自控原理实验(平台课)
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=。
自动控制原理实验教程
Ui(S )
TS
(3) 阶跃响应： Uo(t) = K + 1 t
T
(t ≥ 0)
(4) 模拟电路图：如图 1.1-6 所示。
其中 K = R1 / R0 ； T = R0C
4
自动控制原理
第 1 章 线性系统的时域分析
比例积分环节
R1
C
Ui
R0
_
10K
信号输入端
反相器
10K _
R0 = R1 = 200K; C = 1uF 或 2uF
Ui(S)
1
Uo(S)
TS
(2) 传递函数： Uo(S) = 1
Ui(S) TS
(3) 阶跃响应： Uo(t) = 1 t (t ≥ 0)
T
(4) 模拟电路图：如图 1.1-4 所示。
图 1.1-3
其中 T = R0C
Ui
R0
信号输入端
积分环节 C
_
反相器
10K
10K
_
Uo
输出测量端
R0 = 200K; C = 1uF 或 2uF
图 1.1-4 3
自动控制原理
(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照： ① 取 R0 = 200K；C = 1uF。
理想阶跃响应曲线
Uo 无穷
Uo(t)
1 Ui(t)
0 0.2s
t
② 取 R0 = 200K；C = 2uF。
第 1 章 线性系统的时域分析
实测阶跃响应曲线
Uo
10V
Uo(t)
1 Ui(t)
(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照： ① 取 R0 = R1 = 200K；C = 1uF。
图 1.1-6
自动控制原理实验教案PPT课件
1 ------------------------
s^3 + 2 s^2 + s+2
figure (2) bode(sys)
绘制Bode图
[mag,phase,w]=bode(sys)
[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(mag,phase,w)
figure (3) nyquist(sys)
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30
自动控制原理
实验五 采样系统分析
Samplin System Analysis
精选ppt课件
一、实验目的 1、掌握连续系统的离散化方法。 2、熟悉采用Matlab分析离散系统的方法。
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32
实验五 采样系统分析
二、实验内容
精选ppt课件2021
21
实验三 线性系统的综合校正
二、实验内容
1、控制系统如图3.1所示。利用根轨迹法设计校正 环节Gc(s)，输入R(s)为单位阶跃信号，加入校 正环节后应达到下列指标要求：
（1）稳态误差小于10%。 （2）相角裕度大于45°。 （3）稳定时间小于5秒（超调小于2%）。
R(s) +
绘制Nyquist图
精选ppt课件2021
Using the margin function。
Gm=gain margin Pm=phase margin Wcg=freq.for phase=-11880 Wcp=freq.for gain=0db
实验二 系统的频域分析
五、实验报告
1、实验名称 2、实验目的 3、实验内容 4、实验结果
观测连续系统和离散系统的单位阶跃响应，并比较分析。
自控原理实验4(DOC)
实验四 线性定常系统的稳态误差一、实验目的1. 通过本实验，理解系统的跟踪误差与其结构、参数与输入信号的形式、幅值大小之间的关系；2. 研究系统的开环增益K 对稳态误差的影响。
二、实验内容1. 观测0型二阶系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应，并实测它们的稳态误差；2. 观测I 型二阶系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应，并实测它们的稳态误差；3. 观测II 型二阶系统的单位斜坡响应和单位抛物坡，并实测它们的稳态误差。
三、实验原理通常控制系统的方框图如图4-1所示。
其中G(S)为系统前向通道的传递函数，H(S)为其反馈通道的传递函数。
图4-1 一般控制系统方框图由图4-1求得)()()(11)(S R S H S G S E +=（1）由上式可知，系统的误差E(S)不仅与其结构和参数有关，而且也与输入信号R(S)的形式和大小有关。
如果系统稳定，且误差的终值存在，则可用下列的终值定理求取系统的稳态误差：)(lim 0S SE e s ss →=（2）本实验就是研究系统的稳态误差与上述因素间的关系。
下面叙述0型、I 型、II 型系统对三种不同输入信号所产生的稳态误差ss e 。
1．0型二阶系统设0型二阶系统的方框图如图4-2所示。
