自动控制原理实验
自动控制原理实验报告五个实验
自动控制原理实验专业班级姓名学号实验时间：2010.10—2010.11一、实验目的和要求：通过自动控制原理实验牢固地掌握《自动控制原理》课的基本分析方法和实验测试手段。
能应用运算放大器建立各种控制系统的数学模型，掌握系统校正的常用方法，掌握系统性能指标同系统结构和参数之间的基本关系。
通过大量实验，提高动手、动脑、理论结合实际的能力，提高从事数据采集与调试的能力，为构建系统打下坚实的基础。
二、实验仪器、设备（软、硬件）及仪器使用说明自动控制实验系统一套计算机（已安装虚拟测量软件---LABACT）一台椎体连接线 18根典型环节实验（一）、实验目的：1、了解相似性原理的基本概念。
2、掌握用运算放大器构成各种常用的典型环节的方法。
3、掌握各类典型环节的输入和输出时域关系及相应传递函数的表达形式，熟悉各典型环节的参数（K、T）。
4、学会时域法测量典型环节参数的方法。
（二）、实验内容：1、用运算放大器构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节和比例积分微分环节。
2、在阶跃输入信号作用下，记录各环节的输出波形，写出输入输出之间的时域数学关系。
3、在运算放大器上实现各环节的参数变化。
（三）、实验要求：1、仔细阅读自动控制实验装置布局图和计算机虚拟测量软件的使用说明书。
2、做好预习，根据实验内容中的原理图及相应参数，写出其传递函数的表达式，并计算各典型环节的时域输出响应和相应参数（K、T）。
3、分别画出各典型环节的理论波形。
5、输入阶跃信号，测量各典型环节的输入和输出波形及相关参数。
（四）、实验原理实验原理及实验设计：1．比例环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时域输出响应：2．惯性环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时常数：时域输出响应：3．积分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：时常数：时域输出响应：4．比例积分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时常数：时域输出响应：5．比例微分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时常数：时域输出响应：6．比例积分微分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时常数：时域输出响应：(五)、实验方法与步骤2、测量输入和输出波形图。
自动控制原理实验
自动控制原理实验自动控制原理实验是自动控制原理课程的重要组成部分，通过实验可以帮助学生深入理解自动控制原理的相关知识，并且掌握实际操作的能力。
本实验旨在通过具体的实验操作，让学生对自动控制原理的理论知识有更深入的了解，同时培养学生的实际动手能力和解决问题的能力。
一、实验目的。
本实验旨在通过具体的实验操作，让学生对自动控制原理的理论知识有更深入的了解，同时培养学生的实际动手能力和解决问题的能力。
二、实验原理。
自动控制原理是一门研究控制系统的设计与分析的学科，它主要研究用于自动控制的原理、方法和技术。
自动控制原理实验是通过实验来验证自动控制原理的理论知识，包括传递函数、控制器设计、系统响应等内容。
三、实验内容。
1. 搭建控制系统模型，根据所学的自动控制原理知识，搭建相应的控制系统模型，包括传感器、执行器、控制器等组成部分。
2. 系统参数测量，对搭建好的控制系统模型进行参数测量，包括系统的传递函数、阶跃响应等参数。
3. 控制器设计与调试，根据实验要求，设计相应的控制器，并进行调试，观察系统的响应情况。
4. 系统性能分析，对设计好的控制系统进行性能分析，包括稳定性、灵敏度、鲁棒性等指标的评估。
四、实验步骤。
1. 按照实验要求，搭建控制系统模型，包括传感器、执行器、控制器等组成部分。
2. 进行系统参数测量，包括系统的传递函数、阶跃响应等参数的测量。
3. 根据实验要求，设计相应的控制器，并进行调试，观察系统的响应情况。
4. 对设计好的控制系统进行性能分析，包括稳定性、灵敏度、鲁棒性等指标的评估。
五、实验结果与分析。
通过实验操作，我们得到了控制系统的传递函数、阶跃响应等参数，并设计了相应的控制器进行了调试。
通过对系统的性能分析，我们可以得出系统的稳定性较好，对外界干扰具有一定的抵抗能力。
六、实验总结。
通过本次实验，我们深入理解了自动控制原理的相关知识，掌握了实际操作的能力。
同时，我们也发现了一些问题，比如在控制器设计与调试过程中遇到了一些困难，需要进一步加强相关知识的学习和实践能力的培养。
自动控制原理实验二阶系统的阶跃响应
自动控制原理实验二阶系统的阶跃响应一、实验目的通过实验观察和分析阶跃响应曲线，了解二阶系统的动态特性，掌握用MATLAB仿真二阶系统阶跃响应曲线的绘制方法，提高对二阶系统动态性能指标的计算与分析能力。
二、实验原理1.二阶系统的传递函数形式为：G(s)=K/[(s+a)(s+b)]其中，K为系统增益，a、b为系统的两个特征根。
特征根的实部决定了系统的稳定性，实部小于零时系统稳定。
2.阶跃响应的拉氏变换表达式为：Y(s)=G(s)/s3.阶跃响应的逆拉氏变换表达式为：y(t)=L^-1{Y(s)}其中，L^-1表示拉氏逆变换。
