《控制理论》课程实验指导书

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现代控制理论-基于MATLAB的实验指导书课程设计指导书

现代控制理论基于MATLAB的实验指导书第一部分实验要求1．实验前做好预习。

2．严格按照要求操作实验仪器，用毕恢复原状。

3．实验完成后，由指导教师检查实验记录、验收仪器后，方可离开。

4．实验报告应包括以下内容：1）实验目的；2）实验原理图；3）实验内容、步骤；4）仿真实验结果（保留仿真实验波形，读取关键参数）；5）仿真实验结果分析。

第二部分MATLAB平台介绍实际生产过程中，大部分的系统是比较复杂的，并且要考虑安全性、经济性以及进行实验研究的可能性等，这在现场实验中往往不易做到，甚至根本不允许这样做。

这时，就需要把实际系统建立成物理模型或数学模型进行研究，然后把对模型实验研究的结果应用到实际系统中去，这种方法就叫做模拟仿真研究，简称仿真。

到目前为止，已形成了许多各具特色的仿真语言。

其中美国Mathworks软件公司的动态仿真集成软件Simulink与该公司著名的MATLAB软件集成在一起，成为当今最具影响力的控制系统应用软件。

国内MA TLAB软件的著名论坛为“MATLAB中文论坛”，网址为：https:///forum.php，建议同学们注册并参与论坛相关内容的讨论。

图1 MA TLAB仿真环境第三部分实验实验一线性系统的时域分析实验目的熟悉MATLAB 环境，掌握用MATLAB 控制系统工具箱进行线性定常系统的时域分析、能控性与能观性分析、稳定性分析的方法。

实验要求完成指导书规定的实验内容，记录并分析实验结果，写出实验报告。

实验内容1．已知系统的状态模型，求系统在单位阶跃输入下的各状态变量、输出响应曲线。

例：[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2121214493.69691.1,0107814.07814.05572.0x x y u x x x x 。

键入：a = [-0.5572, -0.7814; 0.7814,0]; b = [1; 0]; c = [1.9691,6.4493]; d = 0;[y, x, t]=step(a, b, c, d); plot(t, y); grid （回车，显示输出响应曲线。

自动控制理论实验指导书

实验1 典型环节的模拟研究一、实验目的1．了解并掌握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。

3．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。

二、实验设备TD －ACC+型实验系统一套；数字示波器、万用表。

三、实验内容及步骤1．实验准备：将信号源单元的“ST ”插针与“S ”端插针用“短路块”短接。

将开关设在“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT ”端输出的方波幅值为2V ，周期为10s 左右。

2．观测各典型环节对阶跃信号的实际响应曲线 (1) 比例( P )环节① 按模拟电路图1-1接好线路。

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。

② 将模拟电路输入 (U i ) 端与信号源的输出端“OUT ”相连接；用示波器观测模拟电路的输入 (U i ) 端和输出 (U o ) 端，观测实际响应曲线U o (t )，记录实验波形及结果于表1-1中。

表1-1阶跃响应： U O (t )=K (t ≥0) 其中 K =R 1R 0⁄实验参数理论计算示波器观测值输入输出波形0R 1Ro 1i 0U R U R =i U o Uo iU U Ωk 200Ωk 1000.5Ωk 200 1R 0=200kΩ；R 1=100kΩ或200kΩ图1-1U i R 0R 1RR10K10K U o(2) 积分( I )环节①按图1-2接好线路。

② 将模拟电路输入 (U i ) 端与信号源的输出端“OUT ”相连接；用示波器观测模拟电路的输入 (U i ) 端和输出 (U o ) 端，观测实际响应曲线U o (t )，测量积分时间T ，记录实验波形及结果于表1-2中。

