自动控制原理实验书(DOC)
自动控制原理实验资料
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 Ks 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--。
自动控制原理实验指导书五个实验).docx
自动控制原理实验指导书电力学院自动控制原理实验室二OO八年三月实验一典型环节的电路模拟与软件仿真 (2)实验二线性定常系统的瞬态响应 (6)实验三线性系统稳态误差的研究 (8)实验四系统频率特性的测量 (11)实验五线性定常系统的串联校正 (13)附：THBDC-1控制理论•计算机控制技术实验平台简介 (16)实验一典型环节的电路模拟与软件仿真一、实验目的1.熟悉并寧握THBDC-1型控制理论•计算机控制技术实验平台及上位机软件的使用方法。
2.熟悉各典型环节的电路传递函数及其特性，学握典型环节的电路模拟与软件仿真研究。
3.测虽各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。
二、实验设备1.THBDC-1型控制理论・计算机控制技术实验平台2.PC机1台（含上位机软件）USB数据采集卡37针通信线1根16芯数据排线USB接口线3.双踪慢扫描示波器1台（可选）4.万用表1只三、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；3.在上位机界血•上，填入各典型环节数学模型的实际参数，据此完成它们对阶跃响应的软件仿真，并与模拟电路测试的结果相比较。
四、实验原理自控系统是山比例、积分、微分、惯性等典型环节按一定的关系连接而成。
熟悉这些环节对阶跃输入的响应，对分析线性系统将是十分冇益的。
在附录屮介绍了典型环节的传递函数、理论的阶跃响W曲线和环节的模拟电路图。
五、实验步骤1.熟悉实验台，利用实验台上的各电路单元，构建所设计比例环节（可参考本实验附录）的模拟电路并连接好实验电路；待检杳电路接线无课示，接通实验台的电源总开关，并开启± 5V, ± 15V 直流稳压电源。
2.把采集卡接口单元的输出端DA1、输入端AD2与电路的输入端Ui相连，电路的输出端U。
则与采集卡接口单元屮的输入端AD1相连。
连接好采集卡接口单元与PC上位机的通信线。
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。
自动控制原理实验指导书
⾃动控制原理实验指导书⽬录第⼀章⾃动控制原理实验 (1)实验⼀典型环节模拟⽅法及动态特性 (1)实验⼆典型⼆阶系统的动态特性 (4)实验三典型调节规律的模拟电路设计及动态特性测试 (6)实验四调节系统的稳态误差分析 (8)实验五三阶系统模拟电路设计及动态特性和稳定性分析 (11)实验六单回路系统中的PI调节器参数改变对系统稳定性影响 (13)实验七典型⾮线性环节的模拟⽅法 (15)实验⼋线性系统的相平⾯分析 (17)第⼆章控制理论实验箱及DS3042M（40M）⽰波器简介 (19)第⼀节⾃动控制理论实验箱的简介 (19)第⼆节数字存储⽰波器简介 (20)第⼀章⾃动控制原理实验实验⼀典型环节模拟⽅法及动态特性⼀、实验⽬的1、掌握⽐例、积分、实际微分及惯性环节的模拟⽅法。
2、通过实验熟悉各种典型环节的传递函数和动态特性。
⼆、实验设备及器材配置1、⾃动控制理论实验系统。
2、数字存储⽰波器。
3、数字万⽤表。
4、各种长度联接导线。
三、实验内容分别模拟⽐例环节、积分环节、实际微分环节、惯性环节，输⼊阶跃信号，观察变化情况。
1、⽐例环节实验模拟电路见图1-1所⽰传递函数：K R R V V I -=-=120阶跃输⼊信号：2V实验参数：（1） R 1=100K R 2=100K（2） R 1=100K R 2=200K2、积分环节实验模拟电路见图1-2所⽰传递函数：ST V V I I O 1-= ，其中T I阶跃输⼊信号：2V 实验参数：（1） R=100K C=1µf（2） R=100K C=2µf 3、实际微分环节实验模拟电路见图1-3所⽰传递函数：K ST S T V V D D I O +-=1 其中 T D =R 1C K=12R R 阶跃输⼊信号：2V实验参数：（1） R 1=100K R 2=100K （2）R 1=100K R 2=200K C=1µf4、惯性环节实验模拟电路见图1-4所⽰传递函数：1+-=TS K V V I O 其中 T=R 2C K=12R R 阶跃输⼊：2V 实验参数：（1） R 1=100K R 2=100K C=1µf（2） R=100K R 2=100K C=2µfR四、实验步骤1、熟悉实验设备并在实验设备上分别联接各种典型环节。
自动控制原理实验实验指导书
自动控制原理实验目录实验一二阶系统阶跃响应（验证性实验） (1)实验三控制系统的稳定性分析（验证性实验） (9)实验三系统稳态误差分析（综合性实验） (15)预备实验典型环节及其阶跃响应一、实验目的1.学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性的影响。
2.学习典型环节阶跃响应测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节传递函数。
二、实验内容搭建下述典型环节的模拟电路，并测量其阶跃响应。
