控制工程-实验指导书-修订版
控制工程实验指导书TkkL
实验六典型环节及其阶跃响应一实验目的（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) 双踪低频慢扫描示波器一台。
(3) 万用表一只。
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。
四实验步骤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。
1. 比例（P）环节根据比例环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建模拟电路，如图1。
图1 比例环节取：R1=100K，R2=200K，比例系数K=2时，u i =-1V阶跃信号时，用示波器观测并记录相应的实验曲线，并与理论值进行比较。
改变R2，用示波器观测并记录相应的实验曲线，并与理论值进行比较。
2. 积分（I ）环节根据积分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建模拟电路，如图2。
积分时间常数T=RC ，取R 1=200K ，C=1uF ，(T=R 1C=200K ×1uF=0.2s)；当u i =-1V 阶跃信号时，用示波器观测并记录相应T 值时的输出响应曲线，并与理论值进行比较。
改变C ，用示波器观测并记录相应的实验曲线，并与理论值进行比较。
3. 比例积分(PI)环节据比例积分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建模拟电路，如图3。
212211()(1)(1)R G s K R R CT =+=+（K=R 2/R 1, T 2=R 2C ）图2 积分环节图3 比例积分环节取：R 1=100K ，R 2=200K ，C=1uF (K= R 2/ R 1=2 ,T=R 2C=200K ×1uF=0.2S)。
通过改变R 2、R 1、C 的值可改变比例积分环节的放大系数K 和积分时间常数T 。
控制工程实验指导书1
控制工程实验指导书周志2006年9月概述自本世纪30年代以来，自动化技术获得了惊人的成就，已在工业和国民经济各行各业起着关键的作用。
自动化水平已成衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
自动控制按输入量的变化规律分类，可分恒值控制系统（Fixed Set-Point Control System）、随动控制系统（Follow-Up Control System）、过程控制系统（Process Control System）。
过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。
在现代化工业生产过程中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。
学生通过该实验课程后，可掌握下列内容：1、自动化仪表的初步使用。
2、变频器的基本工作原理和初步使用。
3、测定控制对象特性的方法。
4、单回路控制系统的参数整定。
5、复杂控制回路系统的参数整定。
6、控制参数对控制系统品质指标的影响。
7、控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力。
实验的基本程序：1、明确实验任务；2、提出实验方案；3、画实验接线图；4、进行实验操作，作好观测和记录；5、整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。
在进行本书中的综合实验时，上述程序应尽量让学生独立完成，教师给予必要的指导，以培养学生的实验能力。
要做好各主题实验，就应做到：实验前有准备；实验中有条理；实验后有分析。
第一章硬件设备的介绍PCT—I型过程控制实验装置是基于工业过程物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置。
系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识、单回路控制、串级控制、前馈控制、比值控制等多种控制形式。
第一节水箱实验装置由被控对象和控制回路两部分组成。
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。
《控制工程基础》实验指导书
XX学院实验指导书课程编号：课程名称：《控制工程基础》实验学时： 4 适用专业：车辆工程专业制定人：制（修）订时间： 2020年7月专业负责人审核：专业建设工作组审核：2020年 7月实验纪律要求1.明确实习目的、端正态度、严格遵守校纪校规。
2.努力完成各项实习任务。
3.服从指导老师和实验室管理人员安排。
