自控实验讲义
自动控制原理实验讲义
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：120)(Z ZU 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1212)(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：111/1/)(21212212+=+∙=+==TS KCS R R R R CS R CSR 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：TSRCS R CS Z Z s G 111)(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)(2212112121212ST 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/)(112111212+=+∙=+==S T K CS R R RCS R CS R R Z Z s G D （6）取参考值K R 2001=，K R 2002=，uF C 1.0=。
《自动控制原理实验》讲义(14电气16-17(1))
《自动控制原理》目录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控制实验实验七离散控制系统实验实验八非线性控制系统实验第一部分 《自动控制原理》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 RG s U s R ==-2、惯性环节电路模拟：图1-2A/D1D/A1200KA/D1传递函数： 22112()/()()11U s R R KG s U s Ts R Cs ==-=-++ 3、积分环节 电路模拟：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 RG s K s R C s U s R τ==-+=-+6、比例积分电路模拟：D/A1A/D1A/D1A/D1图1-6传递函数： 22112()11()(1)(1)()U s R G s K U s Ts R R Cs==-+=-+三、实验步骤1、计算机与实验箱的连接1）用串行口线将计算机串行口与实验箱相联。
2）打开实验箱的电源，指示灯亮，双击在桌面上的“自动控制实验系统”图标，运行自动控制实验系 统软件。
3）下拉“串口测试”窗口，单击“串口测试”，如果测试窗口出现数字码，表示计算机与实验箱已经连接好，可以继续下面的实验。
自动控制原理实验讲义_03
第二节CZ-AC型自动控制原理实验箱与THDAQ虚拟实验设备1.1 THDAQ-USB2.0计算机辅助实验系统简介THDAQ-USB 2.0计算机辅助实验系统是用虚拟仪器技术实现的软硬件相结合的组合仪器系统。
它以计算机为基础，集双通道低频数字存储示波器、双通道程控函数信号发生器于一体，既可与自控原理、信号与系统、模拟电路等实验箱相结合，完成各种复杂的实验内容，也可在工程实践中发挥作用，完成各种低频信号的测试、测量功能。
硬件上它通过USB口与计算机相连，方便快捷，台式机、笔记本电脑均可使用。
技术性能1、信号采集部分AD性能：双通道，12位AD采样频率：最高500K SPSAD采样幅度综合误差：±1LSBAD输入阻抗：1兆欧AD输入电压范围：-10V～+10VX轴时基：50us～20s/divY轴灵敏度：20mV～5V/div（1X探头）触发方式：PC机软件触发2、信号源部分DA性能：双通道，12位信号波形类型：正弦波、方波、三角波、锯齿波、脉冲等信号输出频率：0.01Hz～10KHz信号输出幅度：-5V～+5V系统配置PC机要求：较新配置计算机（台式机、笔记本均可），带USB 2.0接口操作系统：Windows2000/WindowsXP/Windows7 32位1.2 THDAQ-VILAB虚拟仪器套件使用说明一、概述THDAQ-VILAB用户说明向用户简单介绍如何安装和使用THDAQ-VILAB虚拟仪器套件。
本使用说明包含软件基本功能，基本操作和使用注意事项等内容。
THDAQ-VILAB虚拟仪器套件是我公司开发研制的新型虚拟测试仪器。
它可以产生多种信号，并具有双通道示波器功能。
其主要包含两大模块：任意信号发生器，双通道虚拟示波器。
1.1驱动安装（1）用USB2.0扁口线把采集卡与主机相连，打开电源开关S1，完成物理连接。
在桌面下方弹出发现新硬件的提示如图1-1；图1-1（2）在主机上自动弹出搜索驱动的对话框如图1-2，选择从列表或指定位置安装（高级）选项，点击下一步；图1-2（3）根据新硬件安装向导，进行安装，在如图1-3中输入驱动程序所在的路径，点击下一步；图1-3（4）将采集卡的驱动程序包THDAQ_ALLversion所在的位置输入相应的对话框，将THDAQloader.sys进行安装完毕后，会弹出如图1-4所示向导；图1-4（5）单击“仍然继续”按钮，安装ezusb.sys，主机显示此设备可以使用了。