三、实验内容1.搭建二阶系统，调整增益和特征根，使系统稳定，并记录实际的参数数值。
2.使用MATLAB绘制二阶系统的阶跃响应曲线，并与实际曲线进行对比分析。
四、实验步骤1.搭建二阶系统，调整增益和特征根，使系统稳定。
根据实验要求，选择适当的数字电路元件组合，如电容、电感、电阻等，在实际电路中搭建二阶系统。
2.连接模拟输入信号。
在搭建的二阶系统的输入端接入一个阶跃信号发生器。
3.连接模拟输出信号。
在搭建的二阶系统的输出端接入一个示波器，用于实时观察系统的输出信号。
4.调整增益和特征根。
通过适当调整二阶系统的增益和特征根，使系统达到稳定状态。
记录实际调整参数的数值。
5.使用MATLAB进行仿真绘制。
根据实际搭建的二阶系统参数，利用MATLAB软件进行仿真，绘制出二阶系统的阶跃响应曲线。
6.对比分析实际曲线与仿真曲线。
通过对比分析实际曲线与仿真曲线的差异，分析二阶系统的动态特性。
五、实验结果与分析1.实际曲线的绘制结果。
根据实际参数的输入，记录实际曲线的绘制结果，并描述其特点。
2.仿真曲线的绘制结果。
利用MATLAB软件进行仿真，绘制出仿真曲线，并与实际曲线进行对比分析。
3.实际曲线与仿真曲线的对比分析。
通过对比实际曲线与仿真曲线的差异，分析二阶系统的动态特性，并讨论影响因素。
六、实验讨论与结论1.实验过程中遇到的问题。
自动控制原理实验项目
自动控制原理实验项目自动控制原理实验项目是一项旨在研究和应用自动控制原理的实验项目。
本项目的目标是通过实际操作和数据分析，深入理解自动控制原理，并掌握相关的实验技能和方法。
一、实验目的本实验项目的主要目的如下：1. 理解自动控制原理的基本概念和原理；2. 学习并掌握常见的自动控制系统的工作原理和特性；3. 掌握自动控制系统的设计、调试和优化方法；4. 培养实验操作和数据分析的能力。
二、实验内容本实验项目包括以下几个主要内容：1. 自动控制系统的基本组成和工作原理：包括传感器、执行器、控制器等组成部分的功能和相互关系；2. 自动控制系统的模型建立与仿真：使用MATLAB等软件建立自动控制系统的数学模型，并进行仿真分析；3. PID控制器的设计与调试：学习PID控制器的原理和调试方法，并通过实验验证控制效果；4. 系统辨识与参数优化：通过实验数据分析和辨识方法，优化控制系统的参数，提高系统的稳定性和性能；5. 高级控制方法的应用：学习和应用先进的自动控制方法，如模糊控制、神经网络控制等；6. 实验报告的撰写与展示：根据实验结果和分析，撰写实验报告，并进行实验结果的展示和讨论。
三、实验器材和材料本实验项目所需的主要器材和材料包括：1. 电脑及相关软件：用于建立模型、进行仿真和数据分析；2. 控制器和执行器：如PLC、单片机等，用于实现自动控制系统；3. 传感器和测量仪器：如温度传感器、压力传感器等，用于采集实验数据；4. 实验电路板和电源：用于搭建实验电路和供电；5. 实验样品和试剂：根据具体实验内容而定。
四、实验步骤本实验项目的主要步骤如下：1. 熟悉实验器材和材料，并进行必要的预热、校准等操作；2. 按照实验要求，搭建自动控制系统的实验电路；3. 进行实验数据的采集和记录，并进行数据处理和分析；4. 根据实验结果，进行控制系统的参数调试和优化；5. 进行实验报告的撰写，并准备实验结果的展示和讨论。
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。
自动控制的原理实验讲义
实验一二阶系统的瞬态瞬态响应分析一、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,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。
二、实验设备l ）、控制理论电子模拟实验稍一台2 ）、慢扫描示波器一台3 ）、万用表一只三、实验原理图1-1 为二阶系统的模拟电路图，它是由惯性环节、积分环节和反相器组成。
图1-2为图1-1的原理方框图，图中K=R2/R1，121C R T =，232C R T =由图1-2求得二阶系统的闭环传递函数：211221222110)()(T T KS T S T T KK S T S T T K S U S U ++=++=（1）而二阶系统标准传递函数为：对比式（1）和（2），得21T T K n =ω，K T T 124=ξ若令T1=0.2S ，T2=0.5S ，则k n 10=ω，k 625.0=ξ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，还可以得到过阻尼(ξ>1)、临界（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：)1sin(111)(2120ξξωξξω-+--=--tgt et u d tn 式中21ξωω-=n d 图1-3为二阶系统欠阻尼状态下的单位阶跃响应曲线（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：tw n n e t u -+-=)1(10ω如图1-4为二阶系统工作临界阻尼单位阶跃响应曲线。
（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．三、实验内容与步骤1 、根据图1-1，调节相应的参数，使系统的开环传递函数为：()0.5(0.21)KG S S S =+2 、令ui( t ) = lv ，在示波器上观察不同K ( K =10 ,5， 2 ，0.5)时的阶跃响应的波形，并由实验求得相应的σp 、tp 和ts 的值。