1.比例(P)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-1。
2.惯性(T)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-2。
3.积分(I)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-3。
4. 比例积分(PI)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-4。
5.比例微分(PD)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-5。
6.比例积分微分(PID)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-6。
三、实验报告1.画出惯性环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节、比例积分微分环节的模拟电路图，用坐标纸画出所记录的各环节的阶跃响应曲线。
2.由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由模拟电路计算的结果相比较。
附1：预备实验典型环节及其阶跃响应效果参考图比例环节阶跃响应惯性环节阶跃响应积分环节阶跃响应比例积分环节阶跃响应比例微分环节阶跃响应比例积分微分环节阶跃响应附2：由模拟电路推导传递函数的参考方法1． 惯性环节令输入信号为U 1(s) 输出信号为U 2(s) 根据模电中虚短和虚断的概念列出公式：整理得进一步简化可以得到如果令R 2/R 1=K ，R 2C=T ，则系统的传递函数可写成下面的形式：()1KG s TS =-+当输入r(t)为单位脉冲函数时 则有输入U 1(s)=1输出U 2(s)=G(s)U 1(s)= 1KTS-+由拉氏反变换可得到单位脉冲响应如下：/(),0t TK k t e t T-=-≥ 当输入r(t)为单位阶跃函数时 则有输入U 1(s)=1/s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)= 11K TS s-+由拉氏反变换可得到单位阶跃响应如下：/()(1),0t T h t K e t -=--≥当输入r(t)为单位斜坡函数时 则有输入U 1(s)=21s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)=2323R R C T R R =+2Cs12Cs-(s)U R10-(s)U 21R R +-=12212)Cs (Cs 1(s)U (s)U )(G R R R s +-==12212)Cs 1((s)U (s)U )(G R R R s +-==由拉氏反变换可得到单位斜坡响应如下：/()(1),0t T c t Kt KT e t -=--≥2． 比例微分环节令输入信号为U 1(s) 输出信号为U 2(s) 根据模电中虚短和虚断的概念列出公式：(s)(s)(s)(s)(s)U100-U U 0U 2=1R1R23(4)CSU R R '''---=++由前一个等式得到 ()1()2/1U s U s R R '=- 带入方程组中消去()U s '可得1()1()2/11()2/12()1134U s U s R R U s R R U s R R R CS+=--+由于14R C〈〈，则可将R4忽略，则可将两边化简得到传递函数如下： 2()23232323()(1)1()11123U s R R R R R R R R G s CS CS U s R R R R R ++==--=-++如果令K=231R R R +， T=2323R R C R R +，则系统的传递函数可写成下面的形式：()(1)G s K TS =-+当输入r(t)为单位脉冲函数时，单位脉冲响应不稳定，讨论起来无意义 当输入r(t)为单位阶跃函数时 则有输入U 1(s)=1/s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)=(1)K TS S-+由拉氏反变换可得到单位阶跃响应如下：()(),0h t KT t K t δ=+≥当输入r(t)为单位斜坡函数时 则有输入U 1(s)=21s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)=2(1)K TS S -+由拉氏反变换可得到单位斜坡响应如下：(),0c t Kt KT t =+≥实验一 二阶系统阶跃响应（验证性实验）一、实验目的研究二阶系统的两个重要参数阻尼比ξ和无阻尼自然频率n ω对系统动态性能的影响。
自动控制原理（实验指导书）
⾃动控制原理（实验指导书）⽬录实验⼀典型环节的模拟研究（验证型）（2）实验⼆典型系统的瞬态响应和稳定性（设计型）（9）实验三动态系统的数值模拟（验证型）（15）实验三动态系统的频率特性研究（综合型）（16）实验四动态系统的校正研究（设计型）（18）附录XMN—2学习机使⽤⽅法简介（20）实验⼀典型环节的模拟研究⼀、实验⽬的:1、了解并掌握XMN-2型《⾃动控制原理》学习机的使⽤⽅法，掌握典型环节模拟电路的构成⽅法，培养学⽣实验技能。
2、熟悉各种典型线性环节的阶跃响应曲线。
