自控原理系列实验

自控原理系列实验

课程负责人：熊晓君开课部门：光电信息与计算机工程学院编写时间：2009 年4 月课程代码学分0.5 总学时16

理论学时0 实验(实践)学时16 上机学时0

课程英文名称Experiment of Automatic Control Theory

课程性质专业课程

面向对象电气工程及其自动化专业、自动化专业、电子信息科学与技术专业

前修课程或要求《模拟电子技术》、《自动控制原理》、《控制系统MA TLAB程序设计》、《电机及拖动基础》等专业基础课。

一、课程内容简介

《自控原理系列实验》课程是《自动控制原理》理论课程的同步课程，要求学生在学习理论知识的基础上，掌握自动控制系统的设计和分析的实验方法，具有很强的理论性和工程性，因而该实验课程是电类专业本科教育一个必不可少的重要环节。自动控制原理实验课程主要包括控制系统的数学模型、时域分析、根轨迹设计、频域分析、控制系统校正设计等实验，要求学生初步掌握自动控制系统及其各环节的电路模拟设计与分析和利用MATLAB/Simulink软件进行仿真设计的方法。

二、实验教学目的与任务

本课程的教学目的是使学生通过实验进一步理解自动控制系统的设计和分析方法，综合应用所学的专业基础知识，具有能应用控制理论初步解决实际问题的能力，从自动控制工程的角度自觉地建立系统的思维方法。通过多个综合设计型实验系统地培养学生工程设计和系统调试能力，培养管控一体化自动化测量、控制系统的独立设计与研究开发能力。逐步培养学生具有扎实的基础理论知识、较强的实践动手能力与创新能力，计算机与系统相结合、信息与控制相结合的宽口径的自动化管理、监控系统高级专门人才。

本课程的教学任务是使学生掌握反馈控制系统的数学模型建立方式，掌握线性系统时域分析、根轨迹法、频域分析等基本的分析方法，并在正确分析性能的基础上进行系统校正。学会用MATLA软件进行控制系统分析与设计，加深理解控制理论的基本概念，提高和培养学生的动手实验能力。

三、实验教学的基本要求

1．了解自动控制实验系统的组成、实验技术、实验手段及实验方法，在完成教师指导的实验后，学生能够自主设计实验，自己利用实验设备和现有的实验条件去求证难点，突破重点。2．通过模拟电路实验，学生能够通过列写电路微分方程和电路动态响应曲线建立系统（或环节）的传递函数，应用MATLAB软件建立线性系统的数学模型。

3．掌握线性系统的时域分析法、根轨迹法和频域分析法的使用特点，灵活地互补使用，分析系统的稳定性、稳态和动态性能。

4．掌握线性系统的基本控制规律，正确运用根轨迹法和频率特性法对系统进行校正，改善系统性能。

5．教学过程中要求实验前学生必需进行预习，设计报告经教师批阅后，方可进入实验室进行实验；在规定的时间内，由学生独立完成，教师引导学生独立分析解决；每项实验结果，需经教师认可后。

（二）实验教学部分

实验一典型环节及其阶跃响应综合性设计性

内容及要求1. 设计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的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。

实验二二阶系统阶跃响应综合性设计性

内容及要求1. 研究二阶系统的特征参数，阻尼比和无阻尼自然震荡角频率ωn对系统动态性能的影响，定量分析和ωn与最大超调量Mp和调节时间ts之间的关系。

2. 学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。

√√

实验三控制系统稳定性的模拟实验综合性设计性

内容及要求1. 改变三阶系统增益及时间常数，研究其稳定性，并与Routh，Nyquist稳定判据的结果相比较，进一步掌握线性定常系统稳定性的理论分析方法。

2. 加深理解线性定常系统的稳定性是系统自身的固有特性，与系统的输入信号无关；

3. 加深理解临界开环放大系数的概念。

√√

实验四基于MATLAB建立控制系统数学模型综合性设计性

内容及要求1. 掌握建立多项式模型、零极点模型和部分分式展开模型的方法以及它们之间的相互转换。

2. 掌握系统串联、并联和反馈连接后，等效传递函数的求取方法。

3. 将复杂系统使用Simulink建模，并转化成传递函数的数学模型。

√√

实验五基于SISO设计器使用主导极点法设计系统综合性设计性

内容及要求1. 熟练使用根轨迹设计工具。

2. 掌握用根轨迹法进行系统校正中补偿增益和附加实数（或复数）零极点之间匹配的规律。

3. 利用根轨迹分析系统，增加零点、极点对控制系统的影响，并用时域响应验证设计的正确性。

4. 掌握利用主导极点校正系统和零极点对消的校正技术。

√√

实验六控制系统频域性能及其稳定性分析综合性设计性

内容及要求1. 熟练掌握使用MATLAB绘制控制系统伯德图和Nyquist图的方法。

2. 了解系统伯德图和Nyquist图的一般规律及其频域指标的获取方法。

3. 熟练运用伯德图和Nyquist图分析控制系统稳定性的方法。

4. 加深理解控制系统稳定性频域判据的实际应用。

√

实验七控制系统动态品质分析及校正装置设计综合性设计性

内容及要求1. 了解比例微分，比例积分，比例积分微分校正在控制系统中的作用，从而掌握改善已有系统品质的方法。

2. 进一步掌握由开环频率特性估算闭环系统瞬态过程时域指标的方法，设计校正装置。

√√3. 观察校正后的控制系统的频域动态品质。

√

五、考核与成绩评定

课程采用平时考核和期末考试来综合评定学生成绩。

1．平时考核：平时成绩占总成绩的30％；平时考核形式包括实验报告、实验课堂表现（能