自动控制实验讲义_
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=。
(整理)自动控制原理讲义
自动控制原理：以自动控制系统为对象，学习研究从各类控制系统所抽象出来的，具有共性的规律（组成原理，数学模型，各种分析方法及基本设计方法）。
抽象性、综合性较强，用较多的数学工具解决应用问题。
第一章1.1 引言1.1.1 基本概念（1）自动控制：不需要人直接参与，而使被控量自动的按预定规律变化的过程，叫自动控制。
①不需要人直接参与；②被控量按预定规律变化。
（2）自动控制系统：为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体①实体；②有机组合1.1.2 自动控制技术及应用自动控制应用极为广泛，在工业、国防、航空航天、交通、农业、经济管理、以及人们的日常生活，处处可见。
1.1.3 自动控制理论的发展 一般可分为三个阶段：（1）第一阶段。
时间为本世纪40～60年代，称为“经典控制理论”时期。
三大分析方法:时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法.（2）第二阶段。
时间为本世纪60～70年代，称为“现代控制理论”时期。
（3）第三阶段。
时间为本世纪70年代末至今。
70年代末，控制理论向着“智能控制”方向发展。
（1）被控对象（2）被控量（被调参数，输出量）（3）给定量（参考输入量，给定信号）（4）扰动量（扰动输入量，扰动信号，干扰量）（5）测量信号（6）偏差信号（详见课本）1.2 自动控制技术中的基本控制方式系统的基本控制方式按有无反馈，即按结构分为三大类：开环控制、闭环控制、复合控制。
1.2.1 开环控制系统 (1)定义开环控制是一种最简单的控制方式，在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用，即系统的输出量对控制量没有影响。
示意图：优点：结构简单、调整方便、成本低缺点：控制精度低、对扰动没有控制能力。
用于输出精度要求低的场合。
若出现扰动，只能靠人工操作，使输出达到期望值1.2.2 闭环控制系统——重点控制装置与被控对象之间既有正向作用，又有反向联系的控制过程，也称为反馈控制①系统的输出参与控制，系统结构图构成回路②依靠偏差进行控制的系统，只要偏差存在，就有控制作用，其结果试图使偏差减小 ③控制精度高④对系统内部除反馈通道和给定通道外的一切扰动都有抑制作用 ⑤引起振荡1.2.3 复合控制系统将开环控制和闭环控制系统结合在一起，构成复合控制系统。
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。
自动控制原理讲义1-3章
第一章自动控制原理的基本概念主要内容：自动控制的基本知识开环控制与闭环控制自动控制系统的分类及组成自动控制理论的发展§1.1 引言控制观念生产和科学实践中，要求设备或装置或生产过程按照人们所期望的规律运行或工作。
同时，干扰使实际工作状态偏离所期望的状态。
例如：卫星运行轨道，导弹飞行轨道，加热炉出口温度，电机转速等控制控制：为了满足预期要求所进行的操作或调整的过程。
控制任务可由人工控制和自动控制来完成。
§ 1.2 自动控制的基本知识1.2.1 自动控制问题的提出一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度h维持恒定。
当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。
当水的流出量增大或流入量减小，平衡则被破坏，液面的高度不能自然地维持恒定。
所谓控制就是强制性地改变某些物理量(如上例中的进水量)，而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）维持在某种特定的标准上。
人工控制的例子。
这种人为地强制性地改变进水量，而使液面高度维持恒定的过程，即是人工控制过程。
1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件1. 自动控制的定义自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象(或过程)的某些物理量(或状态)自动地按预先给定的规律去运行。
当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降(或上升)，出现偏差。
