北京交通大学自动控制原理实验报告
自控原理实验报告
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. 掌握典型环节的数学模型及其在控制系统中的应用。
3. 熟悉控制系统的时间响应和频率响应分析方法。
4. 培养实验操作技能和数据处理能力。
二、实验原理自动控制原理是研究控制系统动态性能和稳定性的一门学科。
本实验主要涉及以下几个方面：1. 典型环节：比例环节、积分环节、微分环节、惯性环节等。
2. 控制系统：开环控制系统和闭环控制系统。
3. 时间响应：阶跃响应、斜坡响应、正弦响应等。
4. 频率响应：幅频特性、相频特性等。
三、实验内容1. 典型环节的阶跃响应- 比例环节- 积分环节- 比例积分环节- 比例微分环节- 比例积分微分环节2. 典型环节的频率响应- 幅频特性- 相频特性3. 二阶系统的阶跃响应- 上升时间- 调节时间- 超调量- 峰值时间4. 线性系统的稳态误差分析- 偶然误差- 稳态误差四、实验步骤1. 典型环节的阶跃响应- 搭建比例环节、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实验电路。
- 使用示波器观察并记录各个环节的阶跃响应曲线。
- 分析并比较各个环节的阶跃响应曲线，得出结论。
2. 典型环节的频率响应- 搭建比例环节、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实验电路。
- 使用频率响应分析仪测量各个环节的幅频特性和相频特性。
- 分析并比较各个环节的频率响应特性，得出结论。
3. 二阶系统的阶跃响应- 搭建二阶系统的实验电路。
- 使用示波器观察并记录二阶系统的阶跃响应曲线。
- 计算并分析二阶系统的上升时间、调节时间、超调量、峰值时间等性能指标。
4. 线性系统的稳态误差分析- 搭建线性系统的实验电路。
- 使用示波器观察并记录系统的稳态响应曲线。
- 计算并分析系统的稳态误差。
五、实验数据记录与分析1. 典型环节的阶跃响应- 比例环节：K=1，阶跃响应曲线如图1所示。
- 积分环节：K=1，阶跃响应曲线如图2所示。
《自动控制原理》实验报告讲述
《自动控制原理》实验报告姓名：学号：班级：11电气1班专业：电气工程及其自动化学院：电气与信息工程学院2013年12月目录实验一、典型环节的模拟研究实验二、二阶系统的阶跃响应分析实验三、线性系统的稳态误差分析实验四、线性系统的频率响应分析实验一典型环节的模拟研究1.1 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曲线和实际阶跃响应曲线。
3、了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
1.2 实验设备PC机一台，TD-ACS实验系统一套。
1.3 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1.1-1 所示。
图1.1-1(2) 传递函数：Uo(S)/Ui(S)=K(3) 阶跃响应：Uo(t)=K(t≥0)其中K=R1/R0(4) 模拟电路图：图1.1-2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R0 = 200K；R1 = 100K。
理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线2．积分环节(I)(1) 方框图：如右图1.1-3 所示。
图1.1-3(2) 传递函数：错误!未找到引用源。
(3) 阶跃响应：Uo(t) = 错误!未找到引用源。
(t 0) 其中T=R0C(4) 模拟电路图：如图1.1-4 所示。
图1.1-4(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照：①取R0 = 200K；C = 1uF。
3．比例积分环节(PI)(1)方框图：如图1.1-5 所示。
图1.1-5(2) 传递函数：错误!未找到引用源。
(3)阶跃响应：Uo(t)=K+t/T(t) (t 0) 其中K=Ri/Ro; T=RoC(4) 模拟电路图：见图1.1-6图1.1-6(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照：①取R0 = R1 = 200K；C = 1uF。
《自动控制原理》实验报告 典型环节的阶跃响应
成绩：＿＿＿＿大连工业大学《自动控制原理》实验报告实验1 典型环节的阶跃响应专业名称：自动化班级学号：自动化10I－JK学生姓名：ABCD指导老师：EFGH实验日期：年月日一、实验目的1、熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线；2、了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验原理实验任务1、比例环节（K）从图0-2的图形库浏览器中拖曳Step（阶跃输入）、Gain（增益模块）、Scope（示波器）模块到图0-3仿真操作画面，连接成仿真框图。
改变增益模块的参数，从而改变比例环节的放大倍数K，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况。
可以同时显示三条响应曲线，仿真框图如图1-1所示。
2、积分环节（1Ts）将图1-1仿真框图中的Gain（增益模块）换成Transfer Fcn （传递函数）模块，设置Transfer Fcn（传递函数）模块的参数，使其传递函数变成1Ts型。
改变Transfer Fcn（传递函数）模块的参数，从而改变积分环节的T，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况。
仿真框图如图1-2所示。
3、一阶惯性环节（11 Ts+）将图1-2中Transfer Fcn（传递函数）模块的参数重新设置，使其传递函数变成11Ts+型，改变惯性环节的时间常数T，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况。