自动控制原理实验讲义---修改稿
北京信息科技大学自编实验讲义控制理论实验指导书许晓飞吴细宝编著自动化学院智能科学与技术系2011年1月前言一、自动控制理论的发展与现状自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术学科，它的发展可以追述到十七世纪，那时人们就在水轮的转动、风车的转速上开始采用自动控制技术。
特别是在1784年，瓦特蒸汽机的发明，成为世界上非常瞩目的成就，人们逐步认识到控制动力学的问题，并寻找其自动控制的实现方法及理论研究应用于生产实际。
二战期间，为了设计和制造飞机和船用自动驾驶仪、火炮方位系统、雷达跟踪系统，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。
到战后，已形成了一套完整的自动控制理论体系。
它主要是以传递函数为基础，从时域、频域两个方面研究系统的稳定性、稳定的范围和条件，例如常用的劳斯稳定判据、奈奎斯特准则、根轨迹和Bode图等。
从研究系统的动态特行中，研究系统稳定所需要的条件和拟采取的措施，如串联系统的校正、PID控制器的校正，这些方法主要用于研究系统单输入—单输出线性定常系统的分析和设计。
到本世纪四十年代，对非线性控制系统的研究已取得了明显的进展，主要的研究方法有：相平面法、描述函数法、李亚普诺夫方法等。
通常，可把自动控制系统分为线性系统和非线性系统两大类，对于一个系统，若存在一个非线性环节或一个非线性元件，则这个系统就是非线性系统。
精确的分析结果表明，所有的系统都是非线性的，而线性系统则是一种简化或近似，因此，在实际应用中，非线性系统本身愈来愈多的成为人们所关心的问题，尤其是某些非线性系统所具有的独特性质，如自激振荡、跳越现象、区域稳定、非线性补偿等，使得非线性系统在工程范围中的应用有所推广，并日益为各学科所重视。
近年来，随着计算机的不断发展，自动控制理论也跨入了一个飞速发展的新阶段，如人造卫星的控制、宇宙飞行器的控制、机器人的控制等都是采用控制思想与计算机技术相结合的方法，同时，现代科学技术的突飞猛进，也对自动控制的精度提出了更高的要求。
自控讲义
k ∏( s + z i )
k − −称为传递系数，k =
b0 a0
式中： − z i − −分子多项式的根，又称为系统的零点
− p j − −分母多项式的根，又称为系统的极点
4） 典型环节的传递函数 一个自动控制系统，可以认为是由一些典型环节（一些元件和部件）所组成。常 见的典型环节及其传递函数有以下几种： a) 比例环节：
d)
惯性环节：
G ( s) =
e)
二阶振荡环节：
2 ωn 1 Y (s) G(s) = = = 2 R ( s) T 2 s 2 + 2Tξs + 1 s 2 + 2ξω n s + ω n
f)
迟延环节：
G (s) =
Y ( s) = e −τs R( s )
3．结构图（又称方框图，方块图） 1) 结构图的基本形式（见图 1.2-1）
a 0 y ( n ) + a1 y ( n −1) + ... + a n −1 y ' + a n y = b0 r ( m ) + b1 r ( m −1) + ... + bm −1 r ' + bm r 其中：（n > m)
则系统的传递函数为:
G ( s) =
Y ( s ) b0 s m + b1 s m −1 + ... + bm = R( s ) a 0 s n + a1 s n −1 + ... + a n
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第一篇 基本原理和基本概念
第三章
控制系统的时域分析
应主要由这一对复数极点确定，称之为闭环主导极点。找到了主导极点，高阶系统就可以 近似作为二阶（或一阶）系统来分析。
自动控制原理实验讲义
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 KS 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-+--=--tg t e t u d t n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：t w 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。
掌握自动控制系统的基本性能指 标，如稳定性、快速性、准确性
和鲁棒性等。
了解自动控制系统的分类和应用 领域，如线性系统、非线性系统、
连续系统和离散系统等。
熟悉典型控制系统结构