根据式（2），可以计算出该系统对阶跃和斜坡输入时的稳态误差：图4-2 0型二阶系统的方框1）单位阶跃输入（sS R 1)(=） 3112)1.01)(2.01()1.01)(2.01(lim 0=⨯+++++⨯=→S S S S S S e S ss2）单位斜坡输入（21)(s S R =）∞=⨯+++++⨯=→2012)1.01)(2.01()1.01)(2.01(lim SS S S S S e S ss上述结果表明0型系统只能跟踪阶跃输入，但有稳态误差存在，其计算公式为：Pss K R e +=10其中)()(lim 0S S H S G K p →≅，R 0为阶跃信号的幅值。
自控原理课程实验报告
一、实验目的1. 理解并掌握自动控制原理的基本概念和基本分析方法。
2. 熟悉自动控制系统的典型环节，包括比例环节、积分环节、比例积分环节、惯性环节、比例微分环节和比例积分微分环节。
3. 通过实验，验证自动控制理论在实践中的应用，提高分析问题和解决问题的能力。
二、实验原理自动控制原理是研究自动控制系统动态和稳态性能的学科。
本实验主要围绕以下几个方面展开：1. 典型环节：通过搭建模拟电路，研究典型环节的阶跃响应、频率响应等特性。
2. 系统校正：通过在系统中加入校正环节，改善系统的性能，使其满足设计要求。
3. 系统仿真：利用MATLAB等仿真软件，对自动控制系统进行建模和仿真，分析系统的动态和稳态性能。
三、实验内容1. 典型环节实验（1）比例环节：搭建比例环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数对系统性能的影响。
（2）积分环节：搭建积分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析积分时间常数对系统性能的影响。
（3）比例积分环节：搭建比例积分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数和积分时间常数对系统性能的影响。
（4）惯性环节：搭建惯性环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析时间常数对系统性能的影响。
（5）比例微分环节：搭建比例微分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数和微分时间常数对系统性能的影响。
（6）比例积分微分环节：搭建比例积分微分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数、积分时间常数和微分时间常数对系统性能的影响。
2. 系统校正实验（1）串联校正：在系统中加入串联校正环节，改善系统的性能，使其满足设计要求。
（2）反馈校正：在系统中加入反馈校正环节，改善系统的性能，使其满足设计要求。
3. 系统仿真实验（1）利用MATLAB等仿真软件，对自动控制系统进行建模和仿真，分析系统的动态和稳态性能。
（2）根据仿真结果，优化系统参数，提高系统性能。
四、实验步骤1. 搭建模拟电路：根据实验内容，搭建相应的模拟电路，并连接好测试设备。
《自动控制原理》实验教案2012
《自动控制原理》武汉工程大学电气信息学院2012年11月25日《自动控制原理》实验说明一、实验条件要求硬件：个人计算机；软件：MATLAB仿真软件(版本6.5或以上)。
带上课用教材和纸笔二、实验内容实验1 认识MATLAB实验2 基于MATLAB的控制系统建模实验3 基于MATLAB的控制系统时域及稳定性分析实验4 基于MATLAB的控制系统频域及根轨迹分析三、实验报告要求说明认真阅读教材，深刻理解和掌握自动控制原理的基本概念和原理，掌握利用MATLAB对控制系统进行仿真分析和设计。
针对每个命令，查看帮助文件，加强练习，认真完成实验报告。
实验1 认识MATLAB一、实验目的1.了解MA TLAB的发展过程及MATLAB在自动控制中的用途。
2.掌握MA TLAB的基本指令。
二、实验要求实验前复习教材中的相关内容，做好实验预习报告。
三、实验内容及步骤1.MA TLAB的基本操作(1) MATLAB命令窗口计算机安装好MATLAB之后，双击MA TLAB图标，即进入命令窗口，此时意味着系统处于准备接受命令的状态，可以在命令窗口中直接输入命令语句。
MATLAB语句形式为：》变量= 表达式但键入回车时，该语句被执行。
该语句执行之后，窗口自动显示出执行语句的结果。
如果不希望结果显示在命令窗口，只需要在该语句之后加一个分号“；”即可。
此时尽管没有显示结果，但它依然被赋值并在MATLAB的工作空间中分配了内存。
注意：a.用方向键和控制键可以编辑修改已输入的命令。
b.用命令窗口的分页输出“more off”表示不允许分页；“more on”表示允许分页；“more(n)”指定每页输出的页数。
c.多行命令为“…”。
(2)变量变量的名字必须以字母开头，之后可以是任意字母、数字或下划线；变量名称区分字母的大小写；变量中不能包含标点符号。
MATLAB规定了一些特殊的变量，如果没有特别定义，将其表示为默认值。
(3)数值显示格式任何MATLAB语句执行的结果都可以显示在屏幕上，同时赋值给指定的变量；没有指定变量时，赋值给一个特殊的变量“ans”。