仿真框图如图1-3所示。
4、实际微分环节（1KsTs +） 将图1-2中Transfer Fcn （传递函数）模块的参数重新设置，使其传递函数变成1KsTs +型，（参数设置时应注意1T ）。
令K 不变，改变Transfer Fcn （传递函数）模块的参数，从而改变T ，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况。
仿真框图如图1-4所示。
5、二阶振荡环节（2222nn ns s ωξωω++） 将图1-2中Transfer Fcn （传递函数）模块的参数重新设置，使其传递函数变成2222nn ns s ωξωω++型（参数设置时应注意01ξ<<），仿真框图如图1-5所示。
北京交通大学自动控制原理实验报告
电气工程学院自动控制原理实验报告一、典型线性环节的研究实验报告一、实验目的：① 学习典型线性环节的模拟方法；② 研究阻、容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。
二、实验预习：① 自行设计典型环节电路。
② 选择好必要的参数值，计算出相应数值，预测出所要观察波形的特点，与实验结果比较。
③典型线性环节的电路图设计如下：A 、比例环节：传递函数如下：()()k s R s C -=，则：12R R k =B 、积分环节：传递函数如下：()()Tss X s C 11-= ， 其中，C R T 1=C 、比例积分环节：传递函数如下：()()Ts Ts ks R s C 1+-= ， 其中C R T R R k 112,== D 、比例微分环节：传递函数如下：()()11++-=Ts s T k s R s C d，其中32143132,,)(,R R C R T C R R T R R R k d >>=+=+=E 、比例微分积分环节：fi i f p C CR R R R R R k ⨯+++=211，()()C R R C R R T f f i 211+++=，C R T f 2=，()()()CR R C R R R R R R RR T f ff f d 2112121+++++=F 、一阶惯性环节：1-15 惯性环节传递函数如下：()()1+-=Ts ks R s C ， 其中，122,R R k C R T == 三、实验仪器与设备：计算机、XMN-2自动控制原理模拟实验箱、CAE-PCI 软件、万用表。
四、实验内容：(1)比例环节图中，ifR R kp =，分别求取)5.0(510,1===p f i k k R M R ；)1(,1,1===p f i k M R M R ；)2(1,500===p f i k M R k R 时的阶跃响应。
(2) 积分环节图中f i i C R T =，分别求)1(1,1s T C M R i i i ===μ)7.4(7.4,1s T C M R i i i ===μ；)0.10(10,1s T C M R i i i ===μ时的阶跃响应曲线。
北京交通大学自动控制理论实验报告
姓名：学号：班级：任课教师：实验一一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试1、一阶系统系统传递函数为：Φ(s)=C(s)R(s)=KTS+1模拟运算电路如图所示：由图得：U0(s)U i(s)=R2R1R2CS+1=KTS+1在实验当中始终取 R2= R1，则 K=1，T= R2C,取不同的时间常数 T 分别为： 0.25、 0.5、1,记录不同时间常数下阶跃响应曲线，测量并纪录其过渡过程时间 Ts ，将参数及指标填在表内：T 0.25 0.5 1R2 250KΩ510KΩ1MΩC 1μF 1μF 1μFTs实测 1.2S 2.2S 3.85STs理论 1.25S 2.0S 3.5ST=0.25T=0.5 T=1.02、二阶系统系统传递函数为：Φ(s)=C(s)R(s)=ωn2s2+2ζωn s+ωn2令ωn=1弧度/秒，则系统结构如图所示：根据结构图，建立二阶系统模拟线路图：取R1C1,R3C2=1，则R4R3=R4C2=12ζ及ζ=12R4C2ζ取不同的值ζ=0.25 , ζ=0.5 , ζ=1 观察并记录阶跃响应曲线，测量超调量σ% ,计算过渡过程时间Ts，将参数及各项指标填入表内。
ζ=0.25ζ=0.5ζ=1.0实验结论：一阶系统：当K确定后，系统的动态性能与T的值有关，T越大，调节时间越大，上升时间越大。
二阶系统：当ωn确定后，系统的动态性能与阻尼比ζ的值有关，当ζ小于1的时候，系统出现振荡，且ζ越大，超调量越小，调节时间越小，振荡次数也越少；当ζ大于1时，系统将不出现振荡现象。
实验三控制系统串联校正系统结构如图所示：未加校正的系统模拟电路图如下图所示：未加校正时，Gc(s)=1加串联超前校正时Gc(s)=aTS+1(a>1)TS+1给定a=2.44，T=0.26，则Gc(s)=0.63S+10.26S+1叫串联滞后校正时Gc(s)=bTS+1(0<b<1)TS+1给定b=0.12，T=83.33，则Gc(s)=10S+183.33S+1校正电路：校正前：理论图：实际图：电路参数：R1=1MΩ，R2=1MΩ，R3=1MΩ，C1=1Μf,R4=250KΩ,R5=1MΩ,C2=1μF超前校正后：理论图：实际图：校正电路参数：C=1μF, R4=260KΩ,R1=630KΩ,R2=100K Ω,R3=530KΩ滞后校正后：理论图：实验结论：超前校正能够提高截止频率，增加相角裕度，使调节时间减小；滞后校正能够减小截止频率，提高系统的相角裕度，对低频信号不产生衰减，而对高频噪声信号有削弱作用。
北京交通大学自动控制原理课题研究报告液位控制(数学模型)
自动控制原理课题研究课题名称：描述一个自动控制原理实例并建立其数学模型连铸机结晶器液位控制系统及其数学模型摘要：在国内，结晶器液位控制系统已成功地应用在了板坯连铸机上，但小方坯连铸机还都是手动开浇，人工控制结晶器液面高度，自动控制技术远远落后于发达国家，钢坯质量很难得到改善。