3、了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
⼆、实验设备Uo(S)=（K+TS 1）S1?)1()()(21210210CS R R RR R R R S U S U i +++≈（1-19）⽐较式(1-17)和(1-19)得K=21R R R +T=C R R R R ?+2121 （1-20）当输⼊为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(S)=1/S 。
则由式（1-17）得到111)()(23111022100210++?+++=S C R S C R C R C R S C R R R R S U S U i (1-24) 考虑到R 1》R 2》R 3，则式（1-24）可近似为S C R R R S C R R R S U S U i 2021100101)()(++≈（1-25）⽐较式(1-23)和(1-25)得K P =1R R ， T 1=R 0C 1T D =2021C R R R ? （1-26）当输⼊为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(S)=1/S 。
则由式（1-23）得到U o (S)=（K P +ST 11+T D S ）S 1?五、实验报告要求：1、实验前计算确定典型环节模拟电路的元件参数各⼀组，并推导环节传递函数参数与模拟电路电阻、电容值的关系以及画出理想阶跃响应曲线。
2、实验观测记录。
自动控制原理实验指导书(学生版).docx
编著 李蔓华陈昌虎李晓高动控制理论实验指导书实验装置简介 (34)实验一控制系统典型环节的模拟........... (5-6)实验二-邛介系统的吋域响应及参数测定••…(6-7)实验三二阶系统的瞬态响应分析........... (8-9)实验四频率特性的测试................... (9-13)实验五PID控制器的动态特性............. (13-15)实验六典型非线性环节................... (15-18)实验七控制系统的动态校正（设计性实验）•・(19)备注：本实验指导书适用于自动化、电子、机设专业，各专业可以根据实验大纲选做实验。
THZK-1型控制理论电子模拟实验箱实验装置简介口动控制技术广泛应用于工农业生产，交通运输和国防建设.因此，一个国家自动控制的水平是衡量该国家的生产技术与科学水平先进与否的一项重要标志。
木模拟实验装置能完成高校《自动控制理论》教程的主要实验内容.它可以模拟控制工程中的各种典型环节和控制系统,并对控制系统进行仿真研究，使学生通过实验对白动控制理论有更深一步地理解。
并提高分析与综合系统的能力。
本模拟实验箱可分为三大部分:信号源与频率计部分，电源部分,典型环节实验部分.1.1信号源部分信号源部分包括阶跃信号发生器，函数信号发生器，扫频电源(1)、阶跃信号发生器当按下按钮吋，输出一负的阶跃信号，其幅值约(-0.9V~ -2. 45V)之间可调。
(2)、函数信号发生器函数信号发生器主要是为本实验装置屮所需的超低频信号而专门设计的。
函数信号发生器能输出三种函数信号,每一种函数信号有三个频段口J 供选择，三种信号分别为正弦波信号，三角波信号和方波信号。
正弦波信号：正弦波信号电压的冇效值在(0 -7. 5v)可调，频率在(0. 25Hz-l. 55KHz)可调，其中低频段(0. 25Hz~14Hz),中频段(2. 7Hz~155Hz)可调,高频段(26Hz~l. 55KHz)可调。
《自动控制原理》实验指导书(正文全)
实验一基于MATLAB实验平台的系统被控对象的建立与转换[说明]一个控制系统主要由被控对象、检测测量装置、控制器和执行器四大部分构成。
用于自控原理实验方面的被控对象可以有①用于实际生产的实际系统的真实被控对象，如进行温度控制的锅炉、进行转速控制的电机等；②用于实验研究的真实被控对象，如进行温度控制的实验用锅炉、进行转速控制的电机等；③用运算放大器等电子器件搭建的电模拟被控对象（电路板形式），它们的数学模型与真实被控对象的数学模型基本一致，而且比真实被控对象更典型，更精准。
它们是实物型原理仿真被控对象。
④计算机仿真的被控对象，它们是非实物型原理仿真被控对象，是以各种形式展现的被控对象的数学模型。
它们通过计算机屏幕展示，或是公式形式的数学算式，或是数字形式的数表、矩阵，或是图形形式的结构框图，或是动画形式的真实被控对象实物的动态图形。
在自控原理实验中，①极少用；②用的不多；③用的较多；④在MATLAB软件广泛使用后，用的较多。
③、④各有其优缺点。
MATLAB软件的应用对提高控制系统的分析、设计和应用水平起着十分重要的作用。
我们的实验采用的是④：采用MATLAB软件平台的计算机仿真的被控对象。
这里“被控对象的建立”，指在MATLAB软件平台上怎样正确表示被控对象的数学模型。
[实验目的]1．了解MATLAB软件的基本特点和功能；2．掌握线性系统被控对象传递函数数学模型在MATLAB环境下的表示方法及转换；3．掌握多环节串联、并联、反馈连接时整体传递函数的求取方法；4．掌握在SIMULINK环境下系统结构图的形成及整体传递函数的求取方法。
[实验指导]一、被控对象模型的建立在线性系统理论中，一般常用的描述系统的数学模型形式有：（1）传递函数模型——有理多项式分式表达式（2）传递函数模型——零极点增益表达式（3）状态空间模型（系统的内部模型）这些模型之间都有着内在的联系，可以相互进行转换。
