自动控制原理实验报告-电机建模
自动控制原理实验报告(一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试等三个实验)
自动控制原理实验报告作者姓名学科专业机械工程及自动化班级学号X X年10月27日实验一一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试一、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。
二、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时的跃响应曲线,并测定其过渡过程时间TS。
2、建立二阶系统的电子模型,观测并记录在不同阻尼比ζ时的跃响应曲线,并测定其超调量σ%及过渡过程时间TS。
三、实验原理1、一阶系统阶跃响应性能指标的测试系统的传递函数为:()s()1C s KR s Ts φ=+（）=模拟运算电路如下图:其中21R K R =,2T R C =;在实验中，始终保持21,R R =即1K =，通过调节2R 和C 的不同取值，使得T 的值分别为0.25,0.5,1。
记录实验数据，测量过度过程的性能指标，其中按照经验公式取3s t T=2、二阶系统阶跃响应性能指标的测试系统传递函数为：令ωn=1弧度/秒，则系统结构如下图：二阶系统的模拟电路图如下：在实验过程中，取22321,1R C R C ==，则442312R R C R ζ==，即4212R C ζ=；在实验当中取123121,1R R R M C C F μ===Ω==，通过调整4R 取不同的值，使得ζ分别为0.25,0.5,1；记录所测得的实验数据以及其性能指标，其中经验公式为3.5%100%,s net σζω=⨯=.四、试验设备：1、HHMN-1型电子模拟机一台。
2、PC机一台。
3、数字万用表一块。
4、导线若干。
五、实验步骤：1、熟悉电子模拟机的使用，将各运算放大器接成比例器，通电调零。
2、断开电源，按照实验说明书上的条件和要求，计算电阻和电容的取值，按照模拟线路图搭接线路，不用的运算放大器接成比例器。
3、将D/A输出端与系统输入端Ui连接，将A/D1与系统输出端UO连接(此处连接必须谨慎，不可接错)。
自动控制原理课程设计实验报告
目录0 绪论 (1)1系统分析和模型建立 (1)1.1 背景知识 (1)1.2 模型建立 (1)1.3性能指标分析 (2)1.3.1 典型的闭环频率特性 (2)1.3.2 二阶系统闭环幅频特性与时域指标的关系 (2)1.3.3 高阶闭环系统与二阶系统的关系 (3)2系统校正 (3)2.1 基于根轨迹法系统校正 (3)2.2 基于频率法的系统校正 (8)2.2.1 电流环校正分析 (8)2.2.2 速度环校正分析 (9)2.2.3 位置环校正分析 (11)2.2.4 前馈控制 (15)3系统仿真检验 (16)3.1 基于根轨迹法校正的系统仿真检验 (16)3.2 基于频率法校正的系统仿真检验 (18)3.3 饱和环节对输出的影响 (24)4电路实现 (27)4.1 比例放大环节电路实现 (27)4.2 串联超前校正装置的实现 (27)4.3 前馈校正装置的实现 (29)5总结 (31)5.1 设计总结 (31)5.2 心得体会 (31)0绪论直流电动机以其良好的控制特性得到了广泛的应用。
本次设计正是以直流电机为模型，基于控制系统常用的性能指标，提出合理的设计方案。
本次设计是对前边所学课程的综合应用，也是与工程实践相结合的一个良好范本。
本次设计，旨在加深对自动控制原理和元件等知识的深入理解，也为后继课程的学习奠定基础。
1系统分析和模型建立1.1背景知识标准直流电机控制系统的基本方框图如图1-1所示。
图1- 11.2模型建立根据题给条件，对参数进行求取。
其中转动惯量又由力矩系数，知反电势系数。
，，求得，。
则电机的模型如图1-2所示。
1图1- 21.3性能指标分析1.3.1典型的闭环频率特性对于典型的单位反馈闭环系统，闭环幅频特性具有以下特点：(1)若开环传递函数含有串联积分环节，则闭环幅频特性在处。
否则(2)在低频段，闭环幅频特性变化缓慢，比较平滑。
(3)随着增大，闭环幅频特性会出现谐振峰，谐振峰对应的角频率成为谐振频率。
电机控制系统的模型建立与参数优化研究
电机控制系统的模型建立与参数优化研究一、引言电机控制系统在工业自动化和机电一体化领域中具有广泛的应用，其中模型建立与参数优化是提高控制系统性能和效率的关键。
本文旨在研究电机控制系统的模型建立与参数优化方法，以提高电机系统的运行稳定性、精度和效能。
二、电机控制系统的模型建立1. 电机控制系统的组成电机控制系统主要由电机、控制器和传感器组成。
电机是被控对象，控制器根据传感器测得的反馈信号调整输出信号，使电机得以按照预定要求进行运动。