这是我国连铸机工业面临的一大问题。
本文通过文献检索，总结了一种适用于小方坯连铸机的结晶器液位自动控制系统，根据液位控制的机理建立了各个环节的数学模型，并且该系统具有结构简单、抗干扰能力强，调整时间短等优点，可同时兼顾控制系统的动静态性能。
关键词：连铸机，结晶器液位控制，数学模型正文一．连铸工艺原理和连铸设备简况连铸是连续铸钢的简称，是使钢水不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却，全部凝固后切成坯料的铸造工艺。
连铸的一般生产工艺流程，如图 1.1所示。
由炼钢炉炼出的合格钢水，经钢包运送到浇铸位置，通过中间包铸入强制水冷结晶器内。
铸入结晶器的钢水在迅速冷却凝固形成铸坯的同时，其前部与伸入结晶器底部的引锭杆头部凝结在一起。
当结晶器内钢水升到要求的高度后，开动拉坯机，以一定速度把引锭杆从结晶器中拉出。
铸坯被拉出后，通过二次冷却区域，使其更快的散热冷却并继续逐渐凝固。
然后经过矫直机矫直后，完全凝固的直铸坯由切割设备切成定尺，经运输辊道进入下道工序。
连铸生产所用的设备，实际上是包括在连铸作业线上的一整套机械电气及控制设备。
其主要设备包括钢包及其运送设备、中间包、结晶器及其振动装置、二次冷却装置、拉坯矫直装置、铸坯切割装置、铸坯运输装置以及各部分电气和自动化控制装置等。
炼钢炉炼出的连铸用合格钢水装入钢包，经过炉外精炼设备处理后，由钢包运送设备运送到连铸机浇铸位置，供给中间包所必需的钢水。
目前，生产上使用的主要有四种型式的设备:专用起重机、固定式座架、浇铸车和旋转台。
连铸机工艺流程中间包是钢包与结晶器间的一个中间容器。
北京交通大学自动控制综合实验
THJ-2型高级过程控制系统实验指导书浙江天煌科技实业有限公司前言本实验指导书是根据天煌科技实业推出的全新THJ－2型、THJ－3型高级过程控制实验装置的相关容编写的，可以满足各大高等院校所开设的《传感器检测与转换技术》、《过程控制》、《自动化仪表》、《自动控制理论》、《计算机控制》等课程实验的教学要求。
过程控制是生产过程自动控制的简称，这是自动化技术的一个重要组成部分。
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与程序进行的生产过程自动控制。
在现代工业生产过程中，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。
THJ－2型、THJ－3型过程控制系统是以工业现场工艺设备为背景，以现行教材的教学容为依据研发出的新一代的实验装置。
它不仅能满足本、专科工业自动化、自动控制等专业的相关课程实验教学的要求，而且也适用于研究生对课题的研究与开发。
例如，在这两套实验装置中增加了如比值控制、解耦控制和Smith预估控制等复杂控制的容。
本实验指导书共分两大部分。
第一部分是实验装置的使用说明，讲述了系统的组成、硬件的特点和技术指标、软件的使用介绍。
第二部分是实验项目部分，叙述了实验的原理、步骤与注意事项等。
通过对实验装置各个仪表的原理、工作情况与实验原理、软硬件的详细介绍，既使教师和学生对THJ-2型、THJ-3型高级过程控制实验装置有一个充分的认识，又有益于他们对工业生产现场控制系统的了解。
由于本实验指导书编写时间较为仓促，书中的缺点和错误在所难免，敬请各大专院校师生和广大读者批评指正。
目录绪论 (3)第一章 THJ-2型高级过程控制系统的概述 (5)第二章被控对象特性测试 (15)第一节单容水箱特性的测试第二节双容水箱特性的测试第三节锅炉胆特性的测试第四节电动调节阀流量特性的测试第三章单回路控制系统实验 (27)第一节单回路控制系统的实践第二节上水箱(或中水箱或下水箱)液位定值控制系统第三节双容水箱液位定值控制系统第四节三容水箱液位定值控制系统第五节锅炉胆静态水温定值控制系统第六节锅炉胆动态水温定值控制系统第七节锅炉夹套水温定值控制系统第八节电动阀支路流量的定值控制系统第九节变频调速磁力泵支路流量的定值控制系统第四章温度位式控制系统实验·············································57第一节锅炉胆水温位式控制系统第五章串级控制系统的实验 (60)第一节串级控制系统连接实践第二节水箱液位串级控制系统第三节三闭环液位控制系统第四节下水箱液位与电动调节阀支路流量的串级控制系统第五节下水箱液位与变频调速磁力泵支路流量的串级控制系统第六节锅炉夹套水温与锅炉胆水温的串级控制系统第七节锅炉胆水温与胆循环水流量的串级控制系统第八节盘管出水口水温与热水流量的串级控制系统第九节盘管出水口水温与锅炉胆水温的串级控制系统第六章比值控制系统实验 (89)第一节单闭环流量比值控制系统第二节双闭环流量比值控制系统第七章滞后控制系统实验 (96)第一节盘管出水口温度纯滞后控制系统第二章盘管出水口温度滞后控制系统第三节流量纯滞后控制系统第八章前馈-反馈控制系统实验 (104)第一节锅炉胆水温的前馈-反馈控制系统第二节下水箱液位的前馈-反馈控制系统第九章解耦控制系统实验 (113)第一节上水箱水温与液位的解耦控制系统第二节锅炉胆水温与锅炉夹套水温解耦控制系统绪论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。
自动控制原理实验报告
一、实验目的1. 理解自动控制原理的基本概念，掌握自动控制系统的组成和基本工作原理。
2. 熟悉自动控制实验设备，学会使用相关仪器进行实验操作。
3. 通过实验验证自动控制理论在实际系统中的应用，加深对理论知识的理解。
二、实验原理自动控制原理是研究自动控制系统动态过程及其控制规律的科学。
实验主要验证以下原理：1. 线性时不变系统：系统在任意时刻的输入与输出之间关系可用线性方程表示，且系统参数不随时间变化。
2. 稳定性：系统在受到扰动后，能够逐渐恢复到稳定状态。
3. 控制器设计：通过控制器的设计，使系统满足预定的性能指标。
三、实验设备1. 自动控制实验台2. 计算机及控制软件3. 测量仪器（如示波器、信号发生器、数据采集器等）四、实验内容1. 线性时不变系统阶跃响应实验2. 线性时不变系统频率响应实验3. 控制器设计实验五、实验步骤1. 线性时不变系统阶跃响应实验（1）搭建实验电路，连接好相关仪器；（2）设置输入信号为阶跃信号，观察并记录输出信号；（3）分析阶跃响应曲线，计算系统动态性能指标。