1、传递函数模型——有理多项式分式表达式设系统的传递函数模型为1110111......)()()(a s a s a s a b s b s b s b s R s C s G n n n n m m m m ++++++++==---- 对线性定常系统，式中s 的系数均为常数，且a n 不等于零。
《自动控制原理》实验指导书2
G(S)H(S)= （2-15）
式中R的单位为KΩ，比较式（2-14）和（2-15）得
T0=1，T1=0.1
T2=0.51，K=510/R(2-16)
系统的特征方程为1+G(S)H(S)=0，由式（2-14）可得到
S(T1S+1)(T2S+1)+K=0
展开得到
T1T2 +(T1+T2) +S+K=0(2-17)
2．CAE98；
3．万用表。
=
其中： =
无阻尼自然频率和阻尼比：
，
1．选定R，C，Rf值，使 ，ξ=0.2；
2．用CAE98的正弦波作为系统的输入信号，即x(t)=XSin t，稳态时其响应为y(t)=Ysin( t+φ)；
3．改变输入信号的频率，使角频率 分别等于（或接近等于）0.2，0.4，0.6，0.8，0.9，1.0，1.2，1.4，1.6，2.0，3.0rad/s，稳态时，记录屏幕显示的正弦输入x(t)=XSint和正弦输出响应y(t)=Ysin( t+φ)。记录曲线序号依次记作 ；
2、零极点对控制系统性能的影响
已知传递函数为 ,1) 分别求加入附加零点分别为-2,-1,-0.4时,系统的单位阶跃响应;2) 分别求加入附加极点分别为-1.5,-0.6,-0.4时,系统的单位阶跃响应.
3、稳态误差
已知3个系统的开环传递函数分别为 , , ,请分别计算这3个系统对单位阶跃和单位斜坡信号的响应并计算稳态误差.
二、实验要求：
1、观测不同参数下二阶系统的阶跃响应并测出性能指标：超调量MP，峰值时间tp,调节时间ts。
2、观测增益对典型三阶系统稳定性的影响。
自动控制原理实验报告,DOC
自动控制原理实验报告实验一、典型环节的时域响应一．实验目的1.熟悉并掌握TD-ACC+（TD-ACS）设备的使用方法及各典型环节模拟控制电路的构成方法。
2.熟悉各种典型环节的理想阶跃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。
PC三．1.2.3.4.5.6.一12二PC机一台，TD-ACC+(或TD-ACS)教学实验系统一套。
三、原理简述所谓校正就是指在使系统特性发生变化接方式，可分为：串馈回路之内采用的校测点之后和放1．原系统的结构框图及性能指标对应的模拟电路图2．期望校正后系统的性能指标3校正前：校正后：校正前：校正后：12PC（一）实验原理1．频率特性当输入正弦信号时，线性系统的稳态响应具有随频率(ω由0变至∞)而变化的特性。
频率响应法的基本思想是：尽管控制系统的输入信号不是正弦函数，而是其它形式的周期函数或非周期函数，但是，实际上的周期信号，都能满足狄利克莱条件，可以用富氏级数展开为各种谐波分量；而非周期信号也可以使用富氏积分表示为连续的频谱函数。
因此，根据控制系统对正弦输入信号的响应，可推算出系统在任意周期信号或非周期信号作用下的运动情况。
2．线性系统的频率特性系统的正弦稳态响应具有和正弦输入信号的幅值比Φ（jω）和相位差∠Φ（jω）随角频率(ω由0变到∞)变化的特性。
而幅值比Φ（jω）和相位差∠Φ（jω）恰好是函数Φ（jω）的模和幅角。
所以只要把系统的传递函数Φ（s），令s=jω，即可得到Φ（jω）。
我们把Φ（jω）称为系统的频率特性或频率传递函数。
当ω由0到∞变化时，Φ（jω）随频率ω的变化特性成为幅频特性，∠Φ（jω）随频率ω的变化特性称为相频特性。
幅频特性和相频特性结合在一起时称为频率特性。
3．频率特性的表达式(1)(2)(3)幅值不易测量，可将其构成闭环负反馈稳定系统后，通过测量信号源、反馈信号、误差信号的关系，从而推导出对象的开环频率特性。
自动控制原理实验
目录目录 (1)实验一基本绘图 (2)一、实验目的 (2)二、实验内容 (2)实验二模型建立 (9)一、实验目的 (9)二、实验内容 (9)实验三稳定性分析 (15)一、实验目的 (15)二、实验内容 (15)实验四响应曲线 (21)一、实验目的 (21)二、实验内容 (21)实验五根轨迹 (24)一、实验目的 (24)二、实验内容 (24)实验六控制系统的频域分析 (32)一、实验目的 (32)二、基础知识及MATLAB函数 (32)三、实验内容 (32)实验一基本绘图一、实验目的1.学习了解MATLAB语言环境；2.练习MATLAB命令的基本操作；3.学习MATLAB的基本矩阵运算；4.学习MATLAB的各种二维绘图；5.学习MATLAB的三维绘图。