2. 电机控制系统的数学模型建立在建立电机控制系统的数学模型时，需要考虑电机的动态特性、惯性和摩擦等因素。
常用的建模方法有基于物理原理的动态模型、传递函数模型和状态空间模型。
根据具体应用需求和电机类型的不同，选择合适的模型建立方法。
3. 基于物理原理的动态模型建立基于物理原理的动态模型建立是一种常用的方法。
通过分析电机的结构、电磁场、转矩平衡等物理特性，建立电机的差分方程，从而得到电机控制系统的动态模型。
4. 传递函数模型建立传递函数模型建立是一种简化的数学模型。
通过对电机输入输出间的传递函数进行拟合和参数估计，得到电机控制系统的传递函数模型。
传递函数模型具有较好的可控性和可观测性。
5. 状态空间模型建立状态空间模型是一种基于状态变量描述的数学模型。
通过将电机控制系统的差分方程转化为矩阵形式，得到电机控制系统的状态空间模型。
状态空间模型具有较好的系统观测性和可控性，并且适用于多变量系统。
三、电机控制系统的参数优化1. 参数优化的重要性电机控制系统的参数优化能够提高系统性能、运行效率和稳定性。
合理选择和优化控制器参数可以使系统响应速度更快、抗干扰能力更强，并且在不同负载条件下能够实现更好的控制效果。
2. 参数优化方法常用的参数优化方法有传统的试验优化方法和现代优化算法。
- 试验优化方法：通过反复试验调整控制器参数，使系统性能达到满意的状态。
这种方法简单易行，但需要大量试验和调整，效率较低。
自动控制实验报告.
成绩北京航空航天大学自动控制原理实验报告学院机械工程及自动化学专业方向工业工程与制造班级110715学号********学生姓名吕龙指导教师自动控制与测试教学实验中心实验一一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试实验时间2013.10.30 实验编号同组同学无一、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。
二、实验内容1.建立一阶系统的电子模型，观测并记录不同时间常数T时的跃响应曲线，测定其过渡过程时间Ts。
2.建立二阶系统的电子模型，观测并记录不同阻尼比ζ时的跃响应曲线，测定其超调量σ%及过渡过程时间Ts。
三、实验原理1．一阶系统：系统传递函数为：模拟运算电路如图1-1所示：图1-1由图得：在实验当中始终取, 则,取不同的时间常数T分别为： 0.25、 0.5、1。
记录不同时间常数下阶跃响应曲线，测量纪录其过渡过程时 ts。
（取误差带）2．二阶系统:其传递函数为：令，则系统结构如图1-２所示：图1-2根据结构图，建立的二阶系统模拟线路如图1-３所示：图1-3取，，则及取不同的值, , ,观察并记录阶跃响应曲线，测量超调量σ%（取误差带）,计算过渡过程时间Ts。
四、实验设备1.HHMN-1型电子模拟机一台。
2.PC 机一台。
3.数字式万用表一块。
4.导线若干。
五、实验步骤1. 熟悉HHMN-1 型电子模拟机的使用方法，将各运算放大器接成比例器，通电调零。
2. 断开电源，按照实验说明书上的条件和要求，计算电阻和电容的取值，按照模拟线路图搭接线路，不用的运算放大器接成比例器。
3. 将与系统输入端连接，将与系统输出端连接。
线路接好后，经教师检查后再通电。
4.运行软件，分别获得理论和实际仿真的曲线。
5. 观察实验结果，记录实验数据，绘制实验结果图形，填写实验数据表格，完成实验报告。
六、实验结果1.一阶系统T 0.25 0.5 1R2/MΩ0.25 0.5 11 1 1实测值/s 0.76 1.55 3.03理论值/s 0.75 1.50 3.00响应曲线（1）T = 0.25:（2）T = 0.5:（3）T = 12.二阶系统0.25 0.5 1.0R4/MΩ 2 1 0.51 1 1实测40.5 16.0 0理论44.4 16.3 0 实测值/s 10.95 5.2 4.9理论值/s 14 7 4.7响应曲线（1）R4=2MΩ（2）R4=1MΩ（3）R4=0.5MΩ七、结果分析从得到的数据可以看出，不论是一阶还是二阶系统，实测值均与理论值有着或多或少的偏差。
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 s2、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, 1T 0.25 0.501.00 R 2 0.25M Ω 0.5M Ω 1M Ω C1μ1μ1μT S 实测 0.7930 1.5160 3.1050 TS 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，导线的连接上图1.1图1.2图1.3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。
