实验五 控制系统的分析与设计
自动控制原理的实训报告
一、实训目的本次实训旨在通过实际操作和实验，加深对自动控制原理的理解，掌握控制系统分析和设计的基本方法，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。
通过实训，使学生能够：1. 理解自动控制系统的基本组成和原理；2. 掌握典型控制系统的时域响应和频域响应分析方法；3. 学会使用实验设备进行控制系统实验，并能够分析实验结果；4. 培养团队协作和沟通能力。
二、实训仪器与设备1. 自动控制原理实验台；2. 信号发生器；3. 数据采集器；4. 计算机；5. 控制系统模拟软件。
三、实训内容1. 控制系统结构分析通过实验台搭建一个典型的控制系统，分析其结构，包括各个环节的功能和相互关系。
2. 时域响应实验对搭建的控制系统进行阶跃响应实验，记录并分析系统的输出波形，计算超调量、上升时间、调节时间等性能指标。
3. 频域响应实验对搭建的控制系统进行频率特性实验，记录并分析系统的幅频特性、相频特性，绘制Bode图。
4. 控制系统设计根据实验结果，对控制系统进行设计，包括PID参数整定、控制器设计等。
四、实验过程1. 搭建控制系统根据实验要求，搭建一个典型的控制系统，包括控制器、执行器、被控对象等环节。
2. 进行阶跃响应实验使用信号发生器产生阶跃信号，输入到控制系统中，记录输出波形，并计算超调量、上升时间、调节时间等性能指标。
3. 进行频率特性实验使用信号发生器产生不同频率的正弦信号，输入到控制系统中，记录输出波形，并绘制Bode图。
4. 控制系统设计根据实验结果，对控制系统进行设计，包括PID参数整定、控制器设计等。
五、实验结果与分析1. 阶跃响应实验通过阶跃响应实验，可以分析系统的稳定性和动态性能。
例如，超调量反映了系统的振荡程度，上升时间反映了系统的响应速度，调节时间反映了系统达到稳态所需的时间。
2. 频率特性实验通过频率特性实验，可以分析系统的频率响应特性。
例如，幅频特性反映了系统对不同频率信号的放大倍数，相频特性反映了系统对不同频率信号的相位延迟。
控制系统设计课程设计
控制系统设计课程设计一、设计背景本次控制系统设计课程设计的背景是为了让学生通过实践操作，深入了解控制系统的基本概念和设计方法，提高学生的实际应用能力和创新思维能力。
二、课程目标本次课程设计的目标是让学生掌握控制系统的基本原理和设计方法，具备独立完成控制系统设计的能力，并且能够在实际应用中灵活运用所学知识。
三、教学内容1. 控制系统基础知识：包括控制系统定义、分类、组成部分等方面；2. 控制系统建模与仿真：包括传递函数法、状态空间法等建模方法，以及Simulink软件进行仿真；3. 控制器设计：包括PID控制器、根轨迹法等常用控制器的设计方法；4. 系统优化与鲁棒性分析：包括最优化问题求解方法、鲁棒性分析等方面。
四、教学方法1. 理论讲解：通过PPT等方式进行理论知识讲解；2. 实验操作：引导学生进行实验操作，加深对理论知识的理解；3. 课程作业：布置相关作业，让学生在实践中巩固所学知识。
五、实验设计1. 实验一：控制系统建模与仿真通过Simulink软件进行控制系统建模和仿真，让学生了解传递函数法和状态空间法的基本原理和应用方法。
2. 实验二：PID控制器设计通过实际电路进行PID控制器的设计和调节，让学生了解PID控制器的基本原理和应用方法。
3. 实验三：根轨迹法控制器设计通过实际电路进行根轨迹法控制器的设计和调节，让学生了解根轨迹法的基本原理和应用方法。
4. 实验四：最优化问题求解通过Matlab软件进行最优化问题求解，让学生了解最优化问题的基本原理和应用方法。
5. 实验五：鲁棒性分析通过实际电路进行鲁棒性分析，让学生了解鲁棒性分析的基本原理和应用方法。
六、课程评估1. 课堂表现（30%）：包括听课专注度、积极参与度等方面；2. 课程作业（30%）：包括实验报告、作业完成情况等方面；3. 课程设计（40%）：包括课程设计方案、实验操作情况等方面。
七、教学成果通过本次控制系统设计课程设计，学生可以深入了解控制系统的基本概念和设计方法，提高实际应用能力和创新思维能力。
分析控制系统的课程设计
分析控制系统的课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解控制系统的基本概念，掌握控制系统的主要组成部分；2. 学生能掌握控制系统的数学模型，了解不同类型的控制系统及其特点；3. 学生能描述控制系统的性能指标，并运用相关公式进行计算。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，分析控制系统的动态行为，进行系统稳定性分析；2. 学生能够设计简单的控制系统，并通过仿真软件进行模拟实验；3. 学生能够通过团队合作，完成控制系统的实际问题分析和解决方案设计。
情感态度价值观目标：1. 学生对控制系统产生兴趣，培养主动探究和解决问题的热情；2. 学生在课程学习中，培养严谨的科学态度和良好的团队合作精神；3. 学生能够认识到控制系统在现代科技领域的重要作用，增强国家使命感和社会责任感。
课程性质分析：本课程属于自动化、电气工程及其自动化等相关专业的基础课程，旨在帮助学生建立控制系统的基础知识体系，培养学生解决实际问题的能力。