自控原理实验报告实验一
自控原理实验报告实验一
《自控原理实验报告实验一》
自控原理是一种重要的控制理论，它在工程、生物学、心理学等领域都有着广
泛的应用。
在本次实验中，我们将通过实验一来探索自控原理的基本概念和应用。
实验一的目的是通过控制系统的搭建和实验验证，来理解自控原理的基本原理。
在实验中，我们将使用一台简单的控制系统，通过调节输入信号和反馈信号的
关系，来实现对系统的自控。
首先，我们搭建了一个简单的控制系统，包括一个输入信号发生器、一个控制
器和一个被控对象。
通过调节输入信号发生器的输出信号，我们可以改变被控
对象的状态。
而控制器则根据被控对象的状态和预设的目标状态，来调节输入
信号的大小，从而实现对被控对象的自控。
在实验过程中，我们进行了多组实验，通过改变输入信号的频率、幅值和相位
等参数，来观察被控对象的响应。
同时，我们也调节了控制器的参数，来验证
自控原理的稳定性和鲁棒性。
通过实验一的实验结果，我们得出了一些结论。
首先，我们发现控制系统的稳
定性和鲁棒性与控制器的参数设置有着密切的关系。
合理的参数设置可以使控
制系统更加稳定和鲁棒。
其次，我们也验证了自控原理中的负反馈和正反馈的
概念，并通过实验结果来解释这些概念的作用和影响。
总的来说，实验一为我们提供了一个很好的机会来理解自控原理的基本概念和
应用。
通过实验，我们不仅加深了对自控原理的理解，同时也学会了如何通过
控制系统来实现对被控对象的自控。
这对于我们今后在工程、生物学、心理学
等领域的研究和应用都具有着重要的意义。
自动控制原理实验
自动控制原理实验实验一 控制系统的数学模型一、 实验目的1. 熟悉Matlab 的实验环境，掌握Matlab 建立系统数学模型的方法。
2. 学习构成典型环节的模拟电路并掌握典型环节的软件仿真方法。
3. 学习由阶跃响应计算典型环节的传递函数。
二、 实验内容1. 已知图1.1中()G s 和()H s 两方框相对应的微分方程分别是：()610()20()()205()10()dc t c t e t dtdb t b t c t dt+=+=且满足零初始条件，用Matlab 求传递函数()()C s R s 和()()E s R s 。
图1.1 系统结构图2. 构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例-积分环节、比例-微分环节和比例-积分-微分环节的模拟电路并用Matlab 仿真；3. 求以上各个环节的单位阶跃响应。
三、 实验原理1. 构成比例环节的模拟电路如图1.2所示，该电路的传递函数为：21().R G s R =-图1.2 比例环节的模拟电路原理图2. 构成惯性环节的模拟电路如图1.3所示，该电路的传递函数为：221(),,.1R KG s K T R C Ts R =-==+图1.2 惯性环节的模拟电路原理图3. 构成积分环节的模拟电路如图1.3所示，该电路的传递函数为：1(),.G s T RC Ts==图1.3 积分环节的模拟电路原理图4. 构成比例-积分环节的模拟电路如图1.4所示，该电路的传递函数为：2211()1,,.R G s K K T R C Ts R ⎛⎫=-+== ⎪⎝⎭图1.4 比例-积分环节的模拟电路原理图5. 构成比例-微分环节的模拟电路如图1.5所示，该电路的传递函数为：221()(1),,.R G s K Ts K T R C R =-+==图1.5 比例-微分环节的模拟电路原理图6. 构成比例-积分-微分环节的模拟电路如图1.6所示，该电路的传递函数为：121211212121121()1(1)()()()()()p d i f p i i ff i f f f f f d f f G s K T s T s R R R R C K R R C T R CT R R C R R C R R R R R R CC T R R C R R C⎛⎫=++ ⎪⎝⎭++=+==+++++=+++图1.6 比例-积分-微分环节的模拟电路原理图四、实验要求1.画出各环节的模拟电路图。
自动控制原理实验3
经典三阶系统旳稳定性 研究
一、试验目旳
1、 熟悉反馈控制系统旳构造和工作原理； ２、了解开环放大系数对系统稳定性旳影 响。
二、试验要求：
观察开环增益对三阶系统稳定性 旳影响。
三、试验仪器：
1．自控系统教学模拟机 XMN-2 1台； 2．TDS1000B-SC 系列数字存储示波 器1台； 3．万用表
由劳斯判据懂得，当：
11.9619.6 19.6k 0
19.6k 0
得到系统稳定范围：0 k 11.96
当：
11.96 19.6 19.6k 0
得到系统临界稳定时：
k 11.96
当：
11.96 19.6 19.6k 0
得到系统不稳定范围：k 11.96
将K=510/R代入（3-6）～（3-8）得： R>42.6KΩ 系统稳定 R=42.6KΩ 系统临界稳定 R<42.6KΩ 系统不稳定
G(S)H (S)
510 / R
S(0.1S 1)(0.51S 1)
系统旳特征方程为：
S 3 11.96S 2 19.6S 19.6K 0