这偏差由浮子检测出来，自动控制器在偏差的作用下，控制阀门开大(或关小)，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变。
2. 自动控制的基本职能元件自动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。
画出以上人工控制与动控制的功能方框图进行对照。
比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：测量元件与变送器（代替眼睛）自动控制器（代替大脑）执行元件（代替肌肉、手）这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。
下图是典型控制系统方框图。
自动控制理论实验
自动控制原理实验讲义蔡建羡李艳琴刘淑聪编防灾科技学院2010.11前言自动控制原理是自动化、自动控制、电子电气技术等专业教学中的一门重要专业基础课程。
它可以处理时变、非线性以及多输入、多输出等复杂的控制系统等问题。
本套EL-AT-III型自动控制实验系统克服了以前做自动控制理论实验时，连线复杂，连接不稳定的缺点，通过对单元电路的灵活组合，可构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统。
可以使学生把主要精力集中在系统电路和系统特性的研究上。
本系统采用DA/AD卡通过USB口和计算机连接实现信号源信号的输出和系统响应信号的采集，采集后的信号通过计算机显示屏显示，省去了外接信号源和示波器测量相应信号的麻烦。
EL-AT-III型自动控制实验系统支持自动控制理论课的所有实验，通过这套仪器可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，学习和掌握系统模拟电路的构成和测试技术，提高应用计算机的能力和水平。
本书分为三章，第一章为EL-AT-III型实验箱硬件资源，主要介绍实验箱的硬件组成和系统单元电路。
第二章为系统集成操作软件，主要介绍系统软件的安装，操作以及计算机和实验箱的通讯设置。
第三章为实验系统部分，主要介绍各个实验的电路组成，誓言原理和实验步骤。
目录第一章硬件资源 0第二章软件安装及使用 (4)第三章实验系统部分 (8)实验一典型环节及其阶跃响应 (9)实验二二阶系统阶跃响应 (133)实验三控制系统的稳定性分析 (16)实验四系统频率特性测量 (18)实验五连续系统串联校正 (21)实验六数字PID控制 (26)附录一实验说明及参考答案 (29)附录二 USB AD/DA卡调试说明 (29)第一章 硬件资源EL-AT-III 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。
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。
自动控制讲义4
§4-6闭环频率特性与时域性能分析
一． 二阶系统的时域响应与频域响应的关系
1．闭环频率指标
2222)()
()(n
n n
s s s R s C s ωξωω++==Φ αωωξωωωωωj n n Me j j R j C j =+-=
=Φ2)1(1)()()(22
2222)2()1(1n n M ωωξωω+-=
， 22
12n
n arctg ωωωωξα--= 707.00≤≤ξ时，产生谐振
令
0=ωd dM ，得谐振频率221ξωω-=n r 将r ωω=代入M 表达式，得谐振峰值2121
ξξ-=r M M=22
时的频率值B ω称截止频率。
0~B ω间的频率段称频带宽度，简称带宽。
2．频域指标与时域指标的关系
M r 与σ%之间的关系：均只与ξ有关
经验公式：M r =1.09+σ% （0.4≤ξ≤0.7） γ与ξ之间的关系：ξ≈0.01γ （ξ≤0.7） ∴γ=30°-60°时，ξ=0.3-0.6
二． 高阶系统时域响应与频率响应的关系
典型闭环幅频特性
1． 谐振峰值M r
M r ↑→ σ%↑
一般 M r =1.1~1.4 ≒ξ=0.4~0.7
2． 谐振频率ωr
ωr ↑，响应速度快
3．截止频率ωB
ωB↑，响应快，抗噪声能力下降
4．剪切率：ωc处L（ω）的斜率。
与γ和ωB有关。
自动控制原理讲义