学生特点分析：学生处于大学二年级阶段，已具备一定的数学和工程基础，具有较强的逻辑思维能力和动手能力。
教学要求：1. 教学内容与实际应用紧密结合，注重培养学生的实践能力；2. 采用启发式教学，引导学生主动思考、探索问题；3. 强化团队合作，培养学生沟通协调能力。
二、教学内容1. 控制系统基本概念：控制系统定义、开环与闭环控制系统、控制系统的分类；2. 控制系统的数学模型：线性微分方程、传递函数、状态空间表达式；3. 控制系统的性能指标：稳定性、稳态误差、动态性能；4. 控制系统分析方法：时域分析法、频域分析法、根轨迹法；5. 控制系统设计：PID控制器设计、状态反馈控制器设计、观测器设计；6. 控制系统仿真实验：使用MATLAB/Simulink软件进行控制系统仿真。
教学大纲安排：第1周：控制系统基本概念及分类；第2周：数学模型及传递函数；第3周：控制系统的稳定性分析；第4周：控制系统的稳态误差分析；第5周：控制系统的动态性能分析；第6周：控制系统分析方法及应用；第7周：控制系统设计方法；第8周：控制系统仿真实验。
现代控制理论实训报告
一、前言随着科技的飞速发展，自动化、智能化已成为现代工业生产的重要特征。
为了更好地掌握现代控制理论，提高自己的实践能力，我参加了现代控制理论实训课程。
本次实训以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。
通过本次实训，我对现代控制理论有了更深入的了解，以下是对本次实训的总结。
二、实训目的1. 巩固现代控制理论基础知识，提高对控制系统的分析、设计和调试能力。
2. 熟悉现代控制理论在工程中的应用，培养解决实际问题的能力。
3. 提高团队合作意识，锻炼动手能力和沟通能力。
三、实训内容1. 状态空间法的基本概念：状态空间法是现代控制理论的核心内容，通过建立状态方程和输出方程，描述系统的动态特性。
2. 状态空间法的基本方法：包括状态空间方程的建立、状态转移矩阵的求解、可控性和可观测性分析、状态反馈和观测器设计等。
3. 控制系统的仿真与实现：利用MATLAB等仿真软件，对所设计的控制系统进行仿真，验证其性能。
4. 实际控制系统的分析：分析实际控制系统中的控制对象、控制器和被控量，设计合适的控制策略。
四、实训过程1. 理论学习：首先，我对现代控制理论的相关知识进行了复习，包括状态空间法、线性系统、非线性系统等。
2. 实验准备：根据实训要求，我选择了合适的实验设备和软件，包括MATLAB、控制系统实验箱等。
3. 实验操作：在实验过程中，我按照以下步骤进行操作：（1）根据实验要求，建立控制系统的状态空间方程。
（2）求解状态转移矩阵，并进行可控性和可观测性分析。
（3）设计状态反馈和观测器，优化控制系统性能。
（4）利用MATLAB进行仿真，观察控制系统动态特性。
（5）根据仿真结果，调整控制器参数，提高控制系统性能。
4. 结果分析：通过对仿真结果的分析，我对所设计的控制系统进行了评估，并总结经验教训。
五、实训成果1. 掌握了现代控制理论的基本概念和方法。
2. 提高了控制系统分析与设计能力，能够独立完成实际控制系统的设计。
实验五线性系统的稳定性和稳态误差分析(精)
实验五自动控制系统的稳定性和稳态误差分析一、实验目的1、研究高阶系统的稳定性,验证稳定判据的正确性;2、了解系统增益变化对系统稳定性的影响;3、观察系统结构和稳态误差之间的关系。
二、实验任务1、稳定性分析欲判断系统的稳定性, 只要求出系统的闭环极点即可, 而系统的闭环极点就是闭环传递函数的分母多项式的根,可以利用 MATLAB 中的 tf2zp 函数求出系统的零极点,或者利用 root 函数求分母多项式的根来确定系统的闭环极点,从而判断系统的稳定性。
(1 已知单位负反馈控制系统的开环传递函数为 0.2(2.5 ( (0.5(0.7(3s G s s s s s +=+++, 用 MATLAB 编写程序来判断闭环系统的稳定性, 并绘制闭环系统的零极点图。
在 MATLAB 命令窗口写入程序代码如下:z=-2.5p=[0,-0.5,-0.7,-3]k=0.2Go=zpk(z,p,kGc=feedback(Go,1Gctf=tf(Gcdc=Gctf.dendens=poly2str(dc{1},'s'运行结果如下:dens=s^4 + 4.2 s^3 + 3.95 s^2 + 1.25 s + 0.5dens 是系统的特征多项式,接着输入如下 MATLAB 程序代码:den=[1,4.2,3.95,1.25,0.5]p=roots(den运行结果如下:p =-3.0058-1.0000-0.0971 + 0.3961i-0.0971 - 0.3961ip 为特征多项式 dens 的根,即为系统的闭环极点,所有闭环极点都是负的实部, 因此闭环系统是稳定的。
下面绘制系统的零极点图, MATLAB 程序代码如下:z=-2.5p=[0,-0.5,-0.7,-3]k=0.2Go=zpk(z,p,kGc=feedback(Go,1Gctf=tf(Gc[z,p,k]=zpkdata(Gctf,'v'pzmap(Gctfgrid运行结果如下:z =-2.5000p =-3.0058-1.0000-0.0971 + 0.3961i-0.0971 - 0.3961ik =0.2000输出零极点分布图如图 3-1所示。