自动控制原理实验3
经典三阶系统旳稳定性 研究
一、试验目旳
1、 熟悉反馈控制系统旳构造和工作原理； ２、了解开环放大系数对系统稳定性旳影 响。
二、试验要求：
观察开环增益对三阶系统稳定性 旳影响。
三、试验仪器：
1．自控系统教学模拟机 XMN-2 1台； 2．TDS1000B-SC 系列数字存储示波 器1台； 3．万用表
由劳斯判据懂得，当：
11.9619.6 19.6k 0
19.6k 0
得到系统稳定范围：0 k 11.96
当：
11.96 19.6 19.6k 0
得到系统临界稳定时：
k 11.96
当：
11.96 19.6 19.6k 0
得到系统不稳定范围：k 11.96
将K=510/R代入（3-6）～（3-8）得： R>42.6KΩ 系统稳定 R=42.6KΩ 系统临界稳定 R<42.6KΩ 系统不稳定
G(S)H (S)
510 / R
S(0.1S 1)(0.51S 1)
系统旳特征方程为：
S 3 11.96S 2 19.6S 19.6K 0
用劳斯判据求出系统稳定、临界稳定、 不稳定时旳开环增益：
S3
1
19.6
S2
11.96
19.6K
11.96 19.6 19.6K
S1
11.96
S0
19.6K
四、试验原理和内容：
利用自控系统教学模拟机来模拟 给定三阶系统。
经典三阶系统原理方块图如下图 所示。
G(S )H (S )
K1K 2
T0S (T1S 1)(T2S 1)
K
S(T1S 1)(T2S 1)
给定三阶系统电模拟图
自动控制原理实验教程及实验报告
实验三 典型环节（或系统）的频率特性测量一、实验目的1．学习和掌握测量典型环节（或系统）频率特性曲线的方法和技能。
2．学习根据实验所得频率特性曲线求取传递函数的方法。
二、实验内容1．用实验方法完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。
2．用实验方法完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。
3．根据测得的频率特性曲线求取各自的传递函数。
4．用软件仿真方法求取一阶惯性环节频率特性和典型二阶系统开环频率特性，并与实验所得结果比较。
三、实验步骤1．利用实验设备完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。
在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。
为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能，接线方式将不同于上述无上位机情况。
仍以一阶惯性环节为例，此时将Ui 连到实验箱 U3单元的O1（D/A 通道的输出端），将Uo 连到实验箱 U3单元的I1（A/D 通道的输入端），并连好U3单元至上位机的并口通信线。
接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。
界面上的操作步骤如下：①按通道接线情况完成“通道设置”:在界面左下方“通道设置”框内，“信号发生通道”选择“通道O1＃”，“采样通道X ”选择“通道I1＃”，“采样通道Y ”选择“不采集”。
②进行“系统连接”（见界面左下角），如连接正常即可按动态状态框内的提示（在界面正下方）“进入实验模式”；如连接失败，检查并口连线和实验箱电源后再连接，如再失败则请求指导教师帮助。
③进入实验模式后，先对显示进行设置：选择“显示模式”（在主界面左上角）为“Bode”。
④完成实验设置，先选择“实验类别”（在主界面右上角）为“频域”，然后点击“实验参数设置”，在弹出的“频率特性测试频率点设置”框内，确定实验要测试的频率点。
注意设置必须满足ω<30Rad/sec 。
⑤以上设置完成后，按“实验启动”启动实验。
界面中下方的动态提示框将显示实验测试的进展情况，从开始测试直至结束的过程大约需要2分钟。
自动控制原理实验报告
自动控制原理实验报告姓 名班 级学 号指导教师1自动控制原理实验报告（一）一．实验目的1.了解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。
3.了解掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法及Ⅰ型二阶闭环系统的传递函数标准式。
4.研究Ⅰ型二阶闭环系统的结构参数--无阻尼振荡频率ωn 、阻尼比ξ对过渡过程的影响。
5.掌握欠阻尼Ⅰ型二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标σ%、t p 、t s 的计算。
6.观察和分析Ⅰ型二阶闭环系统在欠阻尼、临界阻尼、过阻尼的瞬态响应曲线，及在阶跃信号输入时的动态性能指标σ%、t p 值，并与理论计算值作比对。