掌握开环控制系统和闭环控制系统的基本结构和 特点，理解它们的工作原理和优缺点。
熟悉典型控制系统的结构，如PID控制系统、状态 反馈控制系统和最优控制系统等。
3. 利用仿真工具求解状态方程，得到 系统状态变量的响应曲线；
4. 分析系统稳定性和性能指标，如超 调量、调节时间等。
最优控制方法应用实验
实验目的
了解最优控制方法的基本原理和求解过 程，掌握最优控制方法在控制系统设计 中的应用。
VS
实验内容
通过MATLAB/Simulink等仿真工具，实 现最优控制器的设计，观察系统在不同控 制器作用下的动态响应过程，分析最优控 制方法的优越性和局限性。
最优控制方法应用实验
实验步骤 1. 确定被控对象和性能指标； 2. 建立最优控制问题的数学模型；
最优控制方法应用实验
01
3. 利用最优化方法求解最优控制器参数；
02
4. 在仿真环境中实现最优控制器，观察系统动态响应过程；
5. 分析最优控制方法的优越性和局限性。
03
鲁棒控制方法应用实验
自控原理实验讲义
自动控制理论部分实验一典型环节的电路模拟与软件仿真研究一．实验目的1．通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。
2．通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。
二．实验内容1．设计各种典型环节的模拟电路。
2．完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。
3．在MATLAB软件上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。
三．实验步骤1．熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，设计并连接各种典型环节（包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。
接线时要注意：先断电，再接线。
接线时要注意不同环节、不同测试信号对运放锁零的要求。
（U3单元的O1接被测对象的输入、G接G1、U3单元的I1接被测对象的输出）。
2．利用实验设备完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。
首先必须在熟悉上位机界面的操作，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。
软件界面上的操作步骤如下：①按通道接线情况:通过上位机界面中“通道选择”选择I1、I2路A/D通道作为被测环节的检测端口,选择D/A通道的O1（“测试信号1”）作为被测对象的信号发生端口.不同的通道,图形显示控件中波形的颜色将不同。
②硬件接线完毕后,检查USB口通讯连线和实验箱电源后，运行上位机软件程序,如果有问题请求指导教师帮助。
③进入实验模式后，先对显示模式进行设置：选择“X-t模式”；选择“T/DIV”为1s/1HZ。
④完成上述实验设置，然后设置实验参数，在界面的右边可以设置系统测试信号参数，选择“测试信号”为“周期阶跃信号”，选择“占空比”为50%，选择“T/DIV”为“1000ms”，选择“幅值”为“3V”，可以根据实验需要调整幅值，以得到较好的实验曲线，将“偏移”设为“0”。
自控讲义(完全版)
1． 成绩：报告50%：最多三页，不许打印。
注意格式填写全，否则扣分；主体部分包括：实验目的，实验内容，源程序及必要的注释，实验总结）实验50%：（1）纪律10%，⑵回答问题10%：①必答题，抽到必答。
主要考察考察预习情况和对相应理论掌握情况②选答题，答对加分，答错不扣分。
与课堂内容有关，略有深度，依学号末位随机抽取。
每次人数不定。
⑶实验能力30%：能独立完成实验，且完成用时较少者分最高。
2． 交报告时间：二次上课时交第一次报告，依此类推，最后一次由班长收齐交到我办公室教6-816研究自控课程的意义：苏27，901雷达，孵化器实验一 系统的动态响应一、实验目的1、掌握一阶系统和二阶系统的非周期信号响应。
2、理解二阶系统的无阻尼、欠阻尼、临界阻尼和过阻尼。
3、掌握分析系统稳定性、瞬态过程和稳态误差的方法。
4、理解高阶系统的主导极点对系统特性的影响。
5、理解系统的零点对系统动态特性的影响。
二、实验内容（讲一个（M 文件和SIMULINK 两种方法），练一个，报告上写一个）1、（讲解演示） 系统框图如下所示，(1) 若2()210G s s s =++，求系统的单位阶跃响应。
（2）分析系统的稳定性。