《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1.1-1B 传递函数：K S Ui S Uo =)()( C 阶跃响应：)0()(≥=t Kt 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 。
② 取R0 = 200K ；R1 = 200K 。
2．积分环节(I)A ．方框图：如右图1.1-3所示。
图1.1-3B ．传递函数：TSS Ui S Uo 1)()(=C ．阶跃响应： )0(1)(≥=t t Tt Uo 其中 C R T 0=D ．模拟电路图：如图1.1-4所示。
《控制系统的设计与制作作业设计方案》
《控制系统的设计与制作》作业设计方案一、项目背景控制系统是摩登工程领域中非常重要的一部分，它可以应用于各种领域，如机械、电子、自动化等。
本次作业设计旨在帮助学生深入理解控制系统的原理和应用，通过设计与制作一个简单的控制系统，来提高学生的动手能力和实践能力。
二、设计目标1. 了解控制系统的基本原理和组成结构；2. 掌握控制系统的设计与制作方法；3. 提高学生的动手能力和实践能力。
三、设计内容1. 硬件设计：设计一个简单的控制系统，包括传感器、执行器、控制器等组件；2. 软件设计：编写控制系统的程序，实现对系统的控制和监控；3. 系统调试：对设计的控制系统进行调试，确保系统正常运行。
四、设计步骤1. 硬件设计：a. 选择传感器和执行器：根据设计要求选择合适的传感器和执行器，例如温度传感器、电机等；b. 设计电路：根据传感器和执行器的特性，设计控制系统的电路；c. 组装硬件：将传感器、执行器等组件按照设计要求组装成一个完备的控制系统。
2. 软件设计：a. 编写程序：根据控制系统的功能需求，编写相应的控制程序，实现对系统的控制和监控；b. 调试程序：对编写的程序进行调试，确保程序能够正常运行。
3. 系统调试：a. 毗连硬件和软件：将设计好的硬件和软件毗连起来，进行系统调试；b. 调试系统：对系统进行调试，检查系统是否正常运行，调整参数以优化系统性能。
五、作业要求1. 学生需按照设计要求完成硬件设计、软件设计和系统调试；2. 学生需提交设计文档和实验报告，包括设计思路、实验过程和结果分析等内容；3. 学生需在规守时间内完成作业，并参与作业展示和讨论。
六、评分标准1. 硬件设计：20分2. 软件设计：30分3. 系统调试：20分4. 设计文档和实验报告：30分七、作业展示学生需将设计好的控制系统进行展示，展示内容包括系统功能、设计思路、实验结果等，同时需要回答老师和同砚的问题，展示作业的完成情况和进修效果。
控制系统的建模与分析
缺点：计算复杂；难于找出系统的结构参数对控制系统性 能影响的一般规律，无法找出改进方案，不便于对系统的分 析和设计。
数学模型的种类
复数域模型: 包括系统传递函数和结构图。 表示系统本身的特性而与输入信号无关；不仅
可以表征系统的动态性能，而且可以研究系统的 结构或参数变化对系统性能的影响。
频率域模型: 主要描述系统的频率特性，具有明确的物理意
义，可用实验的方法来确定.
三类常用数学模型的关系
线性系统
传递函数 拉氏 微分方程 傅氏 频率特性
变换
变换
sp
传递 函数
微分 方程
系统
s j
j p
频率 特性
p d dt
1 仿真分析的意义 2 建模的基本概念 3 建模的步骤 4 直流电机建模实例
5 MATLAB /SIMULINK简介
建立系统模型步骤
1、线性系统微分方程的建立：
① 确定系统的输入量和输出量； ② 将系统划分为若干环节，从输入端开始，按信号传
递的顺序，依据各变量所遵循的物理学定律（牛顿 定律、基尔霍夫电流和电压定律、能量守恒定律） 等，列出各环节的线性化原始方程；
控制系统 建模与仿真分析
问 题？
1、为什么要建立控制系统的数学模型？ 2、建模的方法与步骤？ 3、控制系统仿真工具？
1 仿真分析的意义 2 建模的基本概念
3 建模的步骤 4 直流电机建模实例 5 MATLAB /SIMULINK简介
1、仿真分析的意义
科学研究方法：理论、仿真、实验验证相结合 计算机仿真：一门新兴技术学科，涉及到专业理论和技术， 比如系统分析、控制理论和计算方法等，当在实际系统上进 行试验研究比较困难，或者无法实现时，仿真就必不可少了。 系统仿真：即模型实验，建立在模型系统上的实验技术，指 通过模型实验去研究一个已经存在的或者正在设计的系统的 过程。
自动控制系统实验报告
一、实验目的1. 理解自动控制系统的基本概念和组成；2. 掌握自动控制系统的基本分析方法；3. 熟悉自动控制系统的实验操作步骤；4. 分析实验数据，提高对自动控制系统的理解和应用能力。
二、实验原理自动控制系统是一种根据给定输入信号，通过反馈和调节作用，使系统输出信号能够自动跟踪输入信号的系统。
自动控制系统主要由被控对象、控制器和反馈环节组成。
三、实验设备1. 自动控制系统实验箱；2. 数据采集卡；3. 计算机；4. 电源；5. 实验接线板。
四、实验内容1. 自动控制系统组成原理实验；2. 自动控制系统基本分析方法实验；3. 自动控制系统实验操作步骤实验。
五、实验步骤1. 自动控制系统组成原理实验（1）观察实验箱内各模块的连接情况，了解被控对象、控制器和反馈环节的连接方式；（2）按照实验指导书的要求，将实验箱内的模块正确连接；（3）启动实验箱，观察系统运行情况，分析系统组成原理。