4.不迟到、不早退。
5.实习期间不穿拖鞋，做好自我身体安全保护，女生长发要扎起。
6.不做危险有害他人身体健康的事情。
7. 学生在实习场地内未经许可不准随意搬动机件和乱按电器开关，损坏自赔，严格遵守有关的规章制度。
第一部分实验大纲一、教学目的与基本要求《控制工程基础》是车辆工程本科专业一门主要的专业选修课。
因其较强的理论性、应用性及实践性，故应充分重视实验教学。
要求学生在实验中发现问题，解决问题，加深对理论知识的理解和应用。
目的使学生建立经典控制理论的思维，掌握和了解其基本理论、研究方法，培养运用控制的理论、方法去解决工程实际问题的能力。
通过教学实验使学生了解MATLAB软件环境和使用方法，能够应用MATLAB进行建模仿真，研究控制系统的时域频域仿真分析。
二、实验内容和学时分配三、实验成绩评定、考核办法1．实验报告（1）每个学生按照实验课内容自己总结实验的结果及实验中遇到问题的处理办法；（2）按照规定的时间，上交实验报告。
2．考核方式（1）实验课成绩按照提交的实验报告内容给出，不再进行单独的考核评定。
（2）实验课成绩按照一定的百分比折合到学生的平时成绩中。
四、参考资料（参考书、网络资源等）1．使用教材及实验指导书《控制工程基础》，董景新赵长德等主编，清华大学出版社，2016。
实验指导书：自编。
2. 主要参考书《自动控制原理》，余成波、张莲等主编，清华大学出版社《控制工程基础》，杨秀萍主编，机械工业出版社第二部分 单元实验实验（项目）一 控制系统时域仿真和稳定性研究凡是能用二阶微分方程描述的控制系统，都称为二阶控制系统。
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[答案解析]](https://img.taocdn.com/s3/m/bfe832f80508763231121290.png)
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。
控制工程基础实验指导第三版
机械控制工程基础实验指导书机械工程系路连编2006年1月实验一MATLAB初步及时域分析一、实验目的1、熟悉MATLAB实验环境，练习MATLAB常见命令、学会建立.m文件等基本操作。
2、学会利用MATLAB建立系统的基本数学模型并进行基本模型转换和合并。
3、学会利用MATLAB分析时间响应。
二、实验设备1．MATLAB软件一套2．电脑一台三、实验原理MATLAB环境是一种为数值计算、数据分析和图形显示服务的交互式的环境。
MATLAB 有3种窗口，即：命令窗口（The Command Window）、m文件编辑窗口（The Edit Window）和图形窗口（The Figure Window），而Simulink另外又有Simulink模型编辑窗口。
1．命令窗口（The Command Window）当MA TLAB启动后，出现的最大的窗口就是命令窗口。
用户可以在提示符“>>”后面输入交互的命令，这些命令就立即被执行。
在MATLAB中，一连串命令可以放置在一个文件中，不必把它们直接在命令窗口内输入。
在命令窗口中输入该文件名，这一连串命令就被执行了。
因为这样的文件都是以“.m”为后缀，所以称为.m文件。
2．.m文件编辑窗口（The Edit Window）我们可以用.m文件编辑窗口来产生新的.m文件，或者编辑已经存在的.m文件。
在MATLAB主界面上选择菜单“File/New/M-file”就打开了一个新的.m文件编辑窗口；选择菜单“File/Open”就可以打开一个已经存在的.m文件，并且可以在这个窗口中编辑这个.m 文件。
3．图形窗口（The Figure Window）图形窗口用来显示MATLAB程序产生的图形。
图形可以是2维的、3维的数据图形，也可以是照片等。
Simulink是MA TLAB的一个部件，它为MATLAB用户提供了一种有效的对反馈控制系统进行建模、仿真和分析的方式。
控制工程基础实验指导书
控制工程基础实验指导书目录实验一典型环节的电路模拟┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈3 实验二二阶系统动态性能和稳定性分析┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈6 实验三控制系统根轨迹分析┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈9 实验四控制系统的频率特性测量┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈10 实验五控制系统串联校正┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈14 附录一 ACCT-III自动控制原理实验箱简介┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈18 附录二软件界面及实验参考设置┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈21 附录三 MATLAB语言┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈25实验一 二阶系统动态性能和稳定性分析一、实验目的1．学习和掌握时域性能指标的测试方法。