第四讲二、并联分解：1、分解为对角线(Diagonal)标准形：设此时系统的频域描述G (s )，其分母只有简单极点，不含重极点，则G (s )可分解为：其中： 令 于是，有 反变换，即有写成矩阵形式，为 而故 即例：设一系统的传递函数为：326()6116G s sss =+++求其状态空间表达式； 故可得1()()()ni i ic Y s G s U s s λ===-∑[]lim ()()(1,2...)ii i s c s G s i n λλ→=-=()()(1,2...)iiU s X s i n s λ==-()()()i i isX s X s U s λ=+()()()(1,2...)i i i x t x t u t i n λ∙=+=10...010.............0.0...1n uλλ∙⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦x x 1()()nii i Y s cX s ==∑ 1()()niii y t c xt =∴=∑[]1n y c c =x3266()6116(1)(2)(3)G s s s s s s s ==++++++ 123123λλλ=-=-=-123363c c c ==-=[]100102010031y 363u ∙-⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥∴=-+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦ =-x x x2、分解为约旦（Jordan ）标准形对应系统存在重极点的情况。
不妨设λ1为重根,次数为3。
高于3次的重根,可如法处理。
因我们总可先计算重根,再计算单根,这并不失讨论问题的一般性。
设其中： 令故有：反变换，即得于是，有1114100010011....1n u λλλλλ∙⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦x x 00而，输出方程为： 即131112324111()()()()()ni i i c c c c G s s s s s λλλλ==+++----∑[]lim ()()(4,5,...)ii i s c s G s i n λλ→=-=1(1)11(1)1dlim()()(1)!d (1,2,33)j rjj s c s G s j sj r λλ--→⎡⎤=-⎣⎦-==12321131()()11()()()()()()11(4,5...)()()()()i i X s X s U s s U s s X s X s i n U s s U s s λλλλ==--===--32121131()()()()()()()()()()(4,5...)()()i i X s X s X s X s s s U s U s X s X s i n s s λλλλ==--===--11122123313(4,5...)ii i x x x x x x x x u x x u i n λλλλ∙∙∙∙⎧=+⎪⎪=+⎪⎨⎪=+⎪⎪=+=⎩11112213344()...n n y t c x c x c x c x c x =+++++[]1112134n y c c c c c =x结论:如果传递函数只有简单极点,必然可以把A 阵化为Diagonal 标准形;当传递函数有重极点时,系统矩阵必为Jordan 标准形. 三、由系统方框图导求状态空间表达式：例：系统的方框图如下所示，求该系统的状态空间表达式。
程鹏《自动控制原理》课件讲义1
• 20世纪60年代，数字计算机的出现为 复杂系统的基于时域分析的现代控制 理论提供了可能。
• 从1960年到1980，确定性系统、随机 系统的最佳控制，及复杂系统的自适 应和学习控制，都得到充分的研究。
• 控制装置（续）
• 放大元件：将比较元件给出的偏差进行放 大，
用来推动执行元件去控制被控对象； • 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发
生变化；
• 校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便 于调整的元件，用串联或反馈的方式 连接在系统中，以改善系统性能。
输入量
反馈控制系统的基本组成图
当车子转弯偏离正南方向时车辕前端就顺此方向 移动，而后端则向反方向移动，并将传动齿轮放 落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向相反方 向转动，恰好抵消车子转弯产生的影响。
车辆 转弯
齿轮系 车身
方向
木人
指 南 车
原 理
• 18世纪， James Watt 为控制蒸汽 机速度设计 的离心调节 器，是自动 控制领域的 第一项重大 成果。
