《控制系统MATLAB仿真》实验讲义88

《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 RG s U s R ==-2、惯性环节电路模拟：图1-2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：A/D1D/A1A/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 RG s K s R C s U s R τ==-+=-+6、比例积分电路模拟：图1-6A/D12RD/A1A/D1A/D1A/D1C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）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。

如果测试窗口没有出现数字码，表示计算机与实验箱连接失败。

在这种情况下，必须找到通信失败的原因，再对通信串口进行测试，直到连接正常，才能继续下面的实验。

注意：在计算机串行口通信不正常的情况下，不能开始实验！ 2、实验电路的连接在连接实验电路之前，先将实验箱电源关掉，然后再进行连接。

1） 按各个环节的电路模拟图进行连线；2） 将被模拟电路的输入U1与实验箱中控制板上的DA1相连，同时将被模拟电路的输出U2与实验箱中控制板上的AD1相连。

3） 在仔细检查实验线路连接没有错误之后，再将实验箱电源打开。

注意：被连接模拟电路输入、输出不能与实验箱中控制板上的位置相连错！ 3、实验方法1）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。

2）在实验课题下拉菜单中选择实验一，用鼠标右键[典型环节及其阶跃响应]项，弹出参数设置窗口，了解参数设置内容（参数设置内容暂不改变）。

3）单击“确认”，等待屏幕显示取显示测试结果（“黄线”为所加标准信号，“绿线”为测试结果）。

4）记录有关的波形和数据。

四、数据测试1、测量各个典型环节（图1-1~图1-6）电路模拟图的单位阶跃响应曲线，并记录其波形。

2、从实验测量得到的单位阶跃响应曲线，求出传递函数。

五、实验要求1、 理解各个典型环节的作用，掌握自动控制系统典型环节的电模拟方法；2、 掌握实验箱的工作原理和结构，掌握“自控理论实验系统”软件的使用方法；3、 按照规定要求写出实验报告。

实验报告应该包括以下内容：实验X XXXXXXXXX 实验 一、实验目的 二、实验内容 三、实验步骤四、数据（曲线）测试记录 五、数据处理 六、实验小结4、实验报告重点：从实验测量得到的单位阶跃响应曲线2，求出惯性环节的传递函数，并分析时间常数T 的误差。

实验二 二阶系统阶跃响应预习要求：1、理解二阶系统的特征参数：阻尼比ξ和无阻尼自然频率n ω对系统动态性能的影响；2、了解单位阶跃响应曲线超调量%σ和调节时间s t 的测量方法。

一、实验目的1、 研究二阶系统的特征参数：阻尼比ξ和无阻尼自然频率n ω对系统动态性能的影响，定量分析ξ和n ω与最大超调量%σ和调节时间s t 之间的关系；2、学会单位阶跃响应曲线超调量%σ和调节时间s t 的测量方法。

二、实验内容1、典型二阶系统的闭环传递函数：222()2nn nS s s ωξωωΦ=++ （2-1） 2、二阶系统的电路模拟图图2-1电路的结构图：图2-2开环传递函数：32728113271181132711()11R C s R G s R R C s R C R R C s R R C s R C s R ==++D/A1A/D1闭环传递函数：32112832732111/()/1/R C R C s s R R C R s R C R C Φ=++ （2-2）比较式（2-1）与式（2-2），可得n ω=832787/22n R R C R R R ξω====当n ω一定时，固定电阻7R ，调节电阻8R ，可以改变阻尼比ξ的取值，从而改变系统阶跃响应过渡过程的%σ和s t 。

同理，当ξ一定时，改变电容1C 、2C ，也可以改变系统阶跃响应过渡过程的%σ和s t 。

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）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接通，可以继续下面的实验。

如果测试窗口没有出现数字码，表示计算机与实验箱连接失败。

在这种情况下，必须找到通信失败的原因，再对通信串口进行测试，直到连接正常，才能继续下面的实验。

2、实验电路的连接在连接实验电路之前，先将实验箱电源关掉，然后再进行连接。

1） 按各个环节的电路模拟图进行连线；2） 将被模拟电路的输入U1与实验箱中控制板上的DA1相连，同时将被模拟电路的输出U0与实验箱中控制板上的AD1相连。

3） 在仔细检查实验线路连接没有错误之后，再将实验箱电源打开。

3、实验方法1）研究阻尼比ξ对系统阶跃响应过渡过程的影响 模拟电路按以上电路图2-1取值，则10/n rad s ω==，872R R ξ=调节电阻8R ，使8R 分别为：0k Ω，50k Ω、100k Ω、200k Ω、400k Ω，对应的阻尼比ξ分别为：0、0.25、0.5、1、2， 分别测量系统阶跃响应过渡过程的超调量%σ和调节时间s t ，记录其波形，填写表1 （实际调节电阻8R 时，可将电阻8R 接到实验箱上的固定电阻上）。

