自动控制原理实验讲义
《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。
自动控制原理实验指导讲解
%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。
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=200K
2、积分环节
实验模拟电路见图1-2所⽰
传递函数：S
T 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
自动控制原理实验（1）
实验一 典型环节的电路模拟
一、实验目的
1．熟悉THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱及“THKKL-5”软件的使用； 2．熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；
3．测量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．THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱；
2．PC 机一台(含“THKKL-5”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。 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。 四、实验原理
自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分有益。
本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图 如图1-1所示。图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。 1．比例（P ）环节
比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。 图1-1 它的传递函数与方框图分别为：
K
S U S U S G i O ==)()
()(
当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K 时的响应曲线如图1-2所示。
2．积分（I ）环节 图1-2
积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。它的传递函数与方框图分别为：
设U i (S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T 时的响应曲线如图1-3所示。
Ts
S U S U s G i O 1
)()()(=
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）S
1?
)1()()(2
1210210CS R R R
R R R R S U S U i +++≈（1-19）
⽐较式(1-17)和(1-19)得
K=
2
1R R R +
T=
C R R R R ?+2
12
1 （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
1
11
)()(231
11022100210++?+++=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 20
21100101
)()(++≈（1-25）
⽐较式(1-23)和(1-25)得
K P =
1
R R ， T 1=R 0C 1
T D =
20
2
1C 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
自动控制原理实验讲义
《自动控制原理实验》
目录
第一部分实验箱的使用
第二部分经典控制实验
第一章基本实验
实验一典型环节及其阶跃响应
实验二二阶系统阶跃响应
实验三控制系统的稳定性分析
实验四控制系统的频率特性
实验五连续控制系统的串联校正
实验六数字PID控制实验
第二章综合实验
第三部现代控制理论实验
第一章基本实验
第二章综合实验
实验一 典型环节及其阶跃响应
预习要求：
1、复习运算放大器的工作原理；了解采用A μ741运算放大器构成各种运算电路的方法；
2、了解比例控制、微分控制、积分控制的物理意义。
一、实验目的
1、学习自动控制系统典型环节的电模拟方法，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的测量方法；
3、学会根据阶跃响应曲线计算确定典型环节的传递函数。
二、实验内容
1、比例环节 电路模拟：
图1-1
传递函数： 2211
()()()U s R
G s U s R ==-
2、惯性环节
电路模拟：
图1-2
传递函数： 22112()/()()11
U s R R K
G s U s Ts R Cs =
=-=-
++ 3、积分环节 电路模拟：
A/D1
D/A1
A/D1
图1-3
传递函数： 21()11
()()U s G s U s Ts RCs
=
=-=-
4、微分环节 电路模拟：
图1-4
传递函数： 211()
()()
U s G s s RC s U s τ=
=-=-
5、比例微分 电路模拟：
图1-5
传递函数： 222111
()()(1)(1)()U s R
G s K s R C s U s R τ=
=-+=-+
6、比例积分
电路模拟：
A/D1
《自动控制原理》实验指导书
《自动控制原理》实验指导书31000字
实验一、开关量控制与监测
实验目的：掌握开关量控制与监测的基本原理及方法。
实验器材：PC机、PLC编程软件、PLC编程器、PLC实验箱、直流电源、继电器、开关。