• 1932年，Nyquist提出了一种根据 系统的开环频率响应(对稳态正弦 输入)，确定闭环系统稳定性的方 法。
• 1934年，Hezen提出了用于位置控 制系统的伺服机构的概念，讨论 了可以精确跟踪变化的输入信号 的机电伺服机构。
• 19世纪40年代，频率响应法为 闭环控制系统提供了一种可行 方法，Evans提出并完善了根轨 迹法。
1.2 自动控制系统示例
The Boeing 777 fly-by-wire aircraft
The F-18 aircraft, one of the first production military fighters to use “fly-by-wire”
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。
《电力拖动自动控制系统》实验讲义(2)
实验一晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定一、实验学时：3学时二、实验类型：验证性三、开出要求：必修四、实验目的：1．了解电力电子及电气传动教学实验台的结构及布线情况。
2．熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构。
3．掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。
五、实验原理：晶闸管直流调速系统由晶闸管整流调速装置，平波电抗器，电动机——发电机组等组成。
本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制回路可直接由给定电压Ug作为触发器的移相控制电压，改变U g的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压和转速，以满足实验要求。
六、实验条件：1．教学实验台主控制屏MCL-32T。
2．MCL—33组件3．MEL—03组件4．电机导轨及测速发电机（或光电编码器）5．直流电动机M036．双踪示波器7．万用表七、实验步骤：（一）安全讲解实验指导人员讲解自动控制系统实验的基本要求，安全操作和注意事项。
介绍实验设备的使用方法。
（二）操作步骤1．电枢回路电阻R的测定电枢回路的总电阻R包括电机的电枢电阻R a，平波电抗器的直流电阻R L和整流装置的内阻R n，即R=R a+R L+R n为测出晶闸管整流装置的电源内阻，可采用伏安比较法来测定电阻，其实验线路如图1-1所示。
将变阻器R D（可采用两只900Ω电阻并联）接入被测系统的主电路，并调节电阻负载至最大。
测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。
NMCL-31的给定电位器RP1逆时针调到底，使U ct=0。
调节偏移电压电位器RP2，使Ud=0。
合上主电源，即按下主控制屏绿色“闭合”开关按钮，这时候主控制屏U、V、W端有电压输出，调节U g使整流装置输出电压U d=（30~70） U ed（可为110V），然后调整R D使电枢电流为（80~90）%I ed ，读取电流表A 和电压表V 的数值为I 1,U 1，则此时整流装置的理想空载电压为U do =I 1R+U 1调节R D ，使电流表A 的读数为40% I ed 。
自动控制原理讲义
自动控制系统的性能指标
稳定性
快速性
系统在受到扰动后能够恢复稳定状态的能 力。
系统对输入信号的响应速度，即达到稳态 值所需的时间。
准确性
抗干扰性
系统输出信号与期望值之间的误差大小， 反映系统的控制精度。
系统在外部干扰下仍能保持稳定和准确输 出的能力。
03
自动控制系统的数学模型
线性微分方程
定义
线性微分方程是描述系统动态 行为的数学模型，其形式为 y''(t) + 2*y'(t) + y(t) = 0。
分类
开环控制系统、闭环控制系统、复合 控制系统等。
自动控制的应用领域
工业自动化
生产线上各种机器、设备、过程的自动控制， 提高生产效率和产品质量。
交通运输
列车、船舶、汽车的自动驾驶系统，提高运 输效率和安全性。
航空航天
飞行器的自动驾驶系统、导航系统、姿态控 制系统等，保证安全和准确。
农业
农业机械、灌溉系统、温室环境的自动控制， 提高农业生产效率和产量。
闭环控制系统
系统的输出反馈到输入端，通过负反馈机制实现精确控制，抗干扰能力强。
自动控制系统的工作流程
输入信号
系统接收来自传感器或其他输入设备 发出的信号。
信号处理
信号经过处理电路或控制器进行放大、 滤波、运算等处理。
输出信号