用劳斯判据求出系统稳定、临界稳定、 不稳定时旳开环增益：
S3
1
19.6
S2
11.96
19.6K
11.96 19.6 19.6K
S1
11.96
S0
19.6K
四、试验原理和内容：
利用自控系统教学模拟机来模拟 给定三阶系统。
经典三阶系统原理方块图如下图 所示。
G(S )H (S )
K1K 2
T0S (T1S 1)(T2S 1)
K
S(T1S 1)(T2S 1)
给定三阶系统电模拟图
自动控制原理实验
目录目录 (1)实验一基本绘图 (2)一、实验目的 (2)二、实验内容 (2)实验二模型建立 (9)一、实验目的 (9)二、实验内容 (9)实验三稳定性分析 (15)一、实验目的 (15)二、实验内容 (15)实验四响应曲线 (21)一、实验目的 (21)二、实验内容 (21)实验五根轨迹 (24)一、实验目的 (24)二、实验内容 (24)实验六控制系统的频域分析 (32)一、实验目的 (32)二、基础知识及MATLAB函数 (32)三、实验内容 (32)实验一基本绘图一、实验目的1.学习了解MATLAB语言环境；2.练习MATLAB命令的基本操作；3.学习MATLAB的基本矩阵运算；4.学习MATLAB的各种二维绘图；5.学习MATLAB的三维绘图。
二、实验内容2.1基本二维绘图（1）向量绘图x=0:2*pi/100:2*pi;y1=sin(2*x);y2=cos(2*x);plot(x,y1);plot(x,y2);%保持作图plot(x,y1);hold on;plot(x,y2);hold off;%设定颜色与线型plot(x,y1,':',x,y2,'ro');%多窗口绘图figure(1);plot(x,y1);figure(2);plot(x,y2);%子图绘图subplot(221);plot(x,y1);subplot(222);plot(x,y2)subplot(223);plot(x,y1,x,y1+y2)subplot(224);plot(x,y2,x,y1-y2)2.2多种二维绘图（1）半对数绘图（频率特性绘图）w=logspace(-1,1);%横坐标对数分度g=20*log10(1./(1+2*w*i));%幅值纵坐标取分贝p=angle(1./(1+2*w*i))*180/pi;%相角纵坐标取度subplot(211);semilogx(w,g);grid;%幅频特性子图，半对数绘图，加网线subplot(212);semilogx(w,p);grid;%相频特性子图，半对数绘图，加网线（2）极坐标绘图t=0:2*pi/180:2*pi;mo=cos(2*t);polar(t,mo);（3）直方图绘图t=0:2*pi/8:2*pi;y=sin(t);bar(t,y);（四）离散棒图t=0:2*pi/8:2*pi;y=sin(t);stem(t,y);（五）阶梯图t=0:2*pi/8:2*pi;y=sin(t);stairs(t,y);2.3图形注释fplot('[sin(t),cos(t)]',[0,5]);title('曲线')xlabel('时间t');ylabel('幅值y');gtext('正弦函数');gtext('余项函数');grid2.4三维绘图（1）三维线图t=0:pi/50:10*pi;plot3(sin(t),cos(t),t);comet3(sin(t),cos(t),t);（2）单变量高度网线图Z2=[1 1;1 -1];Z4=[Z2 Z2;Z2 -Z2];Z8=[Z4 Z4;Z4 -Z4];mesh(Z8)（3）变量马鞍面网线图x=-4:0.5:4;y=x;[X,Y]=meshgrid(x,y);Z=X.^2-Y.^2;mesh(X,Y,Z)（四）圆锥面网线图t1=0:0.1:0.9;t2=0:0.1:2;r=[t1,-t2+2];[x,y,z]=cylinder(r,40); mesh(x,y,z)实验二模型建立一、实验目的1.学习在MATLAB命令窗口建立系统模型的方法；2.学习如何在两种模型之间相互转换；3.学习如何用SIMULINK仿真工具建模。
自控原理实验
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。
图1 实验系统构成实验箱面板如图2：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-III 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，其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/2A3． 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CYGNAL 的C8051F410/2芯片做为主控芯片，负责数据采集和USB 通信，AD 采样位数为10位，采样率为1KHz 。
DA 转换位数为10位，转换速率为1K 。
AD/DA 采集卡有两路输出（DA1、DA2）和两路输入（AD1、AD2），其输入和输出电压均为－5V ～+5V 。
