得到；将PID 的输出控制电压接到“可变电源控制马达旋转”模块的电压输入控制端，控制可变电源产生所需的直流电机控制电压。通过不断地检测马达转速与期望值对比产生偏差，通过PID控制器产生控制信号，达到直流电机转速的负反馈控制。 PID参数：比例增益：0.0023 积分时间：0.010 微分时间：0.006 采样率和待读取采样：采样率：500kS/s 待读取采样：500 启动死区：电机刚上电时，速度为0，脉冲周期测量为0，脉冲频率测量为无限大。通过设定转速的“虚拟下限”解决。本实验电机转速最大为600r/min。故可将其上限值设为600r/min，超过上限时，转速的虚拟下限设为200r/min。 改进：利用LabVIEW中的移位寄存器对转速测量值取滑动平均。
自动控制实验讲义_
自动控制原理实验讲义 郭烜 内蒙古民族大学物理与电子信息学院 信息与自动化技术教研室 2018年8月 目录 绪论 第一章自动控制原理实验 实验一 MATLAB软件和THDAQ虚拟实验设备的使用 实验二控制系统的单位阶跃响应 实验三高阶系统的时域动态性能和稳定性研究
实验四线性系统的根轨迹 实验五线性系统的频域分析 实验六线性系统校正与PID控制器设计 第二章自动控制原理模拟实验环境简介 第一节 MATLAB软件系统与Simulink仿真工具 第二节 CZ-AC型自动控制原理实验箱与THDAQ虚拟实验设备 绪论 《自动控制原理》是电子信息专业的专业基础课程，自动控制原理实验课程是一门理论验证型实验课程，结合自动控制理论课开设了一系列相应的实验，使学生理论与实践结合，更好的掌握控制理论。通过实验，学生可以了解典型环节的特性，模拟方法及控制系统分析与校正方法，掌握离散控制系统组成原理，调试方法；使学生加深对控制理论的理解和认识，同时有助于培养学生分析问题和解决问题的工程综合能力，拓宽学生的专业面和知识面，为以后的深入学习与工作打下良好的扎实的基础。
第一章自动控制原理实验 实验一MATLAB软件与THDAQ虚拟实验设备的使用 一、实验目的 1. 学习MATLAB软件、动态仿真环境Simulink以及THDAQ虚拟实验设备的正确使用方法。 2. 掌握建立控制系统数学模型的初步方法。 二、实验设备 计算机、MATLAB软件、CZ-AC型自动控制原理实验箱、THDAQ虚拟实验设备、万用表 三、实验内容及原理 1. MA TLAB基本运算 见第二章1.4节： MA TLAB基本运算 2. 用MATLAB建立控制系统数学模型 控制系统常用的三种数学模型： <1>传递函数模型(多项式模型> 用函数tf(>建立控制系统传递函数模型： 命令调用格式：sys=tf(num, den> 或 printsys(num, den> 也可以用多项式乘法函数conv(>输入num/den 如：， num=5*conv(conv([1,2],[1,2]>,[1,6,7]> <2>零极点模型 调用格式：z=[z1,z2,…,z m]。 p=[p1,p2,…,p n]。 k=[k]。 sys=zpk(z, p, k> <3>部分分式展开式模型 调用格式：[r, p, k]=residue(num, den> 3. 用Simulink建立系统模型 点击MATLAB命令窗口菜单“File”下“New”子菜单下“Model”命令打开扩展名为“.mdl”的模型文件，或在MATLAB命令窗口输入命令“simulink”，选定模块拖到模型设计窗口，单击模块的输入或输出端，当光标变成十字时，拖到目标模块的输出或输入端口，当光标变成双十字时，松开鼠标，形成连接信号线。 4. 用CZ-AC型实验箱构建典型环节的模拟电路 比例环节：，图中：K P= R f/R i
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。 ②将模拟电路输入端(U i)与方波信号的输出端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。改变参数，重新观测结果。 实验数据 实验结论及分析