（举例说明研究稳定性的意义，判断准则） 我们采用matlab 进行分析步骤 (1)采用M 文件求解步骤：a.新建一个m文件b.输入系统的传递函数c.分析系统的稳定性（根据线性系统稳定的充分必要条件：闭环系统特征方程D(s)=0的所有根均具有负实部，只要求出系统极点，由其实部可得到系统稳定性）d.输入为单位阶跃信号时，求系统的响应example1.m:numg=[10] %分子多项式deng=[1 2 10] %分母多项式sys1=tf(numg,deng) %tf函数构造开环传递函数G(s)sys=feedback(sys1,1) % 求得闭环传递函数pole(sys) % 求系统极点，即特征方程的根step(sys) % 求阶跃响应grid on运行结果：ans =极点-1.0000 + 4.3589i-1.0000 - 4.3589i2.自己练习系统的传递函数如下，判断其稳定性3243272424()10355024s s s G s s s s s +++=++++（Q1：连续系统稳定性的判断标准是什么？）3.报告内容（练习并写入报告中）系统的闭环传递函数为：()1KG s Ts =+，分别调节K 、T ，仿真系统的阶跃响应，得出系统参数对系统性能的影响。
《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。
• 峰值时间tp ：指响应超过其终值到达第一个峰值所需的时间。
• 调节时间ts ：指响应到达并保持在终值 ±5％ 或 ±2％ 内所需的时间。
• 超调量δ％：指响应的最大偏离量 h (tp) 与终值h (∞) 之差的百分比。
上述五个动态性能指标基本上可以体现系统动态过程的特征。
自动控制原理讲义
自动控制原理讲义第一章概述1.1自动控制系统基本概念1.2自动控制系统的组成和基本特点1.3自动控制的作用和意义1.4自动控制系统的发展历程第二章数学模型与传递函数2.1控制系统的模型化2.2传递函数的定义与性质2.3电气系统的传递函数2.4机械系统的传递函数2.5热系统的传递函数2.6液压系统的传递函数第三章时域分析与性能指标3.1控制系统的时域响应3.2控制系统的稳定性分析3.3闭环控制系统的稳态误差3.4控制系统的性能指标第四章线性系统的根轨迹法4.1根轨迹的定义与性质4.2根轨迹的绘制方法4.3根轨迹与系统性能的关系4.4根轨迹法的应用举例第五章频域分析与稳定性5.1频域分析的基本概念与方法5.2 Nyquist准则与稳定性判据5.3 Bode图与频率响应5.4频域法在系统设计中的应用第六章频域设计与校正6.1控制系统的校正问题6.2极点配置法与频率域设计6.3 Bode积分法与相位校正6.4全套控制器的设计与校正实例第七章系统鲁棒性与鲁棒控制7.1系统鲁棒性的定义与评估7.2H∞控制理论与方法7.3鲁棒控制的应用举例与原理第八章自适应控制8.1自适应控制的基本概念与原理8.2参数识别与模型跟踪8.3自适应控制器设计与应用例子8.4自适应控制的发展与前景第九章非线性系统与控制9.1非线性系统的基本概念与性质9.2非线性系统的稳定性分析9.3非线性系统的控制方法9.4非线性系统的应用实例第十章控制系统优化与参数优化10.1控制系统的优化问题10.2优化理论与方法10.3控制器参数优化的举例与原理第十一章模糊控制与神经网络控制11.1模糊控制的基本概念与原理11.2模糊控制系统的设计与应用例子11.3神经网络控制的基本概念与原理11.4神经网络控制系统的设计与应用例子第十二章智能控制与拓展12.1智能控制基本概念与发展12.2智能控制系统的设计与应用例子12.3控制系统的拓展与创新结语自动控制原理的讲义主要介绍了自动控制系统的基本概念、组成和基本特点，以及自动控制的作用和意义。
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Ss 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。
2．根据一阶系统的阶跃响应曲线确定一阶系统的时间常数。
二、 实验仪器1．控制理论电子模拟实验箱一台。
2．双踪低频慢扫描示波器一台。
3．万用表一只。
三、实验原理图2-1为一阶系统的方框图。
它的闭环传递函数为11)()(+=TS s R s C 令1)(=t r ，即Ss R 1)(=， 则其输出为 图2-1TS S TS S s C 111)1(1)(+-=+=对上式取拉氏变换，得 Tt et C --=1)( 它的阶跃响应曲线如图2-2所示。
自动控制原理实验讲义
和稳态误差，并进行分析。 4）、求高阶系统的单位阶跃响应，记录曲线，求对应的性能指标σ%、tr、t s、tp，并进行分析。 5）、写出实验心得与体会。
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自动控制实验讲义
实验4 控制系统的根轨迹
一．实验目的
1) 掌握 MATLAB 软件绘制根轨迹的方法。 2) 分析参数变化对根轨迹的影响。 3) 利用根轨迹法对控制系统性能进行分析。
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？