二、实验内容2.1基本二维绘图（1）向量绘图x=0:2*pi/100:2*pi;y1=sin(2*x);y2=cos(2*x);plot(x,y1);plot(x,y2);%保持作图plot(x,y1);hold on;plot(x,y2);hold off;%设定颜色与线型plot(x,y1,':',x,y2,'ro');%多窗口绘图figure(1);plot(x,y1);figure(2);plot(x,y2);%子图绘图subplot(221);plot(x,y1);subplot(222);plot(x,y2)subplot(223);plot(x,y1,x,y1+y2)subplot(224);plot(x,y2,x,y1-y2)2.2多种二维绘图（1）半对数绘图（频率特性绘图）w=logspace(-1,1);%横坐标对数分度g=20*log10(1./(1+2*w*i));%幅值纵坐标取分贝p=angle(1./(1+2*w*i))*180/pi;%相角纵坐标取度subplot(211);semilogx(w,g);grid;%幅频特性子图，半对数绘图，加网线subplot(212);semilogx(w,p);grid;%相频特性子图，半对数绘图，加网线（2）极坐标绘图t=0:2*pi/180:2*pi;mo=cos(2*t);polar(t,mo);（3）直方图绘图t=0:2*pi/8:2*pi;y=sin(t);bar(t,y);（四）离散棒图t=0:2*pi/8:2*pi;y=sin(t);stem(t,y);（五）阶梯图t=0:2*pi/8:2*pi;y=sin(t);stairs(t,y);2.3图形注释fplot('[sin(t),cos(t)]',[0,5]);title('曲线')xlabel('时间t');ylabel('幅值y');gtext('正弦函数');gtext('余项函数');grid2.4三维绘图（1）三维线图t=0:pi/50:10*pi;plot3(sin(t),cos(t),t);comet3(sin(t),cos(t),t);（2）单变量高度网线图Z2=[1 1;1 -1];Z4=[Z2 Z2;Z2 -Z2];Z8=[Z4 Z4;Z4 -Z4];mesh(Z8)（3）变量马鞍面网线图x=-4:0.5:4;y=x;[X,Y]=meshgrid(x,y);Z=X.^2-Y.^2;mesh(X,Y,Z)（四）圆锥面网线图t1=0:0.1:0.9;t2=0:0.1:2;r=[t1,-t2+2];[x,y,z]=cylinder(r,40); mesh(x,y,z)实验二模型建立一、实验目的1.学习在MATLAB命令窗口建立系统模型的方法；2.学习如何在两种模型之间相互转换；3.学习如何用SIMULINK仿真工具建模。
自动控制原理-实验一
实验一 典型环节的模拟研究一．实验目的：1、了解并掌握ACLS-1控制理论实验箱模拟电路的使用方法，掌握典型环节模拟电路的构成方法，培养学生实验技能。
2、熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。
3、了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
二．实验要求：1、观测各种典型环节的阶跃响应曲线。
2、观测参数变化对典型环节阶跃响应的影响。
三．实验仪器：1、ACLS-1控制理论实验箱 一台2、超低频示波器 一台3、万用表 一块四．实验原理和电路：实验是利用运算放大器和其它元器件构成的网络来模拟各种典型环节，接线方法见附录一和ACLS-1控制理论实验箱原理图。
典型环节方块图及其模拟电路如下：1.比例（P）环节：i当输入为单位阶跃信号，即)(1)(t t U i =时，SS U i 1)(=。
则由式（1－1） 得到：SK S U o 1)(•=其传递函数为：TSS U S U i o 1)()(= （1－5）积分环节的模拟电路如图1-2B 所示。
积分环节接线图：把图1－1B（b）中的R1换为C 即可。
积分环节模拟电路的传递函数为：CSR S U S U i o 01)()(= （1－6）比较式（1-5）和（1-6）得: C R T 0= （1－7） 当输入为单位阶跃信号，即)(1)(t t U i =时，SS U i 1)(=。
则由式（1－5） 得到：2111)(TS S TS S U o =•=比例积分环节的模拟电路如图1-3B 所示。
比例－积分环节接线图：把图1－1B（b）中的R1换成R1和C 串联即可。
其传递函数为：CSR R R CS R CS R S U S U i o 0010111)()(+=+= （1－10）比较式（1-9）和（1-10）得:当输入为单位阶跃信号，即)(1)(t t U i =时，SS U i 1)(=。
则由式（1－9） 得到：STS K S U o 1)1()(•+=惯性环节的接线图：把图1－1B（b）中的R1换成R1和C 并联即可。
《自动控制原理》实验指导书
《自动控制原理》实验指导书山西农业大学工程技术学院目录自动控制理论电子模拟实验指导书实验一、控制系统典型环节的模拟实验二、一阶系统的时域响应及参数测定实验三、二阶系统的瞬态响应分析实验四、PID控制器的动态特性实验五、典型环节频率特性的测试附录：扫频电源操作使用说明实验一 控制系统典型环节的模拟一、 实验目的1）、熟悉超低频扫描示波器的使用方法2）、掌握用运放组成控制系统典型环节的电子电路 3）、测量典型环节的阶跃响应曲线4）、通过实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响二、 实验仪器1）、控制理论电子模拟实验箱一台 2）、超低频慢扫描示波器一台 3）、万用表一只三、 实验原理以运算放大器为核心元件，由其不同的R-C 输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图1-1所示。