2. 线性时不变系统频率响应实验（1）搭建实验电路，连接好相关仪器；（2）设置输入信号为正弦信号，改变频率，观察并记录输出信号；（3）分析频率响应曲线，计算系统频率特性指标。
3. 控制器设计实验（1）根据系统性能指标，选择合适的控制器类型；（2）搭建实验电路，连接好相关仪器；（3）调整控制器参数，观察并记录输出信号；（4）分析控制器效果，验证系统性能指标。
六、实验结果与分析1. 线性时不变系统阶跃响应实验（1）实验结果：绘制阶跃响应曲线，计算系统动态性能指标；（2）分析：与理论值进行对比，验证系统动态性能。
2. 线性时不变系统频率响应实验（1）实验结果：绘制频率响应曲线，计算系统频率特性指标；（2）分析：与理论值进行对比，验证系统频率特性。
3. 控制器设计实验（1）实验结果：调整控制器参数，观察并记录输出信号；（2）分析：验证系统性能指标，评估控制器效果。
自动控制原理实验报告分析
自动控制原理实验报告分析1. 引言自动控制原理是现代工程中非常重要的一门学科。
它研究如何设计和分析能够实现自动化控制的系统，以满足特定的性能要求。
通过实验，我们可以验证控制系统的性能，并深入理解自动控制原理的基本概念和工作原理。
本文将对自动控制原理实验进行详细分析和总结。
2. 实验目的本次实验的目的是研究PID（比例-积分-微分）控制器在温度控制系统中的应用。
通过调节PID控制器的参数，我们可以观察到不同控制参数对系统稳定性、响应速度和超调量等性能指标的影响。
3. 实验步骤本次实验使用了一个温度控制系统。
我们需要调节PID控制器的三个参数（比例增益、积分时间和微分时间）来实现温度的稳定控制。
具体的实验步骤如下：3.1 准备工作在进行实验之前，我们需要确保实验所需的设备和软件已经准备就绪。
这包括温度传感器、温度控制器、计算机等。
3.2 连接系统将温度传感器连接到温度控制器，并将温度控制器连接到计算机。
确保连接正确并稳定。
3.3 设置初始参数在实验开始前，我们需要设置PID控制器的初始参数。
一般情况下，我们可以先将比例增益和积分时间设置为较小的值，微分时间设置为0。
3.4 开始实验启动温度控制系统，并记录温度的变化。
观察温度的稳定性、响应速度和超调量等指标，并记录下来。
3.5 调节参数根据实验结果，我们可以调节PID控制器的参数来改善系统的性能。
通过增大比例增益可以提高系统的响应速度，但可能会导致较大的超调量。
增大积分时间可以减小超调量，但可能会降低系统的稳定性。
调节微分时间可以改善系统的稳定性和响应速度。
3.6 重复实验根据实验结果，我们可以不断调节PID控制器的参数，并进行多次实验，以得到更好的控制效果。
4. 实验结果分析根据实验的记录数据，我们可以对实验结果进行分析。
通过观察温度的变化曲线以及性能指标的大小，我们可以得出如下结论：•较大的比例增益可以提高系统的响应速度，但会导致较大的超调量。
•较大的积分时间可以减小超调量，但会降低系统的稳定性。
《自动控制原理》课程实验报告(范例)
《自动控制原理》课程实验报告姓名： 班级： 学号： 实验时间： 实验成绩： 一、 实验目的：1．熟练掌握step( )函数和impulse( )函数的使用方法，研究线性系统在单位阶跃、单位脉冲及单位斜坡函数作用下的响应。
2．通过响应曲线观测特征参量ζ和ωn 对二阶系统性能的影响。
3．熟练掌握系统的稳定性的判断方法。
二、 实验要求：1．根据实验步骤，写出调试好的MATLAB 语言程序，及对应的MATLAB 运算结果。
2．记录各种输出波形，根据实验结果分析参数变化对系统的影响。
3．总结判断闭环系统稳定的方法，说明增益K 对系统稳定性的影响。
三、 实验步骤：1．观察函数step( )函数和impulse( )的调用格式，假设系统的传递函数模型为146473)(2342++++++=s s s s s s s G ，可以用几种方法绘制出系统的阶跃响应曲线？试分别绘制。
2．对典型二阶系统2222)(nn ns s s G ωζωω++= 1）分别绘制出ωn =2(rad/s),ζ分别取0,0.25,0.5,1.0和2.0时的单位阶跃响应曲线，分析参数ζ对系统的影响。
2）绘制出当ζ=0.25，ωn 分别取1,2,4,6时单位阶跃响应曲线，分析参数ωn 对系统的影响。
3．单位负反馈系统的开环模型为)256)(4)(2()(2++++=s s s s Ks G ，试判断系统的稳定性，并求出使得闭环系统稳定的K 值范围四、 实验结果与结论时域分析法直接在时间域中对系统进行分析，可以提供系统时间响应的全部信息，具有直观、准确的特点。
为了研究控制系统的时域特性，经常采用瞬态响应（如阶跃响应、脉冲响应和斜坡响应）。
本次实验从分析系统的性能指标出发，给出了在MATLAB 环境下获取系统时域响应和分析系统的动态性能和稳态性能的方法。
1．用MATLAB 求系统的瞬态响应时，将传递函数的分子、分母多项式的系数分别以s 的降幂排列写为两个数组num 、den 。
自动控制理论实验报告三四北交大
电气工程学院《自动控制理论》实验报告自动控制原理实验成绩评定表指导教师签字：年月日二阶系统频率响应实验报告姓名：杨立琦 学号：10291060 指导教师：杨立琦 实验台号：一、实验目的 二阶系统的频率响应① 学习频率特性的实验测试方法；② 掌握根据频率响应实验结果绘制Bode 图的方法；③ 根据实验结果所绘制的Bode 图,分析二阶系统的主要动态性能（s t %, ）。
控制系统的校正① 研究校正装置对系统动态性能指标的影响； ② 学习校正装置的设计和实现方法。
二、实验预习① 自行设计二阶系统电路；② 选择好必要的参数值，计算出相应的频率响应数值，预测出所要观察波形的特点，与实验结果比较。
三、实验仪器与设备计算机、XMN-2自动控制原理模拟实验箱、CAE-PCI 软件、万用表四、实验内容 一、实验目的① 学习频率特性的实验测试方法；② 掌握根据频率响应实验结果绘制Bode 图的方法；③ 根据实验结果所绘制的Bode 图,分析二阶系统的主要动态性能（s t %, ）。
