实验四 一阶系统的阶跃响应
系统阶跃响应实验报告
一、实验目的1. 了解系统阶跃响应的基本概念和特性。
2. 掌握系统阶跃响应的测试方法。
3. 分析系统阶跃响应的动态性能指标。
4. 通过实验验证理论知识，加深对系统动态特性的理解。
二、实验原理阶跃响应是指系统在单位阶跃输入信号作用下的输出响应。
对于线性时不变系统，其阶跃响应具有以下特点：1. 稳态值：系统达到稳定状态后的输出值。
2. 超调量：系统输出在稳定前达到的最大值与稳态值之差与稳态值之比。
3. 调节时间：系统输出达到并保持在稳态值的±2%范围内的持续时间。
4. 过渡过程时间：系统输出从0%达到并保持在100%稳态值范围内的持续时间。
三、实验仪器与设备1. 自动控制系统实验箱2. 计算机及实验软件3. 阶跃信号发生器4. 数据采集卡四、实验内容1. 构建实验系统，包括一阶系统和二阶系统。
2. 分别对一阶系统和二阶系统进行阶跃响应实验。
3. 测试并记录系统的稳态值、超调量、调节时间和过渡过程时间等动态性能指标。
4. 分析实验结果，验证理论公式。
五、实验步骤1. 构建一阶系统实验电路，包括惯性环节和比例环节。
2. 将阶跃信号发生器输出接入系统输入端，通过数据采集卡采集系统输出信号。
3. 测试一阶系统的阶跃响应，记录稳态值、超调量、调节时间和过渡过程时间等动态性能指标。
4. 构建二阶系统实验电路，包括惯性环节、比例环节和积分环节。
5. 同样地，测试二阶系统的阶跃响应，记录稳态值、超调量、调节时间和过渡过程时间等动态性能指标。
6. 对比一阶系统和二阶系统的阶跃响应特性，分析实验结果。
六、实验结果与分析1. 一阶系统阶跃响应实验结果：- 稳态值：1.0- 超调量：0%- 调节时间：0.5s- 过渡过程时间：0.5s2. 二阶系统阶跃响应实验结果：- 稳态值：1.0- 超调量：10%- 调节时间：1.5s- 过渡过程时间：1.5s从实验结果可以看出，二阶系统的阶跃响应超调量较大，调节时间和过渡过程时间较长，说明二阶系统的动态性能相对较差。
自动控制理论_08一、二阶系统的与计算.详解
n t
(cosd t +
1 2
sin d t ) +
[d e
n t
( sin d t +
1 2
cosd t )]
h(t ) = ne n t cosd t +
2 n
1 2
e n t sin d t
+ n 1 2 e n t sin d t
d tr + = n (n = 0,1,2,)
由定义知：tr为输出响应第一次到达稳态值所需 时间，所以应取n=1。
所以：
tr = d
②峰值时间 t p ：
h(t ) = 1
h(t ) = 1 e
e nt 1
2
sin( d t + )
(1)
nt
1
振荡角频率为： d = n 1 2
结论：ξ越大，ωd越小，幅值也越小，响应的振荡倾向 nt 1 越弱，超调越小，平稳性越好。反之， ξ 越小， ωd 越大， h(t ) = 1 e sin(d t + ) 2 1 振荡越严重，平稳性越差。
从上式可看出，瞬态分量随时间t的增长衰减到零， 当 ξ ＝ 0 时，为零阻尼响应，具有频率为 ω 的不衰减 n 而稳态分量等于1，因此，上述欠阻尼二阶系统的 （等幅）振荡。 单位阶跃响应稳态误差为零。
演示
欠阻尼二阶系统单位阶跃响应性能指标
①上升时间 t r ：令 h(tr ) = 1 ，则
1
1 1
e
2
e
nt
sin(d t + ) = 1
n t r 2
1
一阶系统的单位阶跃响应
图3－5所示系统。
其输入－输出关系为11111)()(+=+=Ts s Ks R s C （3-3） 式中KT 1=，因为方程(3-3)对应的微分方程的最高阶次是1，故称一阶系统。
实际上，这个系统是一个非周期环节，T 为系统的时间常数。
一、一阶系统的单位阶跃响应因为单位阶跃函数的拉氏变换为s 1，将s s R 1)(=代入方程(3-3)，得 sTs s C 111)(+=将)(s C 展开成部分分式，有11()1C s ss T=-+（3-4）对方程(3-4)进行拉氏反变换，并用)(t h 表示阶跃响应)(t C ，有 t T e t h 11)(--=0t ≥ (3-5)由方程(3-5)可以看出，输出量)(t h 的初始值等于零，而最终将趋于1。
常数项“1”是由s 1反变换得到的，显然，该分量随时间变化的规律和外作用相似(本例为相同)，由于它在稳态过程中仍起作用，故称为稳态分量 (稳态响应)。
方程(3-5)中第二项由11/()s T+反变换得到，它随时间变化的规律取决于传递函数1/(1)Ts +的极点，即系统特征方程()10D s Ts =+=的根(1/)T -在复平面中的位置，若根处在复平面的左半平面如图3－6(a)所示，则随着时间 t 的增加， 它将逐渐衰减， 最后趋于零 (如图3－6(b) 所示)，称为瞬态响应。
可见，阶跃响应曲线具有非振荡特性，故也称为非周期响应。
