自动控制原理实验报告--控制系统的稳定性和稳态误差
自动控制原理--控制系统的稳态误差
二、给定作用下的稳态误差
设系统开环传递函数为：
其中K为开环增益，v为系统中含有的积分环节数 对应于v=0,1,2的系统分别称为0型，Ⅰ型和Ⅱ型系统。
稳态误差的定义
• 误差定义为输入量与反馈量的差值
• 稳态误差为误差的稳态值 • 如果需要可以将误差转换成输出量的量纲
• 稳态误差不仅与其传递函数有关，而且与输入 信号的形式和大小有关。其终值为：
稳态误差计算
误差的定义：
E(s) R(s) B(s)
lim ess ()
( L1[ E ( s )])
（1）系统是稳定的； （2）所求信号的终值要存在。
例27 已知系统如图3-36所示。当输入信号 rt ，1干t扰信 号 n时t，求1t系 统的总的稳态误差。
Ns
Rs
Es
K1
K2 s
Y s
Bs
图3-36 例3-15系统结构图
解：⑴对于本例，只要参数 K1, K均2大于零，则系统一定是稳 定的。
⑵在r t 信1t号 作用下（此时令 n）t 0
s0
s0
1 s K1K2
K2 s K1K2
1 s
1 K1
由以上的分析和例题看出，稳态误差不仅与系统本身
的结构和参数有关，而且与外作用有关。利用拉氏变换
的终值定理求得的稳态误差值或者是零，或者是常数，
或者是无穷大，反映不出它随时间的变化过程。另外，
对于有些输入信号，例如正弦函数，是不能应用终值定
最后由终值定理求得稳态误差 ess
ess
自动控制原理实验报告
自动控制原理实验报告一、实验目的。
本实验旨在通过实际操作，加深对自动控制原理的理解，掌握PID控制器的调节方法，并验证PID控制器的性能。
二、实验原理。
PID控制器是一种常见的控制器，它由比例环节（P）、积分环节（I）和微分环节（D）三部分组成。
比例环节的作用是根据偏差的大小来调节控制量的大小；积分环节的作用是根据偏差的累积值来调节控制量的大小；微分环节的作用是根据偏差的变化率来调节控制量的大小。
PID控制器通过这三个环节的协同作用，可以实现对被控对象的精确控制。
三、实验装置。
本次实验所使用的实验装置包括PID控制器、被控对象、传感器、执行机构等。
四、实验步骤。
1. 将PID控制器与被控对象连接好，并接通电源。
2. 调节PID控制器的参数，使其逐渐接近理想状态。
3. 对被控对象施加不同的输入信号，观察PID控制器对输出信号的调节情况。
4. 根据实验结果，对PID控制器的参数进行调整，以达到最佳控制效果。
五、实验结果与分析。
经过实验，我们发现当PID控制器的比例系数较大时，控制效果会更为迅速，但会引起超调；当积分系数较大时，可以有效消除稳态误差，但会引起响应速度变慢；当微分系数较大时，可以有效抑制超调，但会引起控制系统的抖动。
因此，在实际应用中，需要根据被控对象的特性和控制要求，合理调节PID控制器的参数。
六、实验总结。
通过本次实验，我们深刻理解了PID控制器的工作原理和调节方法，加深了对自动控制原理的认识。
同时，我们也意识到在实际应用中，需要根据具体情况对PID控制器的参数进行调整，以实现最佳的控制效果。
七、实验心得。
本次实验不仅让我们在理论知识的基础上得到了实践锻炼，更重要的是让我们意识到掌握自动控制原理是非常重要的。
只有通过实际操作，我们才能更好地理解和掌握知识，提高自己的实际动手能力和解决问题的能力。
八、参考文献。
[1] 《自动控制原理》，XXX，XXX出版社，2010年。
[2] 《PID控制器调节方法》，XXX，XXX期刊，2008年。
自动控制原理稳态误差分析
烟台南山学院课程实验报告课程名称自动控制原理班级电气工程1204实验日期2014.12.14姓名张莹学号201202014015实验成绩实验名称实验二稳态误差分析实验目的及要求目的：1. 学习Matlab仿真软件的使用。
2. 用Matlab对于0型、Ⅰ型、Ⅱ型单位负反馈系统，求出当给定信号分别为单位脉冲、单位阶跃和单位斜坡时系统响应及稳态误差。
要求：1.编写实验程序。
2.用Matlab仿真实验结果。
3.写出实验报告实验环境Matlab仿真软件实验内容1、单位脉冲响应及稳态误差程序代码及仿真结果如下：>> t=0:0.1:15;[num1,den1]=cloop([1],[1 1]); [num2,den2]=cloop([1],[1 1 0]); [num3,den3]=cloop([4 1],[1 1 0 0]); y1=impulse(num1,den1,t);y2=impulse(num2,den2,t);y3=impulse(num3,den3,t);>> subplot(311);plot(t,y1);>> subplot(312);plot(t,y2);>> subplot(313);plot(t,y3);>> er1=0-y1(length(t));>> er2=0-y2(length(t));>> er3=0-y3(length(t));05101500.51051015-0.50.51051015-10122、单位阶跃响应及稳态误差程序代码及仿真结果如下：>> t=0:0.1:20;[num1,den1]=cloop([1],[1 