2. 自动控制系统基本分析方法实验（1）根据实验指导书的要求，设置实验参数；（2）启动实验箱，进行实验操作；（3）采集实验数据，记录实验结果；（4）分析实验数据，掌握自动控制系统基本分析方法。
3. 自动控制系统实验操作步骤实验（1）按照实验指导书的要求，设置实验参数；（2）启动实验箱，进行实验操作；（3）观察系统运行情况，分析实验操作步骤；（4）记录实验数据，分析实验结果。
六、实验结果与分析1. 自动控制系统组成原理实验实验结果表明，自动控制系统由被控对象、控制器和反馈环节组成，通过反馈和调节作用实现系统输出信号的自动跟踪。
2. 自动控制系统基本分析方法实验实验结果表明，通过实验数据可以分析自动控制系统的稳定性、速度响应、稳态误差等性能指标，从而掌握自动控制系统基本分析方法。
3. 自动控制系统实验操作步骤实验实验结果表明，按照实验指导书的要求进行实验操作，可以顺利完成实验任务，达到实验目的。
七、实验结论1. 通过本次实验，掌握了自动控制系统的基本概念和组成；2. 掌握了自动控制系统基本分析方法；3. 熟悉了自动控制系统的实验操作步骤；4. 提高了分析实验数据、解决实际问题的能力。
控制系统仿真实验报告
控制系统仿真实验报告一、实验目的本次控制系统仿真实验的主要目的是通过使用仿真软件对控制系统进行建模、分析和设计，深入理解控制系统的工作原理和性能特点，掌握控制系统的分析和设计方法，提高解决实际控制问题的能力。
二、实验设备与软件1、计算机一台2、 MATLAB 仿真软件三、实验原理控制系统是由控制对象、控制器和反馈环节组成的一个闭环系统。
其工作原理是通过传感器测量控制对象的输出，将其与期望的输出进行比较，得到误差信号，控制器根据误差信号产生控制信号，驱动控制对象，使系统的输出逐渐接近期望的输出。
在仿真实验中，我们使用数学模型来描述控制对象和控制器的动态特性。
常见的数学模型包括传递函数、状态空间方程等。
通过对这些数学模型进行数值求解，可以得到系统的输出响应，从而对系统的性能进行分析和评估。
四、实验内容1、一阶系统的仿真建立一阶系统的数学模型，如一阶惯性环节。
使用 MATLAB 绘制系统的单位阶跃响应曲线，分析系统的响应时间和稳态误差。
2、二阶系统的仿真建立二阶系统的数学模型，如典型的二阶振荡环节。
改变系统的阻尼比和自然频率，观察系统的阶跃响应曲线，分析系统的稳定性、超调量和调节时间。
3、控制器的设计与仿真设计比例控制器（P 控制器）、比例积分控制器（PI 控制器）和比例积分微分控制器（PID 控制器）。
对给定的控制系统，分别使用不同的控制器进行仿真，比较系统的性能指标，如稳态误差、响应速度等。
4、复杂控制系统的仿真建立包含多个环节的复杂控制系统模型，如串级控制系统、前馈控制系统等。
分析系统在不同输入信号下的响应，评估系统的控制效果。
五、实验步骤1、打开 MATLAB 软件，新建脚本文件。
2、根据实验内容，定义系统的数学模型和参数。
3、使用 MATLAB 中的函数，如 step(）函数绘制系统的阶跃响应曲线。
4、对响应曲线进行分析，计算系统的性能指标，如超调量、调节时间、稳态误差等。
5、设计控制器，修改系统模型，重新进行仿真，比较系统性能的改善情况。
控制工程基础实验指导书(答案)
控制工程基础实验指导书自控原理实验室编印（内部教材）实验项目名称：（所属课程：）院 系： 专业班级： 姓 名： 学 号：实验日期： 实验地点： 合作者： 指导教师：本实验项目成绩： 教师签字： 日期：（以下为实验报告正文）一、实验目的简述本实验要达到的目的。
目的要明确，要注明属哪一类实验（验证型、设计型、综合型、创新型）。
二、实验仪器设备列出本实验要用到的主要仪器、仪表、实验材料等。
三、实验内容简述要本实验主要内容，包括实验的方案、依据的原理、采用的方法等。
四、实验步骤简述实验操作的步骤以及操作中特别注意事项。
五、实验结果给出实验过程中得到的原始实验数据或结果，并根据需要对原始实验数据或结果进行必要的分析、整理或计算，从而得出本实验最后的结论。
六、讨论分析实验中出现误差、偏差、异常现象甚至实验失败的原因，实验中自己发现了什么问题，产生了哪些疑问或想法，有什么心得或建议等等。
七、参考文献列举自己在本次准备实验、进行实验和撰写实验报告过程中用到的参考文献资料。
格式如下作者，书名（篇名），出版社（期刊名），出版日期（刊期），页码实验一 控制系统典型环节的模拟一、实验目的、掌握比例、积分、实际微分及惯性环节的模拟方法； 、通过实验熟悉各种典型环节的传递函数和动态特性； 、了解典型环节中参数的变化对输出动态特性的影响。
二、实验仪器、控制理论电子模拟实验箱一台；、超低频慢扫描数字存储示波器一台；、数字万用表一只；、各种长度联接导线。
三、实验原理以运算放大器为核心元件，由其不同的 输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图 所示。
图中 和 为复数阻抗，它们都是 、 构成。
图 运放反馈连接基于图中 点为电位虚地，略去流入运放的电流，则由图 得：21()o i u ZG s u Z ==-（ ） 由上式可以求得下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应。