二．实验过程与结果1.观察比例环节的阶跃响应曲线1.1模拟电路图1.2传递函数(s)G(s)()o i U K U s == 10R K R =1.3单位阶跃响应U(t)K 1.4实验结果1.5实验截图2342.观察惯性环节的阶跃响应曲线2.1模拟电路图2.2传递函数(s)G(s)()1o i U KU s TS ==+10R K R =1T R C =2.3单位阶跃响应0(t)K(1e)tTU-=-2.4实验结果2.5 实验截图5673.观察积分环节的阶跃响应曲线3.1模拟电路图3.2传递函数(s)1G(s)()TS o i U U s ==i 0T =R C3.3单位阶跃响应01(t)i U t T =3.4 实验结果3.5 实验截图89104.观察比例积分环节的阶跃响应曲线4.1模拟电路图4.2传递函数0(s)1(s)(1)(s)i i U G K U T S ==+10K R R =1i T R C=4.3单位阶跃响应1 (t)(1)U K tT=+ 4.4实验结果4.5实验截图1112135.观察比例微分环节的阶跃响应曲线5.1模拟电路图5.2传递函数0(s)1(s)()(s)1i U TSG K U S τ+==+12312(R )D R R T CR R =++3R C τ=120R R K R +=141233(R //R )R D K R +=0.06D D T K sτ=⨯=5.3单位阶跃响应0(t)()U KT t Kδ=+5.4实验结果截图6.观察比例积分微分（PID ）环节的响应曲线6.1模拟电路图156.2传递函数0(s)(s)(s)p p p d i i K U G K K T S U T S ==++123212(R )C d R R T R R =++i 121(R R )C T =+120p R R K R +=1233(R //R )R D K R +=32R C τ= D D T K τ=⨯6.3单位阶跃响应0(t)()p p D p K U K T t K tTδ=++6.4实验观察结果截图16三．实验心得这个实验，收获最多的一点：就是合作。
自动控制原理实验
唐山学院实验中心
自动控制原理实验室
自动控制原理实验
一. 典型线性环节 二. 二阶系统阶跃响应 三. 二阶系统频率响应 四. 线性系统稳定性研究
实验一
• • • 一 实验目的:
典型线性环节
• •
1.学习典型线性环节的模拟方法; 2.研究阻、容参数对典型性环节阶跃响应的 影响 二、实验设备: XMN-2型机;
实验四
线性系统稳定性研究
2．系统的开环放大系数K对稳定性的影响。 （1）适当调整Rw，观察K增大；K减小时的系统响应 曲线。 （2）记录当K=0.5Kj1时的系统响应曲线。 （3）记录当K=1.25Kj1时的系统响应曲线。 3．验证时间常数错开原理。 取T=0.47秒，T1=T/n；T2=T；T3=nT。 (1) 求取该系统在n=2时的临界开环放大系数Kj2，记录 此时的系统响应曲线。 (2) 记录该系统在n=5；K=Kj2时的系统响应曲线。 (3) 记录该系统在n=1；K=Kj2时的系统响应曲线。
• • CAE98; 万用表。
实验一
•
•
典型线性环节
三 实验内容:
1、比例（P）环节：其方块图如图1-1A所 示。 Ui(S) Uo(S)
K
图1-1A 比例环节方块图
实验一 典型线性环节
其传递函数为：
U 0 (S ) K U i (S )
(1-1)
其中: K=R1/R0 当输入为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(s)=1/S。则由式（1-1） 得到 Uo(S)=K 所以输出响应为 Uo(t)=K (t≥0) (1-2)
三 实验内容
典型二阶系统方块图如下:
•
其闭环传递函数： WB(s)=
自动控制原理实验报告
自动控制原理实验报告实验目的本次自动控制原理实验的目的是通过对传统反馈控制系统的模拟和实现，了解并掌握基本的控制原理和控制器设计方法，进一步深化对自动控制理论的理解。
实验装置本次实验使用的是一台水位控制系统，该系统由电源、电机、计量储水罐、信号检测器、PID控制器、水泵等组成。
电源将电能转换为机械能，通过水泵将水流入到计量储水罐中，信号检测器对储水罐中的水位进行检测并反馈给PID控制器，PID控制器对信号进行处理并控制电机的转速，从而实现对水位的控制。
实验步骤1. 确定实验参数在进行实验之前，首先需要确定实验的一些参数，如PID控制器的比例系数、积分系数以及微分系数等。
这需要根据具体实验情况进行设定，以确保控制系统具有良好的稳定性和响应能力。
2. 实施控制将水泵开启，令水流入计量储水罐中，同时PID控制器对信号进行处理，调节电机的转速以控制水位。
实验过程中需要注意及时进行系统动态的监控和调整，以确保控制系统的稳定性和故障排除。
3. 结束实验并分析结果实验结束后，需要对实验结果进行分析，包括控制系统的响应速度、稳定性以及对参数的灵敏度等。
通过对实验数据的收集和分析，可以进一步提高对自动控制理论的理解和应用能力。
实验结果分析本次实验中，我们实现了对水位的控制，并对PID控制器的参数进行了设定和调整。
实验结果表明，我们所设计的控制系统具有较好的稳定性和响应能力，并且对参数的灵敏度较高。
同时，通过实验数据的分析，我们也发现了一些问题和不足之处，如控制系统的动态响应速度过慢等，这需要我们在实际应用中加以改进和完善。
结论本次自动控制原理实验通过实现对水位的控制，进一步加深了对自动控制理论的理解，掌握了基本的控制原理和控制器设计方法。
同时，通过实验数据的分析和总结，也为今后在自动控制领域的实际应用提供了一定的参考和指导。
自动控制原理实验教案省公开课一等奖全国示范课微课金奖PPT课件
试验二 系统频域分析
三、试验要求
1、独立编写程序或搭建仿真模型，实现各内容 要求。 2、统计各试验内容结果图形。 3、分析结果图形。 4、恪守试验课纪律。
16/37
试验二 系统频域分析
四、试验说明
1、利用M文件绘制根轨迹、 Nyquist 和 Bode 图。 例：已知一单位负反馈系统开环传递函数为：