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实验二、一阶系统的时域性能分析 一．实验目的： 1. 熟悉 MATLAB 软件分析系统时域响应方法。 2. 通过观察一阶系统在单位阶跃信号，单位斜坡信号，单位脉冲信号作用 下的响应特性，熟悉一阶系统的响应曲线。 3. 通过定性的了解参数变化对动态特性的影响。分析参数变化对输出响应 的影响。 二．实验设备： PC 机及 MATLAB 软件。 三．实验仿真方法： （一）一阶系统阶跃响应： 图示 RC 网络为一阶系统
p=[0 -1 -2 -4] k=9 sys=zpk(z,p,k) 2、求输出响应 （1）单位阶跃响应 MATLAB 程序如下：[设 K=1、 T=0.01 ] % Example clear clear all num=[1]； den=[0.01 1]； step(num,den) 执行后可得如下图形：
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。
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 G2） S s G 1)(1= 和Ss 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。
2．根据一阶系统的阶跃响应曲线确定一阶系统的时间常数。
二、 实验仪器1．控制理论电子模拟实验箱一台。
2．双踪低频慢扫描示波器一台。
3．万用表一只。
三、实验原理图2-1为一阶系统的方框图。
它的闭环传递函数为 11)()(+=TS s R s C 令1)(=t r ，即Ss R 1)(=， 则其输出为 图2-1TS S TS S s C 111)1(1)(+-=+= 对上式取拉氏变换，得 T te t C --=1)( 它的阶跃响应曲线如图2-2所示。
自动控制原理实验讲义
自动控制原理实验讲义南通工学院自动化教研室二○一一年八月实验一自动控制系统认识实验一、实验目的1、使同学们在深入学习自动控制理论之前对自动控制系统有个初步、感性的认识。
2、通过感性认识，加深理解自动控制系统的基本原理与方式，以及初步了解自动控制系统的基本要求的概念。
3、加深理解“控制某个量，与引入该量的负反馈”的关系。
4、结合实物认识、了解反馈控制系统的基本组成。
二、实验仪器设备过程控制实验系统一套三、实验原理1、反馈控制原理：控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务。
这是一般闭环控制系统的基本控制原理。
2、对自动控制系统的基本要求：稳定性、快速性、准确性。
3、反馈控制系统的控制装置由测量元件、给定元件、比较元件、放大元件、执行元件、校正元件等组成。
四、实验内容根据书上内容，结合过程控制实验装置了解自动控制系统基本组成：测量元件；给定元件、比较元件、放大元件、执行元件、校正元件。
了解并熟悉控制系统的原理。
实验装置方框图大致如下图：图一说明：LT—液位检测变送器；TT—温度检测变送器；T1-SCR—移相调控晶闸管模板TC—温度调节器；LC—液位调节器五、讨论1、上图中画出了两个控制量的控制回路，试画出流量控制的控制回路2、分别指出3个被控量的检测元件分别是什么？3、针对过程控制实验装置，说明温度控制、液位控制、流量控制的大体原理。
4、举出日常生活中的一些自动控制系统。
实验二 控制系统的时间响应分析一、实验目的1、熟悉并掌握MA TLAB 的工具箱simulink 在自动控制仿真中的应用。
2、通过对典型二阶系统特征参数的调整，了解并比较系统分别在欠阻尼、临界阻尼和过阻尼时动态品质。
3、通过对高阶系统的闭环极点的不同设置，观察系统的动态响应曲线有何异同，从而理解闭环主导极点。
4、命令方式求取系统的阶跃响应和脉冲响应等（补充） 二、实验仪器设备微型计算机 一台三、实验原理1、 通过simulink 工具箱构建系统结构图，通过改变不同系统参数，实现仿真不同状态下的系统。
自控实验讲义
第一章前言自动控制理论是一门专业基础理论课，为了使学生能有较直观的认识，培养理论联系实际的基本技能，特开设了这门课的实验。
实验的目的是将该课程所论述的某些基本原理、基本的分析方法，通过这些实验加以论证和检验，学生们根据实验结果，利用所学过的理论知识，通过分析找出内在的联系，从而加深对自动控制理论基本概念的理解。
同时培养学生实事求是，严谨的科学作风。
一、本实验课使用的仪器为西安唐都科教仪器公司的TDN-ACS+实验系统。
二、为了确保实验质量及人身、仪器设备的安全，在实验的过程中，要求学生必须注意以下几点：1．实验前必须阅读实验指导书，复习与实验有关的理论知识，对实验中所用仪器设备的基本工作原理和使用方法要有所了解。
2．实验前必须做好实验预习，明确每次实验的目的，弄清楚实验内容、要求、方法，了解实验原理才能做实验。