1]);[num2,den2]=cloop([1],[1 1 0]);[num3,den3]=cloop([4 1],[1 1 0 0]);y1=impulse(num1,den1,t);y2=impulse(num2,den2,t);y3=impulse(num3,den3,t);subplot(311);plot(t,y1);subplot(312);plot(t,y2);subplot(313);plot(t,y3);er1=1-y1(length(t));er2=1-y2(length(t));er3=1-y3(length(t));0246810121416182000.5102468101214161820-0.50.5102468101214161820-10123、单位斜坡响应及稳态误差程序代码及仿真结果如下：>> t=0:0.1:20;>> t1=0:0.1:100;>> [num1,den1]=cloop([1],[1 1]);[num2,den2]=cloop([1],[1 1 0]);[num3,den3]=cloop([4 1],[1 1 0 0]);>> y1=step(num1,[den1 0],t1);y2=step(num2,[den2 0],t);y3=step(num3,[den3 0],t);>> subplot(311);plot(t1,y1,t1,t1);subplot(312);plot(t,y2,t,t);subplot(313);plot(t,y3,t,t);>> er1=t1(length(t1))-y1(length(t1));er2=t(length(t))-y2(length(t));er3=t(length(t))-y3(length(t));0102030405060708090100501000246810121416182010200246810121416182001020总结一般，能正常工作的自动控制系统应该是稳定的并具有较好的平稳性，同时，还应根据实际工程的需要，使系统的响应速度和稳态控制精度满足一定的要求。
自控原理实验报告答案
一、实验目的1. 理解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传递函数。
3. 熟悉控制系统时域性能指标的测量方法。
4. 通过实验验证理论知识，提高实际操作能力。
二、实验原理自动控制原理是研究如何利用自动控制装置对生产过程进行自动控制的一门学科。
本实验通过模拟典型环节的电路和数学模型，研究系统的动态特性和稳态特性。
三、实验内容1. 比例环节（P）的模拟实验。
2. 积分环节（I）的模拟实验。
3. 比例积分环节（PI）的模拟实验。
4. 比例微分环节（PD）的模拟实验。
5. 比例积分微分环节（PID）的模拟实验。
四、实验步骤1. 按照实验指导书的要求，搭建实验电路。
2. 调整实验参数，记录系统响应曲线。
3. 分析系统响应曲线，计算系统性能指标。
4. 根据实验结果，验证理论知识。
五、实验数据记录1. 比例环节（P）实验数据记录：- 系统阶跃响应曲线- 调节时间- 超调量- 稳态误差2. 积分环节（I）实验数据记录：- 系统阶跃响应曲线- 稳态误差3. 比例积分环节（PI）实验数据记录：- 系统阶跃响应曲线- 调节时间- 超调量- 稳态误差4. 比例微分环节（PD）实验数据记录：- 系统阶跃响应曲线- 调节时间- 超调量- 稳态误差5. 比例积分微分环节（PID）实验数据记录： - 系统阶跃响应曲线- 调节时间- 超调量- 稳态误差六、实验结果与分析1. 比例环节（P）实验结果：- 系统响应速度快，但稳态误差较大。
- 调节时间短，超调量较小。
2. 积分环节（I）实验结果：- 系统稳态误差为零，但响应速度较慢。
3. 比例积分环节（PI）实验结果：- 系统稳态误差较小，调节时间适中，超调量适中。
4. 比例微分环节（PD）实验结果：- 系统响应速度快，稳态误差较小，超调量适中。
5. 比例积分微分环节（PID）实验结果：- 系统响应速度快，稳态误差较小，超调量适中。
七、实验结论1. 通过实验，验证了典型环节的数学模型及其传递函数。
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。
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。
自控综合实验报告
一、实验目的1. 理解自动控制系统的基本原理，掌握控制系统设计的基本方法。