图中Z 1和Z 2为复数阻抗，它们都是由R 、C 构成。
基于图中A 点的电位为虚地，略去流入运放的电流，则由图1-1得：由上式可求得由下列模拟电 路组成的典型环节的传递函数及 其单位阶跃响应。
1)、比例环节比例环节的模拟电路如图1-2所示： 图1-1、运放的反馈连接(1) )(12Z Z u u S G i o =-=2=410820==12KKZ Z )S (G）（2 1+=1+1•=R 1+==21212212TS KCS R R R CS /R CS/R Z Z )S (G图1-2 比例环节2）、惯性环节取参考值R 1=100K ，R 2=100K ，C=1uF图1-3、惯性环节3）、积分环节取参考值R =200K ，C =1uF图1-4、积分环节）（3 11/1)(12TSRCS R CSZ Z S G ==== RC =T 积分时间常数式中4）、比例微分环节（PD ），其接线图如图及阶跃响应如图1-5所示。
参考值R 1=200K ，R 2=410K ，C =0.1uF图1-5 比例微分环节5）、比例积分环节，其接线图单位阶跃响应如图1-6所示。
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）
1
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”。
2
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
自动控制原理实验指导书(2个)共9页文档
自动控制原理实验指导书刘芹仲恺农业工程学院机电工程学院自动化实验室2019年4月目 录实验一 典型环节的时域响应 .......................................1 实验二 典型系统的时域响应........................................10 实验三 典型系统的稳定性分析. (13)实验一 典型环节的时域响应一、 实验目的1．掌握各典型环节模拟电路的构成方法，掌握TD －ACC 设备的使用方法。
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。
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 系列教学实验系统一套。
三、 实验原理及内容下面列出了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：图1－1(2) 传递函数：K )S (Ui )S (Uo (3) 阶跃响应：Uo(t) = K ( t ≥0 ) 其中K = R 1 / R 0 (4) 模拟电路图：图1－2(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：图1－3(2) 传递函数：TS1)S (Ui )S (Uo =(3) 阶跃响应：t T1)t (Uo =( t ≥0 ) 其中T = R 0C (4) 模拟电路图：图1－4(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 。
3．比例积分环节（PI ） (1) 方框图：图1－5(2) 传递函数：TS1K )S (Ui )S (Uo +=(3) 阶跃响应：t T1K )t (Uo += ( t ≥0 ) 其中K = R 1/R 0 ；T = R 0C (4) 模拟电路图：见图 1.1－6 图1－6(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照 ① 取R0 = R1 = 200K ；C = 1uF 。
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目录实验装置介绍 (1)实验一一、二阶系统阶跃响应 (2)实验二控制系统稳定性分析 (5)实验三系统频率特性分析 (7)实验四线性系统串联校正 (9)实验五 MATLAB及仿真实验 (12)实验装置介绍自动控制原理实验是自动控制理论课程的一部分，它的任务是：一方面，通过实验使学生进一步了解和掌握自动控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设计方法；另一方面，帮助学生学习和提高系统模拟电路的构成和测试技术。
TAP-2型自动控制原理实验系统的基本结构TAP-2型控制理论模拟实验装置是一个控制理论的计算机辅助实验系统。
如上图所示，TAP-2型控制理论模拟实验由计算机、A/D/A 接口板、模拟实验台和打印机组成。
计算机负责实验的控制、实验数据的采集、分析、显示、储存和恢复功能，还可以根据不同的实验产生各种输出信号；模拟实验台是被控对象，台上共有运算放大器12个，与台上的其他电阻电容等元器件配合，可组成各种具有不同系统特性的实验对象，台上还有正弦、三角、方波等信号源作为备用信号发生器用；A/D/A 板安装在模拟实验台下面的实验箱底板上，它起着模拟与数字信号之间的转换作用，是计算机与实验台之间必不可少的桥梁；打印机可根据需要进行连接，对实验数据、图形作硬拷贝。
实验台由12个运算放大器和一些电阻、电容元件组成，可完成自动控制原理的典型环节阶跃响应、二阶系统阶跃响应、控制系统稳定性分析、系统频率特性测量、连续系统串联校正、数字PID 、状态反馈与状态观测器等相应实验。