表1-2阶跃响应： o 01()U t t R C=(t ≥0) 注意：积分时间T 是指积分初始时间到输出值等于输入值时的时间。

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。

现代控制理论基础实验指导书200

现代控制理论基础实验指导书实验一：控制系统模型转换一、实验目的1．掌握控制系统模型转换，并使用计算机仿真软件验证。

2．学习并会简单应用MATLAB软件。

二、实验器材[1] 微型计算机[2] MATLAB软件三、实验要求与任务1．设系统的零极点增益模型为，求系统的传递函数及状态空间模型。

解：在MATLAB软件中，新建m文件，输入以下程序后保存并运行。

%Example 1%k=6;z=[-3];p=[-1,-2,-5];[num,den]=zp2tf(z,p,k)[a,b,c,d]=zp2ss(z,p,k)其中：zp2tf函数——变零极点表示为传递函数表示zp2ss函数——变零极点表示为状态空间表示记录实验结果，并给出系统的传递函数及状态空间模型。

2．给定离散系统状态空间方程求其传递函数模型和零极点模型，并判断其稳定性。

解：在MATLAB软件中，新建m文件，输入以下程序后保存并运行。

%Example 2%a=[ 0 0 ; 0 0 0; ;0 0 0];b=[1;0;1;0];c=[0,0,0,1];d=[0];[num,den]=ss2tf(a,b,c,d)[z,p,k]=ss2zp(a,b,c,d)pzmap(p,z)title('Pole-zero Map')其中：ss2tf函数——变状态空间表示为传递函数表示ss2zp函数——变状态空间表示为零极点表示pzmap ——零极点图记录实验结果，并给出系统的传递函数模型和零极点模型；绘出图形，并判断系统稳定性。

3．已知系统的传递函数为，求系统的零极点增益模型及状态空间模型。

tf2zp函数——变系统传递函数形式为零极点增益形式tf2ss函数——变系统传递函数形式为状态空间表示形式编写程序，记录实验结果，并给出系统的状态空间模型和零极点模型。

4．已知系统状态空间表达式为ss2tf函数——变状态空间表示为传递函数表示ss2zp函数——变状态空间表示为零极点表示编写程序，记录实验结果，并给出系统传递函数模型和零极点模型。

现代控制理论实验指导书2016

现代控制理论实验实验一、线性系统状态空间表达式的建立以及线性变换一实验目的1. 掌握线性定常系统的状态空间表达式。

学会在MATLAB 中建立状态空间模型的方法。

2. 掌握传递函数与状态空间表达式之间相互转换的方法。

学会用MATLAB 实现不同模型之间的相互转换。

3. 掌握状态空间表达式的相似变换。

掌握将状态空间表达式转换为对角标准型、约当标准型、能控标准型和能观测标准型的方法。

学会用MATLAB 进行线性变换。

二实验内容1. 已知系统的传递函数 (a) )3()1(4)(2++=s s s s G (b) 3486)(22++++=s s s s s G（1）建立系统的TF 或ZPK 模型。

（2）将给定传递函数用函数ss( )转换为状态空间表达式。

再将得到的状态空间表达式用函数tf( )转换为传递函数，并与原传递函数进行比较。

（3）将给定传递函数转换为对角标准型或约当标准型。

再将得到的对角标准型或约当标准型用函数tf( )转换为传递函数，并与原传递函数进行比较。

（4）将给定传递函数用函数ctrlts( )转换为能控标准型和能观测标准型。

再将得到的能控标准型和能观测标准型用函数tf( )转换为传递函数，并与原传递函数进行比较。

2. 已知系统的状态空间表达式(a) u x x ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=106510 []x y 11=(b) u x x ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---=7126712203010 []111=y(c) u x x ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=357213********* []x y 101= (d) u x x ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---=011310301100 []x y 210-= （1）建立给定系统的状态空间模型。

用函数eig( ) 求出系统特征值。

用函数tf( ) 和zpk( )将这些状态空间表达式转换为传递函数，记录得到的传递函数和它的零极点。

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。

自动控制理论实验指导及操作说明书

第一部分 THBDC-1控制理论·计算机控制技术实验平台使用说明书第一章系统概述“THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台”是我公司结合教学和实践的需要而进行精心设计的实验系统。

适用于高校的控制原理、计算机控制技术等课程的实验教学。

该实验平台具有实验功能全、资源丰富、使用灵活、接线可靠、操作快捷、维护简单等优点。

实验台的硬件部分主要由直流稳压电源、低频信号发生器、阶跃信号发生器、低频频率计、交/直流数字电压表、数据采集接口单元、步进电机单元、直流电机单元、温度控制单元、单容水箱、通用单元电路、电位器组等单元组成。

