自动控制原理及系统仿真课程设计.
《自动控制原理》自动控制PID实验报告
《自动控制原理》自动控制PID实验报告课程名称自动控制原理实验类型：实验项目名称：自动控制PID一、实验目的和要求1、学习并掌握利用MATLAB 编程平台进行控制系统复数域和频率域仿真的方法。
2、通过仿真实验研究并总结PID 控制规律及参数对系统特性影响的规律。
3、实验研究并总结PID 控制规律及参数对系统根轨迹、频率特性影响的规律，并总结系统特定性能指标下根据根轨迹图、频率响应图选择PID 控制规律和参数的规则。
二、实验内容和原理一）任务设计如图所示系统，进行实验及仿真程序，研究在控制器分别采用比例（P）、比例积分（PI）、比例微分（PD）及比例积分微分（PID）控制规律和控制器参数（Kp、Ki、Kd）不同取值时，控制系统根轨迹和阶跃响应的变化，总结pid 控制规律及参数变化对系统性能、系统根轨迹、系统阶跃响应影响的规律。
具体实验容如下：1、比例（P）控制，设计参数Kp 使得系统处于过阻尼、临界阻尼、欠阻尼三种状态，并在根轨迹图上选择三种阻尼情况的Kp 值，同时绘制对应的阶跃响应曲线，确定三种情况下系统性能指标随参数Kp 的变化情况。
总结比例（P）控制的规律。
2、比例积分（PI）控制，设计参数Kp、Ki 使得由控制器引入的开环零点分别处于：1）被控对象两个极点的左侧；2）被控对象两个极点之间；3）被控对象两个极点的右侧（不进入右半平面）。
分别绘制三种情况下的根轨迹图，在根轨迹图上确定主导极点及控制器的相应参数；通过绘制对应的系统阶跃响应曲线，确定三种情况下系统性能指标随参数Kp 和Ki 的变化情况。
总结比例积分（PI）控制的规律。
3、比例微分（PD）控制，设计参数Kp、Kd 使得由控制器引入的开环零点分别处于：1）被控对象两个极点的左侧；2）被控对象两个极点之间；66 3）被控对象两个极点的右侧（不进入右半平面）。
分别绘制三种情况下的根轨迹图，在根轨迹图上确定控制器的相应参数；通过绘制对应的系统阶跃响应曲线，确定三种情况下系统性能指标随参数Kp 和Kd 的变化情况。
自动控制原理电子教案
自动控制原理电子教案第一章：绪论1.1 自动控制的概念解释自动控制的定义强调自动控制在现代工业和日常生活中的重要性1.2 自动控制系统的分类介绍开环控制系统和闭环控制系统解释数字控制系统和模拟控制系统的区别1.3 自动控制系统的性能指标介绍稳定性、线性、收敛性和鲁棒性等性能指标解释这些指标对系统性能的影响第二章：反馈控制系统2.1 反馈控制系统的组成介绍控制器、执行器和传感器的功能和作用2.2 反馈控制系统的类型解释正反馈和负反馈的区别和应用场景2.3 控制器的设计方法介绍PID控制器和模糊控制器的原理和方法第三章：线性系统的状态空间分析3.1 状态空间表示法介绍状态空间的概念和数学表示方法3.2 状态方程和输出方程推导状态方程和输出方程的求解方法3.3 线性系统的可控性和可观测性解释可控性和可观测性的概念和判断方法第四章：非线性控制系统分析4.1 非线性系统的分类介绍线性与非线性的区别和常见的非线性特性4.2 非线性方程的求解方法解释求解非线性方程的数值方法和解析方法4.3 非线性控制系统的稳定性分析介绍李雅普诺夫理论和Lyapunov 函数的应用第五章：现代控制理论5.1 现代控制理论的概念解释现代控制理论的背景和发展5.2 鲁棒控制理论介绍鲁棒控制的概念和设计方法5.3 自适应控制理论解释自适应控制的概念和应用场景第六章：控制系统的设计方法6.1 系统设计的基本原则介绍控制系统设计中的稳定性、准确性和快速性原则6.2 控制器设计方法详细讲解PID控制器、模糊控制器、自适应控制器的设计步骤和注意事项6.3 系统仿真与实验介绍使用MATLAB等工具进行控制系统仿真的方法强调实验在控制系统教学和工程应用中的重要性第七章：线性调节器的设计7.1 调节器的作用与分类解释调节器的作用以及比例、积分、微分调节器的特点7.2 调节器的设计方法介绍Ziegler-Nichols方法等经典调节器设计方法7.3 调节器的参数整定讲解如何通过观察系统响应来整定调节器参数第八章：系统辩识8.1 系统辩识的基本概念解释系统辩识的目的和方法8.2 输入输出数据采集介绍如何采集系统的输入输出数据8.3 系统模型的建立与参数估计讲解如何根据采集到的数据建立数学模型并进行参数估计第九章：数字控制系统9.1 数字控制系统的组成介绍数字控制系统的硬件和软件组成部分9.2 数字控制算法详细讲解离散PID控制、模糊控制等数字控制算法9.3 数字控制器的实现介绍如何实现数字控制器，包括硬件实现和软件实现第十章：自动控制系统的应用10.1 工业自动化讲解自动控制系统在工业生产中的应用案例10.2 家居自动化介绍自动控制系统在智能家居中的应用案例10.3 汽车自动化探讨自动控制系统在现代汽车工业中的应用案例重点和难点解析重点环节：1. 