2） 研究无阻尼自然频率n ω对系统阶跃响应过渡过程的影响 取8100R k =Ω，将电容改接为：120.1C C F μ==，则，870.52R R ξ==，100/n rad s ω==测量系统阶跃响应过渡过程的超调量%σ和调节时间s t ，记录其波形，填写表2。

四、数据测试表1、10/n rad s ω=时阻尼比对系统阶跃响应过渡过程的影响表2、0.5n ξ=时无阻尼自然频率对系统阶跃响应过渡过程的影响五、实验要求1、按照电路模拟图接线，分别按表1和表2测试数据。

2、从被测试数据中，总结阻尼比ξ和无阻尼自然频率n ω对系统动态性能的影响。

3、实验报告重点：分析超调量%σ和调节时间s t 的理论值与实际值之间的误差。

实验三 控制系统的稳定性分析预习要求：1、理解稳定性概念，复习劳斯判据的意义和使用方法；2、了解系统临界稳定时，开环增益K 的求法。

一、实验目的1、观察系统中的稳定、临界稳定和不稳定现象，加深对控制系统稳定性概念的理解。

2、研究系统开环增益和时间常数对系统稳定性的影响。

二、实验内容1、三阶系统的电路模拟图图3-12、电路的结构图：图3-23、系统的开环传递函数：8114263711110()11(0.11)(0.11)R KG s R C s R C s R C s R s s s ==++++ 其中，T RC =特征方程： 320.010.2100s s s K +++= 三、实验步骤1、计算机与实验箱的连接（略）2、实验电路的连接（略）3、实验方法1）观察系统中的稳定现象将电位器8R 从0向500k 逐渐增大的方向开始调节，并不断观察系统阶跃响应过渡过程。

记录当8R 为100k Ω，150k Ω时的阶跃响应过程（具体实验中， R8可取实验箱上的固定电阻进行观察）。

2）观察系统中的临界稳定现象在上述实验中，继续增大8R ，直到发生等幅振荡（具体实验中，8R 可取200k 进行观察）。

3）观察系统中的不稳定现象在上述实验中，继续增大8R ，可以观察到系统中的不稳定现象（具体实验中，8R 可取250k 进行观察）。

将电路中的电容123,,C C C 由1F μ改为0.1F μ，重复上述实验过程。

四、数据记录表1. 系统稳定性五、实验要求1、 按照电路模拟图接线，分别按表1和表2测试数据（曲线）。

2、从被测试数据中，总结该控制系统稳定的条件，并解释其现象。

3、实验报告重点：计算系统临界稳定的电阻8R 的取值，并与实际测量的8R 的值进行比较，分析其误差。

实验四 控制系统的频率特性预习要求：1、复习频率特性的物理意义和测量方法；2、了解从波特图求系统传递函数的方法。

一、实验目的1、 加深理解系统及元件频率特性的物理概念；2、 掌握元件及系统频率特性的的测量方法；3、 学会从波特图求系统的传递函数。

二、实验原理及内容1、二阶系统的函数：222()2nn nS s s ωξωωΦ=++ 2、二阶系统的电路模拟方法图4-13、电路结构图：图4-24、取8500R k =，则系统的开环传递函数：6114251150()1(0.11)R G s R C s R C s R s s ==++ 闭环传递函数：621142511500()110500R s R C s R C s R s s Φ==+++ 三、实验步骤1、计算机与实验箱的连接（略）2、实验电路的连接（略）3、实验方法 1）频率图测试选中[实验课题—统频率特性测量—测频率图]采单项，单击鼠标左键，设置测试参数，然后确认，等待观察波形。

2）波特图测试a ）选中[实验课题—统频率特性测量—波特图—采样数据]菜单项，单击鼠标左键，等待观察波形（一共要测试40组数据，耐心等待，直到数据40组测试完毕）。

b ）待数据采样结束后，点击[实验课题—统频率特性测量—测波特图—图象观察]菜单项，即可在显示区内显示所测试的波特图。