处理后的信号通过执行机构或驱动器 输出到被控对象。
反馈信号
被控对象的输出信号反馈到输入端， 与原始输入信号进行比较。
02
该方法通过计算系统的特征多项式，并分析其根的分布来判断
系统的稳定性。
如果所有特征根都位于复平面的左半部分，则系统是稳定的；
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。
《科学制作：简单的自动控制装置》 讲义
《科学制作：简单的自动控制装置》讲义一、引言在现代科技的飞速发展中，自动控制技术扮演着至关重要的角色。
从智能家居中的温度调节系统，到工业生产线上的自动化设备，自动控制装置无处不在。
今天，我们将一起探索如何制作一些简单的自动控制装置，让您亲身体验科学的魅力。
二、自动控制装置的基本原理要理解自动控制装置，首先需要了解其基本原理。
简单来说，自动控制就是在没有人直接参与的情况下，通过一定的设备或系统，使被控制对象按照预定的规律运行。
自动控制系统通常由控制器、执行机构、被控对象和传感器这四个部分组成。
传感器用于检测被控对象的状态或参数，并将其转化为电信号反馈给控制器。
控制器根据接收到的信号与设定值进行比较，计算出控制量，并将其传递给执行机构。
执行机构则根据控制量对被控对象进行操作，使其达到预期的状态。
三、简单自动控制装置的实例1、温度自动控制装置材料准备：热敏电阻比较器芯片（如 LM393）继电器散热风扇电源制作步骤：首先，将热敏电阻与比较器芯片连接。
热敏电阻会根据环境温度的变化改变电阻值，比较器将热敏电阻的输出电压与设定的参考电压进行比较。
当环境温度超过设定值时，比较器输出高电平，驱动继电器闭合，从而接通散热风扇的电源，实现降温。
2、水位自动控制装置材料准备：水位传感器三极管水泵电源制作步骤：水位传感器检测水箱中的水位高度，并将水位信号转换为电信号。
当水位低于设定值时，三极管导通，驱动水泵工作，向水箱中注水，直到水位达到设定高度。
四、制作过程中的注意事项1、电路连接要牢固，避免虚焊和短路。
2、选择合适的元器件，确保其参数和性能满足设计要求。
3、在进行电路调试时，要小心操作，避免触电和损坏元器件。
五、拓展与应用通过制作这些简单的自动控制装置，我们可以进一步拓展思路，将其应用到更多的实际场景中。
例如，利用自动控制原理制作自动灌溉系统，根据土壤湿度自动浇水；或者制作智能灯光系统，根据环境光线自动调节灯光亮度。
自动控制原理讲义A1频率特性稳定裕度与系统频率指标
正增益裕量
稳定系统
正相位裕量
正相位裕量
正增益裕量
正增益裕量
G(j)H (j)轨迹: (1)不包围(-1,j0)点； (2)先穿过单位圆，后穿
过负实轴。
正相位裕量
c g G( jc )H( jc ) | G( jg )H( jg ) | 1
( jc ) L(g ) 0
不稳定系统
负相位裕量
wn2
(w)
w w2 4 2wn2 )
(w) 90 arctg w 2 wn
w)
wb1 wb2
1
s
1
(
s)
0
h1
(t
)e
st
dt
1
•
1 s
2 (s)
0
h2
(t
)e
st
dt
二、一阶系统的频域性能指标
具有单位反馈的一阶系统开环和闭环传递函数
G(s) 1
s
(s) C(s) 1
R(s) s 1
闭环幅频特性
M () 1 1 2 2
零频幅值M0 M0 =M(ω)| ω=0=1
r n 1 2 2
1
Mr
2
1 2
零频幅值M0 M0 =M(ω)| ω=0=1
M (b )
M (0) 2
1 2
M ()
1
1
1
b 2 n2
2
2
b n
2
2
带宽频率
b n 1 2 2 2 4 2 4 4
系统闭环指标与开环频率域指标的关系
(w) 1800 (w)
G( jw) A(w)e j[1800 (w)] A(w)[cos (w) j sin (w)]
自动控制原理 讲义01
人工调节过程的三步曲：
工调节过程的三步曲
1 眼—观测水位 2 脑—思维、决策 3 手—操作补水阀门
补水流量
水箱水位 用水流量
特点： 脑力、体力劳动频繁！ 控制水平难以提高！
不适应调节复杂的生产过程！！
水箱水位 自动控制系统
杠杆 控制器
闸阀 执行器
浮子 检测变送器
补水流量
控制装置： 检测变送器 执行器 控制器
水箱水位
用水流量
自动控制系统的一般组成 及控制系统的原则性方框图
用水流量 水位设定值 控制信号
杠杆
水位测量值
闸阀
补水流量
水箱
水位
浮子和连杆
控制信号 控制量 干扰 被调量
比较器
给定值
偏差 测量值
控制器
执行器 检测变送器
被控对象
关注共性:
负反馈自动控制系统的组成 ----- 设备、信号的名称.