2．研究二阶系统参数（ξ、ωn ）对系统动态性能和稳定性的影响。
二、实验设备1．ACCT-Ⅲ型自动控制理论实验箱 一台 2．方正电脑 一套 3．螺丝刀 一把三、实验原理及线路线性二阶系统的方块结构图如图1所示：其开环传递函数为1()(1)K G S S T S =+，10KK T =其闭环传递函数标准型为222()2n n nW s S S ωξωω=++,取如下二阶系统的模拟电路，图2中参数关系 图1 方块图图2 二阶系统模拟电路102,1R R C R n ==ξω，R0=100K 。
改变图2系统元件参数R1和电容C 大小，即可改变系统的ξ、ωn ， 由此来研究不同参数特征下的时域响应。
图3a 、图3b 、图3c 分别对应二阶系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼三种情况下的阶跃响应曲线：图3a 图3c图3b四、实验内容及步骤1．按图2电路图接线五、预习要求1．求出各种参数下系统的阶跃响应曲线及其动态品质指标。
2．拟定测量系统动态品质指标的方法。
3．如何保证系统为负反馈系统？（注意各运算放大器均使用反相输入端）若将负反馈改为正反馈或开断反馈回路，将是什么结果？4．如果运算放大器饱和，对实验结果会产生什么影响？如何保证和检查各运算放大器均工作在线性范围内？5．深入研究二阶系统有何意义？六、实验报告要求1．测量数据及曲线整理并与理论值比较。
《控制工程基础》实验指导书(8学时)
《控制工程基础》实验指导书机械与车辆学院2013实验一matlab软件使用一、实验目的1.掌握MATLAB软件使用的基本方法；2.熟悉MATLAB的数据表示、基本运算和程序控制语句；3.熟悉MATLAB程序设计的基本方法。
4.学习用MATLAB创建控制系统模型。
二、实验原理1.MATLAB的基本知识MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）之意。
MATLAB具有卓越的数值计算能力，具有专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,与工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。
当MATLAB 程序启动时，一个叫做MATLAB 桌面的窗口出现了。
默认的MATLAB 桌面结构如下图所示。
在MATLAB 集成开发环境下，它集成了管理文件、变量和用程序的许多编程工具。
在MATLAB 桌面上可以得到和访问的窗口主要有：命令窗口（The Command Window）:在命令窗口中，用户可以在命令行提示符(>>)后输入一系列的命令，回车之后执行这些命令，执行的命令也是在这个窗口中实现的。
命令历史窗口（The Command History Window）:用于记录用户在命令窗口(The Command Windows)，其顺序是按逆序排列的。
即最早的命令在排在最下面，最后的命令排在最上面。
这些命令会一直存在下去，直到它被人为删除。
双击这些命令可使它再次执行。
要在历史命令窗口删除一个或多个命令，可以先选择，然后单击右键，这时就有一个弹出菜单出现，选择Delete Section。
任务就完成了。
工作台窗口（Workspace）:工作空间是MATLAB用于存储各种变量和结果的内存空间。
在该窗口中显示工作空间中所有变量的名称、大小、字节数和变量类型说明，可对变量进行观察、编辑、保存和删除。
过程控制工程实验指导书
过程控制实验指导书（DCS篇）曾慧敏自动化教研室自动化与电子信息学院自动化教研室2015年12月5日前言本实验指导书是根据求是实验室设备-和利时DCS实验装置和A3000过程控制系统的相关内容编写的，可满足《DCS与现场总线》、《过程控制》、《过程控制与仪表》、《计算机控制》、《自动化仪表》等相关课程的实验教学要求。
过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。
和利时DCS实验装置根据现行教材教学的要求，设置了压力、流量、液位、温度等单回路、串级、比值及前馈等实验。
实验指导书叙述了实验装置的各个仪表的原理、工作情况，实验项目及实验原理。
并讲述了系统的一些硬件的特点和技术指标。