自动控制原理复习资料——卢京潮版第二章
第二章：控制系统的数学模型 § 引言 ·系统数学模型－描述系统输入、输出及系统内部变量之间关系的数学表达式。 ·建模方法? ??实验法（辩识法）机理分析法 ·本章所讲的模型形式?? ?复域：传递函数 时域：微分方程 §控制系统时域数学模型 1、 线性元部件、系统微分方程的建立 （1）L-R-C 网络 11c c c r R u u u u L LC LC '''∴++= ── 2阶线性定常微分方程 （2）弹簧—阻尼器机械位移系统 分析A 、B 点受力情况 由 A 1A i 1x k )x x (k =- 解出01 2 i A x k k x x - = 代入B 等式：02001 2 i x k )x x k k x f(=-- &&& 得：()i 1021021x fk x k k x k k f &&=++ ── 一阶线性定常微分方程 （3）电枢控制式直流电动机 电枢回路：b a E i R u +?=┈克希霍夫 电枢及电势：m e b C E ω?=┈楞次 电磁力矩：i C M m m ?=┈安培
力矩方程：m m m m m M f J =+?ωω& ┈牛顿 变量关系：m m b a M E i u ω- --- 消去中间变量有： （4）X-Y 记录仪（不加内电路） 消去中间变量得： a m 321m 4321m u k k k k k k k k k T =++l l l &&&─二阶线性定常微分方程 即：a m m 321m m 4321m u T k k k k l T k k k k k l T 1l =++&&& 2、 线性系统特性──满足齐次性、可加性 ● 线性系统便于分析研究。 ● 在实际工程问题中，应尽量将问题化到线性系统范围内研究。 ● 非线性元部件微分方程的线性化。 例：某元件输入输出关系如下，导出在工作点0α处的线性化增量方程 解：在0αα=处线性化展开，只取线性项： 令 ()()0y -y y αα=? 得 αα??-=?00sin E y 3、 用拉氏变换解微分方程 a u l l l 222=++&&& （初条件为0） 复习拉普拉斯变换的有关内容
天津大学自动控制理论实验讲义
自动控制理论实验讲义 天津大学自动化学院 2004
实验一 自动控制系统的模拟分析 一. 实验目的： 1. 学习应用运算放大器线性组件模拟自动控制系统的方法。了解应用模拟的方法分析自动控制系统的原理。 2. 通过实验，验证线性自动控制系统中： 1) 系统开环增益和系统动态性能的关系。 2) 各组成环节的时间常数的分布对系统的动态性能的影响。 3) 增加开环极点或开环零点对系统的动态性能的影响。 二. 实验内容： 1. 应用运算放大器模拟惯性环节（图1-1） ()1K G s Ts =+，其中1,x o R K T R C R =-=(秒 ) 观察输入讯号u r 为阶跃函数时的输出电压u c 的过渡过程曲线。 2. 按照图1-2系统，当K 分别等于0.5、2、4时，输入电压u r 为阶跃函数，由示波器上描绘系统的过渡过程曲线，并响应读出超调量6%，峰值时间t p 及调节时间t s 。 图1-2 3. 改变线路为图1-3所示系统，记录当错开时间常数之后的过渡过程，与2中同样放大倍数(K)时的系统的过渡过程进行比较。 图1-3 4. 改接线路如图1-4所示系统，系统增加一个开环极点，记录其相应的过渡过程。 图1-4
5. 改接线路为图1-5所示之系统，记录增加零点的系统过渡过程。τ值分别 为0.05，0.1，0.2，其中比例-积分环节的模拟线路，可采用图1-6的线路，其传递函数为： 121212 0()(1)G s s k R R C R R R R k R ττ=+?= ++=(秒) 图 1-5 6. 观察比例-微分环节输出的过渡过程曲线。 三．预习报告内容： 1. 画出所有进行试验的系统的模拟图，如图1-7中k=0.5时，应画出如下的 模拟图，图中应标明相应的参数。 2. 用时域方法求出图1-2中所对应系统的动态品质，求出相应的E ，ωn ，t p ， t s 和σ%。