、比例环节实验模拟电路见图 所示图 比例环节传递函数：21()R G s K R =-=- 阶跃输入信号： 实验参数：（ ） 1 2 （ ） 1 2 、 惯性环节实验模拟电路见图 所示图 惯性环节传递函数：2212211211()11R CS R Z R K CS G s Z R R R CS TS +=-=-=-=-++阶跃输入： 实验参数：（ ）12（ ）2、积分环节实验模拟电路见图 所示图 积分环节传递函数：21111()Z CSG sZ R RCS TS=-=-=-=阶跃输入信号：实验参数：（ ）（ ）、比例微分环节实验模拟电路见图 所示图 比例微分环节传递函数：22211111()(1)(1)1D Z R R G S R CS K T S R Z R CS R CS =-=-=-+=-++ 其中 D 112R R 阶跃输入信号： 实验参数：（ ） 1 2 （ ） 1 2 四、实验内容与步骤、分别画出比例、惯性、积分、比例微分环节的电子电路； 、熟悉实验设备并在实验设备上分别联接各种典型环节；、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。
自动控制理论实验报告实验五
自动控制理论实验报告姓名毛倩学号201423020526 班级自动1405 同组人景瑞德、任滨川左留通火利冬实验六线性定常系统的串联校正（综合）一、实验目的1. 对系统性能进行分析，选择合适的校正方式，设计校正器模型。
2. 通过仿真实验，理解和验证所加校正装置的结构、特性和对系统性能的影响；3. 通过模拟实验部分进一步理解和验证设计和仿真结果，进而掌握对系统的实时调试技术。
二、实验内容（4学时）1. 对未加校正装置时系统的性能进行分析，根据性能要求，进行校正器模型的理论设计（要求课下完成）。
2. Matlab仿真。
（1）观测校正前系统的时域、频域性能。
（2）观测校正后系统的时域、频域性能。
（3）对比（1）、（2）中的结果分析校正器性能，在保证校正效果的前提下并根据实验台实际参数进行校正器模型调整。
最终确定校正器模型。
3. 模拟实验（1）根据给定的系统模型和实验台实际参数搭接校正前的系统模拟电路。
（2）根据最终确定的校正器模型搭接校正器模拟电路。
（3）用上位机软件观测系统时频域性能进行分析，验证是否满足设计要求。
4. 对仿真实验和模拟实验的结果进行分析比较。
三、实验题目：Go（s）=K/s(0.02s+1)要求：（1）相位裕度大于或等于60°；（2）静态速度误差系数不小于100；（3）截止频率不小于10rad/s。
四、实验结果：校正前系统的伯德图如下：校正前闭环系统的阶跃响应曲线如下：可见上升时间=0.0478，调整时间=0.146由系统的要求，计算出校正系统为1+s/1+10s校正后系统的bode图：校正后闭环系统的阶跃响应曲线由图中可以看出：上升时间=0.148 调节时间=1.65模拟实验电路图校正前系统的阶跃响应曲线加入校正系统后的电路图:校正后闭环系统的阶跃响应曲线：性能指标ts=2.256 δ%=50.4%实验结果分析：对校正前后的模拟电路图绘制的阶跃响应进行对比分析，得出加入校正装置后，牺牲了系统的快速性与稳定性。
实验五 顺序控制功能图编程实验
实验五顺序控制功能图编程实验一、实验目的通过一个钻床的PLC模拟控制编程，掌握顺序控制法的分析、画图和梯形图编程方法，强化用顺序控制法进行PLC编程的技能训练。
二、实验内容某专用钻床用来加工圆盘状零件上均匀分布的6个孔，如下图a和b所示。
开始自动运行时钻头在最上面的位置，即位开关I0.3和I0.5为ON。
操作人员放好I0.1为ON，Q0.1和Q0.3使两只钻头同时开始工作，钻到由限位开关I0.2和I0.4设定的深度时，Q0.2和Q0.4使两只钻头同时上行，升到由限位开关I0.3和I0.5设定的起始位置时停止上行。
设定值为3的计数器C0的当前值加1。
两个都上升到位后，工没有钻完3对孔，C0的常闭触点闭合，Q0.5使工件旋转120°，旋转到位时限位开关I0.6为ON，旋转结束后又开始钻第2对孔。
3对孔都钻完后，计数器的当前值等于设定值3，C0的常开触点闭合，Q0.6使工件松开，松开到位时，限位开关I0.7为ON，系统返回初始状态。
三、实验设备（1）S7-200 PLC一台（2）安装了编程软件的微型计算机一台（3）连接S7-200 PLC 和计算机的通信接口的PC/PPI编程电缆一根（4）紧锁导线若干四、实验要求分析系统的顺序步，画出顺序功能图和PLC控制系统的外部接线图，根据你画出的功能图分别用“起保停”方法、“以转换为中心”的方法和“使用SCR指令”的方法编制梯形图程序，并上机调试成功。
五、实验报告（1）画出PLC硬件连线图、顺序功能图。
（2）写出三种方法的梯形图程序。
（3）整理出运行和监控程序时出现的问题。
（4）根据你的理解，对比三种方法（“起保停”方法、“以转换为中心”的方法和使用SCR指令的方法）。
（5）实验心得。
六、本次实验考核评分表最后一页附在实验报告中上交。
计算机控制系统分析与设计课程设计
计算机控制系统分析与设计课程设计一、课程设计的背景与意义计算机控制技术已成为现代工业自动化的核心技术之一，与机械、电子、电气、仪器等学科紧密结合，对提高生产效率、优化生产过程、降低成本、提高产品质量、增强企业竞争力等发挥着巨大的作用。