上位机软件则集中了虚拟示波器、信号发生器、VBScript和JScript脚本编程器、实验仿真等多种功能于一体。

其中虚拟示波器可显示各种波形，有X-T、X-Y、Bode图三种显示方式，并具有图形和数据存储、打印的功能，而VBScript脚本编程器提供了一个开放的编程环境，用户可在上面编写各种算法及控制程序。

实验台通过电路单元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，使学生通过实验对控制理论及计算机控制算法有更深一步的理解，并提高分析与综合系统的能力。

同时通过对本实验装置中四个实际被控对象的控制，使学生熟悉各种算法在实际控制系统中的应用。

在实验设计上，控制理论既有模拟部分的实验，又有离散部分实验；既有经典理论实验，又有现代控制理论实验；而计算机控制系统除了常规的实验外，还增加了当前工业上应用广泛、效果卓著的模糊控制、神经元控制、二次型最优控制等实验。

数据采集部分则采用实验室或工业上常用的USB数据采集卡。

它可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机USB通讯口上，其采样频率为350K；有16路单端A/D模拟量输入，转换精度均为14位；4路D/A模拟量输出，转换精度均为12位；16路开关量输入，16路开关量输出。

第二章硬件的组成及使用一、直流稳压电源直流稳压电源主要用于给实验平台提供电源。

自动控制理论实验指导书

自动控制理论实验指导书第一章硬件资源EL-AT-II型实验系统主要由计算机、AD/DA采集卡、自动控制原理实验箱、打印机（可选）组成如图1，其中计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制和数据处理的作用，打印机主要记录各种实验数据和结果，实验箱主要构造被控模拟对象。

显示器打印机计算机 AD/DA卡实验箱电路图1 实验系统构成实验箱面板如图2所示：图2 实验箱面板下面主要介绍实验箱的构成：一、系统电源EL-AT-II系统采用本公司生产的高性能开关电源作为系统的工作电源主要技术性能指标为：1．输入电压：AC 220V2．输出电压/电流：＋12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A 3．输出功率：22W4．工作环境：－5℃～＋40℃。

二、 AD/DA采集卡AD/DA采集卡如图3采用ADUC812芯片做为采集芯片，负责采样数据- 1 -自动控制理论实验指导书 .及与上位机的通信，其采样位数为12位，采样率为10KHz。

在卡上有一块32KBit的RAM62256，用来存储采集后的数据。

AD/DA采集卡有两路输出（DA1、DA2）和四路输入（AD1、AD2、AD3、AD4），其输入和输出电压均为－5V～+5V。

图3 AD/DA采集卡另外在AD/DA卡上有一个9针RS232串口插座用来连接AD/DA卡和计算机，20针的插座用来和控制对象进行通讯。

三、实验箱面板实验箱面板布局如图4所示。

AD/DA卡输入输出模块实验模块1 实验模块2 二极管区 EL-CAT-II 电阻、电容、二极管区实验模块3 变阻箱、变容箱模块实验模块5 实验模块6 实验模块7 图4 实验箱面板布局实验箱面板主要由以下几部分构成： 1．实验模块本实验系统有八组由放大器、电阻、电容组成的实验模块。

每个模块中都有一个由UA741构成的放大器和若干个电阻、电容。

这样通过对这八个实验模块的灵活组合便可构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统。

控制工程基础实验指导书[答案解析]

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；3、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1、控制理论电子模拟实验箱一台；2、超低频慢扫描数字存储示波器一台；3、数字万用表一只；4、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Z1和Z2为复数阻抗，它们都是R 、C 构成。

图1-1 运放反馈连接基于图中A 点为电位虚地，略去流入运放的电流，则由图1-1得：21()o i u ZG s u Z ==-（1-1）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。