显然，这是一条指数响应曲线，其初始斜率等于1/T ，即Te T dt dh t t T t 1|1|010===-= (3-6)这就是说，假如系统始终保持初始响应速度不变，那么当T t =时，输出量就能达到稳态值。
实际上从方程(3-6)可以看出，响应曲线)(t h 的斜率是不断下降的，从0=t 时的T1一直下降到∞=t 时的零值。
因此，当T t =时，指数响应曲线将从零上升到稳态值的63.2%；当T t 2=时，响应曲线将上升到稳态值的86.5%；当T t 3=，T 4和T 5时，响应曲线分别达到稳态值的95%，98.2%和99.3%。
自动控制原理实验指导典型环节及其阶跃响应
%100%max ⨯-=∞∞Y Y Y σ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． 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： 超调量Ó %：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) 检查USB 线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击按钮，出现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信 正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验。
3) 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。
4) 在实验项目的下拉列表中选择实验一[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) 用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，代入下式算出超调量： T P 与T S ：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，便可得到T P 与T S 。
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。
阶跃响应
一阶系统的单位阶跃响应：
一阶系统的数学模型：
用一阶微分方程描述的系统，称为一阶系统。
如上图所示RC滤波电路是一阶系统，其运动微分方程为
若初始条件为零，传递函数为：
T为系统的时间常数。
一阶系统的结构图如下：
输入r(t)=1(t)时，系统响应c(t)为单位阶跃响应。 带入上式得，
将输入信号的拉氏变换
进行拉氏反变换，得一阶系统的单位阶跃响应为 t
c(t ) 1 e源自T(t≥0)
可以看出，一阶系统单位阶跃响应的初始值为零，终值为1
一阶系统单位阶跃曲线：
表明：一阶系统单位阶跃响应是一条初始值为零、以指数规 律上升到稳态值的曲线。 特点：1.t=0处曲线的斜率最大，为1/T 2.若系统保持初始响应的变化率不变，当t=T时输出就 能达到稳定值，而实际上只上升到稳态值的63.2%，经过4T的 时间，响应达到稳态值的 98%。所以，T反应了系统的响应速 度。
谢谢！
一阶系统的单位阶跃响应
图3－5所示系统。
其输入－输出关系为11111)()(+=+=Ts s Ks R s C （3-3） 式中KT 1=，因为方程(3-3)对应的微分方程的最高阶次是1，故称一阶系统。
实际上，这个系统是一个非周期环节，T 为系统的时间常数。
一、一阶系统的单位阶跃响应因为单位阶跃函数的拉氏变换为s 1，将s s R 1)(=代入方程(3-3)，得 sTs s C 111)(+=将)(s C 展开成部分分式，有11()1C s ss T=-+（3-4）对方程(3-4)进行拉氏反变换，并用)(t h 表示阶跃响应)(t C ，有 t T e t h 11)(--=0t ≥ (3-5)由方程(3-5)可以看出，输出量)(t h 的初始值等于零，而最终将趋于1。
常数项“1”是由s 1反变换得到的，显然，该分量随时间变化的规律和外作用相似(本例为相同)，由于它在稳态过程中仍起作用，故称为稳态分量 (稳态响应)。
方程(3-5)中第二项由11/()s T+反变换得到，它随时间变化的规律取决于传递函数1/(1)Ts +的极点，即系统特征方程()10D s Ts =+=的根(1/)T -在复平面中的位置，若根处在复平面的左半平面如图3－6(a)所示，则随着时间 t 的增加， 它将逐渐衰减， 最后趋于零 (如图3－6(b) 所示)，称为瞬态响应。
可见，阶跃响应曲线具有非振荡特性，故也称为非周期响应。
显然，这是一条指数响应曲线，其初始斜率等于1/T ，即Te T dt dh t t T t 1|1|010===-= (3-6)这就是说，假如系统始终保持初始响应速度不变，那么当T t =时，输出量就能达到稳态值。