3．为了确保安全，严格按实验指导书的要求进行接线和操作，须经检查和指导教师认定合格后再通电。
4．做实验时，要严肃认真，仔细观察实验现象，作好各种数据、图形的记录，并由指导教师复查后才能结束实验。
5．在实验过程中，如需要变动连线，必须先将实验仪器设备断电，再进行拆、连线。
以免引起短路，从而造成仪器损坏。
6．实验必须严格按操作规程正确使用仪器设备。
如发现仪器出现故障，应立即断电，并报告指导教师处理，不得擅自拆修仪器设备。
7．实验完毕，必须经指导教师审核签字后，方可进行拆线，清理现场，将全部仪器设备复归原位，然后离开教室。
8．要独立写出严谨、有理论分析、实事求是、文理通顺、字迹端正、图表清楚的实验报告。
数据真实、准确，结论明确。
9．爱护公共财产，损坏仪器设备必须及时报告，认真检查原因，从中吸取教训，并按校方规定的赔偿办法处理。
10．对于不认真预习，对实验目的、方法、内容不了解以及不认真对待实验者，严重违反规章制度者，指导教师有权停止其实验。
三、实验结束后，要认真编写实验报告。
报告要求：文理通顺、字迹工整、数据和图表齐全，除实验数据和实验现象同组同学可共用外，分析和计算必须由学生独立完成。
自控实验讲义
实验一 控制系统时域分析一、 实验目的1、 掌握一阶系统和二阶系统的非周期信号响应。
2、 理解二阶系统的无阻尼、欠阻尼、临界阻尼和过阻尼响应。
3、 掌握分析系统的稳定性、瞬态过程和稳态误差。
4、 理解高阶系统的主导极点对系统特性的影响。
5、 理解系统的零点对系统动态特性的影响。
二、实验内容1、 系统的闭环传递函数为：1)(+=TS KS G ，分别调节 T 、 K ， 仿真系统的阶跃响应，得出不同的系统参数对系统性能的影响。
2、 单位负反馈系统的开环传递函数为：)2(8)(+=S S S G ，求闭环系统的单位阶跃响应，标出系统的ts,tr,tp 并计算最大超调量和稳态误差。
3、给定典型二阶系统的自然频率，仿真当0.2,5.1,0.1,8.0,7.0,6.0,5.0,4.0,3.0,2.0,1.0=n ω 时的单位阶跃响应，得出参数变化时对系统性能的影响。
4、 开环系统的传递函数为)200)(5(20000)(++=S S S S G ， 求其单位阶跃响应，并比较与开环系统)5(20000)(+=S S S G 的差别，得出相应的结论。
5、 比较下面两闭环系统的单位阶跃响应，分析零点对系统动态响应的影响。
105.210)(2++=S S S G105.2)1.0(10)(2+++=S S S S G三、实验步骤1.启动控制理论仿真实验教学系统；2.输入参数，查看系统阶跃响应与脉冲响应。
四、实验报告要求1.在坐标纸上画出图形窗口显示的单位阶跃响应及单位脉冲响应。
2.分析仿真结果。
实验二 根轨迹分析一、实验目的1、熟练掌握用控制理论仿真实验教学系统绘制根轨迹的方法。
2、熟悉根据根轨迹分析系统的性能。
3、理解增加开环零点、极点对系统根轨迹及性能的影响。
二、实验内容1、 单位负反馈控制系统的开环传递函数为 )6)(4()(++=S S S KS G(1) 试绘制系统的根轨迹，并确定临界增益的值。
(2) 若要求闭环系统单位阶跃响应的最大超调量σ%≤ 16.3 %，试确定开环增益K ，以及此系统分别在阶跃输入，单位速度输入和加速度输入情况下的稳态误差。
自动控制实验讲义_
自动控制原理实验讲义郭烜内蒙古民族大学物理与电子信息学院信息与自动化技术教研室2018年8月目录绪论第一章自动控制原理实验实验一 MATLAB软件和THDAQ虚拟实验设备的使用实验二控制系统的单位阶跃响应实验三高阶系统的时域动态性能和稳定性研究实验四线性系统的根轨迹实验五线性系统的频域分析实验六线性系统校正与PID控制器设计第二章自动控制原理模拟实验环境简介第一节 MATLAB软件系统与Simulink仿真工具第二节 CZ-AC型自动控制原理实验箱与THDAQ虚拟实验设备绪论《自动控制原理》是电子信息专业的专业基础课程，自动控制原理实验课程是一门理论验证型实验课程，结合自动控制理论课开设了一系列相应的实验，使学生理论与实践结合，更好的掌握控制理论。
通过实验，学生可以了解典型环节的特性，模拟方法及控制系统分析与校正方法，掌握离散控制系统组成原理，调试方法；使学生加深对控制理论的理解和认识，同时有助于培养学生分析问题和解决问题的工程综合能力，拓宽学生的专业面和知识面，为以后的深入学习与工作打下良好的扎实的基础。
第一章自动控制原理实验实验一MATLAB软件与THDAQ虚拟实验设备的使用一、实验目的1. 学习MATLAB软件、动态仿真环境Simulink以及THDAQ虚拟实验设备的正确使用方法。
2. 掌握建立控制系统数学模型的初步方法。