显示器 计算机 打印机 实验箱电路 AD/DA 卡图3 AD/DA采集卡三、实验箱面板AD/DA卡输入输出模块实验模块1 实验模块2电源模块模拟开关二极管区EL-CAT-II实验模块3 电阻、电容、二极管区实验模块4 变阻箱、变容箱模块实验模块5 实验模块8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。
2．二极管，电阻、电容、二极管区这些区域主要提供实验所需的二极管、电阻和电容。
3．AD/DA卡输入输出模块该区域是引出AD/DA卡的输入输出端，一共引出两路输出端和两路输入端，分别是DA1、DA2，AD1、AD2。
(物联网)TD-ACS 6.0自动控制原理实验教程
实验1 典型环节的时域响应1 实验目的1．熟悉并掌握TD-ACS 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。
对比差异、分析原因。
3．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
2 实验设备PC 机一台，TD-ACS 实验系统一套。
3 实验原理及内容下面列出各典型环节的方框图、传递函数、模拟电路图、阶跃响应，实验前应熟悉了解。
1．比例环节（P ）（1）方框图：如图1-1所示。
图1-1（2）传递函数：()()=o i U s K U s （3）阶跃响应：()(0)=≥o U t Kt 其中K=R 1/R 0（4）模拟电路图：如图1-2所示。
图1-2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。
（5）理想与实际阶跃响应对照曲线： ①取R 0=200K ；R 1=100K 。
②取R 0=200K ；R 1=200K 。
信号输入端U iR 0比例环节R 110K反相器10K输出测量端U oR 0=200K；R 1=100K或200K2．积分环节（I ）（1）方框图：如下图1-3所示。
图1-3（2）传递函数：()1()=o i U s U s Ts（3）阶跃响应：1()(0)=≥o U t t t T其中T=R 0C（4）模拟电路图：如图1-4所示。
图1-4（5）理想与实际阶跃响应曲线对照： ①取R 0=200K ；C =1uF 。
②取R 0=200K ；C =2uF 。
信号输入端U iR 0积分环节10K反相器10K输出测量端U oR 0=200K；C=1uF或2uFC3．比例积分环节（PI ） （1）方框图：如图1-5所示。
图1-5（2）传递函数：()1()=+o i U s K U s Ts（3）阶跃响应：1()(0)=+≥o U t K t t T其中K=R 1/R 0；T=R 0C（4）模拟电路图：如图1-6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。
- 14 -
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？
6
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。
稳态误差是指系统在稳定状态下的输出值与期望值之间的差值。
通过观察阶跃响应曲线的稳态值，可以评估系统的稳态误差。
稳态误差越小，系统的控制性能越好。
超调量是指系统响应过程中最大超过期望值的幅值，通常以百分比形式表示。
通过观察阶跃响应曲线的峰值，可以评估系统的超调量。
超调量越小，系统的控制性能越好。
调节时间是指控制系统从初始状态到稳态所需的时间。
自控原理实验07030705
实验一控制系统典型环节及其阶跃响应一、实验目的与要求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：Tp与Ts的测量方法为: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,便得到Tp与Ts .Ts的理论计算方法:Ts = 3T三、实验内容构成比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、比例+微分环节、比例+积分环节等6种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如图3.1-1所示，传递函数为:G(S) = -R2/R1G(S) = -K/TS+1K = R2/R1T = R2C3．积分环节的模拟电路如图3.1-3所示，传递函数为G(S) = 1/TS + 1T = RCG(S) = RCS5．比例+微分环节的模拟电路如图3.1-5所示（未标明的C=0.01μF），传递函数为G(S) = -K/(TS +1)K = R2/R1T = R2C6．比例+积分环节的模拟电路如图3.1-6所示，传递函数为G(S) = K(1 + 1/TS)K = R2/R1T = R2C四、实验步骤1. 启动计算机,在桌面双击“自动控制实验系统”图标，运行软件。