1、比例环节实验模拟电路见图1-2所示图1-2 比例环节传递函数：21()R G s K 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 2、惯性环节实验模拟电路见图1-3所示图1-3 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：-2V 实验参数：（1） R 1=100K R 2=100K C=1µ f23、积分环节实验模拟电路见图1-4所示图1-4 积分环节传递函数：21111()Z CS G s Z R RCS TS=-=-=-= 阶跃输入信号：-2V 实验参数：（1） R=100K C=1µ f （2） R=100K C=2µ f 4、比例微分环节实验模拟电路见图1-5所示图1-5 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 T D =R 1C K=12R R 阶跃输入信号：-2V 实验参数：12（2）R1=100K R2=200K C=1µ f四、实验内容与步骤1、分别画出比例、惯性、积分、比例微分环节的电子电路；2、熟悉实验设备并在实验设备上分别联接各种典型环节；3、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。

自动控制理论实验指导（新）

⾃动控制理论实验指导（新）《⾃动控制理论》课程实验指导⼀、实验注意事项1、接线前务必熟悉实验线路的原理及实验⽅法。

2、实验接线前必须先断开总电源与各分电源开关，严禁带电接线。

接线完毕，检查⽆误后，才可进⾏实验。

3、实验⾃始⾄终，实验板上要保持整洁，不可随意放置杂物，特别是导电的⼯具和多余的导线等，以免发⽣短路等故障。

4、实验完毕，应及时关闭各电源开关，并及时清理实验板⾯，整理好连接导线并放置到规定的位置。

5、实验前必须充分预习实验指导书。

⼆、实验模拟装置使⽤注意事项1、⽆源阻容元件可供每个运算放⼤器使⽤。

2、运算放⼤器是有源器件，故连在运算放⼤器上的阻容元件只能供本运算放⼤器选⽤。

3、信号幅值不宜过⼤，按指导书中指⽰的幅值。

否则，可能使运算放⼤器处于饱和状态。

三、每次实验内容第⼀次：实验⼆第⼆次：实验三第三次：实验四备注：实验⼀作为实验前的预习及热⾝实验⼀控制系统典型环节的模拟⼀、实验⽬的1）、熟悉数字⽰波器的使⽤⽅法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）、THSSC-1实验箱⼀个 2）、数字⽰波器⼀台三、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1u o图1-2 ⽐例环节(1) )(12Z Z u u S G i o =-=2100200)(12===KKZ Z S G2）、惯性环节图1-3、惯性环节3）、积分环节图1-4、积分环节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。

自动控制理论实验指导书4

%100%max ⨯-=∞∞Y Y Y σ实验一典型环节及其阶跃响应一、实验目的1. 掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。

2. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法。

二、实验仪器1． EL-AT-III 型自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台三、实验原理1．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各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，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。

2．时域性能指标的测量方法：超调量Ó %：1) 启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。

2) 检查USB 线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击按钮，出现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验。

3) 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。

4) 在实验项目的下拉列表中选择实验一[典型环节及其阶跃响应] 。

5) 鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。

在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。

6) 用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，代入下式算出超调量：T P与T S：利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达95%稳态值所需的时间值，便可得到T P与T S。

四、实验内容构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：1.比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1。

现代控制理论实验指导书

实验一系统能控性与能观性分析一、实验目的1.理解系统的能控和可观性。

二、实验设备1.THBCC-1型信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台；三、实验内容二阶系统能控性和能观性的分析四、实验原理系统的能控性是指输入信号u 对各状态变量x 的控制能力，如果对于系统任意的初始状态，可以找到一个容许的输入量，在有限的时间内把系统所有的状态引向状态空间的坐标原点，则称系统是能控的。

对于图21-1所示的电路系统，设i L 和u c 分别为系统的两个状态变量，如果电桥中4321R R R R ≠，则输入电压u r 能控制i L 和u c 状态变量的变化，此时，状态是能控的。