二、实验设备计算机、MATLAB软件、CZ-AC型自动控制原理实验箱、THDAQ虚拟实验设备、万用表三、实验内容及原理1. MA TLAB基本运算见第二章1.4节： MA TLAB基本运算2. 用MATLAB建立控制系统数学模型控制系统常用的三种数学模型：<1>传递函数模型(多项式模型>用函数tf(>建立控制系统传递函数模型：命令调用格式：sys=tf(num, den> 或 printsys(num, den>也可以用多项式乘法函数conv(>输入num/den如：，num=5*conv(conv([1,2],[1,2]>,[1,6,7]><2>零极点模型调用格式：z=[z1,z2,…,z m]。
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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Ss 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。
2．根据一阶系统的阶跃响应曲线确定一阶系统的时间常数。
二、 实验仪器1．控制理论电子模拟实验箱一台。
2．双踪低频慢扫描示波器一台。
3．万用表一只。
三、实验原理图2-1为一阶系统的方框图。
它的闭环传递函数为11)()(+=TS s R s C 令1)(=t r ，即Ss R 1)(=， 则其输出为 图2-1TS S TS S s C 111)1(1)(+-=+=对上式取拉氏变换，得 Tt et C --=1)( 它的阶跃响应曲线如图2-2所示。
当t = T 时，632.01)(1=-=-e t C 。
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2-2可测得一阶系统的时间常数T 。
当r （t ）=t ，即21)(Ss R =， 系统的输出为 TS TS T STS S s C 11)1(1)(22++-=+= 即)1()(Tt eT t t C ---=由于 )1()()(Tt e T t r t e --==，所以当 t →∞ 时，e （∞）=ess=T 。
这表明一阶系统能跟踪斜坡信号输入，但有稳态误差存在。
其误差的大小为系统的时间常数T 。
图2-2四、实验内容1．根据图2-1所示的系统，设计相应的模拟实验线路图。
2．当r （t ）=1V 时，观察并记录一阶系统的时间常数T 为1S 和0.1S 时的瞬态响应曲线,并标注时间坐标轴。
3．当r （t ）=t 时，观察并记录一阶系统时间常数T 为1S 和0.1S 时的响应曲线。
五、实验报告1．根据实验，画出一阶系统的时间常数T=1S 时的单位阶跃响应曲线，并由实测的曲线求得时间常数T 。
2．观察并记录一阶系统的斜坡响应曲线，并由图确定跟踪误差ess ，这一误差值与由终值定理求得的值是否相等？分析产生误差的原因。
六、实验思考题1．一阶系统为什么对阶跃输入的稳态误差为零，而对单位斜坡输入的稳态误差为T ？2．一阶系统的单位斜坡响应能否由其单位阶跃响应求得？试说明之。
实验三 二阶系统的瞬态响应分析一、 实验目的1．观察在不同参数下二阶系统的阶跃响应曲线，并测出超调量σp 、峰值时间tp 和调整时间ts 。
2．研究增益K 对二阶系统阶跃响应的影响。
二、实验原理图3-1图3-1为二阶系统的方框图。
它的闭环传递函数为2222112212)()()()(n n n S S T T K T S S T T ks R s C ωξωω++=++=由上式求得)(21T T Kn =ω )4(12K T T =ξ若令 T1=0.2S ，T2=0.5S ， 则K n 10=ω ，K 625.0=ξ显然只要改变K 值,就能同时改变ωn 和ξ的值,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1．按开环传递函数)12.0(5.0)(+=S S Ks G 的要求,设计相应的实验线路图。
令r （t ）=1V ，在示波器上观察不同K （K=10，5，2，0.5）下的瞬态响应曲线,并由图求得相应的σp 、tp 和ts 的值。
2．调节K 值，使该二阶系统的阻尼比ξ=21 ，观察并记录阶跃响应波形。
四、实验报告1．画出二阶系统在不同K 值下的4条瞬态响应曲线，并注明时间坐标轴。
2．实验前按图3-1所示的二阶系统，计算K=0.625，K=1和K=0.312三种情况下的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？实验六 PID 控制器的动态特性一、实验目的1． 熟悉PI 、PD 和PID 三种控制器的结构形式。
2． 通过实验，深入了解PI 、PD 和PID 三种控制器的阶跃响应特性和相关参数对它们性能的影响。
二、实验仪器1．控制理论电子模拟实验箱一台 2．慢扫描示波器一台 3．万用表一只三、实验原理PI 、PD 和PID 三种控制器是工业控制系统中广泛应用的有源校正装置。
其中PD 为超前校正装置，它适用于稳态性能已满足要求，而动态性能较差的场合。