2>经过结果分析百分比 反馈对含有滞环步骤非 线性系统影响。
1 s(0.5s 1)
图4.3
Du / dt
scope
Du / dt
1 1
s 0.1
1 0.5s 1
图4.4
注意：图4.4蓝色线所框部分为百分 比反馈步骤。
28/37
试验四 非线性系统仿真分析
三、试验说明 1、三种非线性步骤模块在Simulink-
一、试验目标 1、掌握利用根极点分析系统性能方法。 2、熟悉开环零极点对根轨迹和系统性能影响。 3、掌握绘制Nyquist 和 Bode图方法 。 4、掌握系统频域分析方法。
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试验二 系统频域分析
二、试验内容
1、已知一个系统其传递函数为
G(s)
(s
K *(s 2) 3)(s2 2s
2)
（1）稳定时间小于1秒（超调小于2%）。
（2）对于单位斜坡输入，稳态误差小于0.1。
R(s) +
－
Gc（s）
Y(s)
23 s 23
图3.2 23/37
试验三 线性系统综合校正
三、试验汇报
1、试验名称 2、试验目标 3、试验内容 4、试验结果
1>M文件源程序(或模型图) 2>设计过程和相关参数。 3>生成各结果图形。 5、试验结果分析
自动控制原理实验一控制系统的阶跃响应
自动控制原理实验一控制系统的阶跃响应实验目的：通过实验，掌握控制系统的阶跃响应的测量方法，了解控制系统的响应特性，并研究控制系统的参数对阶跃响应的影响。
实验原理：阶跃响应是指当控制系统输入信号突然从零变为常数时，系统的输出信号的响应过程。
通过观察阶跃响应可以了解控制系统的稳态误差、超调量、调节时间等参数，从而评估和改善控制系统的性能。
在实验中，常用的控制系统模型是一阶惯性环节，其传递函数为：G(s)=K/(Ts+1)其中，K为系统的增益，T为系统的时间常数。
通过改变K和T的值，可以观察到控制系统阶跃响应的变化。
实验仪器和材料：1.控制系统阶跃响应实验台2.配套的实验软件3.电脑实验步骤：1.打开实验软件，并连接实验台和电脑。
2.在软件中选择阶跃响应实验，并设置初始参数。
3.点击开始实验按钮，系统开始运行，记录实验数据。
4.观察实验数据的变化，并绘制出阶跃响应曲线。
5.改变控制系统的参数，如增益K和时间常数T的值，重新进行实验测量。
6.比较不同参数下的阶跃响应曲线，分析参数对响应的影响。
7.根据实验结果，评估系统的性能，并提出改进措施。
实验注意事项：1.实验过程中要保持实验台和电脑的连接良好，确保数据的准确性。
2.实验中应注意安全防护，避免操作中发生意外。
3.实验前要熟悉实验仪器的操作方法和实验原理，确保能够正确进行实验。
4.实验结束后，要及时清理实验台和关闭相关设备。
实验结果：通过实验测量得到的阶跃响应曲线，可以用于评估控制系统的性能。
通常，我们关注的参数包括稳态误差、超调量、调节时间等。
稳态误差是指系统在稳定状态下的输出值与期望值之间的差值。
通过观察阶跃响应曲线的稳态值，可以评估系统的稳态误差。
稳态误差越小，系统的控制性能越好。
超调量是指系统响应过程中最大超过期望值的幅值，通常以百分比形式表示。
通过观察阶跃响应曲线的峰值，可以评估系统的超调量。
超调量越小，系统的控制性能越好。
调节时间是指控制系统从初始状态到稳态所需的时间。
自动控制原理实验
二、实验方法
器仪表或软件对系统输入端加入不同的 激励信号（由信号发生器、计算机本 身产生，如时域特性——阶跃信号，频 率特性——正弦波信号），在系统的某 一环节或输出端利用相应的测试仪器 （如示波器、记录仪、打印机等），观 测和记录系统输出响应曲线，用以分析
8Байду номын сангаас
二、实验方法
系统的动态特性和稳态特性，验证和体 会理论教学的内容。 为了分析和研究系统的内部运动过程， 先建立系统的模型，然后在模型上进行 试验分析，这一过程称为仿真。 在自动控制原理实验中，仿真就是用物 理模型或数学模型代替实际控制系统进 行分析研究的过程。
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自动控制原理实验室
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模拟仿真实验所用实验仪器:控制理论实验平台； 慢扫描示波器；数字万用表。
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二、实验方法
数学模型一般用微分方程来表示，由于微分方 程求解比较复杂，因此常用拉氏变换将微分方 程变为传递函数，然后进行分析和求解。 传递函数不仅可以表征系统性能，而且可以用 来研究系统的结构参数对系统性能的影响 。 从一定意义上来说，做实验就是用实验方法来 求解系统的传递函数,对系统进行分析和综合。
自动控制原理实验 （一）
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一、实验目的
自动控制原理是研究自动控制系统共同
规律的一门学科，是分析、设计和研究自 动控制系统的理论基础。因此，自动控制 原理是一门理论性强，其中许多内容实践 性又较强，具有一定的实际工程背景的课 程，也比较难“教”与难“学”。
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一、实验目的
自动控制原理实验是自动控制原理课程 教学的一个组成部分。
•