反之，当4321R R ＝R R 时，电桥中的A 点和B 点的电位始终相等，因而u c 不受输入u r 的控制，u r 只能改变i L 的大小，故系统不能控。

系统的能观性是指由系统的输出量确定所有初始状态的能力，如果在有限的时间内根据系统的输出能唯一地确定系统的初始状态，则称系统能观。

为了说明图21-1所示电路的能观性，分别列出电桥不平衡和平衡时的状态空间表达式：u 0L 1u i R4R3R3R4R2R1R1R2C 1R4R3R3R4R2R1R1R2C 1R4R3R3R4R2R1R1R2L 1R4R3R3R4R2R1R1R2L 1u i c L c L ⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+-⎪⎭⎫⎝⎛+++-⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+-⎪⎭⎫⎝⎛+++-=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ y=u c =[0 1] ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛c L u i (1)u 0L 1u i R4R3R3R4R2R1R1R2C 1- 0 0 R4R3R3R4R2R1R1R2L 1u i c L c L ⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎭⎫ ⎝⎛+++-=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛[0u y c == ]1 ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛c L u i （2）由式（2）可知，状态变量i L 和u c 没有耦合关系，外施信号u 只能控制i L 的变化，不会改变u c 的大小，所以u c 不能控。

自动控制理论实验指导书(仿真).详解

实验一典型环节的MATLAB仿真Experiment 1 MATLAB simulation of typical link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simulink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simulink仿真环境常规模板。

3．在simulink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simulink下的“Continuous”，再将右边窗口中“Transfer Fen”的图标用左键拖至新建的“untitled”窗口。

2）改变模块参数。

在simulink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simulink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simulink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。

自动控制理论实验指导书

《自动控制理论》实验指导书李烽黄效国张黎军编北京科技大学机械工程学院2007年6月前言“自动控制理论”所研究的对象是非常广泛的，它可以是物理或化学性质绝无相似的对象（例如，机械的、电子的……），在归结成微分方程或传递函数后，却常会发现它们互相之间有共同之处，往往方程形式完全相同，所差的仅是参数和输入输出信号。

在工程实践中，研究电信号远比研究机械量等来得方便，用电子元件构成的系统可以很方便地实施，便于更改，便于定性及定量地观察。

因此，用研究电系统的方法来模拟其它物理系统，从而间接地研究这些系统，这是一种相当实用的手段。

另外，实际系统中的各种变量参数往往是不容易或无法测得的。

因此，利用本实验所介绍的观察动态特性曲线的方法来识别传递函数，是实践中研究系统特性并进一步校正系统的工程实用方法，有着重要的实用价值。

“自动控制理论”课程中的书本教学往往是大量公式的推导，不容易形成形象化的概念，配套实验的引入，使学生们将课堂理论直接用于研究实际的物理系统，从而加深对课堂内容的理解，提高分析和解决问题的能力，可以提高学习兴趣并获得成就感。

目录实验守则 (1)实验一典型环节及二阶系统阶跃响应 (2)（一）比例环节的阶跃响应 (3)（二）积分环节的阶跃响应 (9)（三）惯性环节的阶跃响应 (11)（四）比例积分微分环节的阶跃响应 (13)（五）二阶系统的阶跃响应 (14)实验二控制系统稳定性分析 (20)附录一T H K K L-5型实验箱使用简介 (25)附录二“T H K K L-5软件”虚拟示波器的使用 (31)实验守则1.实验前必须认真预习实验指导书，对所要进行的实验项目有基本的了解。

2.认真听指导老师讲解实验要点，做到心中有数。

3.遵循课堂秩序，不影响他人实验。

4.按实验要求进行实验，不做无关的操作。

5.爱护实验设备，严禁违章操作和野蛮操作。

6.注意用电安全，不随意打开仪器触摸内部结构。

如有意外，应立即切断本组桌上的电源开关，并向指导教师报告。

现代控制理论实验指导书

现代控制理论实验指导书西安文理学院物理与机电工程学院目录前言.............................................. 错误!未定义书签。

实验一系统的传递函数阵和状态空间表达式的转换..... 错误!未定义书签。

实验二多变量系统的能控性和能观测性分析........... 错误!未定义书签。

实验三多变量系统的稳定性分析..................... 错误!未定义书签。

实验四系统设计：状态观测器的设计................. 错误!未定义书签。

前言这是一本为工科高年级学生编写的实验指导书，作为控制系统领域各门控制课程的配套实验教材。

一、现代控制理论实验的任务“现代控制理论”是全日制本科自动化专业的重要专业课程，它的实践性教学环节，对学生理解和掌握现代控制理论起着至关重要的直接影响作用。

现代控制理论实验的主要任务是使学生通过实验进一步理解和掌握现代控制理论的基本概念、基本原理和控制系统的分析与设计方法。

它是现代控制理论课程教学的一部分，其主要目标如下：（1）深刻理解现代控制理论的基本理论；（2）初步掌握控制系统的分析与设计方法；（3）学习和掌握现代计算机技术及其辅助工具的运用，提高计算机的应用能力与水平；（4）提高实际应用能力和动手操作能力，培养严肃认真、一丝不苟的科学态度。