PI 为滞后校正装置，它能改变系统的稳态性能。
PID 是一种滞后−超前校正装置，它兼有PI 和PD 两者的优点。
1.PD 控制器图5-1为PD 控制器的电路图，它的传递函数为)1()(+-=S T K s G D P 图5-1其中 1112,c R T R R K D P ==2.PI 控制器图5-2为PI 控制器的电 路图，它的传递函数为SC R S C R s G 21221)(+-= 图5-2=-)11(2212SC R R R + =)11(2ST K P +- 其中12R R K P =， 222C R T =。
3.PID 控制器图5-3为PID 控制器的电路图，它的传递函数为ST S S s G i )1)(1()(21++-=ττ= ])(11[21212121ττττττττ++++-S S T i= )11(S T ST K D I P ++- 其中111C R =τ， 222C R =τ， 21C R T i =iP T K )(21ττ+= ， 21ττ+=I T ，)((21)21ττττ+=D T图5-3K R 21=，F C μ11=C1=1uF ，K R 102=，F C μ102=四、实验内容1.令Ur=1V ，分别测试R1=10K 和20K 时的PD 控制器的输出波形。
2.令Ur=1V ，分别测试R2=10K 和20K 时的PI 控制器的输出波形。
3.令Ur=1V ，测试PID 控制器的输出波形。
五、实验报告1.画出PD、PI、和PID三种控制器的实验线路图，并注明具体的参数值。
2.根据三种控制器的传递函数，画出它们在单位阶跃信号作用下的理想输出波形图。
3.根据实验，画出三种控制器的单位阶跃响应曲线，并与理想输出波形作一分析比较。
4.分析参数对三种控制器性能的影响。
实验七自动控制系统的动态校正的设计（设计性）一、实验目的1.要求学生根据书上习题的要求，自行设计一校正装置，并用本实验箱构成一模拟系统进行实验校正和实际调试、使学生深刻认识到校正装置在系统中的重要性。
2.掌握工程中常用的二阶系统和三阶系统的工程设计方法。
二、实验仪器1.控制理论电子模拟实验箱一台2.慢扫描示波器一台3.万用表一只三、实验原理当系统的开环增益满足其稳态性能的要求后，它的动态性能一般都不理想，甚至发生不稳定。
为此需在系统中串接一校正装置，既使系统的开环增益不变，又使系统的动态性能满足要求。
常用的设计方法有根轨迹法、频率法和工程设计法。
本实验要求用工程设计法对系统进行校正。
1.二阶系统图6-1为二阶系统的标准形式，它的开环传递函数为)2()(2n n S S s G ξωω+= 图6-1=)12(22+nnn SS ξωξωω （1）图6-2所示二阶系统的 开环传递函数为图6-2)1()1()(+=+='s iss i s T S T K T S T K s G （2） 图6-2对比（1）式和（2）式得n s T ξω21= ， nni s T K ξωω22=如果21=ξ ，则n s T ω21=，snisT T K 212==ω，或写作s s i T K T 2=。
当21=ξ时，二阶系统标准形式的闭环传递函数为2222)(nn n S S s T ωωω++= ， 把sn T 21=ω代入上式得1221)(22++=S T S T s T s s （3） 式（3）就是二阶系统工程设计闭环传递函数的标准形式。
理论证明，只要二阶系统的闭环传递函数如式（3）所示的形式，则该系统的阻尼比707.021==ξ，对阶跃响应的超调量σp 只有4.3%，调整时间ts 为8Ts （∆=±0.05），相位裕量γ=63︒。
2.三阶系统图6-3为三阶控制系统的方框图。
它的开环与闭环传递函数分别为图6-3)1()1()(21/++=S T S T S K s G s i s τ (4)/1/231/)1()(ss i s i s K S K S T S T T S K s T ++++=ττ (5)其中si ss T K K =/，由理论证明，当τ1=4Ts ，sis s i T TK T 28= 时，三阶系统具有下列理想的性能指标：超调量σp=43%，调整时间ts=18Ts ， 相位裕量γ=36.8︒。
此时，式（5）可以改写为148814)(2233++++=S T S T S T S T s T s s s s显然，上式的性能指标比二阶系统要差，这主要是由三阶系统闭环传递函数的分子多项式引起的，为此，需在系统的输入端串接一个给定的滤波器，它的传递函数为141)(+=S T s G s F于是系统的闭环传递函数为 14881)(2233+++=S T S T S T s T s s s在阶跃信号作用下，上述三阶系统具有下列的性能指标： 超调量σp = 8% 上升时间tr = 7.6Ts调整时间ts = 16.4Ts四、实验内容1.按二阶系统的工程设计方法，设计下列系统的校正装置。