自动控制的概念和分类2. 反馈控制系统的组成和类型3. 状态空间分析方法4. 非线性控制系统分析5. 现代控制理论6. 控制系统的设计方法和步骤7. 调节器的设计和参数整定8. 系统辩识的方法和模型建立9. 数字控制系统的组成和算法实现10. 自动控制系统的应用案例难点解析：1. 自动控制的概念和分类：理解自动控制的基本原理和不同类型控制系统的特点。
基于虚拟技术的《自动控制原理》课程仿真实验系统
基于虚拟技术的《自动控制原理》课程仿真实验系统【摘要】根据《自动控制原理》课程实验教学的实际需求，将虚拟技术引入到课程的实验教学中，开发了基于LabVlEW和MATLAB的自动控制原理虚拟实验系统。
通过教学实践表明，该虚拟实验仿真平台的建立和应用，改革了自动控制原理课程实验教学的形式和内容，培养了学生的兴趣和实践能力。
【关键词】虚拟技术；自动控制原理；实验系统0 引言《自动控制原理》是工学专业一门重要的专业基础课程，其教学目标是使学生掌握控制系统的基本性能特点，从而学会分析和设计控制系统的方法。
这门课程教学特点鲜明，除理论教学外，实验教学也是其中不可缺少的环节。
然而，在硬件实验平台实现教学目标，每种仪器都必须配置多套，若要频繁改变系统参数或结构，必然要大量更换或调整相应元器件，随之而来的问题是：①即使实验教师工作量增大也很难对所有学生进行指导；②实验设备损坏及老化现象将加剧。
这样不但影响教学效果，同时也使实验经费紧张的问题更加突出，因此仅仅进行硬件实验有很大的局限性。
另一方面，目前“自动控制原理”实验的内容侧重于理论验证和模仿训练，每个学生的实验内容千篇一律。
这种方式将学生的思维限定在一个狭窄的范围内，缺乏对学生创新意识的培养和综合能力的提高。
滞后的实验设备和呆板的实验模式难以调动学生的主动性和创造性，从而在很大程度上制约了实验教学的发展和人才培养质量的提高。
基于以上分析，本文结合LabVIEW和MATLAB两种软件开发平台，设计开发了一套《自动控制原理》虚拟实验系统。
它有效缓解了实验教学中实验设备不足和滞后等问题；同时在实验操作中也允许出现误操作，而维护保障的费用几乎为零，因此便于开展设备易损性、综合性、设计性实验。
1 虚拟实验系统的设计实验系统主要针对经典控制理论的相关实验展开系统设计，附加少量现代控制理论实验，以满足不同学生的学习需求。
其研究对象主要是线性定常的单输入、单输出系统，采用传递函数为系统数学模型，根据时域分析法和频率响应法分析和设计系统。
重庆大学自控原理课程设计实验报告
课程设计的工作计划：
1、布置课程设计任务；消化课程设计内容，查阅并参考相关资料，进行初步设计（3天）；
2、按课程设计的要求进行详细设计（3天）；
3、进行实时控制实验，并按课程设计的规范要求撰写设计报告（3天）；
4、课程设计答辩，实时控制验证（1天）。
7、完成课程设计报告。
参考资料：
1、固高科技有限公司.直线倒立摆安装与使用手册R1.0，2005
2、固高科技有限公司.固高MATLAB实时控制软件用户手册，2005
3、Matlab/Simulink相关资料
4、谢昭莉，李良筑，杨欣.自动控制原理（上）.北京：机械工业出版社，2012
5、胡寿松.自动控制原理（第五版）.北京：科学出版社，2007
学习态度尚可，动手能力一般，能遵守组பைடு நூலகம்纪律，能按期完成任务
学习马虎，纪律涣散，动手能力较差，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度
报告技术水平与撰写质量
50
设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信。报告结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，图纸非常工整、清晰
任务下达日期2015年12月29日