例如:
G(s) K Ts 1
不可以模拟；
G(s) 10 s 1
自动控制原理实验
自动控制原理实验自动控制原理实验是自动控制原理课程的重要组成部分，通过实验可以加深对自动控制原理的理解，提高实际操作能力。
本文将介绍自动控制原理实验的基本内容和实验步骤。
一、PID控制器实验。
PID控制器是自动控制中常用的一种控制器，它包括比例环节、积分环节和微分环节。
在PID控制器实验中，首先需要搭建一个控制系统模型，然后根据实验要求调节PID参数，观察系统的响应特性。
通过实验可以了解PID参数对系统稳定性和动态性能的影响，为工程实际应用提供参考。
二、系统辨识实验。
系统辨识是自动控制领域的重要内容，通过实验可以获取系统的数学模型，为控制器设计提供依据。
在系统辨识实验中，需要输入一定的信号，观察系统的输出响应，并利用系统辨识方法建立系统的数学模型。
实验过程中需要注意信号的选择和采样频率，以保证实验数据的准确性和可靠性。
三、闭环控制实验。
闭环控制是自动控制中常用的一种控制策略，通过实验可以验证闭环控制系统的性能。
在闭环控制实验中，需要搭建一个闭环控制系统，然后根据实验要求设计控制器参数，并观察系统的稳定性和跟踪性能。
实验过程中需要注意控制器参数的选择和调节，以保证系统的稳定性和性能。
四、数字控制实验。
数字控制是现代控制领域的重要内容，通过实验可以了解数字控制系统的特点和设计方法。
在数字控制实验中，需要搭建一个数字控制系统，然后根据实验要求设计数字控制器，并观察系统的响应特性。
实验过程中需要注意采样周期和数字控制器参数的选择，以保证系统的性能和稳定性。
通过以上实验，可以加深对自动控制原理的理解，提高实际操作能力，为将来的工程实际应用打下基础。
希望同学们能够认真对待自动控制原理实验，不断提高自己的实验能力和动手能力，为将来的工程实践做好准备。
自动控制原理试验3_线性系统校正
实验三线性系统校正一、实验目的1.利用Z-N临界增益法则，初步调节PID控制器参数。
2.设计串联校正环节，使整个系统指标满足要求(附加题)。
二、实验内容与步骤1. 已知阀控缸电液位置伺服系统开环传递函数为用Z-N临界增益法则，设计串联PID控制器参数，对比校正前后闭环系统阶跃响应指标及幅频特性的变化。
试验步骤：(1)利用simulink构建闭环系统模型。
(2)构建P控制器(见图1)，找出系统的临界稳定增益Kc，记录Kc值，并根据示波器Scope的图形求得系统临界稳定时的振荡周期Tc(见图2)。
图1 带有P控制器的系统模型(3)依据Z-N临界增益法(见图3)，确定PID控制器参数图2 临界振荡阶跃响应曲线图3 Z-N临界增益法(4)构建PID控制器，测试校正后系统的阶跃响应。
2. 已知单位负反馈系统开环传递函数为设计串联校正环节，使系统的相角裕度不小于30度，wc不低于30rad/s。
试验步骤：(1) 写出校正后整个系统的传递函数()ysxs s s s G +++='1115.0100)(。
(2) 令30)(180,1)(=+=='c c G ωϕγω，用solve 函数解二元一次方程组。
(3) 校验：将得出的x 、y 值代入)(s G '中，验证相角裕度及幅值裕度是否满足要求。
sqrt 函数举例：21x + matlab: sqrt(1+x^2)atan 函数举例：u arctg matlab: atan(u)solve 函数举例：求()()()ys s xs G +++=111100剪切频率为20rad/s ，相角裕度为20º时的x 、y 值。
[x y]=solve(‘方程1’,’方程2’)方程1：()()1201201201100)20(222=+++=y x j G .matlab ：100*sqrt(1+(x*20)^2)/(sqrt(1+20^2)*sqrt(1+(y*20)^2))=1方程2：20)20()20()20(18020)(180=--+⇒=+=y arctg arctg x arctg c ωϕγmatlab ：180+atan(x*20)*180/3.1416-atan(20)*180/3.1416-atan(y*20)*180/3.1416=20 运行后，结果为x=0.005, y=0.246.验证：()()()s s s G 246.011005.01100+++= matlab: num=[100*0.005 100];den=conv([1 1],[0.246 1]);sys=tf(num,den);margin(sys); 可知，此时系统剪切频率为20rad/s ，相角裕度为20.1º。
自动控制原理实验
自动控制原理实验实验1 控制系统典型环节的模拟利用运算放大器的基本特性，如：开环增益高，输入阻抗大、输出阻抗小等，通过设置不同的反馈网络，可以模拟各种典型环节。
一．实验目的● 掌握用运算放大器组成控制系统典型环节的电子电路原理。
●观察几种典型环节的阶跃响应曲线。
● 了解参数变化对典型环节输出动态性能（即阶跃响应）的影响。
二．实验仪器●THSCC-1实验箱一台。
● 示波器一台。
三．实验内容 1．比例环节比例（P ）环节的方框图如图1-1所示。
图1-1比例环节方框图K Z Z S u S u S G i o ==-=12)()()(当输入为单位阶跃信号，即u i =-1V 时，u i （s ）=s 1，则u o （s ）=K s1，所以输出响应为：u o （t ）=K （t ≥0）。
比例环节实验原理图如图1-2所示。
选择：K=R2/R1=2，例如选择R2=820k ，R1=410k ，或选择R2=100k ，R1=51k 。