2. 学习使用Matlab/Simulink进行控制系统仿真，验证理论分析结果。
3. 掌握PID控制原理及其参数整定方法，实现系统的稳定控制。
4. 了解采样控制系统的特性，掌握采样控制系统的设计方法。
二、实验仪器与设备1. 计算机：一台2. Matlab/Simulink软件：一套3. 控制系统实验平台：一套（含传感器、执行器、控制器等）三、实验内容1. 连续控制系统设计（1）根据给定的系统传递函数，设计一个稳定的连续控制系统。
（2）使用Matlab/Simulink进行仿真，验证理论分析结果。
（3）调整系统参数，观察系统性能的变化。
2. PID控制（1）根据给定的系统传递函数，设计一个PID控制器。
（2）使用Matlab/Simulink进行仿真，验证PID控制器的效果。
（3）调整PID参数，观察系统性能的变化。
3. 采样控制系统（1）根据给定的系统传递函数，设计一个采样控制系统。
（2）使用Matlab/Simulink进行仿真，验证采样控制系统的效果。
（3）调整采样频率和控制器参数，观察系统性能的变化。
四、实验步骤1. 连续控制系统设计（1）建立系统传递函数模型。
（2）根据系统要求，选择合适的控制器类型（如PID控制器）。
（3）设计控制器参数，使系统满足稳定性、稳态误差和动态性能等要求。
（4）使用Matlab/Simulink进行仿真，验证系统性能。
2. PID控制（1）根据系统传递函数，设计PID控制器。
（2）设置PID控制器参数，使系统满足性能要求。
（3）使用Matlab/Simulink进行仿真，验证PID控制器的效果。
（4）调整PID参数，观察系统性能的变化。
3. 采样控制系统（1）建立系统传递函数模型。
（2）根据系统要求，设计采样控制系统。
（3）设置采样频率和控制器参数，使系统满足性能要求。
（4）使用Matlab/Simulink进行仿真，验证采样控制系统的效果。
《自动控制原理》稳定性和稳态误差
7-5 离散系统的稳定性和稳定误差 回顾：线性连续系统 稳定性和稳态误差问题：线性离散系统 稳定性和稳态误差 ？分析：sT e z =，首先研究s 平面与z 平面的关系。
一．s 域到z 域的映射s 域到z 域的关系： sT e z = S → Zs 域中的任意点可表示为ωσj s +=，映射到z 域则为 T j T T j e e e z ωσωσ==+)(ωσj s += ━━━━━━━━→ T e z σ=，T z ω=∠ (7—84)问题：s 平面上的点、线、面 如何映射到 z 平面？(1) s 平面上虚轴的映射虚轴：0=σ，ω=∞-→0→∞分析：0=σ时，1==T e z σ，ω=∞-→0→∞时，T z ω=∠==∞-→0→∞ 以原点为圆心的单位圆,经沿着单位圆转过无穷多圈分析：T 采样周期，单位[sec], 采样频率,单位[1/sec] f s =1/T采样角频率 s ω，单位[rad/sec] , T s /2πω=ω=2/s ω-→0→2/s ω时，T z ω=∠=π-→0→π 正好逆时针转一圈ω=2/s ω→s ω→2/3s ω时，T z ω=∠=π→π2→π3 又逆时针转一圈由图可见：可以把s平面划分为无穷多条平行于实轴的周期带，其中从-ωs/2到ωs/2的周期带称为主要带，其余的周期带叫做次要带。
(2) 等σ线映射s 平面上的等σ垂线，映射到z 平面上是以Te z σ=为半径的圆 s 平面上的虚轴映射为z 平面上的单位圆左半s 平面上的等σ线映射为z 平面上的同心圆，在单位圆内 右半s平面上的等σ线映射为z 平面上的同心圆，在单位圆外(3) 等ω线映射在特定采样周期T 情况下，由式(7-84)可知，s 平面的等ω水平线，映射到z 平面上的轨迹，是一簇从原点出发的映射，其相角T z ω=∠从正实轴计量，如图7-36所示。
由图可见，s 平面上2/s ωω=水平线，在z 平面上正好为负实轴。
自动控制原理稳态误差
自动控制原理稳态误差稳态误差是自动控制系统中一个非常重要的概念，它直接关系到系统的稳定性和准确性。
在控制系统中，我们经常会遇到一些误差，这些误差可能会影响系统的性能和稳定性。
因此，了解稳态误差的概念和计算方法对于控制系统的设计和分析都非常重要。
首先，我们来看一下稳态误差的定义。
稳态误差是指系统在稳定工作状态下，输出信号与期望值之间的差异。
换句话说，当输入信号保持不变时，系统输出与期望输出之间的偏差就是稳态误差。
稳态误差通常用于衡量系统的准确性和稳定性，它是评价控制系统性能的重要指标之一。
接下来，我们来看一下稳态误差的分类。
在自动控制系统中，稳态误差可以分为四种类型，静态误差、动态误差、稳态误差和瞬态误差。
静态误差是指系统在稳定工作状态下，输出信号与期望值之间的偏差；动态误差是指系统在工作过程中，输出信号与期望值之间的波动；稳态误差是指系统在长时间工作后，输出信号与期望值之间的偏差；瞬态误差是指系统在瞬时工作过程中，输出信号与期望值之间的偏差。