二、实验预习① 自行设计二阶系统电路。
② 选择好必要的参数值，计算出相应的频率响应数值，预测出所要观察波形的特点，与实验结果比较。
三、实验仪器与设备计算机、XMN-2自动控制原理模拟实验箱、CAE-PCI 软件、万用表。
四、实验内容典型二阶系统的方框图和模拟电路图如图1-26所示。
图1-26 典型二阶系统闭环频率特性为：()()n nj j R j C ωωζωωωω21122+-=闭环传递函数为：()()2222n n n s s s R s C ωζωω++=，T n1=ω（T 是时间常数） 各运算放大器运算功能： OP1，积分，⎪⎭⎫⎝⎛=-RC T TS ,1； OP2，积分，⎪⎭⎫⎝⎛=-RC T TS ,1； OP9，反相，（-1）；OP6，反相比例，⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯=-310100,f R k k 。
可以得到：31010021211⨯====f n R k RCT ζω五、实验步骤① 选定R 、C 、fR 的值，使1=n ω，2.0=ζ；② 用Cae98产生t X t r ωsin )(=，使系统的稳态响应为()φω+=t C t c sin )(；③ 改变输入信号的频率，使ω的值等于或接近于0.2，0.4，0.6，0.8，0.9，1.0，1.2，1.4，1.6，2.0，3.0rad/s ，稳态时分别记录系统的响应曲线，振幅)(ωC 和相位()ωφ的数据记录于表1-2；表1-2 振幅)(ωC 和相位()ωφ的数据记录④ 根据表格所整理的数据，在半对数坐标纸上绘制bode 图，标出r r ； ⑤ 根据绘制的bode 图分析二阶系统的s t %,δ；⑥ 可能的话，改变系统的n ω或者ζ，重复上述3-5。
北理自控实验报告共21页文档
控制理论基础实验姓名：班级：学号：专业：控制理论基础实验 ______________________________________________________________ 1实验一控制系统的模型建立 _____________________________________________________ 2实验二控制系统的暂态特性分析 ________________________________________________ 10实验三根轨迹分析 ____________________________________________________________ 13实验四系统的频率特性分析 ____________________________________________________ 19实验一 控制系统的模型建立一、实验目的1.掌握利用matlab 建立控制系统模型的方法2.掌握系统的各种模型表述及相互之间的转换关系3.学习和掌握系统模型连接的等效转换二、实验原理1.系统模型的matlab 综述系统的模型描述了系统的输入、输出变量以及内部各变量之间的关系，主要有系统传递函数（TF ）模型、零极点增益（ZPK ）模型和状态空间（ss ）模型传递函数①传递函数模型传递函数是描述线性定常系统输入-输出关系的一种最常用得数学模型，其表达式一般为 在matlab 中，直接使用分子分母多项式的行向量表示系统，即调用tf 函数可以建立传递函数TF 对象模型，调用格式如下：gtf=tf （num ，den ）②零极点增益模型传递函数因式分解后可以写成式中，12,,...m z z z 称为传递函数的零点，12,,...m p p p 称为传递函数的极点，k 为传递系数（系统增益）在matlab 中，直接用[z,p,k]矢量组表示系统，其中z ，p ，k 分别表示系统的零极点及其增益，即：z=[12,,...m z z z ] p=[12,,...m p p p ] k=[k]调用zpk 函数可以创建zpk 对象模型，调用格式如下：gzpk=zpk（z，p，k）pzmap（g）在复平面内绘出系统模型的零极点图③状态空间（ss）模型由状态变量描述的系统模型称为状态空间模型，由状态方程和输出方程组成：其中x为n维状态向量，u为r维输入向量，y为m维输出向量，A为n×n方阵，称为系统矩阵，B为n×r矩阵，称为输入矩阵或控制矩阵，C为m×n矩阵，称为输出矩阵，D为m×r 矩阵，称为直接传输矩阵在matlab中，直接用矩阵组[A,B,C,D]表示系统，调用ss函数可以创建zpk对象模型，调用格式如下：gss=ss（A,B,C,D）④三种模型之间的转换Matlab实现方法如下：TF模型→ZPK模型：zpk（sys）或tf2zp（num，den）TF模型→SS模型：ss（sys）或tf2ss（num，den）ZPK模型→TF模型：tf（sys）或zp2tf（z，p，k）ZPK模型→SS模型：ss（sys）或zp2ss（z，p，k）SS模型→TF模型：tf（sys）或ss2tf（A，B，C，D）SS模型→ZPK模型：zpk（sys）或ss2zp（A，B，C，D）2.系统模型的连接串联系统G(s)=G1(s)G2(s)并联系统G(s)=G1(s)+G2(s)反馈连接T(s)=G(s)/(1+G(s)H(s))U(s) Y(s)G(s)=（s ）（s ）⊕ G(s)=（s ）+（(b) 并联系统⊕反馈连接图1-1串联、并联和反馈连接在matlab 中可以直接使用“*”运算符实现串联连接，使用“+”运算符实现并联连接，反馈系统传递函数求解可以通过命令feetback 实现，调用格式如下：T=feedback （G ，H ）T=feedback （G ，H ，sign ）其中，G 为前向传递函数，H 为反馈传递函数，当sign=+1时，GH 为正反馈系统传递函数；当sign=-1时，GH 为负反馈系统传递函数，默认值是负反馈系统。
北京交通大学自控原理实验报告
四、实验内容 构成下述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及其传递函数如图 1-1。
G（S）= R2/R1
2.