完成日期2016年12月30日
指导教师（签名）
学生（签名）
摘要
通过对一级倒立摆系统进行数学建模，得到摆杆角度和小车加速度之间的传递函数：
首先从时域角度着手，分析直线一级倒立摆的开环单位阶跃响应和单位脉冲响应，得出该系统的开环响应是发散的这一结论。
利用根轨迹分析法，并借助Matlab一级其中的Simulink仿真系统辅助分析。通过加入超前校正校正环节，得到系统的校正函数，并且校正后的系统满足课设的要求，即最大超调量： ，调整时间： 。同样，利用频域分析法也得到校正环节的传递函数。对系统进行校正系统的静态位置误差函数常数为10，相位裕量为 ，增益裕量等于或大于 。最后利用PID控制器设计出校正函数，并且也满足最大超调量： ，调节时间： 。
自动控制原理MATLAB仿真实验(于海春)
自动控制原理MATLAB仿真实验（于海春）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、SIMULINK 的使用MATLAB中SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。
利用SIMULINK功能模块可以快速的建立控制系统的模型，进行仿真和调试。
1．运行MATLAB软件，在命令窗口栏“>>”提示符下键入imulink命令，按Enter键或在工具栏单击按钮，即可进入如图1-1所示的SIMULINK仿真环境下。
2．选择File菜单下New下的Model命令，新建一个imulink仿真环境常规模板。
图1-1SIMULINK仿真界面图1-2系统方框图3．在imulink仿真环境下，创建所需要的系统。
以图1-2所示的系统为例，说明基本设计步骤如下：1）进入线性系统模块库，构建传递函数。
点击imulink下的“Continuou”，再将右边窗口中“TranferFen”的图标用左键拖至新建的“untitled”窗口。
2）改变模块参数。
在imulink仿真环境“untitled”窗口中双击该图标，即可改变传递函数。
其中方括号内的数字分别为传递函数的分子、分母各次幂由高到低的系数，数字之间用空格隔开；设置完成后，选择OK，即完成该模块的设置。
3）建立其它传递函数模块。
按照上述方法，在不同的imulink的模块库中，建立系统所需的传递函数模块。
例：比例环节用“Math”右边窗口“Gain”的图标。
4）选取阶跃信号输入函数。
用鼠标点击imulink下的“Source”，将右边窗口中“Step”图标用左键拖至新建的“untitled”窗口，形成一个阶跃函数输入模块。
5）选择输出方式。
自动控制原理校正课程设计-- 线性控制系统校正与分析
自动控制原理校正课程设计-- 线性控制系统校正与分析课程设计报告书题目线性控制系统校正与分析院部名称机电工程学院专业10电气工程及其自动（单）班级组长姓名学号设计地点工科楼C 214设计学时1周指导教师金陵科技学院教务处制目录目录 (3)第一章课程设计的目的及题目 (4)1.1课程设计的目的 (4)1.2课程设计的题目 (4)第二章课程设计的任务及要求 (6)2.1课程设计的任务 (6)2.2课程设计的要求 (6)第三章校正函数的设计 (7)3.1设计任务 (7)3.2设计部分 (7)第四章系统动态性能的分析 (10)4.1校正前系统的动态性能分析 (10)4.2校正后系统的动态性能分析 (13)第五章系统的根轨迹分析及幅相特性 (16)5.1校正前系统的根轨迹分析 (16)5.2校正后系统的根轨迹分析 (18)第七章传递函数特征根及bode图 (20)7.1校正前系统的幅相特性和bode图 (20)7.2校正后系统的传递函数的特征根和bode图 (21)第七章总结 (23)参考文献 (24)第一章 课程设计的目的及题目1.1课程设计的目的⑴掌握自动控制原理的时域分析法，根轨迹法，频域分析法，以及各种补偿（校正）装置的作用及用法，能够利用不同的分析法对给定系统进行性能分析，能根据不同的系统性能指标要求进行合理的系统设计，并调试满足系统的指标。
⑵学会使用MATLAB 语言及Simulink 动态仿真工具进行系统仿真与调试。
1.2课程设计的题目 已知单位负反馈系统的开环传递函数)125.0)(1()(0++=s s s K s G ，试用频率法设计串联滞后校正装置，使系统的相角裕量 30>γ，静态速度误差系数110-=s K v 。