显示器计算机打印机 模拟实验台 AD/DA 卡实验一一、二阶系统阶跃响应一、实验目的1．学习构成一、二阶系统的模拟电路，了解电路参数对系统特性的影响；研究二阶系统的两个重要参数：阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn对动态性能的影响。
2．学习一、二阶系统阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算一、二阶系统的传递函数。
二、实验仪器1．自动控制系统实验箱一台2．计算机一台三、实验原理模拟实验的基本原理：控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟一、二阶系统，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟一、二阶系统，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。
若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。
四、实验内容构成下述系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：1．一阶系统的模拟电路如图2．二阶系统的模拟电路如图U0五、实验步骤一阶系统阶跃响应实验1.连接一阶系统模拟电路及D/A、A/D连线，检查无误后接通电源。
2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。
如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。
3.在桌面双击图标 [自动控制原理实验] 运行软件。
4. 点击“实验选择”菜单选中“典型环节阶跃响应”栏，再打开“参数设置”菜单，设定采样周期T和采样点数N的值（计算机默认亦可）。
点击“开始”按钮，进行实验。
5. 观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。
6. 记录波形及数据（由实验报告确定）。
二阶系统阶跃响应实验7．连接二阶系统模拟电路及D/A、A/D连线，检查无误后接通电源。
8.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。
如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。
9.在桌面双击图标 [自动控制原理实验] 运行软件。
设定采样周期T和采样点数N的值（计算机默认亦可）。
点击“开始”按钮，进行实验。
10．取ωn=10rad/s,即令R=100KΩ，C=1μf；分别取ζ=0、0.5、1、2，即取R1=100KΩ，R2分别等于0、100KΩ、200KΩ、400KΩ。
输入阶跃信号，测量系统阶跃响应，并记录最大超调量σp和调节时间t s的值。
11．取ζ=0.5，即取R1=R2=100KΩ；ωn=100rad/s,取R=100KΩ，C=0.1μf。
注意：二电容同时改变，测量系统阶跃响应，并记录最大超调量σp和调节时间t s数值。
12．取R=100KΩ，C=1μf，R1=100KΩ，R2=50KΩ，测量系统阶跃响应，记录响应曲线，特别要记录最大超调量σp和调节时间t s数值。
六、实验报告1．画出一阶系统（惯性环节）二阶系统的模拟电路图，用坐标纸画出所记录的理论曲线及实验响应曲线，加以比较，分析原因。
2．阶跃响应曲线计算出各环节的传递函数，并与电路计算的结果相比较。
3．观测计算机屏幕示出的响应曲线及数据。
4．记录波形及图形。
对于二阶系统要求：①把不同ζ和ωn条件下测量的σp和t s值列表，根据测量结果得出响应结论。
②画出系统的理论响应曲线和实验响应曲线，再由σp和t s计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。
实验二控制系统稳定性分析一、实验目的1．观察系统的不稳定现象。
2．研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。
二、实验仪器1．自动控制系统实验箱一台2．计算机一台三、实验内容系统模拟电路图如图2-1图2-1 系统模拟电路图其开环传递函数为:G（s）=10K1/s(0.1s+1)(Ts+1)式中 K1=R3/R2，R2=100KΩ，R3=0～500K；T=RC，R=100KΩ，C=1μf或C=0.1μf两种情况。
四、实验步骤1.连接被测量系统的模拟电路。
电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。
检查无误后接通电源。
2.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制原理实验] 运行软件。
3.在实验项目的下拉列表中选择实验三[控制系统的稳定性分析]。
4.取R3的值为50KΩ，100KΩ，200KΩ，此时相应的K=10K1=5，10，20。
观察不同R3值时显示区内的输出波形(既U2的波形)，找到系统输出产生增幅振荡时相应的R3及K1值。