惯性环节的模拟电路及其传递函数如图 1-2。
G（S）= K/TS+1 K=R2/R1，T=R2C
3.
积分环节的模拟电路及传递函数如图 1-3。
3
G（S）=1/TS T=RC
显示的波形记录最大超调量 p 和调节时间 Ts。 六、实验内容 实验中，当 n=10rad/s, 即 令 R=100K ， C=1 f 时 ， 传 递 函 数 为 φ
(s)=100/(s^2+20εs+100),取
=0、0.25、0.5、1、2，等效为 R 有如下图：
9
图 2-1-1 R=0 图 2-1-2 R=50K
图 3-13-2
图 3-2 超前校正系统结构图
图中 Gc2（s）=
Gc1（s）=2 2（0.055s+1） 0.005s+1
13
2．串联滞后校正 （1） 模拟电路图如图 3-3，开关 s 断开对应未校状态，接通对应滞后校正。
2.惯性环节
图1-2-1惯性环节实验图
从传递函数就可以看出，由于有负号，所以图形出现在了时间轴的下方，可以看出时 域的积分特性，这也正式惯性环节的时域表达式所体现的，根据传递函数在MATLAB里建模， 为更好观察细节，经过尝试，取0至3秒，可得如下理想图形：
5
图1-2-2 MATLAB绘制惯性环节
图1-1-1 比例环节实验图
可以看到比例环节的响应曲线为一条直线，与阶跃的电压成比例，为一常数，但是出 现了误差，接入比例的结果是 2，而实际上和 2 相比有误差。 下图为 MATLAB 软件绘制的比例环节曲线，呈现理想的比例 2.
北京交通大学-自动化专业综合实验报告
自动化专业综合实验指导教师：***学院：电子信息工程学院班级：自动化1002组员：自动化专业综合实验报告目录倒立摆控制系统实验.................................. 错误!未定义书签。
一、倒立摆控制系统.............................. 错误!未定义书签。
（一）倒立摆控制系统简介..................... 错误!未定义书签。
（二）倒立摆控制系统特性..................... 错误!未定义书签。
（三）倒立摆控制系统实现..................... 错误!未定义书签。
二、实验过程.................................... 错误!未定义书签。
（一）直线一级倒立摆PID控制实验............. 错误!未定义书签。
（二）直线一级倒立摆顺摆PID控制实验......... 错误!未定义书签。
三、实验感想.................................... 错误!未定义书签。
三容水箱控制系统实验................................ 错误!未定义书签。
一、实验系统介绍................................ 错误!未定义书签。
(一)系统对象................................. 错误!未定义书签。
(二)实验控制平台............................. 错误!未定义书签。
(三)上位机................................... 错误!未定义书签。
二、实验目的.................................... 错误!未定义书签。
三、实验原理.................................... 错误!未定义书签。
自动控制原理实验报告(电子版)
自动控制原理实验报告课程编号：ME3121023专业班级姓名学号实验时间：一、实验目的和要求：通过自动控制原理实验牢固地掌握《自动控制原理》课的基本分析方法和实验测试手段。
能应用运算放大器建立各种控制系统的数学模型，掌握系统校正的常用方法，掌握系统性能指标同系统结构和参数之间的基本关系。
通过大量实验，提高动手、动脑、理论结合实际的能力，提高从事数据采集与调试的能力，为构建系统打下坚实的基础。
二、实验仪器、设备（软、硬件）及仪器使用说明自动控制实验系统一套计算机（已安装虚拟测量软件---LABACT）一台椎体连接线18根实验一线性典型环节实验（一）、实验目的：1、了解相似性原理的基本概念。
2、掌握用运算放大器构成各种常用的典型环节的方法。
3、掌握各类典型环节的输入和输出时域关系及相应传递函数的表达形式，熟悉各典型环节的参数（K、T）。
4、学会时域法测量典型环节参数的方法。
（二）、实验内容：1、用运算放大器构成比例环节、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。
2、在阶跃输入信号作用下，记录各环节的输出波形，写出输入输出之间的时域数学关系。
3、在运算放大器上实现各环节的参数变化。
（三）、实验要求：1、仔细阅读自动控制实验装置布局图和计算机虚拟测量软件的使用说明书。
2、做好预习，根据实验内容中的原理图及相应参数，写出其传递函数的表达式，并计算各典型环节的时域输出响应和相应参数（K、T）。
3、分别画出各典型环节的理论波形。
5、输入阶跃信号，测量各典型环节的输入和输出波形及相关参数。
（四）、实验原理：实验原理及实验设计：1．比例环节：Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时域输出响应：2．惯性环节：Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时常数：时域输出响应：3．积分环节：Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：时常数：时域输出响应：4．比例积分环节：Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时常数：时域输出响应：5．比例微分环节：Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时常数：时域输出响应：6．比例积分微分环节：Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时常数：时域输出响应：（五）、实验方法与步骤1、根据原理图构造实验电路。
自动控制原理_实验报告
一、实验目的1. 理解自动控制系统的基本概念和组成；2. 掌握典型环节的传递函数和响应特性；3. 熟悉PID控制器的原理和参数整定方法；4. 通过实验验证理论知识的正确性，提高实际操作能力。