二阶系统系统传递函数：令二阶系统模拟线路0.25 0.50 1.00 R 4210.5C 2111实测 45.8% 16.9% 0.6% 理论 44.5% 16.3% 0% T S 实测13.98605.48954.8480T 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。
自控实验——电机控制
目录一．设计内容 (3)二．熟悉环境 (3)三．建立传递函数 (5)四．仿真设计 (9)五．完整接线及调试 (13)六．实验总结 (18)一． 设计内容1、 任务要求（1） 给小型直流电机系统或球式磁悬浮系统,设计完整的闭环控制系统,采用极点配置的现代理论控制方式, 可以借助Simulink 软件设计控制器算法，使系统满足给定的性能指标。
（2） 系统要准确建模。
（3） 要实物框图，要有Simulink 仿真框图和设计计算。
（4） 实物当面验收和实验报告。
（5） 时间约１０个学时，即一周内完成。
2、 性能指标 （1） 无静态误差（2） 电机相应时间 < 0.3秒 （3） 磁悬浮响应时间 < 0.8秒 （4） 超调量 < 20%二． 熟悉环境1、 电机组（1） 电机的工作原理电磁力定律和电磁感应定律。
直流电动机利用电磁力定律产生力合转矩。
直流发电机利用电磁感应定律产生电势。
电动机包含三部分：固定的磁极、电枢、换向片和电刷。
只要维持电动机连续旋转，保证电磁转矩的方向不变，才能维持电动机不停地转动。
实现上述现象的方法是导体转换磁极时，导体的电流方向必须相应的改变。
而换向片和电刷就是实现转换电流方向的机械装置。
改变电刷A 、B 上电源的极性，也就改变了电机转动的方向。
这就是正转反转的原理 （2） 转矩平衡方程0()()()()()()()()()()()t a a e c a a a a a a dwT T T J em L dt T t K I t emE t K w t dw t T t J T t emdt dI t U t L R I t E t dt =++===+=++T em是电枢转子受到的电磁转矩，0T 是电机本身的阻转矩，T L 是电动机的负载转矩，dwJdt是负载折算到转子本身的转动惯量乘以转子的转速。
电机存在死区可以这样理解，死区主要由摩擦产生，开始时T em要克服0T 带来的转矩，所以电机在死区范围内，能量都消耗在阻力上。
自动控制原理实验报告分析
自动控制原理实验报告分析自动控制原理实验报告分析引言：自动控制原理是现代工程领域中的重要学科，它研究的是如何设计和实现能够自动调节和控制系统的方法和技术。
在本次实验中，我们通过搭建一个简单的控制系统，来深入了解自动控制原理的基本概念和应用。
实验目的：本次实验的主要目的是通过实际操作，掌握自动控制原理的基本原理和方法，包括PID控制器的调节和系统的稳定性分析。
实验过程：首先，我们搭建了一个简单的温度控制系统。
该系统由一个加热器、一个温度传感器和一个PID控制器组成。
我们通过调节PID控制器的参数，使得系统能够稳定地控制温度在一个设定值附近。
然后，我们进行了一系列的实验操作。
首先，我们调节了PID控制器的比例、积分和微分参数，观察系统的响应情况。
随后，我们分别增大和减小了设定温度值，观察系统的稳定性和响应速度。
最后，我们还对系统进行了干扰实验，通过给系统施加一个外部干扰，观察系统的抗干扰能力。
实验结果：通过实验，我们得到了一系列的实验结果。
首先，我们发现当PID控制器的比例参数过大时，系统会出现超调现象，温度会波动较大。
而当比例参数过小时，系统的响应速度会变慢，温度调节不及时。
接着，我们发现当积分参数过大时，系统会出现积分饱和现象，温度无法稳定。
而当积分参数过小时，系统的稳定性会变差，温度波动较大。
最后，我们发现当微分参数过大时，系统会对噪声产生较大的响应，温度调节不平稳。
而当微分参数过小时，系统的响应速度会变慢，温度调节不及时。
讨论与分析：通过对实验结果的分析，我们可以得出以下结论：PID控制器的参数调节对系统的稳定性和响应速度有着重要的影响。
比例参数决定了系统对误差的响应程度，积分参数决定了系统对误差的积累程度，微分参数决定了系统对误差变化率的响应程度。
因此，在实际应用中，我们需要根据系统的特点和要求，合理选择PID控制器的参数，以达到最佳的控制效果。
结论：通过本次实验，我们深入了解了自动控制原理的基本概念和应用。
自动控制原理实验报告MATHLAB建模.doc
自动控制原理实验报告学院：机电工程学院班级：姓名：学号：指导老师：实验一：在MATLAB中创建系统模型一、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。