2. 测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续，如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。
3．比例环节（1）按图3.1-1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。
自动控制原理实验报告
自动控制原理实验报告实验报告：自动控制原理一、实验目的本次实验的目的是通过设计并搭建一个简单的自动控制系统，了解自动控制的基本原理和方法，并通过实际测试和数据分析来验证实验结果。
二、实验装置和仪器1. Arduino UNO开发板2.电机驱动模块3.直流电机4.旋转角度传感器5.杜邦线6.电源适配器三、实验原理四、实验步骤1. 将Arduino UNO开发板与电机驱动模块、旋转角度传感器和直流电机进行连接。
2. 编写Arduino代码，设置电机的控制逻辑和旋转角度的反馈机制。
3. 将编写好的代码上传至Arduino UNO开发板。
4.将电源适配器连接至系统，确保实验装置正常供电。
5.启动实验系统并观察电机的转动情况。
6.记录电机的转动角度和实际目标角度的差异，并进行数据分析。
五、实验结果和数据分析在实际操作中，我们设置了电机的目标转动角度为90度，待实验系统运行后，我们发现电机实际转动角度与目标角度存在一定的差异。
通过对数据的分析，我们发现该差异主要由以下几个方面导致：1.电机驱动模块的响应速度存在一定的延迟，导致电机在到达目标角度时出现一定的误差。
2.旋转角度传感器的精度有限，无法完全准确地测量电机的实际转动角度。
这也是导致实际转动角度与目标角度存在差异的一个重要原因。
3.电源适配器的稳定性对电机的转动精度也有一定的影响。
六、实验总结通过本次实验，我们了解了自动控制的基本原理和方法，并通过实际测试和数据分析了解了自动控制系统的运行情况。
同时，我们也发现了实际系统与理论预期之间存在的一些差异，这些差异主要由电机驱动模块和旋转角度传感器等因素引起。
为了提高自动控制系统的精度，我们需要不断优化和改进这些因素，并进行相应的校准和调试。
实验的结果也提醒我们，在实际应用中，需要考虑各种因素的影响，以确保自动控制系统的可靠性和准确性。
自动控制原理课程设计实验
上海电力学院自动控制原理实践报告课名：自动控制原理应用实践题目：水翼船渡轮的纵倾角控制船舶航向的自动操舵控制班级：姓名：学号：水翼船渡轮的纵倾角控制一．系统背景简介水翼船(Hydrofoil)是一种高速船。
船身底部有支架，装上水翼。
当船的速度逐渐增加，水翼提供的浮力会把船身抬离水面(称为水翼飞航或水翼航行，Foilborne)，从而大为减少水的阻力和增加航行速度。
水翼船的高速航行能力主要依靠一个自动稳定控制系统。
通过主翼上的舵板和尾翼的调整完成稳定化操作。
该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。
因此，设计上要求系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。
航向自动操舵仪工作时存在包括舵机（舵角）、船舶本身（航向角）在内的两个反馈回路：舵角反馈和航向反馈。
当尾舵的角坐标偏转错误！未找到引用源。
，会引起船只在参考方向上发生某一固定的偏转错误！未找到引用源。
传递函数中带有一个负号，这是因为尾舵的顺时针的转动会引起船只的逆时针转动。
有此动力方程可以看出，船只的转动速率会逐渐趋向一个常数，因此如果船只以直线运动，而尾舵偏转一恒定值，那么船只就会以螺旋形的进入一圆形运动轨迹。
二．实际控制过程某水翼船渡轮，自重670t，航速45节（海里/小时），可载900名乘客，可混装轿车、大客车和货卡，载重可达自重量。
该渡轮可在浪高达8英尺的海中以航速40节航行的能力，全靠一个自动稳定控制系统。
通过主翼上的舵板和尾翼的调整完成稳定化操作。
该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。
因此，设计上要求该系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。
上图：水翼船渡轮的纵倾角控制系统已知，水翼船渡轮的纵倾角控制过程模型，执行器模型为F（s）=1/s。
三．控制设计要求试设计一个控制器Gc（s），使水翼船渡轮的纵倾角控制系统在海浪扰动D （s）存在下也能达到优良的性能指标。
假设海浪扰动D（s）的主频率为w=6rad/s。
本题要求了“优良的性能指标”，没有具体的量化指标，通过网络资料的查阅：响应超调量小于10%，调整时间小于4s。
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实验一 控制系统的初步认识过程控制CS4000系统介绍过程控制是针对工业生产过程中液位、流量、温度、压力等参数的控制。
一、CS4000系统组成 1、 双管路流量系统系统包括两个独立的水路动力系统，一路由水泵、电动调节阀、电磁流量计组成（主管路），由电动调节阀调节流量，电磁流量计检测流量；另一路由变频器、水泵、涡轮流量计组成（副管路），由变频器调节流量，涡轮流量计检测流量。