本书试图通过对各实验原理的认识到对实验的实践，使学生对和利时DCS实验装置和系统原理有一个较为深刻的认识。
同时学生可自行设计实验方案，进行综合性、设计性过程控制系统实验的设计、调试、分析，培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的能力。
若有疏漏，恳请批评指正！目录主要内容 (4)第一部分 A3000设备简介 (6)第二部分基础学习 (9)和利时DCS的应用系统设计内容及步骤 (9)第三部分实验内容 (43)实验一水箱液位控制系统 (43)实验二液位和进口流量串级控制系统 (55)主要内容1、实验总体目标通过实验，巩固掌握DCS课程的讲授内容，使学生对过程控制系统的基本理论及分析方法有一个感性认识和更好地理解，使学生在分析问题与解决问题的能力及实践技能方面有所提高。
2、适用专业自动化和电气自动化专业本科生、研究生3、先修课程控制装置、自动化仪表、计算机控制系统、过程控制系统及DCS与现场总线4、实验课时分配实验环境:和利时MACS和A3000过程控制系统6、实验总体要求（1)、掌握单回路控制系统原理和参数整定方法；(2)、掌握串级控制系统原理和参数整定方法。
PLC实验设备实验指导书(修改 )
PLC实验设备实验指导书目录第一章系统简介一、实验设备构成二、系统面板介绍第二章PLC控制实验实验一认识实验实验二舞台灯的PLC控制实验三LED数码管显示控制实验四交通信号灯的自动控制实验五驱动步进电机的PLC控制实验六电机的星/三角启动控制实验七机械手的PLC自动控制实验八四层电梯的PLC控制实验九刀库捷径方向选择控制实验十物料混合控制实验十一水塔水位控制实验十二邮件分拣控制实验十三四级传送带的控制第一章系统简介SIMITIC S7 300系列可编程控制器是德国西门子公司推出的中小型PLC。
采用了模块化无排风扇结构，且易于用户掌握，广泛应用于自动化领域。
本设备采用的为CPU313C-2DP ，主机采用24V直流电源供电，提供16个输入点和16个输出点，且有PROFIBUS-DP主从接口，可组成PROFIBUS网络。
提供了丰富的指令，可实现复杂的应用。
一、西门子PLC实验设备构成西门子PLC实验设备由以下部分组成：1．32台西门子S7-300 PROFIBUS 总线型PLC2．32个显示屏及操作板，显示屏上配备13种实验线路板3．32台个人计算机和CP5611 通讯卡4．PROFIBUS现场总线网络5．SIEMENS STEP 7 V6.0编程软件包如下图所示，32台西门子S7-300 型PLC及32台个人计算机分成4组，每8台西门子S7-300 型PLC及8台个人计算机通过西门子PROFIBUS DP总线连接在一起，形成4个独立的多主PLC局域网络。
每个独立的PLC局域网络上的个人计算机都配备了SIEMENS STEP 7编程软件包，既可以完成对本PLC的编程和状态监视，也可以对本局域网络上的任何PLC进行编程状态监视。
注意：1每个PLC站地址都贴在了PLC 主机上。
每次上传和下传程序时，BUS地址千万不要写错，否则将要传到别的设备上，影响他人工作。
2不要随意更改PLC DP插头上的“ON”，“OFF”开关，否则会造成网络不通。
控制工程基础实验指导书(答案)
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=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。
控制工程基础实验指导书(答案)
控制工程基础实验指导书自控原理实验室编印（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、实验容简述要本实验主要容，包括实验的案、依据的原理、采用的法等。
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=200K2、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()11RCSRZ R KCSG sZ R R R CS TS+=-=-=-=-++阶跃输入：-2V 实验参数：（1）R1=100K R2=100K C=1µf（2）R=100K R2=100K C=2µf3、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） R 1=100K R 2=100K C=1µf （2）R 1=100K R 2=200K C=1µf 四、实验容与步骤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。
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。
控制工程实验