负反馈自动控制系统的调节机理 ---- 依据偏差调节，消除偏差为目的。
课的主要内容 及承上启下的关系
控制系统的 数学模型
时域分析法
根轨迹分析法
频域分析法
简单控制系统的 性能设计方法
根轨迹法 设计与校正 （定性）
频域法 设计与校正 （定性）
本课程设计到的 基础理论知识
付氏变换
电路基础知识
自动控制系统的一般概念
水箱水位的人工调节 水箱水位的自动调节 自动控制系统的一般组成及原则性方框图
自动控制系统分类
类别
按系统 结构分类 按给定值 特性分类 按系统模型 特征分类 按执行机构 特性分类 按系统传 输信号形式分类 闭环
控制系统名称
开环 （反馈） （前馈）
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。
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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]。
p=[p1,p2,…,p n]。
k=[k]。
sys=zpk(z, p, k><3>部分分式展开式模型调用格式：[r, p, k]=residue(num, den>3. 用Simulink建立系统模型点击MATLAB命令窗口菜单“File”下“New”子菜单下“Model”命令打开扩展名为“.mdl”的模型文件，或在MATLAB命令窗口输入命令“simulink”，选定模块拖到模型设计窗口，单击模块的输入或输出端，当光标变成十字时，拖到目标模块的输出或输入端口，当光标变成双十字时，松开鼠标，形成连接信号线。
4. 用CZ-AC型实验箱构建典型环节的模拟电路比例环节：，图中：K P= R f/R i积分环节：；图中: T i=R i C f比例微分环节：；图中：四、实验步骤1. 启动Matlab软件，熟悉系统界面、菜单和命令窗口。
2. 在命令窗口执行命令：计算：<1>a=0.2, x=o.3, : y=1/(a*log(1-x-a>+2*a><2>t=3, : f=2*log(t>*exp(t>*sqr(pi><3>矩阵输入，并转置A=B’。
<4>最小二乘法曲线三阶拟合：x=[1 2 3 4 5]；y=[5.5 43.1 128 290.7 498.4]；p=ployfit(x,y,3>3. 启动Simulink及其模型库，建立系统模型。
4. 用CZ-AC型实验箱连接一下典型环节，并在THDAQ-VILAB中观察其阶跃响应。
<1>比例环节：求取R i=1M，R f=510K(K P=0.5>；R i=1M，R f=1M(K P=1> 时的阶跃响应。
<2>积分环节：分别求取R i=1M，C f=1μ(T i=1 秒>；R i=1M，C f=4.7μ(T i=4.7 秒>时的阶跃响应曲线。
<3>比例微分环节：分别求取(R i=R f=R1=R2=1M，C=2μ(K P=2, T d=3.0 秒>；R i=2M，R f=R1=R2=1M，C=4.7μ(K P=1，T d=7.05 秒>时的阶跃响应曲线。
五、思考与实验报告要求1．思考：一阶惯性环节在什么条件下可视为积分环节；在什么条件下可视为比例环节？2．原始数据记录应包括输入程序和运行结果数据及图形，每一小步骤仅记录一种情况即可。
实验二控制系统的单位阶跃响应一、实验目的1. 理解并进一步掌握系统建模技巧、环节的串并联、反馈环节的引入、闭环极点的求取等内容。
2. 研究典型环节和二阶系统的阶跃响应，观察阻尼比和自振角频率对系统性能的影响。
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1．系统模型操作命令多项式模型：sys=tf(num, den>。
printsys(num, den>零极点模型：sys=zpk(z,p,k>模型转换命令：[num, den]=zp2tf(z,p,k>。
[z,p,k]=tf2zp(num,den>。
[r,p,k]=residue(num,den>[num,den]=residue(r,p,k>串联命令：[num,den]=series(num1,den1,num2,den2>。
sys=series(sys1,sys2>或：s=tf(‘s’>。
G1=5/(s+1>。
G2=(2*s+1>/s。