\第二章课程设计的任务及要求2.1课程设计的任务设计报告中，根据给定的性能指标选择合适的校正方式对原系统进行校正（须写清楚校正过程），使其满足工作要求。
然后利用MATLAB对未校正系统和校正后系统的性能进行比较分析，针对每一问题分析时应写出程序，输出结果图和结论。
自控原理课程实验报告
一、实验目的1. 理解并掌握自动控制原理的基本概念和基本分析方法。
2. 熟悉自动控制系统的典型环节，包括比例环节、积分环节、比例积分环节、惯性环节、比例微分环节和比例积分微分环节。
3. 通过实验，验证自动控制理论在实践中的应用，提高分析问题和解决问题的能力。
二、实验原理自动控制原理是研究自动控制系统动态和稳态性能的学科。
本实验主要围绕以下几个方面展开：1. 典型环节：通过搭建模拟电路，研究典型环节的阶跃响应、频率响应等特性。
2. 系统校正：通过在系统中加入校正环节，改善系统的性能，使其满足设计要求。
3. 系统仿真：利用MATLAB等仿真软件，对自动控制系统进行建模和仿真，分析系统的动态和稳态性能。
三、实验内容1. 典型环节实验（1）比例环节：搭建比例环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数对系统性能的影响。
（2）积分环节：搭建积分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析积分时间常数对系统性能的影响。
（3）比例积分环节：搭建比例积分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数和积分时间常数对系统性能的影响。
（4）惯性环节：搭建惯性环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析时间常数对系统性能的影响。
（5）比例微分环节：搭建比例微分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数和微分时间常数对系统性能的影响。
（6）比例积分微分环节：搭建比例积分微分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数、积分时间常数和微分时间常数对系统性能的影响。
2. 系统校正实验（1）串联校正：在系统中加入串联校正环节，改善系统的性能，使其满足设计要求。
（2）反馈校正：在系统中加入反馈校正环节，改善系统的性能，使其满足设计要求。
3. 系统仿真实验（1）利用MATLAB等仿真软件，对自动控制系统进行建模和仿真，分析系统的动态和稳态性能。
（2）根据仿真结果，优化系统参数，提高系统性能。
四、实验步骤1. 搭建模拟电路：根据实验内容，搭建相应的模拟电路，并连接好测试设备。
自动控制原理实验教案省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件
0.0478z 0.0464 G(z) z2 1.81z 0.9048
采样时间Ts=0.1s，试分析系统旳稳定性。
4、已知有一离散系统如图5.2所示，其中
G1 ( s)
K s(s 1)
。
设采样时间Ts=0.5s，利用根轨迹图，试分析要保持系
统稳定，增益系数K旳取值范围。
F (s)
1 esT s
产生传递函数：
10 ----------------s^2 + 2 s + 10
产生闭环传递函数：
10 ----------------s^2 + 2 s + 20
求闭环传递函 数旳极点
求开环和闭环传递函 数旳单位阶跃响应
绘制开环和闭环传递函数 旳单位阶跃响应波形图
试验一 线性系统时域分析
2、利用SIMULINK构建模型。
s 10 s2 2s 20
Y(s)
图3.1
试验三 线性系统旳综合校正
二、试验内容
2、有一制导控制系统如图3.2所示。其中飞行器等 效传函G(s)=23/(s+23)，设PI控制器传函 为Gc(s)=Kp+Ki/s，现设计PI控制器，使得 系统加入PI控制器后到达下列要求：
（1）稳定时间不大于1秒（超调不大于2%）。
[mag,phase,w]=bode(sys)
[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(mag,phase,w)
figure (3) nyquist(sys)