二、实验设备1. 自动控制原理实验箱；2. 示波器；3. 数字多用表；4. 个人电脑；5. 实验指导书。
三、实验原理自动控制系统是一种根据给定输入信号自动调节输出信号的系统。
它主要由控制器、被控对象和反馈环节组成。
控制器根据被控对象的输出信号与给定信号的偏差，通过调节控制器的输出信号来改变被控对象的输入信号，从而实现对被控对象的控制。
1. 典型环节（1）比例环节：比例环节的传递函数为G(s) = K，其中K为比例系数。
比例环节的响应特性为输出信号与输入信号成线性关系。
（2）积分环节：积分环节的传递函数为G(s) = 1/s，其中s为复频域变量。
积分环节的响应特性为输出信号随时间逐渐逼近输入信号。
（3）比例积分环节：比例积分环节的传递函数为G(s) = K(1 + 1/s)，其中K为比例系数。
比例积分环节的响应特性为输出信号在比例环节的基础上，逐渐逼近输入信号。
2. PID控制器PID控制器是一种常用的控制器，其传递函数为G(s) = Kp + Ki/s + Kd(s/s^2)，其中Kp、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数和微分系数。
PID控制器可以实现对系统的快速、稳定和精确控制。
四、实验内容及步骤1. 实验一：典型环节的阶跃响应（1）搭建比例环节电路，观察并记录输出信号随时间的变化曲线；（2）搭建积分环节电路，观察并记录输出信号随时间的变化曲线；（3）搭建比例积分环节电路，观察并记录输出信号随时间的变化曲线。
2. 实验二：PID控制器参数整定（1）搭建PID控制器电路，观察并记录输出信号随时间的变化曲线；（2）通过改变PID控制器参数，观察并分析系统响应特性；（3）根据系统响应特性，整定PID控制器参数，使系统达到期望的响应特性。
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北京交通大学自动控制原理实验报告自动控制原理实验报告姓名孙宇杰学号 13212159班级自动化1302指导老师蒋大明时间 2015.12.28目录实验概述： (2)硬件资源： (2)软件操作： (3)软件使用说明： (3)实验一典型环节及其阶跃响应 (4)一、实验目的 (4)二、实验仪器 (4)三、实验原理 (4)四、实验内容 (5)五、实验步骤 (6)六、实验波形及数据 (6)七、计算（数据分析） (9)实验二二阶系统阶跃响应 (10)一、实验目的 (11)二、实验仪器 (12)三、实验原理 (12)四、实验内容 (12)五、实验步骤 (13)六、实验报告 (14)七、实验波形及数据 (14)八、计算（数据分析） (17)实验三控制系统的稳定性分析错误!未定义书签。
一、实验目的 (19)二、实验仪器 (19)三、实验内容 (19)四、实验步骤 (20)五、实验报告 (20)实验四连续系统串联校正错误!未定义书签。
一、实验目的 (22)二、实验仪器 (22)三、实验内容 (23)四、实验步骤 (26)五、实验报告 (26)六、实验波形及数据 (27)七实验结果分析 (30)实验连接图： (29)实验总结与感想： (30)实验概述：本次实验，用于验证自动控制原理书中所见的一些常见系统的功能与作用，以进一步的了解及掌握原理其运用的方法。
本次实验由硬件连接以及软件操作两部分组成。
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：显示打印机 计算AD/D 实验箱图2 实验箱面板图3 AD/DA采集卡软件操作：1．软件启动：在Windows桌面上双击图标[自动控制理论] 运行软件，便可启动软件如图52．实验前计算机与实验箱的连接：用实验箱自带的USB线将实验箱后面的USB口与计算机的USB口连接。
软件使用说明：本套软件界面共分为三个组画面A. 软件说明和实验指导书画面（如图4）B. 数据采集显示画面（如图5）图4图5实验一典型环节及其阶跃响应一、实验目的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、实验仪器1．E L-AT-III型自动控制系统实验箱一台2．计算机一台三、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。
四、实验内容构成下述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及其传递函数如图1-1。
G（S）= R2/R12.惯性环节的模拟电路及其传递函数如图1-2。
G（S）= - K/TS+1K=R2/R1，T=R2C3.积分环节的模拟电路及传递函数如图1-3。
G（S）=1/TST=RC4.微分环节的模拟电路及传递函数如图1-4。
G（S）= - RCS5.比例微分环节的模拟电路及传递函数如图1-5（未标明的C=0.01uf）。
G（S）= -K（TS+1）K=R2/R1，T=R1C五、实验步骤1.启动计算机，在桌面双击图标[自动控制实验系统] 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.连接各个被测量典型环节的模拟电路。
电路的输入U1接DA1，电路的输出U2接AD1。
检查无误后接通电源。
4.在实验项目的下拉列表中选择实验一[一、典型环节及其阶跃响应] 。
5.鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。
在参数设置对话框中设置，相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。
6.观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。
7.记录波形及数据。
六、实验波形及数据比例环节图1-6 比例环节响应曲线惯性环节图1-7 惯性环节响应曲线积分环节图1-8 积分环节响应曲线微分环节（带有噪声）图1-9 微分环节响应曲线比例微分环节（带有噪声）图1-10 比例微分环节响应曲线七、计算（数据分析）1.惯性环节取R2=200K，R1=100K，C=1uF。
由K=R2/R1，T=R2C得理论值K=2，T=0.2s 所以有传递函数G（S）= - 2/（0.2S+1）又由惯性环节的波形图在上升坐标：当y=1900（5%），x=3T=639ms所以T=0.213s 故传递函数为G（S）= - 2/（0.213S+1）,与理论值有一定误差。