实验内容：
1. 使用PLC编程软件进行PLC的程序编写。
2. 使用直流电源作为控制电源，将继电器与开关连接，利用PLC实现开关量控制和监测。
实验步骤：
1. 利用PLC编程软件进行PLC的程序编写。
2. 将直流电源的正极与继电器的常闭端相连，继电器的常开端与开关相连。
3. 将开关的另一端与PLC的输入端相连，PLC的输出端与继电器的控制端相连。
4. 将直流电源的负极与PLC实验箱的接地端相连。
5. 将PLC编程器连接到PC机上，将编写好的程序下载到PLC实验箱中。
6. 按下开关，观察继电器的输出，检查程序的正确性。
实验结果：
1. 开关按下，PLC输出信号，继电器吸合。
2. 开关松开，PLC输出信号，继电器断开。
实验二、模拟量采集和控制
实验目的：掌握模拟量采集和控制的基本原理及方法。
实验器材：PC机、PLC编程软件、PLC编程器、PLC实验箱、直流电源、电位器、LED灯。
实验内容：
1. 使用PLC编程软件进行PLC的程序编写。
2. 使用电位器作为模拟量输入信号源，利用PLC采集电位器的模拟
量信号，并控制LED灯的亮度。
实验步骤：
1. 利用PLC编程软件进行PLC的程序编写。
2. 将电位器的信号通过模拟量转换模块输入到PLC的模拟量输入端。
3. 利用PLC的模拟量比较指令，将电位器的模拟量信号转换成数字
自动控制原理实验教学课件
课程中的案例分析和讨论环节让我更好地理解了控制系统在实际工程中的应用，增 强了我的学习兴趣和动力。
对未来学习方向提出建议
深入学习先进控制理论和方法
随着控制理论和技术的发展，建议未来课程中增加对先进控制算法和技术的介绍和应用， 如智能控制、鲁棒控制等。
实验报告要求：提交实 验数据、分析实验结果 ，并给出控制器参数整
定的结论。
传感器与执行器选型与配置实验
实验目的
了解传感器与执行器的类型、特性及选型原则，掌握其配置方法。
实验内容
选择合适的传感器与执行器，搭建实验系统，验证其性能。
传感器与执行器选型与配置实验
实验步骤
1. 分析被控对象的特性，确定所需的传感器与执行器 类型。
从原始数据中提取出与问题相关的特征， 为后续分析和建模提供基础。
结果展示和讨论环节
对处理后的数据进行统计分析、趋势 预测等，挖掘数据背后的规律和潜在 信息。
撰写实验报告，详细记录实验过程、 数据处理方法和结果分析等内容，为 后续研究提供参考。
结果可视化
结果分析
结果讨论
结果报告
利用图表、曲线等形式将处理后的数 据结果进行可视化展示，便于观察和 分析。
统并进行实验验证。
02
实验设备与环境介绍
《自动控制原理实验》课件
频率响应法
通过分析系统的频率特性来设计控制器，优化系统性能。
03
实验步骤与操作
实验设备介绍
实验设备
介绍实验所需的设备，如信号发生器 、示波器、控制器等，并简要说明其 功能和作用。
设备连接
展示实验设备的连接方式，包括电源 、信号线等，确保学生了解实验设备 的正确连接方法。
介绍实验误差的来源和减小误差的方法， 帮助学生更好地理解和掌握实验结果。
04
实验结果分析
数据处理与分析
数据完整性检查
确保实验数据没有异常值或缺失值，这些值 可能会对分析结果产生重大影响。
数据预处理
对原始数据进行必要的转换或标准化，以便 更好地进行后续分析。
数据可视化
通过图表、曲线等方式直观展示实验数据， 帮助理解数据变化趋势。
统计分析
运用统计学方法对实验数据进行深入分析， 如求平均值、方差等。
系统性能评估
01
性能指标选择
根据实验目的选择合适的性能指标 ，如超调量、调节时间等。
性能对比分析
将实验结果与理论值或预期值进行 对比，分析偏差原因。
03
02
性能评估方法
确定如何利用所选性能指标对系统 性能进行定量评估。
性能优化建议
基于性能评估结果，提出系统性能 优化的建议或改进措施。
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。
自动控制原理实验讲义
ωn—自然频率, ξ—相对阻尼系数 1．试绘制 ωn=6, ξ=0.2, 0.4, …… 1.0, 2.0 时的单位阶跃响应。 MATLAB 程序： % Example 2.1 wn=6; kosi=[0.2:0.2:1.0 ,2.0]; figure(1) hold on for kos=kosi num=wn^2 den=[1,2*kos*wn,wn^2]; step(num,den) legend(-1) end title('Step Response') hold off 2．绘制典型二阶系统 ,当 ξ=0.7, ωn=2, 4, 6, 8 时的单位阶跃响应。
振荡环节
4）、 五、注意事项
G(S )
K 10 2 T1S S K 0.1S S 10
2
1）、输入的单位阶跃信号取自实验箱中的阶跃信号发生器。 2）、电子电路中的电阻取千欧，电容为微法。 六、实验报告要求 1）、画出4种典型环节的实验电路图，并注明相应的参数。 2）、画出各典型环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影响。 3）、写出实验心得与体会。 七、实验思考题 1）、用运放模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出的？
2）、积分环节和惯性环节主要差别是什么?在什么条件下,惯性环节可以近似地视为积分环 节?在什么条件下，又可以视为比例环节？ 3）、如何根据阶跃响应的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？
自动控制原理实验讲义
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模拟电路
3．测量典型环节的阶跃响应曲线
4．通过本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，由其不同的输入R-C 网络和反馈R-C 网络构成控制系统的各种典型环节 。