控制工程实验指导书（机电工程专用书）北方工业大学机械系2008年12月目录实验一低阶系统的模拟及动态测试-----------------------------2 实验二典型环节频率特性的测试--------------------------------7 附录1 ELVIS 简介------------------------------------------------14 附录2 放大器使用说明-------------------------------------------23实验一 低阶系统的阶跃响应测试一、实验目的1．学习利用运算放大器上建立动态模型的方法。
2．学习采用NI EL VIS 进行阶跃响应测试的方法。
3．了解一、二阶系统阶跃响应的测试方法。
二、实验设备 NI EL VIS 套件、计算机。
三、实验运算电路 1、比例环节传递函数：K R Rs U s U s G i -=-==120)()()(图1-1 比例环节 2、一阶惯性环节传递函数：1)()()(0+-==Ts Ks U s U s G i其中C R T R R K 212==图1-2 一阶惯性环节3、二阶振荡环节传递函数：22202)(nn ni s s U U s G ωζωω++-== 式中：214221C C R R n =ω若取001.0001.02413==C R C R ，则：232001.01000C R n ==ζω图1-3 二阶振荡环节四、实验步骤 1．比例环节响应测试1）断电，按图1-1所示比例环节的运算电路接线，取Ω=K R 101，选取Ω=K R 102使K 为1； 2）放大器输入端接EL VIS 信号发生器输出端，输入接EL VIS 数字示波器输入端； 3）接线准确无误后，接通面包板电源；4）运行EL VIS ，单击示波器并打开双通道，同时观测输入输出信号；单击信号发生器，选择方波，然后单击运行即可在示波器上观察到输入信号（蓝色）和输出信号（绿色）。
《控制工程》新实验指导书.docx
《机械控制工程基础》实验指导书一、传递函数的MATLAB部分分式展开1.基本命令1)传递函数的表示方法：num=[]; den=[]0或num=conv([],[]);den=conv ([],[])。
2)部分分式展开命令：(r,p.k) =residue(num?den)3)M函数2.例题：求下式的部分分式展开54+1153+3952+525 + 26/+10芒+35护+50$ + 24卫I S v I 0 v I 7'编程应肤(W)($ + 2)部分分式展开4.实验报告：写出上述编程应用部分分式展开的结果。
二、时域响应曲线MATLAB分析1.时域响应MATLAB 命令函数：irnpluse(num,den)； impluse(num,den,t)step(num,den)； step(num,den, t) lsim(num,den,u,t)2.仙图MATLAB 命令：plot(), hold on, gtext3.例题：P159例4.编程应用:P160图7.11和图7.125.实验报告：写出P160图7.11和图7.12所编程序，画出响应曲线。
三. MATLAB求连续系统的零极点和系统稳定性1.基本命令: 计算多项式的根roots(den)计算零极点[p,z) =pzmap (num,den)在复平面绘制系统的零极点图pzmap(num,den)2.编程应用:芒+7异+24$+ 24芒+2/ +3 芒+4 芒+5$4+62 +7“ +8$ + 93.实验报告：求出上述多项式的极点编程和极点结果及稳定性判别结果。
实验二频域特性的MATLAB计算机辅助分析1.冃的：用MATLAB进行系统的尼氏图和博德图的绘制，并讨论系统的稳定性，求出稳定裕量。
2.基本命令：nyquist(num,denjBode(num,den,w)注:w=logspace(-2,3)；grid on3.编程应用：s + 5已知开环传递函数为G(s) = ---- -------- —-----------------s(“+3s+ 2)3+2s+ 5)编程分别绘制出其尼氏图、博德图，并从博特图上求岀其幅值裕量和相角裕量。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
《控制工程基础》实验指导书常熟理工学院机械工程学院2009.9目录1.MATLAB时域分析实验 (2)2.MATLAB频域分析实验 (4)3.Matlab校正环节仿真实验 (8)4.附录：Matlab基础知识 (14)实验1 MATLAB 时域分析实验一、实验目的1． 利用MATLAB 进行时域分析和仿真。
要求：(1)计算连续系统的时域响应（单位脉冲输入，单位阶跃输入，任意输入）。
2．掌握Matlab 系统分析函数impulse 、step 、lsim 、roots 、pzmap 的应用。