二、实验过程：1.传递函数模型的建立1）多项式形式的传递函数①课本例2.23上机操作过程如下：②课本P62，习题2-3上机操作过程如下：2）零、极点形式的传递函数课本例2.24上机操作过程如下：3）分子、分母为因式乘积形式的传递函数课本例2.25上机操作过程如下：2.Simulink 建模①课本例题上机操作如下：设单位反馈系统的开环传递函数为：)1(1)(+=s s s G将其转换成Simulink 框图，输入为阶跃信号，它的Simulink 框图如下所示：② 比例环节1)(1=s G 和2)(1=s G 的SIMULINK 图形建模操作如下；比例环节1)(1=s G 的SIMULINK 图形如下图所示：比例环节2)(1=s G 的SIMULINK 图形3.课后练习用matlab求下列函数的拉氏变换（习题2-1），上机操作过程如图所示：实验二：在MATLAB中算特征根及绘制根轨迹图一、实验目的：1．掌握MATLAB下的根轨迹绘制方法；2．学会利用根轨迹进行系统分析。
二、实验过程：1）例3-21 试利用MATLAB函数求例3.1中k=2.k=20时系统的特征根，并分别判定稳定性。
上机操作过程如下：>> num=[2];den=conv([1 0],conv([0.1 1],[0.25 1]));g=tf(num,den);sys=feedback(g,1);>> pzmap(sys)p=pole(sys)p =-11.0314-1.4843 + 2.2470i-1.4843 - 2.2470i2）例3-22 二阶系统如图3.13所示，设Wn=1,试研究系统的单位阶跃响应与参数ξ的关系。
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实验六电机建模与控制
实验原理：
（1）电机建模原理
电枢控制式直流电机的转速-电压关系在忽略电枢电感和电阻的情况下可建模为一阶惯性环节：
G(s)=
K 1+Ts
该系统的阶跃响应为一条指数曲线
C(t)=Ke−t T
对该系统的建模可采用阶跃响应测量法、系统辨识方法和手动参数调节拟合法等。
①阶跃响应测量法：该系统单位阶跃响应的终值为K，而当C = 0.632K时，所经历时间恰等于0.8T。
因此可给电机加一阶跃电压输入，作出系统的阶跃响应曲线后，对图进行测量得到系统参数。
②系统辨识方法：给出特定输入后，根据系统响应和系统模型，利用系统辨识相关算法可实现对系统内部各参数的测量。
③手动参数拟合：画出理论模型的响应曲线，与实际系统响应比对，基于此调节参数，不断调节使理论相应与实际响应充分重合，即得到系统的模型。
（2）比例-微分和比例-积分控制器
这两类控制器的传递函数分别为K p + K d s和K p +K i
s
，常被串联进系统以改善系统的特性。
PD控制器利用微分项引入超前，增大系统的相位裕量进而改善系统动态性能，但对高频噪声的耐受减弱；PI控制器利用积分项，增大系统的无差度阶数，进而改善系统的稳态精度，但会导致响应变慢、甚至影响系统稳定性。
可利用校正后系统的阻尼系数和自然频率作为目标参数进行PI和PD控制器设计。
（3）电机速度和位置控制
对电机速度进行PI控制的系统框图如下：
假设目标阻尼系数为：，目标自然频率为：，则PI参数如下式所示。
对电机位置进行PD控制的系统框图如下：
假设目标阻尼系数为：，目标自然频率为：，则PD参数如下式所示。
实验记录：
1.电机建模
为电机控制板供电，与计算机连接。
（1）阶跃响应测量：设定电机输入电压为2V、3V和4V阶跃，启动电机，记录三次的转速响应图如下：
计算得到的电机模型参数如下表：
因此，电机模型参数测得为：
（2）系统辨识：设定电机输入电压为幅值3V，频率为0.5Hz的方波，运行辨识程序，识别得到的系统参数如下图：
（3）手动参数调节：设定输入电压为：启动电机，手动调节参数使理论模型响应与实际转速响应重合时，参数如下：
2.比例-积分控制电机转速
选定目标参数为：自然频率ωn= ，阻尼系数ζ = 。
对应设计出K p=,K i= ,T i= ，转速理论阶跃响应如下：
设置输入为频率XX、幅值XX、偏置XX的方波，启动电机，测得实际转速响应曲线如下：
3.比例-微分控制电机转角
选定目标参数为：自然频率ωn= ，阻尼系数ζ = 。
对应设计出K p=,K d= ，转速理论阶跃响应如下：
设置输入为频率XX、幅值XX、偏置XX的方波，启动电机，测得实际转速响应曲线如下：
若选定目标为过阻尼，则转角位置控制会出现稳态误差，如以下情形：
加入积分环节后，稳态误差改善：
分析与结论：
思考题：
Q：总结一阶系统阶跃响应的特点。
A：
Q：为什么有时无论如何调节比例系数，都无法使速度曲线在上下两个输入水平上都拟合得比较好？
A：曲线上升段是电机加速过程，而下降段是电机减速过程。
两过程中，系统的电路特性并不一定完全一致，最明显的区别在电机控制器的内部阻抗可能不同。