这四种误差类型各有特点，对于控制系统的设计和分析都有着重要的意义。
然后，我们来看一下稳态误差的计算方法。
在实际工程中，我们通常会用一些指标来衡量系统的稳态误差，比如静态误差增益、动态误差增益、稳态误差增益和瞬态误差增益等。
这些增益值可以帮助我们更好地了解系统的稳定性和准确性，从而指导控制系统的设计和分析工作。
最后，我们来看一下如何通过调节控制系统的参数来减小稳态误差。
在实际工程中，我们通常会通过调节控制系统的参数来改善系统的稳定性和准确性。
比如，可以通过增加控制器增益、改变控制器结构、优化控制器参数等方法来减小系统的稳态误差。
通过这些方法，我们可以更好地提高控制系统的性能和稳定性，从而更好地满足工程实际应用的需求。
总之，稳态误差是自动控制系统中一个非常重要的概念，它直接关系到系统的稳定性和准确性。
了解稳态误差的概念和计算方法对于控制系统的设计和分析都非常重要。
自动控制原理实验 控制系统稳定性分析和时域响应分析
实验二 控制系统稳定性分析和时域响应分析一、实验目的与要求1、熟悉系统稳定性的Matlab 直接判定方法和图形化判定方法；2、掌握如何使用Matlab 进行控制系统的动态性能指标分析；3、掌握如何使用Matlab 进行控制系统的稳态性能指标分析。
二、实验类型设计三、实验原理及说明1. 稳定性分析 1）系统稳定的概念经典控制分析中，关于线性定常系统稳定性的概念是：若控制系统在初始条件和扰动共同作用下，其瞬态响应随时间的推移而逐渐衰减并趋于原点(原平衡工作点)，则称该系统是稳定的，反之，如果控制系统受到扰动作用后，其瞬态响应随时间的推移而发散，输出呈持续震荡过程，或者输出无限偏离平衡状态，则称该系统是不稳定的。
2）系统特征多项式以线性连续系统为例，设其闭环传递函数为nn n n mm m m a s a s a s a b s b s b s b s D s M s ++++++++==----11101110......)()()(φ 式中，n n n n a s a s a s a s D ++++=--1110...)(称为系统特征多项式；0...)(1110=++++=--n n n n a s a s a s a s D 为系统特征方程。
3）系统稳定的判定对于线性连续系统，其稳定的充分必要条件是：描述该系统的微分方程的特征方程具有负实部，即全部根在左半复平面内，或者说系统的闭环传递函数的极点均位于左半s 平面内。
对于线性离散系统，其稳定的充分必要条件是：如果闭环系统的特征方程根或者闭环传递函数的极点为n λλλ,...,21，则当所有特征根的模都小于1时，即),...2,1(1n i i =<λ，该线性离散系统是稳定的，如果模的值大于1时，则该线性离散系统是不稳定的。
4）常用判定语句2.动态性能指标分析系统的单位阶跃响应不仅完整反映了系统的动态特性，而且反映了系统在单位阶跃信号输入下的稳定状态。
自动控制原理实验报告
自动控制原理实验报告本实验为基于微处理器的温度控制系统的设计与实现。
实验目的是通过实践掌握基于微处理器的控制系统设计和实现方法，了解数字信号处理的基本原理和应用。
本报告将分为实验原理，系统设计，实验步骤，实验结果和结论等几个部分进行详细阐述。
一、实验原理数字信号处理的基本原理是将模拟信号经过采样、量化和编码后转换为数字信号，并在数字领域中对其进行处理。
在本实验中，采用的是基于单片机控制的数字温度控制系统。
该系统的设计要求基于以往的温度控制系统，并具备更过的实用价值和工程性能。
系统的基本原理如下：1.数字信号采样该系统通过传感器来采集温度值，并将其转化为数字信号，实现了数字化控制。
系统在稳态时，通过采用PID控制方法来对温度进行控制。
2.温度控制方法对于本实验中开发的系统，采用的是基于PID控制算法的控制方法。
PID即比例积分微分控制算法，它是一种最常用的控制算法，具备响应速度快、稳态误差小等优点。
PID控制算法的主要原理是，通过比例、积分和微分三个控制系数对输出进行调节，使系统的响应速度更快，而且在稳态时误差非常小。
3.系统设计本实验系统的设计通过单片机的程序控制，主要包含三部分：硬件设计、软件设计和温控系统设计。
二、系统设计1.硬件设计本实验采用的是基于AT89S52单片机的数字温度控制系统，其硬件电路主要包括以下模块：(1)单片机控制器：采用AT89S52单片机；(2)温度传感器：采用DS18B20数字温度传感器；(3)电源模块：采用稳压电源，提供系统所需电压。
2.软件设计本实验采用的是基于C语言开发的程序控制系统，该软件具备以下功能模块：(1)数据采集：通过程序控制读取温度传感器数值；(2)控制算法：实现PID控制算法的程序设计；(3)控制输出：将PID算法结果通过程序输出到负载端。