二、实验内容1．已知某高阶系统的传递函数为()265432220501584223309240100s s G s s s s s s s ++=++++++，试求该系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应、单位速度响应和单位加速度响应。
MATLAB 计算程序 num=[2 20 50];den=[1 15 84 223 309 240 100]; t= (0: 0.1: 20); figure (1);impulse (num,den,t); %Impulse Response figure (2);step(num,den,t);%Step Response figure (3);u1=(t); %Ramp.Input hold on; plot(t,u1);lsim(num,den,u1,t); %Ramp. Response gtext(‘t’); figure (4);u2=(t.*t/2);%Acce.Input u2=(0.5*(t.*t)) hold on; plot(t,u2);lsim(num,den,u2,t);%Acce. Responsegtext(‘t*t/2’);2．已知某高阶系统的传递函数为()3287654327242423456789s s s G s s s s s s s s s +++=++++++++，试求该系统的极点并判断系统的稳定性。
MATLAB 计算程序 den=[1 2 3 4 5 6 7 8 9]; roots(den)3．已知某高阶系统的传递函数为()5642332563.1210 6.25101.0108.0104.410 6.2410s G s s s s s ⨯+⨯=+⨯+⨯+⨯+⨯，试求该系统的零极点并判断系统的稳定性。
MATLAB 计算程序 num=[3.12*10^5 6.25*10^6];den=[1 1.0*10^2 8.0*10^3 4.4*10^5 6.24*10^6]; [p,z]= pzmap(num,den); pzmap(num,den); title(‘Pole -Zero Map ’); hold on;三、实验预习学习Matlab 基础知识，了解Matlab 的基本功能和软件的基本使用方法，并学习教材中几个Matlab 函数的使用方法。
四、实验报告内容（1） 实验目的、方法；（2） 修改系统的传递函数，得到相应的时域响应，将该图保存并打印后粘贴到实验报告上，并进行必要的说明。
（3） 分析实验的意义和结论。
实验2 MATLAB 频域分析实验一、实验目的1、加深理解频率特性的概念，了解一般系统的的Nyquist 图和Bode 图的特点和绘制。
2、学习采用MATLAB 绘制和分析系统频率特性图二、实验要求1、分析开环系统的频率特性，并用MATLAB 绘制其开环Nyquist 图和Bode 图，求取剪切频率ωc ，将实验结果与理论分析计算结果进行比较，验证理论的正确性。
2、用MATLAB 作闭环Nyquist 图和Bode 图，分析单位反馈系统的频率特性。
三、实验原理1、对数频率特性：Bode 图——对数坐标图，又称Bode 图，它由对数幅频特性图和对数相频特性图组成。
对数幅频特性图纵坐标标度为20lgG( jw) ，其中对数以10为底均匀分度，采用单位是分贝(db)；横坐标标度为lgw ，以对数分度绘制，标以w ，采用单位是弧度/秒(rad/s)。
对数相频特性图纵坐标为角度，均匀分度，采用单位为度，横坐标与第一张图完全相同。
对数相频特性图放在第一张之下，同时使横坐标的 上下一一对应，以便对比分析。
2、极坐标频率特性曲线（又称尼奎斯特曲线）它是在复平面上用一条曲线表示w 由0→∞时的频率特性。
即用矢量G( jw)的端点轨迹形成的图形，w 是参变量。
在曲线的上的任意一点可以确定实频、虚频、幅频和相频特性。
3、用MATLAB 作频率特性曲线 1）用MATLAB 作开环频率特性设系统的开环传递函数为()10111011m m m mn n n n b s b s b s b G s a s a s a s b ----+++=+++ （2.1）则系统的开环频率特性为()10111011()()()()()()m m m mn n n n b jw b jw b jw b G jw a jw a jw a jw a ----+++=+++ （2.2）据式（2.2）和表2.1中的MATLAB 命令可绘制出相应的尼奎斯特图和博德图。
2）用MATLAB 作闭环频率特性若()M w 表示频率特性幅值，()w α表示相角，则闭环频率特性为()()()()()j wo i X jw jw M w e X jw αφ== （2.3） 其频率响应可按式（2.3）计算出不同频率处的()i M w 和()i w α（i=1，2，3，…），即可求得闭环系统频率特性并画出相应的曲线。