四、 实验内容
1．画出比例、惯性、积分、微分和振荡环节的电子模拟电路图。
2．观察并记录下列典型环节的阶跃响应波形。
1) 1)(1=s G 和2)(2=s G
2） S s G 1)(1= 和S
s G 5.01)(2= 3） S s G +=2)(1 和S s G 21)(2+=
4） 11)(1+=
S s G 和15.01)(2+=S s G 5） 121
)(2++=S S s G
五、 实验报告要求
1．画出五种典型环节的实验电路图，并注明参数。
2．测量并记录各种典型环节的单位阶跃响应，并注明时间坐标轴。
3．分析实验结果，写出心得体会。
六、 实验思考题
1．用运放模拟典型环节是是时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出的？
2．积分环节和惯性环节主要差别是什么?在什么条件下,惯性环节可以近似地视为积分环节?在什么条件下，又可以视为比例环节？
3．如何根据阶跃响应的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数。
实验二 一阶系统的时域响应及参数测定
一、 实验目的
1．观察一阶系统在阶跃和斜坡输入信号作用下的瞬态响应。
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。
自动控制原理实验大纲
自动控制原理实验大纲通常包括以下内容：
1. 实验目的和意义：介绍自动控制原理实验的目的，以及通过实验能够学习到的知识和技能。
2. 实验基础知识：介绍自动控制原理的基础知识，如控制系统的基本组成、控制原理、性能指标等。
3. 实验设备和工具：列举并介绍实验所需的设备和工具，如计算机、实验箱、传感器、执行器等。
4. 实验内容和步骤：详细描述每个实验的具体内容和步骤，包括实验目的、实验原理、实验方法、实验数据采集和处理等。
5. 实验注意事项：提醒学生在实验过程中需要注意的事项，如安全操作、正确使用设备、数据处理等。
6. 实验报告要求：说明实验报告的结构和内容要求，包括实验目的、实验原理、实验方法、实验结果和分析等。
7. 实验考核评价：介绍实验考核评价标准和方式，如实验操作技能、实验结果准确性、实验报告质量等。
8. 实验课程安排：给出自动控制原理实验的课程安排，包括实验时间、实验地点、实验教师等。
9. 实验教材和参考资料：推荐与自动控制原理实验相关的教材和参考资料，如《自动控制原理实验教程》、《自动控制原理实验报告》等。
《自动控制原理 》实验讲义
《自动控制原理》
实验讲义
目录
实验一典型环节的时域响应 (2)
实验二典型系统的时域响应和稳定性分析 (8)
实验三线性系统的频率响应分析 (12)
实验四线性系统的校正 (17)
实验五线性系统的根轨迹分析 (20)
实验六离散系统的稳定性分析 (23)
安徽大学电子学院
2014
实验一 典型环节的时域响应
时域分析法是在时间域内研究控制系统在各种典型信号的作用下系统响应（或输出）随时间变化规律的方法。因为它是直接在时间域中对系统进行分析的方法，所以具有直观、准确的优点，并且可以提供系统响应的全部信息。下面就实验中将要遇到的一些概念做以简单介绍：
1、稳态分量和暂态分量：对于任何一个控制系统来说，它的微分方程的解，总是包括两部分：暂态分量和稳态分量。稳态分量反映了系统的稳态指标或误差,而暂态分量则提供了系统在过渡过程中的各项动态性能信息。
2、稳态性能和暂态性能：稳态性能是指稳态误差，通常是在阶跃函数、斜坡函数或加速度函数作用下进行测定或计算的。若时间趋于无穷时，系统的输出量不等于输入量或输入量的确定函数，则系统存在稳态误差。稳态误差是对系统控制精度或抗扰动能力的一种度量。暂态性能又称动态性能，指稳定系统在单位阶跃函数作用下，动态过程随时间t 的变化规律的指标。其动态性能指标通常为：
• 延迟时间td ：指响应曲线第一次达到其终值一半所需的时间。
• 上升时间tr ：指响应从终值10％上升到终值90％所需的时间。对于有振荡的系统，亦可定义为响应从第一次上升到终值所需的时间。上升时间是系统响应速度的一种度量，上升时间越短，响应速度越快。
自动控制原理实验
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实验六 系统的串联校正(2学时)
2、 实验要求：（1）以具体实验系统为例，引导学生 将方块图和实验装置进行对照，以建立对控制系统的感 性认识。（2）让学生观看开环演示实验，观察输入对 输出的的控制作用，干扰对输出的扰动作用。（3）让 学生观看闭环演示实验，观察给定输入和扰动输入对输 出的影响，让学生认识到闭环控制的优越性。
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实验二 典型环节的模拟研究(2学时) 实验三 典型二阶系统实验(2学时)
实验
实验一 实验二 实验三
实验四 实验五 实验六
返回
实验一 自动控制系统的认识(2学时)
1、 实验目的：（1）通过实验使学生Leabharlann Baidu步认识自动控 制系统各组成部分及其作用；（2）初步了解系统的给 定输入量、扰动输入量、被控输出量的概念和具体形式； （3）初步掌握开环控制和闭环控制的特点及控制性能 的差异。
返回
实验四 根轨迹曲线的计算机绘制(2学时)
1、实验目的（1）训练学生应用计算机进行根轨迹 辅助分析；（2）让学生进一步加深系统零极点分布 对根轨迹形状的影响。 2、实验要求：（1）教师提供辅助分析软件，让学 生尽快学会使用；（2）每个学生做十例以上，并记 录各种根轨迹图。
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自动控制原理实验指导书
实验一 控制系统典型环节的模拟
一、 实验目的
1、掌握用运放组成控制系统典型环节的电子电路