3.温控系统设计本实验设计的数字温度控制系统，其温控系统设计主要包括以下几个方面：（1）温度检测：系统通过DS18B20数字温度传感器检测环境温度。
自动控制原理实验报告
自动控制原理实验报告 Final revision on November 26, 2020实验报告课程名称： 自动控制原理 实验项目： 典型环节的时域相应 实验地点： 自动控制实验室实验日期： 2017 年 3 月 22 日 指导教师： 乔学工实验一 典型环节的时域特性一、实验目的1.熟悉并掌握TDN-ACC+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相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。
二、实验设备PC 机一台，TD-ACC+(或TD-ACS)实验系统一套。
三、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 (2)传递函数：K S Ui S Uo =)()((3)阶跃响应：)0()(≥=t K t U O 其中 01/R R K =(4)模拟电路图：(5)理想与实际阶跃响应对照曲线： ① 取R0 = 200K ；R1 = 100K 。
② 取R0 = 200K ；R1 = 200K 。
2．积分环节 (I) (1)方框图(2)传递函数：TSSUiSUo1)()(=(3)阶跃响应：)0(1)(≥=ttTtUo其中CRT=(4)模拟电路图(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照：①取R0 = 200K；C = 1uF。
②取R0 = 200K；C = 2uF。
3．比例积分环节 (PI)(1)方框图：(2)传递函数：(3)阶跃响应：(4)模拟电路图：(5)理想与实际阶跃响应曲线对照：①取 R0 = R1 = 200K；C = 1uF。
理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线无穷②取 R0=R1=200K ；C=2uF 。
理想阶跃响应曲线 实测阶跃响应曲线4．惯性环节 (T) (1) 方框图 (2) 传递函数：1)()(+=TS KS Ui S Uo 。
自动控制原理实验报告--控制系统的稳定性和稳态误差
本科实验报告课程名称：自动控制原理实验项目：控制系统的稳定性和稳态误差实验地点：多学科楼机房专业班级：学号：学生姓名：指导教师：2012 年5 月15 日一、实验目的和要求：1．学会利用MATLAB 对控制系统的稳定性进行分析； 2．学会利用MATLAB 计算系统的稳态误差。
二、实验内容和原理：1．利用MATLAB 描述系统数学模型如果系统的的数学模型可用如下的传递函数表示nn n m m m a s a s b s b s b s U s Y s G ++++++==-- 11110)()()( 则在MATLAB 下，传递函数可以方便的由其分子和分母多项式系数所构成的两个向量惟一确定出来。
即num=[b 0,b 1 ,…, b m ]; den=[1,a 1,a 2 ,…,a n ]例2-1 若系统的传递函数为5234)(23+++=s s s s G 试利用MA TLAB 表示。
当传递函数的分子或分母由若干个多项式乘积表示时，它可由MA TLAB 提供的多项式乘法运算函数conv( )来处理，以获得分子和分母多项式向量，此函数的调用格式为 p=conv(p1,p2)其中，p1和p2分别为由两个多项式系数构成的向量，而p 为p1和p2多项式的乘积多项式系数向量。
conv( )函数的调用是允许多级嵌套的。
例2-2 若系统的传递函数为)523)(1()66(4)(232++++++=s s s s s s s s G试利用MA TLAB 求出其用分子和分母多项式表示的传递函数。
2．利用MATLAB 分析系统的稳定性在分析控制系统时，首先遇到的问题就是系统的稳定性。
判断一个线性系统稳定性的一种最有效的方法是直接求出系统所有的极点，然后根据极点的分布情况来确定系统的稳定性。
对线性系统来说，如果一个连续系统的所有极点都位于左半s 平面，则该系统是稳定的。
MATLAB 中根据特征多项式求特征根的函数为roots( )，其调用格式为r=roots(p) 其中，p 为特征多项式的系数向量；r 为特征多项式的根。
自动控制原理实验报告
⾃动控制原理实验报告实验评价：指导教师（签名）年⽉⽇实验名称：线性定常系统的稳态误差⼀、实验⽬的和要求：（⼀）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；（⼆）研究系统的开环增益K 对稳态误差的影响。