绘制Nyquist图
Using the margin function。 Gm=gain margin Pm=phase margin Wcg=freq.for phase=-180 Wcp=freq.for gain=0db
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自动控制原理及系统仿 真课程设计
学 号： 1030620227 姓 名： 李斌 指导老师： 胡开明 学 院：机械与电子工程学院 2013年11月 目录 一、设计要求.............................................................................1 二、设计报告的要求.................................................................1 三、题目及要求.........................................................................1 （一）自动控制仿真训练.................................................1 （二）控制方法训练.......................................................19 （三）控制系统的设计...................................................23 四、心得体会...........................................................................27 五、参考文献...........................................................................28 1
自动控制原理及系统仿真课程设计 一：设计要求： 1、 完成给定题目中，要求完成题目的仿真调试，给出仿真程序和图形。 2、 自觉按规定时间进入实验室，做到不迟到，不早退，因事要请假。严格遵守实验室各项规章制度，实验期间保持实验室安静，不得大声喧哗，不得围坐在一起谈与课程设计无关的空话，若违规，则酌情扣分。 3、 课程设计是考查动手能力的基本平台，要求独立设计操作，指导老师只检查运行结果，原则上不对中途故障进行排查。 4、 加大考查力度，每个时间段均进行考勤，计入考勤分数，按照运行的要求给出操作分数。每个人均要全程参与设计，若有1/3时间不到或没有任何运行结果，视为不合格。 二：设计报告的要求： 1.理论分析与设计 2.题目的仿真调试，包括源程序和仿真图形。 3.设计中的心得体会及建议。 三：题目及要求 一）自动控制仿真训练 1.已知两个传递函数分别为：ssxGsxG22132)(,131)( 2
①在MATLAB中分别用传递函数、零极点、和状态空间法表示； MATLAB代码： num=[1] den=[3 1] G=tf(num,den) [E F]=zero(G) [A B C D]=tf2ss(num,den)
num=[2] den=[3 1 0] G=tf(num,den) [E F]=zero(G) [A B C D]=tf2ss(num,den) 仿真结果：
num =2 den =3 1 0 Transfer function: 2 --------- 3 s^2 + s 3
E = Empty matrix: 0-by-1 F = 0.6667 A =-0.3333 0 1.0000 0 B= 1 0 C = 0 0.6667
D = 0 num = 1 den =3 1 Transfer function: 1 ------- 3 s + 1 E =Empty matrix: 0-by-1 F =0.3333 A = -0.3333 B =1 C =0.3333 D =0 ②在MATLAB中分别求出通过反馈、串联、并联后得到的系 4
统模型。 MATLAB代码： num1=[1] den1=[3 1] G1=tf(num1,den1) num2=[2] den2=[3 1 0] G2=tf(num2,den2) G3=G1*G2 G4=G1+G2 仿真结果： num1 =1 den1 =3 1 Transfer function: 1 ------- 3 s + 1 num2 =2 den2 = 3 1 0 Transfer function: 2 --------- 5