3）单位负反馈系统的频率特性设单位负反馈系统的开环传递函数为()G s ，闭环频率特性表示为()()()1G jw jw G jw φ=+ （2.4）有式（2.2），得()101111011011()()()()()()()()()m m m mn n m m n n m mb jw b jw b jw b jw a jw a jw a jw a b jw b jw b jw b φ------+++=+++++++ （2.5）据式（2.5）和表2.1的MATLAB 命令可绘制出闭环频率特性曲线。
表1 MATLAB 绘制频率响应曲线基本命令表调用格式说明nyquist(num,den,w) Nyquist(num,den,w)可按指定的频率点w 绘制系统的尼奎斯特图。
bode(num,den,w)按指定的频率点w 绘制系统的博德图。
freqresp(num,den,sqrt(-1)*w) 按指定的频率点w 绘制闭环或开环频率响应曲线。
plot(w, ()M w )plot(w,()w α)相当于绘制以w 为参变量的函数()M w 和()w α的曲线num[ ]和den[ ]分别表示传递函数的分子和分母中包含以s 的降幂排列的多项式系数；grid on ：在所画出的图形坐标中加入栅格；text( )：文字注释；tf （num ，den ）：创建传递函数对象；feedback （ ,1）：求单位负反馈系统的闭环传递函数。
4、实验步骤1）将系统的传递函数写成式（2.2）和（2.5）形式；2）在MATLAB 环境下，按MATLAB 语言格式要求，给num 和den 赋值；3）在MATLAB 环境下，用表1的命令绘图； 4）输入MATLAB 程序。
5、举例说明例1：已知控制系统的开环传递函数为21()0.81G s s s =++，利用MATLAB 画出尼奎斯特图。
实验程序：num=[0 0 1]； den=[1 0.8 1]； nyquist(num,den)； grid on ；title(‘Nyquit Plot of G(s)=1/(s^2+0.8s+1)’);例2：已知控制系统的开环传递函数为225()425G s s s =++，利用MATLAB 画出博德图。
实验程序：num=[0 0 25]； den=[1 4 25]； bode(num,den)； grid on ；title(‘Bode Diagram of G(s)=25/(s^2+4s+25)’);例3：已知单位负反馈系统的开环传递函数为()2290.21()( 1.29)s s G s s s s ++=++，利用MATLAB画出w 从0.1rads 到1000rads 的博德图。
实验程序：num=[0 9 1.8 9]； den=[1 1.2 9 0]； w=logspace(-2,3,100); bode(num,den,w)；grid on；title(‘Bode Diagram of G(s)=9(s^2+0.2s+1)/[s(s^2+1.2s+9)]’);例4：已知单位负反馈系统的开环传递函数为1()1G ss=+，利用MATLAB绘制系统的频率特性曲线。
解：系统的开环频率特性为1()1G jwjw=+，闭环频率特性为1()2jwjwφ=+实验程序：P=tf([1],[1 1])；PC=feedback(P,1)；bode(PC)；grid on；title(‘Frequency Response of Closed Loop’);四、实验预习学习Matlab基础知识，了解Matlab的基本功能和软件的基本使用方法，并学习教材中几个Matlab函数的使用方法。
五、实验报告内容（1）实验目的、方法；（2）根据要求修改系统的传递函数，并对Matlab程序进行调整，得到相应的Nyquist 图和Bode图结果，将该图保存并打印后粘贴到实验报告上，并进行必要的说明。
（3）分析实验的意义和结论。
实验3 MATLAB校正环节仿真实验一、实验目的1、学习利用实验探索研究控制系统的方法；2、学会控制系统数学模型的建立及仿真；3、学习用Simulink构造控制系统模型的基本方法。
4、了解PID控制规律和P、I、D参数对控制系统性能的影响，学习试凑法调整控制参数；二、实验内容在Matlab中Simulink环境下，建立控制系统的方框图，进行仿真，调整PID 参数，观察系统瞬态响应和稳态响应的变化，并记录几组PID参数作为实际系统控制参数。
三、实验原理首先从理论上对磁悬浮小球系统进行数学建模，采用PID算法设计调节器，在MATLAB平台仿真获得适当的PID参数范围，并进行频域分析，观察并记录实验仿真结果。
1、系统建模及仿真磁悬浮小球系统简介：它主要由铁芯、线圈、位置传感器、放大器、控制器和控制对象小球组成。
系统开环结构如图所示。
控制要求：调节电流，使小球的位置x始终保持在平衡位置。
忽略小球受到的其它干扰力，则受控对象小球在此系统中只受电磁吸力F 和自身重力mg 。