G3=4/(3*s+1>。
G=G1*G2*G3并联命令：[num,den]=parallel(num1,den1,num2,den2>反馈连接命令：sys=feedback(sys1, sys2, sign>。
%sys2为H(s>, 负反馈时sign=-1或缺省[numc, denc]=cloop(num,den,sign>。
%单位反馈用Mason公式求闭环传递函数：syms s, G1, G2, phi。
%建立符号对象G1=1/(s+1>。
G2=5/(s+2>。
%写出G1, G2的传递函数phi=factor(((G1+1>*G2>/(1+2*G1+G1*G2>。
%用Mason公式计算传递函数并因式分解2．求取特征根和单位阶跃响应求特征根：roots(den>或eig(sys>或damp(den>单位阶跃响应：step(sys>或step(sys,t>或step(num,den>动态性能指标读取：鼠标在曲线上单击相应点，可读取坐标值；在曲线图空白区域单击鼠标右键，在快捷菜单中选择“Character”，可显示动态指标；快捷菜单中选择“Properties”，则显示属性对话窗口，可在其中修改参数。
3．SIMULINK子模块的封装在模型设计窗口建立或调出子系统模型，在菜单“Edit”下执行“CreateSubsystem”命令，为模型套上“Subsystem”的外罩。
外罩只有两个端口，即输入端In1和输出端Out1。
双击Subsystem模块，打开其内部模型窗口，选中所有模块，选择主菜单“Edit”下“MaskSubsystem”命令，打开“MaskEditor”的子系统封装编辑器，显示四张选项卡Icon，Parameters，Initialization，Documentation。
设置选项卡Icon，在“Drawing commands”窗口输入：disp(‘子系统名’>或dploy(num,den>或plot(x1,y1,x2,y2>。
设置选项卡Parameters，根据模型修改参数“Variable”。
设置选项卡Initialization，Documentation，完成。
4．典型二阶系统其闭环传递函数：模拟电路图：运算放大器运算功能：四、实验步骤<1>用[num, den]=ord2(wn, zeta>建立ωn =1，ζ=0.5二阶系统的标准模型，并分别与一阶系统：和二阶系统：串联和并联，以及加入负反馈环节形成闭环系统，分别输出其传递函数。
<2>求系统G(s>=10/(s2+2s+10>的特征根、闭环极点和单位阶跃响应。
分别改变系统阻尼比和自振角频率，观察系统单位阶跃响应的变化规律。
程序示例1: num=100。
i=0。
for sigma=0: 0.25: 1.25 den=[1 2*sigma*10 100]。
damp(den> sys=tf(num, den>。
i=i+1。
step(sys,2> hold on end grid hold offtitle(‘阻尼比不同时阶跃响应曲线> lab1=‘ζ=0’。
text(0.3,0.9,lab1>, lab2=‘ζ=0.25’。
text(0.3,1.5,lab2>, lab3=‘ζ=0.5’。
text(0.3,1.2,lab3>, lab4=‘ζ=0.75’。
text(0.3,1.05,lab4>, lab5=‘ζ=1’。
text(0.35,0.9,lab5>, lab6=‘ζ=1.25’。
text(0.35,0.8,lab6> 程序示例2: sgma=0.25。
i=0。
for wn=10:20:50num=wn^2。
den=[1,2*sgma*wn, wn^2]。
sys=tf(num,den>。
i=i+1。
step(sys,2> hold on, grid end hold offtitle(‘wn 变化时系统阶跃响应曲线’> lab1=‘wn=10’。
text(0.35, 1.4, lab1>, lab1=‘wn=30’。
text(0.12, 1.3, lab2>, lab1=‘wn=50’。
text(0.05, 1.2, lab3>,<3>已知系统结构如图，使用梅森公式和SIMULINK 结构图模型求系统的闭环传递函数。
将系统结构图存为smg.mdl文件，可以下面程序转化为传递函数模型：[A，B，C，D]=linmod(‘smg’>。