3 s^2 + s Transfer function: 2 ----------------- 9 s^3 + 6 s^2 + s Transfer function: 3 s^2 + 7 s + 2 ----------------- 9 s^3 + 6 s^2 + s
2.系统的传递函数模型为2450351024247)(23423ssssssssG，判断系统的稳定性。 MATLAB代码： num=[1 7 24 24] den=[1 10 35 50 24] G=tf(num,den) p=eig(G) p1=pole(G) r=roots(den) 仿真结果： num = 1 7 24 24 den = 1 10 35 50 24 6
Transfer function: s^3 + 7 s^2 + 24 s + 24 --------------------------------- s^4 + 10 s^3 + 35 s^2 + 50 s + 24 p =-4.0000 -3.0000 -2.0000 -1.0000 p1=-4.0000 -3.0000 -2.0000 -1.0000 r =-4.0000 -3.0000 -2.0000 -1.0000
3.单位负反馈系统的开环传递函数为)22)(73.2()(2ssssksG，绘制根轨迹图，并求出与实轴的分离点、与虚轴的交点及对应的增益。 MATLAB代码： num=1 7
den=conv([1 2.73 0],[1 2 2]) rlocus(num,den) axis([-8 8 -8 8]) figure(2) r=rlocus(num,den); plot(r,'-') axis([-8 8 -8 8]) gtext('x') gtext('x') gtext('x') 仿真结果： num =1 den =1.0000 4.7300 7.4600 5.4600 0 8 4.已知系统的开环传递函数为)15.0)(12.0()110(5)(2ssssssG，绘制系统的Bode图和Nyquist,并能够求出系统的幅值裕度和相角裕 9
度。 MATLAB代码： s=tf('s') G=5*(10*s+1)/(s*(s^2+0.2*s+1)*(0.5*s+1)) figure(1) bode(G) grid figure(2) nyquist(G) grid axis([-2 2 -5 5]) 仿真结果： Transfer function:s Transfer function: 50 s + 5 ------------------------------- 0.5 s^4 + 1.1 s^3 + 0.7 s^2 + s 10 5．考虑如图所示的反馈控制系统的模型，各个模块为 4324)(23ssssG，33)(sssGc，101.01)(ssH，用MATLAB语句分别得出开环和闭环系统的阶跃响应曲线。 11
MATLAB代码： num=[4] den=[1 2 3 4] G=tf(num,den) G0=feedback(G,1) step(G0) [y,t]=step(G0) plot(t,y)
num=[1 -3] den=[1 3] G=tf(num,den) G0=feedback(G,1) step(G0) [y,t]=step(G0) plot(t,y)
num=[1] den=[0.01 1] G=tf(num,den) G0=feedback(G,1) step(G0) 12
[y,t]=step(G0) plot(t,y)
num1=[4] den1=[1 2 3 4] G1=tf(num1,den1) num2=[1 -3] den2=[1 3] G2=tf(num2,den2) num3=[1] den3=[0.01 1] G3=tf(num3,den3) G=G1*G2 G0=feedback(G,G3) step(G0) [y,t]=step(G0) plot(t,y) figure(2) step(G) [y,t]=step(G) plot(t,y)