二、实验的要求现代控制理论实验是一个专业性较强的实践环节，要求有专门的实验场所和实验设备；并且要求参加实验者必须具备必要的相关理论基础知识，对所做实验的前提条件及制约因素有足够的认识和理解；同时要求参加实验者具有较强的观察思考能力、研究分析能力和创新能力。

三、现代控制理论实验的实现方法现代控制理论课程的实验方法比较灵活，实验方案和思路也比较多。

众多厂家和高校都研制开发出了各种实验箱以及相应的实验平台，但大多数受到实验场所、实验设备等教学条件的制约。

按照加强理论、巩固基础、培养学生的观察思考能力和创新能力的指导思想，本实验指导书主要通过“计算机软件仿真”的实现方法去完成实验，使学生加深对所学理论的理解和认识。

控制工程基础实验指导书(答案)

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。

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。

控制工程基础实验指导书(答案)

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。

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。

二、实验仪器1、控制理论电子模拟实验箱一台；2、超低频慢扫描数字存储示波器一台；3、数字万用表一只；4、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Z1和Z2为复数阻抗，它们都是R 、C 构成。

1、比例环节实验模拟电路见图1-2所示图1-2 比例环节传递函数：21()R G s K 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 2、惯性环节实验模拟电路见图1-3所示图1-3 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：-2V实验参数：（1） R 1=100K R 2=100K C=1µf（2） R=100K R 2=100K C=2µf 3、积分环节实验模拟电路见图1-4所示图1-4 积分环节传递函数：21111()Z CS G s Z R RCS TS=-=-=-= 阶跃输入信号：-2V 实验参数：（1） R=100K C=1µf （2） R=100K C=2µf 4、比例微分环节实验模拟电路见图1-5所示图1-5 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 T D =R 1C K=12R R 阶跃输入信号：-2V实验参数：（1）R1=100K R2=100K C=1µf（2）R1=100K R2=200K C=1µf四、实验内容与步骤1、分别画出比例、惯性、积分、比例微分环节的电子电路；2、熟悉实验设备并在实验设备上分别联接各种典型环节；3、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。

自控原理实验指导书

实验一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。

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，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。

二、实验内容各典型环节的模拟电路及结构图如下：图1-1-1 比例环节电路图图1-2-1 惯性环节电路图图1-1-2 比例环节结构图2-2 惯性环节结构图图1-3-1 积分环节电路图图1-4-1 微分环节电路图图1-3-2 积分环节结构图图1-4-2 微分环节结构图三、实验步聚1、将输入端ui 与数据通道接口板上的DAO 连接、输出端uo 与实验平台信号引出区的INO 孔连接。

（若无特别声明，其它实验中涉及运放电路板及ui 及uo 均按此连线，不再赘述）。

2、启动计算机，运行“系统设置”菜单，选择串口。

（若无特别声明，其它实验中均同此，不再赘述。

如不选择，则设为默认值，选择COM1通讯端口）3、打开“自动控制原理实验系统”，打开“实验选择”菜单，选择“典型环节及其阶跃响应”实验。

4、选择“参数设置”命令，设置采样周期，采样点数和设定电压。

5、选择“运行观测”命令，观察阶跃响应曲线，改变模拟电路参数后，再重新观察阶跃响应曲线的变化。

6、为了更好的观察曲线，再“参数设置”命令中，设置“曲线放大”倍数，“运行观测”。

7、记录波形及数据（保存结果、打印图象）。

8、连接其它模拟电路，重复步骤3、4、5、6注：打印图像只有在曲线放大为“1”时打印（其它实验相同）四、实验报告1、画出惯性环节、积分环节、比例微分环节的电路图和所记录的响应曲线。