计算机控制系统分析与设计课程是工科类计算机专业的重要基础课程，其主要内容包括计算机系统基础、控制系统的建模和设计、控制算法的选择和实现等内容。
对于学生深入理解计算机控制系统的原理和方法，提高工程实践能力、解决实际问题具有重要的指导意义。
本课程设计通过课程设计，旨在帮助学生深入理解和掌握计算机控制系统分析与设计的相关知识，提高学生工程设计和实践能力，使学生能够在工程实践中灵活地应用所学知识，解决实际控制工程问题。
二、课程设计的教学目标•掌握计算机控制系统基本原理和方法；•能够熟练使用MATLAB等软件进行控制系统的建模和仿真；•能够基于PID控制算法，设计出满足控制要求的控制系统；•能够解决实际控制工程中的问题。
三、教学内容和方法1. 教学内容1.计算机控制系统基础–信号与系统–连续时间与离散时间系统–系统的稳定性分析2.控制系统建模–系统的时域建模–系统的传递函数建模–系统的状态空间建模3.控制系统性能分析–稳态性能分析–暂态性能分析4.控制系统设计–经典控制理论，如PID控制器–现代控制理论，如模型预测控制–控制系统非线性问题分析5.控制系统实现–MATLAB等仿真软件的使用–控制系统硬件实现2. 教学方法本课程设计采用理论教学和实验操作相结合的方式，注重培养学生的实际操作能力和问题解决能力：1.理论课程，通过讲授理论知识和示例，阐述计算机控制系统的基本原理和方法。
2.模拟仿真实验，将各种控制系统建模方法、控制算法应用于MATLAB软件进行仿真分析；3.案例分析，将所学知识与工程实践相结合，分析解决实际问题，帮助学生理解和掌握课程设计的理论知识。
四、课程设计的评分办法1.实验报告；2.组织思路、掌握的技能、解决问题的能力；3.清晰的思路表达、文本规范；五、总结计算机控制系统分析与设计是一门综合性强的课程，正是因为如此，这门课程的重要性也就与日俱增。
控制系统的典型环节的模拟实验报告
控制系统的典型环节的模拟实验报告实验报告：控制系统的典型环节的模拟实验一、实验目的本实验旨在通过模拟实验的方式，深入了解控制系统中的典型环节，包括比例环节、积分环节和微分环节，并对其进行系统性的研究和分析。
二、实验原理1.比例环节：比例环节是最简单的一种控制环节，其输出值与输入值成线性关系，常用来放大或压缩信号。
比例环节的传递函数可以表示为：Gp(s)=Kp。
2.积分环节：积分环节可以在一段时间内不断积累输入变量的累计值，并将其作为输出信号的一部分。
积分环节的传递函数可以表示为：Gi(s)=Ki/s。
3.微分环节：微分环节针对输入信号的变化率进行调节，通过对输入信号进行微分运算得到输出信号的一部分。
微分环节的传递函数可以表示为：Gd(s)=Kd*s。
三、实验内容与步骤1.实验器材：计算机、SIMULINK仿真软件。
2.实验步骤：a)打开SIMULINK仿真软件并创建一个新的模型文件。
b)在模型文件中依次添加比例环节、积分环节和微分环节的模块，并连接起来。
c)设置比例环节、积分环节和微分环节的参数，分别设定Kp、Ki和Kd的取值。
d)构建输入信号和输出信号的模型，设置输入信号的变化规律并得到输出信号。
e)运行模型并观察输出信号的变化情况，记录实验结果。
f)分析实验结果，比较不同控制环节对输出信号的影响。
四、实验结果与分析在实验中，我们分别设置比例环节、积分环节和微分环节的参数，得到了不同的输出信号。
以比例环节为例，当Kp=1时，输入信号与输出信号相等；当Kp>1时，输出信号的幅度大于输入信号的幅度；当Kp<1时，输出信号的幅度小于输入信号的幅度。
类似地，当Ki和Kd的取值不同时，输出信号的变化也会有所不同。
通过实验结果的分析，我们可以得出以下结论：1.比例环节的作用是放大或压缩输入信号的幅度，可以用于控制输出信号的增益。
2.积分环节的作用是对输入信号进行积分运算，可以平滑输出信号的变化，同时可以消除稳态误差。
实验五 控制系统的时域
实验五控制系统的时域、频域和根轨迹分析班级：机电113姓名：胡燕学号：2011012579实验五 控制系统的时域、频域和根轨迹分析一、 实验目的1、掌握如何使用Matlab 进行系统的时域分析2、掌握如何使用Matlab 进行系统的频域分析3、掌握如何使用Matlab 进行系统的根轨迹分析二、 实验内容：1、时域分析1.1、某系统的开环传递函数为43220G(s)=83640s s s s +++试编程求系统在单位负反馈下的阶跃响应曲线，并求最大超调量。
1.2、典型二阶系统222G()2nn ns s s ωξωω=++编程求当ωn =6,ζ取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0时的单位阶跃响应曲线。
1.3、典型二阶系统传递函数为：2222)(n n n s s s G ωξωω++=绘制当ζ=0.7,ωn 取2、4、6、8、10、12时的单位阶跃响应曲线。
2、根轨迹分析根据下面负反馈系统的开环传递函数，绘制系统根轨迹，并分析使系统稳定的K 值范围。