⼆、实验内容：（⼀）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；（⼆）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；（三）观测II 型⼆阶系统的单位斜坡响应和单位抛物波响应，并实测它们的稳态误差。
三、实验原理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 控制系统的⽅框图由图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型⼆阶系统的⽅框图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。
自动控制原理稳态误差
自动控制原理稳态误差
在自动控制原理中，稳态误差是指系统在达到稳态时，输出值与期望值之间的差异。
稳态误差的大小和系统的控制算法有关，常用的控制算法包括比例控制、积分控制和微分控制。
比例控制是最简单的控制算法，通过调整比例增益来控制系统的输出。
然而，比例控制往往会产生稳态误差。
当比例增益增大时，稳态误差会减小，但系统的稳定性可能会受到影响。
当比例增益调整得过大时，系统可能会变得不稳定。
为了降低稳态误差，可以采用积分控制。
积分控制通过对误差进行积分来调整系统的输出。
积分控制可以消除稳态误差，但会引入超调现象，导致系统的动态响应变差。
为了解决超调问题，可以采用微分控制。
微分控制通过对误差进行微分来调整系统的输出。
微分控制可以提高系统的响应速度，但可能导致系统的稳态误差增加。
为了综合利用比例控制、积分控制和微分控制的优势，可以采用PID控制。
PID控制是一种常用的自动控制算法，通过对误差进行比例、积分和微分操作来调整系统的输出。
PID控制可
以同时减小稳态误差和超调现象，提高系统的稳定性和响应速度。
综上所述，稳态误差是自动控制系统中常见的问题，可以通过调整控制算法的参数来减小稳态误差。
但需要根据具体的系统要求和性能指标来选择合适的控制算法和参数。
自动控制原理实验1-6
⾃动控制原理实验1-6实验⼀MATLAB 仿真基础⼀、实验⽬的：（1）熟悉MATLAB 实验环境，掌握MATLAB 命令窗⼝的基本操作。
（2）掌握MATLAB 建⽴控制系统数学模型的命令及模型相互转换的⽅法。
（3）掌握使⽤MATLAB 命令化简模型基本连接的⽅法。
（4）学会使⽤Simulink 模型结构图化简复杂控制系统模型的⽅法。
⼆、实验设备和仪器 1．计算机；2. MATLAB 软件三、实验原理函数tf ( ) 来建⽴控制系统的传递函数模型，⽤函数printsys ( ) 来输出控制系统的函数，⽤函数命令zpk ( ) 来建⽴系统的零极点增益模型，其函数调⽤格式为：sys = zpk ( z, p, k )零极点模型转换为多项式模型[num , den] = zp2tf ( z, p, k ) 多项式模型转化为零极点模型 [z , p , k] = tf2zp ( num, den )两个环节反馈连接后，其等效传递函数可⽤feedback ( ) 函数求得。
则feedback （）函数调⽤格式为： sys = feedback（sys1, sys2, sign ）其中sign 是反馈极性，sign 缺省时，默认为负反馈，sign ＝-1；正反馈时，sign ＝1；单位反馈时，sys2＝1，且不能省略。
四、实验内容：1.已知系统传递函数，建⽴传递函数模型2.已知系统传递函数，建⽴零极点增益模型3．将多项式模型转化为零极点模型12s 2s s 3s (s)23++++=G )12()1()76()2(5)(3322++++++=s s s s s s s s G 12s 2s s 3s (s)23++++=G )12()1()76()2(5)(3322++++++=s s s s s s s s G4. 已知系统前向通道的传递函数反馈通道的传递函数求负反馈闭环传递函数5、⽤系统Simulink 模型结构图化简控制系统模型已知系统结构图，求系统闭环传递函数。
自动控制原理实验报告
自动控制原理实验报告摘要：本实验通过对自动控制原理的研究与实践，旨在深入了解自动控制系统的基本原理，以及相关的实验应用。
通过实验的设计与实施，我们在实践中学习了控制系统的结构、传递函数、稳定性、稳态误差等内容，并通过使用PID控制器对物理实验系统进行控制，从而对自动控制系统有了更加深入的理解。
引言：自动控制原理是现代工程控制领域的基础理论之一，在工业、交通、通信等领域都有广泛的应用。
自动控制原理实验是培养学生工程实践能力和动手能力的重要实践环节。
本实验通过对自动控制原理相关实验的设计与实践，让我们深入了解了自动控制系统的基本原理，并通过实际操作对理论知识进行了实际应用。
实验目的：1. 了解自动控制系统的基本结构和原理；2. 学习如何建立传递函数，并分析系统的稳定性；3. 熟悉PID控制器的参数调节方法；4. 掌握如何利用PID控制器对物理实验系统进行控制。