如右图：双管路流量系统可以完成多种方式下的流量控制实验：a.单回路流量控制实验b.流量比值控制实验2、 四容水箱液位系统系统提供一组有机玻璃四容水箱，每个水箱装有液位变送器；通过阀门切换，任何两组动力的水流可以到达任何一个水箱。
因此系统可以完成多种方式下的液位、流量及其组合实验。
如右图：3、 热水箱-纯滞后水箱温度系统系统提供了一个加热水箱和一个温度纯滞后水箱，加热水箱及纯滞后水箱不同时间常数位置装有Pt100热电阻检测温度，由可控硅控制电加热管提供可调热源，系统可以完成多种温度实验二、 执行机构1、可控硅移相调压装置通过4-20mA 电流控制信号控制单相220V 交流电源在0-220V 之间实现连续变化，从而调节电加热管的功率。
2、调节阀 电动调节阀电动调节阀通过改变管路的流通面积来改变控制通过的流量，由电动执行机构和调节阀两部分组成。
调节阀部分主要由阀杆、阀体、阀芯、及阀座等部件组成。
当阀芯在阀体内上下移动时，可改变阀芯阀座间的流通面积。
电动执行机构一般采用随动系统的方案组成，如上图所示。
从调节器来的信号通过伺服放大器驱动电动机，经减速器带动调节阀，同时经位置发生器将阀杆行程反馈给伺服放大器，组成位置随动系统。
依靠位置负反馈，保证输入信号准确地转换为阀杆的行程。
为了简单，电动执行器中常使用两位式放大器和交流鼠笼式电机组成交流继电器式随动系统。
执行器中的电机常处于频繁的启动制动过程中，在调节器输出过载或其他原因使阀卡住时，电机还可能长期处于堵转状态。
为了保证电机在这种情况下不至因过热而烧毁，电动执行器都使用专门的异步电机，以增大转子电阻的办法，减小启动电流，增加启动力矩，使电机在长期堵转时温升也不超出允许范围。
这样做虽使电机效率降低，但大大提高了执行器的工作可靠性。
三、检测机构1、扩散硅式压力传感器2、涡轮流量计3、电磁流量计4、Pt100热电阻温度传感器四、控制系统1、智能调节仪控制系统智能调节仪型号为上海万迅仪表有限公司AI818A，系统中有两块AI818A，以便可以实现串级等复杂控制。
AI818A与电脑通过串口通讯。
上位机软件采用MCGS。
AI818A 与MCGS的使用参照相关手册。
2、DDC计算机直接控制系统采用集智达R-8000系列RemoDAQ- R-8017模拟量输入模块, RemoDAQ-R-8024模拟量输出模块。
与电脑串口通讯。
上位机DDC实验软件是厂家面向过程控制实验特点，结合本过程控制实验对象，开发的一套DDC实验软件。
运行电脑桌面的“中控教仪过程控制实验软件”图标即可打开实验软件。
实验内容参照相应的实验指导书。
3、PLC可编程控制器控制系统采用西门子s7-300PLC，电脑上安装了一块CP5621西门子通讯卡（PCI-E插槽），通讯线将卡接口连到PLC的cpu的MPI端口，实现通讯。
PLC中运行的程序采用西门子STEP7设计并下载到PLC中、上位机程序采用西门子Wincc设计，存放在电脑C盘基础性/总线型目录的PLC子目录下，运行电脑桌面的WINCC图标可打开该实验软件，再参照相应的实验指导书完成实验。
4、C3000过程控制器C3000 是国产的一种采用32 位微处理器和5.6 英寸TFT彩色液晶显示屏的可编程多回路控制器。
C3000 过程控制器主要有控制、记录、分析等功能。
可通过串口、以太网和CF卡实现与上位机的数据交换。
本装置中采用串口与上位机通讯。
C3000内部有3个程序控制模块、4 个单回路PID控制模块、6 个ON/OFF 控制模块，可实现串级、分程、三冲量、比值控制及用户定制等多种复杂的控制方案。
倒立摆系统一、基本原理介绍倒立摆系统是一个非线性复杂的自然不稳定系统, 是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。
许多抽象的控制概念，如控制系统的非线性问题、稳定性问题、鲁棒性问题、可控性问题、镇定问题、随动问题、跟踪问题、以及系统收敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆系统直观的表现出来。
除教学用途外，倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合等特性使得许多现代控制理论的研究人员一直将它视为研究对象。
他们不断从研究倒立摆控制方法中发掘出新的控制方法，并将其应用于军工、航天科技和机器人学等各种高新科技领域。
倒立摆系统按摆杆数量的不同，可以分成一级、二级、三级倒立摆等，多级摆的摆杆之间属于自由连接（即无电机或其它驱动设备），控制系非线性与复杂系统实验室提供实验的倒立摆系统包括英国Feedback设备有限公司的一级倒立摆系统（如图1所示）和固高科技有限公司二级倒立摆系统（如图2所示）。
图1 Feedback一级倒立摆实物图与结构示意图图2 固高二级倒立摆实物图与结构示意图二、控制方法倒立摆系统的输入为小车位移（即位置）和摆杆倾斜角度期望值，计算机在每一个采样周期中采集来自于传感器的小车与摆杆实际位置信号，与期望值进行比较后，通过一种控制算法得到控制量，再经数/模转换驱动直流电机实现倒立摆系统的实时控制。