R2图1-2 比例环节实验原理图和输出波形实验步骤： （1）调整示波器： ● 选择输入通道CH1或CH2。
● 逆时针调节示波器的时间旋钮“TIME/DIV ”到底，使光标为一点，并调节上下“位移”旋钮使光标位于0线上。
●调整示波器的输入幅度档位选择开关，选择合适的档位使信号幅度便于观察，例如选择档位为1V 档。
● 将输入幅度档位选择开关中心的微调旋钮顺时针旋到底。
● 将信号选择开关打到DC 档。
（2）顺时针调节实验箱的旋钮，使阶跃信号为负（绿灯亮）。
（3）阶跃信号接到示波器上，调节实验箱的幅度旋钮。
使负跳变幅度为一格（即Ui=-1V ）。
（4）接好实验线路，按下阶跃信号按钮，观察示波器的波形。
预习思考：输出幅度跳变应为……? 2.惯性环节惯性环节实验原理图如图1-3所示。
其传递函数为：11)()()(+==TS K s u s u S G i o ， K= R2/R1，T=R2*C 当输入为单位阶跃信号，即u i （t ）=-1V 时，u i （s ）=S 1，则u o （s ）=S11TS 1⋅+ 所以输出响应为u o （t ）=)e1(K Tt--。
自动控制原理_实验报告
一、实验目的1. 理解自动控制系统的基本概念和组成；2. 掌握典型环节的传递函数和响应特性；3. 熟悉PID控制器的原理和参数整定方法；4. 通过实验验证理论知识的正确性，提高实际操作能力。
二、实验设备1. 自动控制原理实验箱；2. 示波器；3. 数字多用表；4. 个人电脑；5. 实验指导书。
三、实验原理自动控制系统是一种根据给定输入信号自动调节输出信号的系统。
它主要由控制器、被控对象和反馈环节组成。
控制器根据被控对象的输出信号与给定信号的偏差，通过调节控制器的输出信号来改变被控对象的输入信号，从而实现对被控对象的控制。
1. 典型环节（1）比例环节：比例环节的传递函数为G(s) = K，其中K为比例系数。
比例环节的响应特性为输出信号与输入信号成线性关系。
（2）积分环节：积分环节的传递函数为G(s) = 1/s，其中s为复频域变量。
积分环节的响应特性为输出信号随时间逐渐逼近输入信号。
（3）比例积分环节：比例积分环节的传递函数为G(s) = K(1 + 1/s)，其中K为比例系数。
比例积分环节的响应特性为输出信号在比例环节的基础上，逐渐逼近输入信号。
2. PID控制器PID控制器是一种常用的控制器，其传递函数为G(s) = Kp + Ki/s + Kd(s/s^2)，其中Kp、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数和微分系数。
PID控制器可以实现对系统的快速、稳定和精确控制。
四、实验内容及步骤1. 实验一：典型环节的阶跃响应（1）搭建比例环节电路，观察并记录输出信号随时间的变化曲线；（2）搭建积分环节电路，观察并记录输出信号随时间的变化曲线；（3）搭建比例积分环节电路，观察并记录输出信号随时间的变化曲线。
2. 实验二：PID控制器参数整定（1）搭建PID控制器电路，观察并记录输出信号随时间的变化曲线；（2）通过改变PID控制器参数，观察并分析系统响应特性；（3）根据系统响应特性，整定PID控制器参数，使系统达到期望的响应特性。
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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。
（2）自动控制的根本是闭环，尽管有的系统不能直接感受到它的闭环形式，如步进电机控制，专家系统等，从大局看，还是闭环。
闭环控制可以带来想象不到的好处，本实验就是用开环和闭环在负载扰动下的实验数据，说明闭环控制效果。
自动控制系统性能的优劣，其原因之一就是取决调节器的结构和算法的设计（本课程主要用串联调节、状态反馈），本实验为了简洁，采用单闭环、比例调节器K。
通过实验证明：不同的K，对系性能产生不同的影响，以说明正确设计调节器算法的重要性。
（3）为了使实验有代表性，本实验采用三阶（高阶）系统。
这样，当调节器K值过大时，控制系统会产生典型的现象——振荡。
本实验也可以认为是一个真实的电压控制系统。
三、实验设备：THBDC-1实验平台四、实验线路图：五、实验步骤：（1）如图接线，建议使用运算放大器U8、U10、U9、U11、U13。
先开环，即比较器一端的反馈电阻100KΩ接地。
将可变电阻47KΩ（必须接可变电阻47K上面两个插孔）左旋到底时，电阻值为零。
再右旋1圈，阻值为4.7KΩ。
经仔细检查后上电。
打开15伏的直流电源开关，必须弹起“不锁零”红色按键。
（2）按下“阶跃按键”键，调“负输出”端电位器RP2，使“交/直流数字电压表”的电压为2.00V。
如果调不到，则对开环系统进行逐级检查，找出故障原因，并记下。
（3）先按表格先调好可变电阻47KΩ的规定圈数，再调给定电位器RP2，在确保空载输出为2.00V的前提下，再加上1KΩ的扰动负载。
分别右旋调2圈、4圈、8圈后依次测试，填表。
注意：加1 KΩ负载前必须保证此时的电压是2.00V。
（4）正确判断并实现反馈！（课堂提问）再闭环，即反馈端电阻100KΩ接系统输出。
（5）先按表格调好可变电阻47KΩ的圈数，再调给定电位器RP2，在确保空载输出为2.00V的前提下，再加上1KΩ的扰动负载，分别右旋调2圈、4圈、8圈依次测试，填表要注意在可变电阻为8圈时数字表的现象。
并用理论证明。