实验原理与方法：1. 实验装置搭建：我们搭建了一个简单的电路系统，包括输入信号源、控制器、执行器和输出传感器。
通过控制器对执行器的控制，实现对输出信号的调节。
2. 传递函数建立：使用系统辨识方法，通过对输入和输出信号的采集，建立系统的传递函数。
经过数据处理和分析，得到系统的传递函数表达式。
3. 稳定性分析：对系统的传递函数进行稳定性分析，包括零极点分析和Nyquist稳定性判据。
根据分析结果，判断系统的稳定性。
4. PID参数调节：根据传递函数和系统要求，使用PID控制器对系统进行调节。
根据实际情况进行参数调节，使得系统的响应达到要求。
实验结果与讨论：我们通过以上方法，成功地建立了控制系统的传递函数，并进行了稳定性分析。
通过对PID控制器参数的调节，使系统的稳态误差达到了要求。
通过实验，我们深刻理解了自动控制系统的基本原理，并学会了如何应用具体方法进行实际操作。
实验结论：通过自动控制原理的实验研究，我们对控制系统的基本原理有了更加深入的了解。
实践中，我们通过搭建实验装置、建立传递函数、进行稳定性分析和PID参数调节等实验操作，使得理论知识得到了更加全面的应用和巩固。
基于Simulink控制系统的的稳态误差分析
电子科技大学中山学院学生实验报告学院：机电工程学院专业：17自动化课程名称：自动控制原理实验与仿真成绩：批改时间：一、实验目的（1）掌握使用Simulink仿真环境进行控制系统稳态误差分析的方法。
（2）了解稳态误差分析的前提条件是系统处于稳定状态。
（3）研究系统在不同典型输入信号作用下，稳态误差的变化。
（4）分析系统在扰动输入作用下的稳态误差。
（5）分析系统型别及开环增益对稳态误差的影响。
二、实验条件实验设备：每人一台计算机奔腾系列以上计算机，配置硬盘≥2G，内存≥64M。
实验软件：WINDOWS操作系统（WINDOWS XP 或WINDOWS 2000），并安装MATLAB语言编程环境。
三、实验内容（1）研究系统在不同典型输入信号作用下，稳态误差的变化。
【1】已知一个单位负反馈系统开环传递函数为10()(0.11)KG ss s=+分别作出K=1和K=10时，系统单位阶跃响应曲线并求单位阶跃响应稳态误差。
模型：结论:系统型次越高，系统对斜坡输入的稳态误差越小，故可以通过提高系统的型次达到降低稳态误差的效果。
（3）分析系统在扰动输入作用下的稳态误差。
【5】已知系统，若输入信号 r ( t ) = 1 ( t ) ，扰动信号 n (t) =0.1 * 1 ( t ) ，令 e ( t ) =r (t) – c (t) ，求系统总的稳态误差。
曲线：结论：系统的总稳态误差ess=essr+essn=-0.1 100.1s+1Transfer Fcn2Transfer Fcn1Transfer FcnStep1StepScope1ScopeRamp 1s Integrator1Gain1Gain可见，扰动点前移至反馈比较点之后，系统的稳态误差为零。
4)由于simulink环境中的模块组中，没有加速度信号源，如何实现加速度信号的输入仿真？在matlab设计程序，完成输入信号为加速度信号的控制系统仿真。
答：在斜坡信号后再加一个积分环节。
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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本科实验报告
课程名称：自动控制原理
实验项目：控制系统的稳定性和稳态误差实验地点：多学科楼机房
专业班级：学号：
学生姓名：
指导教师：
2012 年5 月15 日
一、实验目的和要求：
1．学会利用MATLAB 对控制系统的稳定性进行分析； 2．学会利用MATLAB 计算系统的稳态误差。
二、实验内容和原理：
1．利用MATLAB 描述系统数学模型
如果系统的的数学模型可用如下的传递函数表示
n
n n m m m a s a s b s b s b s U s Y s G ++++++=
=-- 11110)()
()( 则在MATLAB 下，传递函数可以方便的由其分子和分母多项式系数所构成的两个向量惟一
确定出来。
即
num=[b 0,b 1 ,…, b m ]; den=[1,a 1,a 2 ,…,a n ]
例2-1 若系统的传递函数为
5
234
)(2
3+++=
s s s s G 试利用MA TLAB 表示。
当传递函数的分子或分母由若干个多项式乘积表示时，它可由MA TLAB 提供的多项式乘法运算函数conv( )来处理，以获得分子和分母多项式向量，此函数的调用格式为 p=conv(p1,p2)
其中，p1和p2分别为由两个多项式系数构成的向量，而p 为p1和p2多项式的乘积多项式系数向量。