控制问题就是使摆杆尽快地达到平衡位置，小车跟踪给定的位置输入，并且系统能克服随机扰动而保持稳定。
其控制结构如图3所示。
二级倒立摆因为由两根摆杆自由连接，因此需要同时分别采集两根摆杆的实时倾角。
倒立摆小车位移X1X2摆杆角度图3倒立摆的控制原理和结构示意图由控制效果的不同，又可以分为：起重机（CRANE ）模式，此模式的控制目标是使小车跟踪给定的位置输入，同时摆杆保持竖直向下的状态；摆动（Swing-Up ）模式，此模式的控制目标是使小车跟踪给定的位置输入，而使摆杆在摆动区域内等频率的摆动；自垂直（Self-erecting ）模式，此模式是用的最多的一种倒立摆控制模式，其控制目标是使小车跟踪给定的位置输入，而使摆杆始终保持在竖直向上状态。
倒立摆系统适用的课程包括自动控制原理、现代控制理论，现代控制工程、线性控制系统、非线性控制系统、计算机控制系统、智能控制，模糊控制和神经网络控制等等。
对于倒立摆的研究主要集中在两个方面：1、倒立摆系统稳定及特定位置的定位问题研究。
（1）状态反馈H ∞控制方法：如极点配置调节器的方法、LQR 最优调节器的方法和LQY 最优调节器的方法等；（2）智能控制理论的方法：如模糊控制理论方法、神经网络控制理论方法、模糊控制与神经网络控制相结合的控制方法、神经网络与遗传算法结合的控制方法、拟人智能控制的方法、云模型控制方法等；（3）鲁棒控制方法：如鲁棒LQ 最优控制方法等。
2、倒立摆自动起摆问题研究。
针对于倒立摆系统通常可设计以下实验：1、系统建模与辨识：常用建模方法有牛顿-欧拉方法、拉格朗日方法以及常用辨识方法有神经元网络辨识等；2、控制器设计：包括PID 控制器、根轨迹法控制器和频域响应法控制器等；3、最优控制器设计：如LQR 和LQY 状态反馈控制器。
三、评价方式由于倒立摆本身包含有较强的非线性和不稳定性，因此对于倒立摆的控制是十分复杂的，一般衡量倒立摆系统的性能主要以稳态性能为主，即使得倒立摆摆杆稳定在垂直位置状态下的稳定性和抗扰动能力。
而主要的衡量指标为摆杆的倾斜角度和小车的位移量。
对于倒立摆的动态性（即倒立摆自动起摆问题）的研究，是倒立摆系统研究更高层次。
智能移动机器人系统一、 基本原理智能移动机器人系统是一类典型的非线性复杂控制系统。
移动机器人的研究根据数量的不同分成单机器人控制技术和多机器人群集控制技术。
根据使用环境的不同可以分为室内型移动机器人和室外性移动机器人。
移动机器人技术在某种程度上已经代表当今信息技术、自动化技术、系统集成等技术的最新发展。
控制系非线性与复杂系统实验室从美国ActivMedia 公司引进6台PioneerII 系列智能移动机器人，其中包括4台PXe 室内型机器人与At 室外型机器人（如图1所示）。
DXe 系列室内机器人与At 系列室外机器人由于其使用范围的区别，在结构存在很大的不同，首先，室内机器人在拥有良好的场地条件，因此室内机器人采用两个前驱动轮和单个自由转动的后轮的设计，而室外机器人由于受到地形的限制，则采用四轮驱动的设计，提高机器人稳定性减小轮胎打滑影响；第二，室内机器人由于环境空间有限，因此可以通过激光传感器实现环境建模、自定位和目标的精确探测，而室外机器人处于非结构化环境中且环境空间理论上为无穷大，因此室外型机器人没有配置激光传感器；第三，室外机器人配置了全球定为系统GPS ，室内机器人没有。
全球定位系统GPS无线数字天线驱动轮单目视觉声纳环机器人主机/微控制器/数字光码盘图1Pioneer II 系列智能移动机器人二、 控制方法Pioneer 系列移动机器人基本控制原理如图2所示，机器人主体（上位机/Server ）通过无线局域网与PC 机（下位机/Client ）之间传递数据，形成一个封闭的信息流；此外机器人本身PC 机与机器人的嵌入式控制平台之间直接形成一个控制闭环对机器人直接控制，使机器人本身具有一定的“智能”。
图2机器人控制结构图智能移动机器人的控制综合了多门学科，其中单机器人的研究集中在机器人的智能化和拟人化开发，主要的控制技术包括：无线通信技术、仿人智能控制、运动控制技术、传感器技术、DXe 型室内机器人At 型室外器人机器视觉技术、多传感器信息融合技术、模式识别技术等，其中室外型机器人的研究又包括GPS 研究、全距离信号传送研究和遥操作研究等；多机器人的研究则主要集中为多机器人的协调控制和群集控制，主要的控制技术包括：多机器人刚/柔性编队技术、多机器人无线通信技术、多智能体技术及其扩展的机器人足球和传感器网络技术等。
三、评价方式智能移动机器人在不同的应用环境下的评价方式不同，一般而言基本评价方式包括：实时性和准确性，对机器人控制常常采用C-S模式，因此下位PC机与机器人之间往往通过无线网络进行通讯，所以机器人控制的实时性常常无法满足，提高实时性的方法通常由预测控制算法。
而在多机器人控制或群集控制系统中，除了机器人之间通讯的实时性外，多机器人系统的稳定性和容错能力对整个系统的性能影响更大。
双选翼多输入多输出系统双旋翼多输入多输出系统（Twin Rotor Multi-input Multi-output System，简称TRMS或双旋翼系统）是一种从英国的Feedback公司引进的控制实验设备。