2.积分环节取R=100K,C=1uf,则理论输出值为G（S）=1/0.1S=10/S由实验所得图形看出输出为y2=10000,输入y1=1000.得G（S）=10/S,与理论值相同。
实验二二阶系统阶跃响应一、实验目的1．研究二阶系统的特征参数，阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn对系统动态性能的影响。
定量分析ζ和ωn与最大超调量Mp和调节时间t S之间的关系。
2．学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。
二、实验仪器1．EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台2．计算机一台三、实验原理控制系统模拟实验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。
四、实验内容典型二阶系统的闭环传递函数为ω2nϕ（S）= s2＋2ζωn s＋ω2n（1）其中ζ和ωn对系统的动态品质有决定的影响。
构成图2-1典型二阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：图2-1 二阶系统模拟电路图根据二阶系统的模拟电路图，画出二阶系统结构图并写出系统闭环传递函数。
把不同ζ和ωn条件下测量的Mp和ts值列表，根据测量结果得出相应结论。
.画出系统响应曲线，再由ts和Mp计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。
五、实验步骤1.取ωn=10rad/s, 即令R=100KΩ，C=1μf；分别取ζ=0、0.25、0.5、1、2，即取R1=100KΩ，R2分别等于0、50KΩ、100KΩ、200KΩ、400KΩ。
输入阶跃信号，测量不同的ζ时系统的阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量Mp和调节时间Ts的数值和响应动态曲线，并与理论值比较。
2.取ζ=0.5。
即电阻R2取R1=R2=100KΩ；ωn=100rad/s, 即取R=100KΩ，改变电路中的电容C=0.1μf(注意：二个电容值同时改变)。
输入阶跃信号测量系统阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量σp和调节时间Ts。
六、实验报告1.画出二阶系统的模拟电路图，画出二阶系统结构图并写出系统闭环传递函数。
2.把不同ζ和ωn条件下测量的Mp和ts值列表，根据测量结果得出相应结论。
3.画出系统响应曲线，再由ts和Mp计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。
七、实验波形及数据R2=0，ζ=0，等幅振荡R2=50K，ζ=0.25超调量：416 R2=100K,ζ=0.5超调量：137 R2=200K,ζ=1超调量 0 987（稳定点坐标）R2=400K, =2超调 0 987（稳定点坐标）C=0.1uf超调量：497八、计算（数据分析）1.二阶系统的模拟电路图如下系统结构图如下系统闭环传递函数G(S)=G1G2G3/(1+G2G3G4+G1G2G3)（其中G1=10/s,G2=10/s,G3=1,G4=R2/R1）2. 不同ζ和ωn 条件下测量的Mp 和ts 值由表可知，当ζ为0时系统处于临界阻尼状态，等幅振荡。
当ζ在（0，1）之间时系统处于欠阻尼状态，当ζ大于0时系统处于过阻尼状态，超调量为0.相同阻尼比的情况下，通过改变ωn，可以减小系统的响应时间并减少超调量。
3.实际值与理论值的比较（标注为理论值）从上表可以看出实验值与理论值在误差范围内，基本相同。
实验三控制系统的稳定性分析一、实验目的1．观察系统的不稳定现象。
2．研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。
二、实验仪器1．EL-AT型自动控制系统实验箱一台2．计算机一台三、实验内容系统模拟电路图如图3-1图3-1 系统模拟电路图其开环传递函数为:G（s）=10K/s(0.1s+1)(Ts+1)式中K1=R3/R2，R2=100KΩ，R3=0～500K；T=RC，R=100KΩ，C=C1=1μf或C=1μf C1=0.1μf两种情况。
四、实验步骤1.取C=C1=1μf，改变电位器阻值，使R3从0→500 KΩ方向变化，此时相应的K=10K1。
观察不同R3值时显示区内的输出波形(既U2的波形)，找到系统输出产生等幅振荡时相应的R3及K值。
观察R3取临界值左右时的响应曲线，并记录其波形。
2.在步骤1条件下，使系统工作在不稳定状态，即工作在等幅振荡情况。
改变电路中的电容C1 ，由1μf变成0.1μf，观察系统稳定性的变化。
五、实验波形及结论R3=194 KΩR3=195KΩR3=196KΩC1=0.1μf由上述波形图可以看出在R3=195KΩ时，即K=1.95时等幅振荡，则K=1.95为临界放大值。
实验四连续系统串联校正一、实验目的1. 加深理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用。
2. 对给定系统进行串联校正设计，并通过模拟实验检验设计的正确性。
二、实验仪器1．EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台2．计算机一台三、实验内容1．串联超前校正（1）系统模拟电路图如图3-1，图中开关S断开对应未校情况，接通对应超前校正。
图3-1 超前校正电路图（2）系统结构图如图3-2图3-2 超前校正系统结构图图中Gc1（s）=22（0.055s+1）Gc2（s）= 0.005s+12．串联滞后校正（1）模拟电路图如图3-3，开关s断开对应未校状态，接通对应滞后校正。
图3-3 滞后校正模拟电路图（2）系统结构图示如图3-4图3-4 滞后系统结构图图中Gc1(s）=55（s+1）Gc2（s）= 6s+13．串联超前—滞后校正（1）模拟电路图如图5-5，双刀开关断开对应未校状态，接通对应超前—滞后校正。
图3-5 超前—滞后校正模拟电路图（2）系统结构图示如图3-6。