conv( )函数的调用是允许多级嵌套的。
例2-2 若系统的传递函数为
)
523)(1()
66(4)(232++++++=s s s s s s s s G
试利用MA TLAB 求出其用分子和分母多项式表示的传递函数。
2．利用MATLAB 分析系统的稳定性
在分析控制系统时，首先遇到的问题就是系统的稳定性。
判断一个线性系统稳定性的一种最有效的方法是直接求出系统所有的极点，然后根据极点的分布情况来确定系统的稳定性。
对线性系统来说，如果一个连续系统的所有极点都位于左半s 平面，则该系统是稳定的。
MATLAB 中根据特征多项式求特征根的函数为roots( )，其调用格式为
r=roots(p) 其中，p 为特征多项式的系数向量；r 为特征多项式的根。
另外，MA TLAB 中的pzmap( )函数可绘制系统的零极点图，其调用格式为
[p,z]=pzmap(num,den)
其中，num 和den 分别为系统传递函数的分子和分母多项式的系数按降幂排列构成的系数行向量。
当pzmap( )函数不带输出变量时，可在当前图形窗口中绘制出系统的零极点图；当带有输出变量时，也可得到零极点位置，如需要可通过pzmap(p,z)绘制出零极点图，图中的极点用“×”表示，零点用“o”表示。
例2-3 已知系统的传递函数为
1
22532
423)()()(2
345
234B +++++++++==s s s s s s s s s s R s Y s G
图2-2 反馈控制系统
给出系统的零极点图，并判定系统的稳定性。
由以上结果可知，系统在右半s 平面有两个极点，故系统不稳定。
3．利用MATLAB 计算系统的稳态误差
对于图2-2所示的反馈控制系统，根据误差的输入端定义，利用拉氏变换终值定理可得稳态误差e ss
)(lim )()
()(11
lim )]()([lim )(lim 00
s E s R s H s G s
s B s R s s sE e s s s s s ss →→→→=+=-==
在MA TLAB 中，利用函数dcgain( )可求取系统在给定输入下的稳态误差，其调用格式为
ess=dcgain (nume,dene)
其中，ess 为系统的给定稳态误差；nume 和dene 分别为系统在给定输入下的稳态传递函数)(s E s 的分子和分母多项式的系数按降幂排列构成的系数行向量
例2-4 已知单位反馈系统的开环传递函数为
1
21
)()(2++=
s s s H s G
试求该系统在单位阶跃和单位速度信号作用下的稳态误差。
解 系统在单位阶跃和单位速度信号作用下的稳态传递函数分别为
221
212212)()()(11)(22221++++=⋅++++=+=s s s s s s s s s s s R s H s G s s E s
s
s s s s s s s s s s s R s H s G s s E s 221
212212)()()(11)(2322222++++=⋅++++=+=
三、主要仪器设备：
安装Windows 系统和MATLAB 软件的计算机一台。
四、实验数据记录和处理（实验程序）：
（1）例2-1程序：
>>num=4;den=[1,3,2,5];printsys(num,den) 结果显示： num/den =
4
---------------------------- s^3 + 3 s^2 + 2 s+5
（2）例2-2程序：
>>num=4*[1,6,6];den=conv([1,0],conv([1 1],[1,3,2,5]));printsys(num,den) 结果显示： num/den =
4 s^2 + 24 s + 24
------------------------------------------ s^5 + 4 s^4 + 5 s^3 + 7 s^2 + 5 s
（3）例2-3程序：
>>num=[3 2 1 4 2];den=[3 5 1 2 2 1]; >>r=roots(den),pzmap(num,den)
执行结果可得以下极点和如图2-1所示的零极点图。
r =
-1.6067 Array
0.4103 + 0.6801i
0.4103 - 0.6801i
-0.4403 + 0.3673i
-0.4403 - 0.3673i
（4）例2-4程序：
>>nume1=[1 2 1];dene1=[1 2 2];ess1=dcgain
(nume1,dene1)
>>nume2=[1 2 1];dene2=[1 2 2
0];ess2=dcgain (nume2,dene2)
执行后可得以下结果。
ess1 =
0.5000
ess2 =
Inf
五、讨论、心得：
通过本实验，让我回顾了matlab的使用，也增长了我对该程序编写的能力，对于控
制系统的稳定性和稳态误差也有了更加深刻的理解。