)2)(1()()(++=s s s Ks H s G3、频域分析3.1 典型二阶系统传递函数为：2222)(n n n c s s s G ωξωω++=绘制当ζ=0.7,ωn 取2、4、6、8、10、12时的伯德图3.2 典型二阶系统传递函数为：2222)(nn n c s s s G ωξωω++= 绘制当ωn =6,ζ取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0时的伯德图。
四、实验总结：本次实习的主要内容是控制系统的时域、频域和根轨迹分析，经过这次实习，学会了如何在MATLAB中进行一个系统的时域分析，画出它们在阶跃响应下的图形等，并学会了控制系统的频域分析，做出系统的伯德图等，而且也学会了简单的根轨迹分析。
本次实验课巩固了自动控制的基本知识，同时对这些知识在MATLAB的应用命令更加掌握。
本次实验中遇到了一些问题，但是通过老师和同学的帮助这些问题都解决了。
plc抢答器的设计与实现
实验五抢答器的设计与实现一、控制对象及其要求控制对象：3个抢答按钮及其对应的3个指示灯（带响铃的报警灯）和一个复位按钮（每轮抢答完毕后，由主持人按此按钮复位）；控制要求：1．总共设置三个抢答器按钮及其对应的指示灯（带响铃的报警灯），再设置一个复位按钮，抢答开始前（或是主持人按下复位按钮后），所有指示灯均处于熄灭状态；2．开始抢答时，抢答者通过按下对应的按钮后，由系统判别出最先按下的按钮，其对应的指示灯亮起，表示抢答成功；3．当系统判别出一个最先按下的按钮以后，其他的指示灯对应的按钮无论是否按下，均处于熄灭的状态；4．当一轮抢答完毕后，主持人按下复位按钮以后，所有指示灯熄灭；5．以此循环；二、控制系统的分析与设计1．抢答器控制系统的分析：选用PLC对整个系统进行控制，可以将三个抢答按钮和一个开始按钮分别连接到PLC控制器的输入端，而在PLC的输出端则连接三个对应按钮的指示灯。
开始抢答时，选手按下各自的抢答按钮后，电平信号送入到PLC中，PLC接收到电平信号后，将接收到信号的通道对应的指示灯点亮，同时关闭除开始按钮所连通道外的其他通道的输入，这样就可以判别出一个抢答成功的选手。
当一轮抢答完毕，新一轮抢答开始时，主持人按下复位开始按钮后，所有指示灯熄灭，同时打开所有通道的输入，新一轮的抢答开始。
2．抢答器控制系统的设计1)IO点数的估算：系统输入信号：①开始复位按钮需要一个输入通道；②三个抢答按钮需要三个输入通道；以上共计需要4个输入通道；系统输出信号：①三个指示灯需要三个输入通道；②如果需要连接蜂鸣器，则再需要三个输入端子；以上至少需要三个输入通道；2)用户应用程序所占内存的大小估计用户应用程序占用内存与I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等因素有关，因此在程序设计之前只能粗略估算。
根据经验，此应用程序占用的内存的大小可作如下估计：开关量输入：1×4=4字节；（分别为四个按钮的控制输入）；开关量输出：1×3=3字节或者 1×6=6字节（如果需要连接蜂鸣器）；共计至少需要7字节的数据存储空间，加上程序存储空间和备用存储空间以后，总共1K存储空间足够。
MATLAB与控制系统仿真及实验 2016(五)
一个 Simulink 仿真模型的基本模块包括信源、信宿以及系统三个部分。其中，信源 可以是常数、正弦波、阶梯波等信号源，信宿可以是示波器、图形记录仪等，系统则 是被研究系统的 SIMULINK 方框图。系统、信源、信宿，可以从 SIMULINK 模块库中 直接获得，也可以根据用户意愿用库中的模块构建而成。
2
2、 连续系统的建模与仿真 连续系统指的是可以用微分方程来描述的系统。用于建模连续系统的模块：
Simulink 模块组中的 Continous、Math 以及 Nonlinear 模块库中。 利用 Simulink 进行系统仿真的步骤如下： (1) 建立系统仿真模型，这包括添加模块、设置模块参数以及进行模块连接等操
作。 (2) 设置仿真参数。 (3) 启动仿真并分析仿真结果。
四、实验内容
1. 建立单位负反馈二阶系统的 SIMULINK 仿真模型，当输入信号源分别为阶跃信号、 斜坡信号、正弦信号时，给出系统输出的波形图。开环传递函数如下所示
3
2. 利用 SIMULINK 仿真下列曲线并给出结果，取 2 ，
MATLAB 与控制系统仿真及实验 实验报告
（五） 2015- 2016 学年第 2 学期
专业： 班级： 学号： 姓名：
2016 年 5 月 18 日
实验五 SIMULINK 系统仿真设计 一、实验目的
自动控制系统实验教案
自动控制系统实验教案一、实验目的1. 理解自动控制系统的原理和组成；2. 熟悉常见自动控制器的结构和功能；3. 掌握自动控制系统的设计方法和调试技巧；4. 培养动手能力和团队协作精神。
二、实验原理1. 自动控制系统的基本原理：根据给定的目标和条件，自动调节系统的输入和输出，使输出量达到期望值。
2. 自动控制系统的组成：控制器、被控对象、传感器、执行器等。
3. 常见自动控制器：PID控制器、模糊控制器、自适应控制器等。
4. 自动控制系统的设计方法：系统建模、系统分析、控制器设计、系统仿真等。
三、实验设备与材料1. 实验台：自动控制系统实验台；2. 控制器：PID控制器、模糊控制器等；3. 被控对象：电机、温度控制器等；4. 传感器：温度传感器、速度传感器等；5. 执行器：电机、电磁阀等；6. 实验软件：MATLAB/Simulink。