再把电阻R3由大至小变化，即R3=200kΩ，100kΩ，50kΩ，观察不同R3值时显示区内的输出波形, 找出系统输出产生等幅振荡变化的R3及K1值，并观察U2的输出波形。
五、实验报告1．画出系统的模拟电路图。
2．画出系统增幅或减幅振荡的波形图。
3．计算系统的临界放大系数，并与实验中测得的临界放大系数相比较。
六、预习要求1．分析实验系统电路，掌握其工作原理。
2．理论计算系统产生等幅振荡、增幅振荡、减幅振荡的条件。
实验三系统频率特性分析一、实验目的1．加深了解系统及元件频率特性的物理概念。
2．掌握系统及元件频率特性的测量方法。
二、实验仪器1.自动控制系统实验箱一台2.计算机一台三、实验内容1.模拟电路图及系统结构图分别如图3-1。
图3-1 系统模拟电路图2．系统传递函数取R=1MΩ，则系统传递函数为U2（S） 1000G（S）= =U1（S） S2+10S+1000若输入信号U1（t）=U1m sinωt,则在稳态时，其输出信号为U2（t）=U2m sin（ωt+ψ）改变输入信号角频率ω值，便可测得二组U2m/U1m和φ随ω变化的数值，这个变化规律就是系统的幅频特性和相频特性。
五、实验步骤1.连接被测量典型环节的模拟电路。
电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，检查无误后接通电源。
2.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制原理实验] 运行软件。
3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。
如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。
4．根据屏幕提示测量多点输出与输入正弦波的振幅比及相位差，并记录相应数据。
参考频率为：（注意：实验时电阻R可在0-1MΩ之间反复调整，直至合适值方能得到较理想的实验曲线）F(Hz)=0.5,1,2,4,6,8,…………最后画波特图。
六、实验报告1.画出被测系统的模拟电路图,计算其传递函数，根据传递函数绘制波特图。
2.把上述测量数据列表，根据此数据画波特图。
3.分析测量误差。
实验四 线性系统串联校正一、实验目的1. 研究串联校正装置对系统动态性能的校正作用。
2. 对给定系统进行串联校正设计，并通过模拟实验检验设计的正确性。
二、实验仪器1．自动控制系统实验箱一台2．计算机一台二、 实验内容已知系统结构如图4-1给定G O （S ）和性能指标要求，设计串联校正G C （S ）。
观察PD 、PI 、PID 三种校正方式的作用。
1． 不加任何校正，观察系统运动状态，如果接近等幅振荡，记下振荡频率。
G C （s ）G O （S ） — 图4-1 实验系统结构图图4-2 不加任何校正系统结构图2．串联超前校正图4-3 超前校正系统结构图3．串联滞后校正图4-4 滞后校正系统结构图4．串联超前—滞后校正图5-6超前—滞后校正系统结构图图4-5 超前—滞后校正系统结构图四、实验步骤1.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制原理实验] 运行软件。
2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。
如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。
超前校正：3.连接被测量典型环节的模拟电路(图4-3)。
电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。
检查无误后接通电源。
4. 系统加入阶跃信号，测量系统阶跃响应，记录超调量σp和调节时间ts。
滞后校正：5.连接被测量典型环节的模拟电路(图4-4)。
电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。
检查无误后接通电源。
8. 系统加入阶跃信号，测量系统阶跃响应，记录超调量σp和调节时间ts。
超前--滞后校正9.连接被测量典型环节的模拟电路(图4-5)。
电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。
检查无误后接通电源。
10. 系统加入阶跃信号，测量系统阶跃响应，记录超调量σp和调节时间ts。
五、实验报告1．计算串联校正装置的传递函数Gc（s）和校正网络参数。
2．画出校正后系统的对数坐标图，并求出校正后系统的ω′c及ν′。
3．比较校正前后系统的阶跃响应曲线及性能指标，说明校正装置的作用。
六、预习要求1．阅读实验指导书，明确校正前系统的ωc及ν。
2. 计算串联超前校正装置的传递函数Gc（s）和校正网络参数，并求出校正后系统的ω′c及ν。
实验五 MATLAB 及仿真实验学习利用MATLAB 进行以下实验，要求熟练掌握以下实验内容中所用到的指令，并按内容要求完成实验。
（一）控制系统的时域分析一、实验目的学习利用MATLAB 进行控制系统时域分析，包括典型响应、判断系统稳定性和分析系统的动态特性； 二、预习要点1、 系统的典型响应有哪些？2、 如何判断系统稳定性？3、 系统的动态性能指标有哪些？ 三、实验方法（一） 四种典型响应1、 阶跃响应：阶跃响应常用格式：1、)(sys step ；其中sys 可以为连续系统，也可为离散系统。