（6）将比例环节换成积分调节器：即第二运放的10KΩ改为100KΩ；47KΩ可变电阻改为10μF电容，调电位器RP2，确保空载输出为2.00V时再加载，测输出电压值。
表格：表格中，计算稳态误差e的公式为：可见，计算出的稳态误差值e与测量出的e值误差较小，属于正常情况。
（6）输出电压值U = 1.98V。
六、报告要求：（1）用文字叙说正确实现闭环负反馈的方法。
答：实现闭环负反馈，就是让输入和扰动下输出的变化量相互抵消，达到稳定输出的目的。
实现反馈有如下四种方案：1. 加减2. 正电压3. 增电压（变化量）4. 先闭环考察误差e，然后再作调整对于反馈系统，都是按照偏差控制的系统，偏差就是指输入信号与反馈信号之差，因此，正确的方案是增电压方法，就是考虑变化量的关系的方法。
增电压的方法，是将电压的变化量作为参考量。
通过输入和输出的变化量的关系，来判断反馈的方法，这个方法可以确保实现负反馈，即实现了通过反馈和输入偏差的抵消达到稳定输出的目的。
（2）说明实验步骤（1）至（6）的意义。
答：步骤（1）中将比较器端100KΩ电阻接地，是为了实现开环控制。
电位器左旋到底，再右旋一圈，是为了调节第二个比例放大器的放大倍数。
步骤（3）是在开环控制的条件下，测量空载输出为2V时，加负载时的电压输出值。
与闭环控制条件下的测量值进行比较，说明开环与闭环控制的差异。
同时也为了说明在开环控制的条件下，Kp变化对输出量没有影响。
步骤（5）是在闭环控制的条件下，测量空载输出为2V时，加负载时的电压输出值，与开环控制进行比较。
同时也为了说明在闭环控制的条件下，Kp变化对输出量的影响步骤（6）是为了说明将第二个比例环节换成积分环节，使输出更稳定。
（3）画出本实验自动控制系统的各个组成部分，并指出对应元件。
被控对象：调节环节：当换成积分调节器时，调节环节是10μF的电容。
扰动：扰动是负载R L反馈：由于本系统中全部是电信号，因此没有用到传感器，反馈是一根导线（4） 你认为本实验最重要的器件是哪个？意义是什么？答：最重要的是比例调节的器件。
在前两个实验中，开环和闭环下的调节部分都是47K 的可变电阻，因此在前两个实验中，47K 可变电阻是实验中最重要的器件。
在第三个实验中，调节环节变成了积分调节器，因此10μF 的电容是最重要的器件。
调节环节在系统中起到了调节增益的作用，通过调节环节的作用，系统的放大倍数在改变。
调节器本身就是控制系统的一个非常重要的环节，如果没有调节器，只有反馈环节，系统将无法达到控制调节的目的，系统在反馈之后主要依赖于调节器对变化量的调节，达到稳定输出的目的，因此调节器这部分是最重要的。
而且，调节器也是控制的主要体现。
（5） 写出系统传递函数，用劳斯判据说明可变电阻为8圈时数字表的现象和原因。
答：首先，对于惯性环节，传递函数的表达式是：212()11R R KG s R Cs Ts =-=-++所以，每一个模块的传递函数如下： 比例环节：1()G s K=-惯性环节：22()0.21G s s =-+31()0.0941G s s =-+ 4 2.55()0.0511G s s =-+反馈环节：()1H s = 所以，系统的传递函数：12341234()()()()()1()()()()()G s G s G s G s G s H s G s G s G s G s =+将上面的各个模块的传递函数代入，化简后得到下面的系统传递函数：325.1()0.00095880.0337940.3451 5.1K G s s s s k=++++根据劳斯判据，S3 0.0009588 0.345 S2 0.033794 1+5.1K S1 0.345-0.0283719（1+5.1K ） S0 0.345如果系统稳定，那么第一列都是正数，因此，求出K 的范围：2.19K <所以，求出R2的取值范围：222R K <Ω5.15.1 2.1911.17p p K KK =<⨯=满足以上条件时，系统才能够稳定。
当旋转8圈时，pK 的值超过的稳定的范围，因此系统的传递函数出现了虚轴右半边的极点，因此系统不稳定，但由于运放有饱和电压，因此，输出并不会趋于无穷大，而是在一定的范围内振荡。
（6） 比较表格中的实验数据，说明开环与闭环控制效果。
答：开环控制下，由于不对扰动进行调整，因此控制效果很差，仅仅靠运放稳压调节是不能够达到稳定输出的目的，因此，在空载和负载下输出值有很大的变化。
闭环控制下，系统通过反馈，能够将扰动带来的变化量减小甚至理想情况下消除，达到稳定输出的目的。
通过实验数据，可以看出在闭环反馈情况下系统输出有了明显改善，尤其是在积分调节器的作用下，系统输出稳定性很高。
但闭环控制也有缺陷，就是开环增益受到限制，开环增益不能够无限大，当开环增益超过一定的限度时，就会产生振荡。
（7）用表格数据说明开环增益与稳态误差的关系。
答：根据表格数据：我们可以分析，得到如下结论：开环增益越大，稳态误差越小，但开环增益达到一定大小后，系统就会产生振荡。
从理论上分析，对于本实验的系统，0型系统，阶跃信号作用下的系统的稳态误差和开环增益的关系如下：由此可见，对于0型系统，在A为定制的情况下，开环增益越大，阶跃输入作用下的系统稳态误差就越小。
如果要求系统对于阶跃输入作用稳态误差为零，那么就要选用I型以及I型以上的系统。
但是，对于系统本身来讲，开环增益过高，可能导致系统内部的不稳定，比如运放饱和等，在系统内部已经不稳定，闭环反馈也无法达到稳定。
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