四、实验内容与步骤1. 实验一：PID控制器原理及应用（1）了解PID控制器的结构和工作原理；（2）通过实验台调试PID控制器，使被控对象达到期望输出；（3）分析PID控制器参数对系统性能的影响。
2. 实验二：模糊控制器原理及应用（1）了解模糊控制器的结构和工作原理；（2）通过实验台调试模糊控制器，使被控对象达到期望输出；（3）分析模糊控制器参数对系统性能的影响。
3. 实验三：自适应控制器原理及应用（1）了解自适应控制器的结构和工作原理；（2）通过实验台调试自适应控制器，使被控对象达到期望输出；（3）分析自适应控制器参数对系统性能的影响。
4. 实验四：自动控制系统设计及仿真（1）根据实际应用场景，选择合适的自动控制器；（2）利用MATLAB/Simulink进行系统建模和仿真；（3）调试系统，使输出量达到期望值。
5. 实验五：自动控制系统调试与优化（1）针对已设计的自动控制系统，进行实际运行调试；（2）分析系统运行过程中的问题和不足；（3）优化控制器参数，提高系统性能。
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实验五 控制系统的分析与设计
一、实验目的及要求：
1. 掌握控制系统频域与时域分析基本方法。
2. 了解现代控制理论的基本设计方法。
二、实验内容：
1．已知两个单位负反馈系统中的开环传递函数分别为：
s s s s x G s s s x G +++=+++=23221312)(,1312)(，
①分别用传递函数、零极点、和状态空间法表示开环模型；
②分别绘制开环系统的bode 图和nyquist 曲线；
③分别绘制闭环系统的根轨迹；
④分别绘制闭环系统的阶跃响应曲线，分析静态误差；
⑤分别绘制闭环系统的单位斜坡输入响应曲线，分析静态误差。
den1=[2 1];
num1=[1 3 1];
den2=[2 1];
num2=[1 3 1 0]; [a1 b1 c1 d1]=tf2ss(den1,num1);
[z1,p1,k1]=tf2zp(den1,num1);
[a2 b2 c2 d2]=tf2ss(den2,num2);
[z2,p2,k2]=tf2zp(den2,num2);
sys11=tf(den1,num1) %系统1的传递函数
sys21=tf(den2,num2) %系统2的传递函数
sys12=ss(a1,b1,c1,d1) %系统1的状态空间表达式
sys22=ss(a2,b2,c2,d2) %系统2的状态空间表达式
sys13=zpk(z1,p1,k1) %系统1的零极点表达式
sys23=zpk(z2,p2,k2) %系统2的零极点表达式
subplot(2,5,1) %系统1的nyquist 曲线
nyquist(sys11)
subplot(2,5,2) %系统1的bode 曲线
bode(sys11)
subplot(2,5,3) %系统2的nyquist 曲线 nyquist(sys21)
subplot(2,5,4) %系统2的bode 曲线
bode(sys21)
subplot(2,5,5) %系统1的根轨迹
rlocus(sys11)
subplot(2,5,6)
rlocus(sys21) %系统2的根轨迹
sysfz=tf(1,1)
sys14=feedback(sys11,sysfz);
sys24=feedback(sys21,sysfz);
t=0:0.1:50;
subplot(2,5,7) %系统1的闭环阶跃响应step(sys14,t)
subplot(2,5,8) %系统2的闭环阶跃响应step(sys24,t)
t=0:0.1:50;
u=t;
subplot(2,5,9) %系统1的闭环单位斜坡响应lsim(sys14,u,t)
subplot(2,5,10) %系统2的闭环单位斜坡响应lsim(sys24,u,t)
2．已知某单位负反馈系统的开环模型为：
()x y
u x
x
1
1
1
1
1 1
0 11
0 11
2 1
=
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
-
-
-
=
①判断能控性；
②期望极点为p=(-1,-2,-3)；
③设计状态反馈K进行极点配置；
④分别绘制校正前后的根轨迹。
A=[-1 -2 1;1 0 1;-1 0 1];
B=[1;1;1];
C=[1 0 1];
D=[0];
[num,den]=ss2tf(A,B,C,D); %状态空间表达式向传递函数的转化[num1,den1]=feedback(num,den,1,1,-1); %单位负反馈
[A1,B1,C1,D1]=tf2ss(num1,den1);
M=ctrb(A1,B1); %求出系统的能控矩阵n=rank(M) %求出能控矩阵的秩,如果n等于3，则为能控，若小于3则为不完全能控，若为0则为完全不能控
p=[-1,-2,-3]; %期望的极点
k=acker(A1,B1,p) %根据极点求出状态反馈K
subplot(2,1,1) %画出未配置极点前根轨迹
rlocus(num,den)
subplot(2,1,2) %画出配置极点后根轨迹
A2=A1-B1*k;
[num2,den2]=ss2tf(A2,B1,C1-D1*k,D1); rlocus(num2,den2)。