2、由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与值比较。

图1-5-1 比例微分环节电路图传递函数为：G(s) = (R3/R2) ((R1+R2)CS+1)图1-5-2 比例微分环节结构图实验二二阶系统阶跃响应一、实验目的1、研究二阶系统的阻尼比ξ和无阻尼自然频率ω对系统动态性能的影响。

自动控制理论实验指导(新)解析

的方框图，其中T=R0C。由图图2-1一阶系统模拟电路图
2-2得：
图2-3为一阶系统的单位阶跃响应曲线。
当t= T时，C（T）=1–e-¹=0.632。这表示当C（t）上升到稳定值的63.2%时，对应的时间就是一阶系统的时间常数T，根据这个原理，由图2-3可测得一阶系统的时间常数T。由上式（1）可知，系统的稳态值为1，因而该系统的跟踪阶跃输入的稳态误差ess = 0。
令G（S）=1/（0.5S+1）,则其相应的模拟电路如图6-2所示。测量时示波器的X轴停止扫描，把扫频电源的正弦信号同时送到被测环节的输入端和示波器的X轴，被测环节的输出送到示波器的Y轴，如图6-3所示。
(实验时取R1=R2=510K，C=1uF)
图4-2惯性环节的模拟电路图
图4-3相频特性测试的接线图
四、实验内容与步骤
1、根据图3-1，调节相应的参数，使系统的开环传递函数为：
2、令ui(t)=1V，在示波器上观察不同K（K=10，5，2，0.5）时的单位
阶跃响应的波形，并由实验求得相应的Mp、tp和ts的值。
3、调节开环增益K，使二阶系统的阻尼比=1/2 =0.707，观察并记录
此时的单位阶跃响应波形和Mp、tp和ts的值。
3、把实测求得的传递函数与理论值进行比较，并分析产生差异的原因。
2）、数字示波器一台
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Z1和Z2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。
当扫频电源输出一个正弦信号，则在示波器的屏幕上呈现一个李沙育图形------椭圆。据此，可测得在该输入信号频率下得相位值：

控制实验指导书2012-1

实验报告实验课程：控制工程基础学生姓名：沈家勇学号： 5901111188 专业班级：机制115班目录实验一典型环节的电路模拟与软件仿真研究----------------4 实验二典型系统动态性能和稳定性分析--------------------11 实验三控制系统的频域与时域分析-------------------------14 实验四Matlab环境下校正环节的设计-----------------------21概述一．实验系统功能特点1．系统可以按教学需要组合，满足“自动控制原理”课程初级与高级实验的需要。

只配备ACT-I实验箱，则实验时另需配备示波器，且只能完成部分基本实验。

要完成与软件仿真、混合仿真有关的实验必须配备上位机（包含相应软件）及并口通讯线。

2．ACT-I实验箱内含有实验必要的电源、信号发生器以及非线性与高阶电模拟单元，可根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节与系统。

此外，ACT-I实验箱内还可含有数据处理单元，用于数据采集、输出以及和上位机的通讯。

3．配备PC微机作操作台时，将高效率支持“自动控制原理”的教学实验。

系统提供界面友好、功能丰富的上位机软件。

PC微机在实验中，除了满足软件仿真需要外，又可成为测试所需的虚拟仪器、测试信号发生器以及具有很强柔性的数字控制器。

4．系统的硬件、软件设计，充分考虑了开放型、研究型实验的需要。

除了指导书所提供的10个实验外，还可自行设计实验。

二．系统构成实验系统由上位PC微机（含实验系统上位机软件）、ACT-I实验箱、并行通讯线等组成。

ACT-I实验箱内装有以AD C812芯片（含数据处理系统软件）为核心构成的数据处理卡，通过并口与PC微机连接。

1．实验箱ACT-I简介ACT-I控制理论实验箱主要由电源部分U1单元、信号源部分U2单元、与PC机进行通讯的数据处理U3单元、元器件单元U4、非线性单元U5～U7以及模拟电路单元U8～U16等共16个单元组成，详见附图。