2、测量典型环节的阶跃响应曲线
3、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、自控原理电子模拟实验箱一台
2、电脑一台（虚拟示波器）
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：
1
20)(Z Z
U U s G i =-= （1）
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
2
12)(R R Z Z s G ==
（2）
图1-2 比例环节
取参考值K R 1001=，K R 2002=；或其它的阻值。 2、惯性环节
惯性环节的模拟电路如图1-3所示：
1
11/1/)(21212212+=
+∙=+==TS K
CS R R R R CS R CS
R Z Z s G （3）
图1-3 惯性环节
取参考值K R 1001=，K R 1002=，uF C 1=。 3、积分环节
积分环节的模拟电路如图1-4所示：
TS
RCS R CS Z Z s G 1
11)(12==== （4）
图1-4 积分环节
取参考值K R 200=，uF C 1=。 4、比例积分环节
积分环节的模拟电路如图1-5所示：
)11()11(11/1)(2212112121212S
T K CS R R R CS R R R CS R CS R R CS R Z Z s G +=+∙=+=+=+==
（5）
图1-5 比例积分环节
取参考值K R 2001=，K R 4002=，uF C 1=。 5、比例微分环节
比例微分环节的模拟电路如图1-6所示：
)1()1(/1/)(1121
1121
2
+=+∙=+==
S T K CS R R R
CS R CS R R Z Z s G D （6）
取参考值K R 2001=，K R 2002=，uF C 1.0=。
图1-6 比例微分环节
四、实验内容与步骤
1、完成比例环节、惯性环节、比例积分环节、比例微分环节规定参数处的实验，并记录其单位阶跃响应波形（注意标明关键参数）。
2、从实验波形中读取相关参数，并与理论计算值相比较。
3、任意选定一个环节，如惯性环节，选取不同参数进行实验，并观察参数变化对阶跃响应的影响。 五、注意事项
1、输入的单位阶跃信号取自实验箱中的函数信号发生器。
2、电子电路中的电阻取千欧，电容为微法。 六、实验报告要求
1、画出典型环节的实验电路图及单位阶跃响应波形，并注明相应的参数。
2、针对某一典型环节分析参数对响应曲线的影响。
3、写出实验心得与体会。 七、实验思考题
1、用运放模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出的？
2、积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节？在什么条件下，又可以视为比例环节？
3、如何根据阶跃响应的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？
实验二 二阶系统的瞬态响应分析
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，和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 和调整时间ts 。
4、研究系统在不同K 值时对斜坡输入的稳态跟踪误差。 二、实验仪器
1、自控原理电子模拟实验箱一台
2、电脑一台（虚拟示波器）
3、万用表一只 三、实验原理
图2-1 二阶系统的模拟电路
图2-1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2-2为二阶系统的模拟电路图即 图2-1的原理方框图， 图中1
2
1R R K =
，121C R T =，231C R T =。 图2-3 二阶系统原理框图 由图2-2求得二阶系统的闭环传递函数为：
2
11
22
122210/1
/)()()(T T K S T S T T K K
S T S T T K
s U s U s G i ++=++==
（１）
而二阶系统标准传递函数为
2
2
22)(n
n n
S S s G ωξωω++= （２） 对比式（１）和式（２），得
21T T K n =ω，K T T 124=ξ
令1.02=T 秒，即K R 1003=，uF C 12=时，110T K n =ω，K T 141.0=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)、临界阻尼（ξ=1）和欠阻尼（ξ<1）三种情况下的阶跃响应曲线。 三、实验内容与步骤
1、根据图2-1，调节相应的参数，使系统的开环传递函数为：
2、令V U i 1=，在示波器上观察不同K （K=2，1，0.5，1/6）时的单位阶跃响应的波形，并由实验求得相应的σp 、tp 和ts 的值。
3、调节开环增益K ，使二阶系统的阻尼比707.02
1==
ξ，观察并记录此时的单位阶跃响
应波形和σp 、tp 和ts 的值。 四、实验报告
1、画出二阶系统在不同K 值（2，1，0.5，1/6）下的4条瞬态响应曲线，并注明时间坐标轴。
2、按图2-1所示的二阶系统，计算K=2，1，0.5，1/6四种情况下ξ和ωn 值。据此，求得相应的动态性能指标σp 、tp 和ts ，并与实验所得出的结果作一比较。
3、写出本实验的心得与体会。 五、实验思考题
1、如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？
2、在电子模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈？
3、为什么本实验的模拟系统中要用三只运算放大器？
)
1(1.0)(1+=
S T S K
S G