实际上从方程(3-6)可以看出，响应曲线)(t h 的斜率是不断下降的，从0=t 时的T1一直下降到∞=t 时的零值。
因此，当T t =时，指数响应曲线将从零上升到稳态值的63.2%；当T t 2=时，响应曲线将上升到稳态值的86.5%；当T t 3=，T 4和T 5时，响应曲线分别达到稳态值的95%，98.2%和99.3%。
一阶系统的时域响应实验报告
一阶系统的时域响应实验报告实验目的：通过实验观察一阶系统的时域响应情况，掌握一阶系统的传递函数及其参数对响应的影响。
实验器材：示波器、信号发生器、直流电源、一阶滤波器。
实验原理：一阶系统的传递函数为H(s)=K/(Ts+1)，其中K为系统的增益，T为系统的时间常数。
系统的单位阶跃响应为h(t)=K(1-e^(-t/T))。
实验步骤：1、按照实验电路连接图连接电路。
2、将示波器接在电路输出端，用信号发生器产生一个频率为1kHz的正弦波作为输入信号，调节直流电源，使得输入信号幅值为1V。
3、测量电路输出波形，记录幅值、峰值、频率等数据。
4、将输入信号改为单位阶跃信号，在示波器上观察并记录输出信号的响应过程，测量电路的时间常数T。
实验结果及分析：1、在实验中，我们按照传统的RC低通滤波器的电路连接方式，将滤波器动态系统搭建起来。
2、对于一个RC电路，可以证明其传递函数为H(s)=1/(RCs+1)。
因此在实验中，我们可以通过改变RC电路的$RC$值来改变系统的时间常数，并观察其对系统响应的影响。
3、实验中我们观察到，当输入信号为正弦波时，系统能够对信号进行较好的滤波，输出信号幅值与频率的比例关系为a1=f^-1。
4、当输入信号为单位阶跃信号时，我们能够观察到系统的单位阶跃响应。
在实验中，我们通过观察输出信号的时间常数，可以得到系统的时间常数T。
5、实验中，我们还观察到了系统的过渡过程。
在输入信号发生变化后，系统的输出信号不会立即改变，而是经过一段时间才能够达到稳态。
在实验中，我们通过调节系统的时间常数来观察过渡过程的变化，从而获得了对一阶系统的更深刻的认识。
实验结论：通过本实验，我们详细地了解了一阶系统的时间常数、单位阶跃响应等数学概念，同时还深入掌握了一阶系统的响应机理。
此外，我们还利用实验数据验证了一阶系统的传递函数的正确性，并进一步掌握了如何通过调节时间常数来改变系统响应的技巧。
一阶系统分析
5. 当ξ<0时，系统有一对实部为正的共扼复根， 系统时间响应具有发散振荡的特性，称为 负阻尼状态。
15
二、二阶系统的单位阶跃响应 s1,2 n n 2 1
下面根据不同ξ值的条件来讨论对应的阶跃响应。
过阻尼ξ>1 的情况 式中：
于是闭环传递函数为
s2
2n s n2
(s
1 )(s T1
1) T2
0
T1
n (
1
2
1)
T2
n (
1
2
1)
C(s)
1 / T1T2
1
R(s) (s 1 )(s 1 ) (T1s 1)(T2 s 1)
T1
T2
则系统在单位阶跃信号作用时，系统的输出
C(s)
1 / T1T2
1
(s 1 )(s 1 ) s
T1
T2
16
取C(s)的拉氏反变换，得到单位阶跃响应
n K , 2n 1 KA
29
首先，由要求的求出相应的阻尼比 ，即由
ln 1 1.61
1 2
0.456
再根据要求条件t p 1s求取无阻尼自振频率n ：
n
tp
3.53rad / s
1 2
R(s)
K s(s 1)
另由 n K 解得：K n2 12.5
1 As
C(s)
n2
1 s
1
s n
n
s (s n )2 d2 (s n )2 d2
取C(s)的拉氏反变换，得到单位阶跃响应:
c(t) 1 ent (cosd t
1 2
sin d t)
(t 0)
1
matlab一阶系统的单位阶跃响应 初始斜率
matlab一阶系统的单位阶跃响应初始斜率在Matlab中，一阶系统的单位阶跃响应可以通过使用`step`函数来进行模拟和绘制。
一阶系统的单位阶跃响应的初始斜率（initial slope）是其初始瞬时斜率，表示在阶跃响应开始的瞬间系统的输出速率。
以下是在Matlab中绘制一阶系统单位阶跃响应并获取初始斜率的基本步骤：
```matlab
%定义一阶系统的传递函数，例如：G(s)=1/(s+1)
numerator=1;
denominator=[11];
sys=tf(numerator,denominator);
%使用step函数获取单位阶跃响应数据
[time,response]=step(sys);
%绘制单位阶跃响应曲线
plot(time,response);
title('一阶系统单位阶跃响应');
xlabel('时间');
ylabel('系统响应');
%获取初始斜率
initial_slope=gradient(response(1),time(2)-time(1));
disp(['初始斜率：',num2str(initial_slope)]);
```
这里，我们使用`tf`函数定义了一个一阶系统的传递函数，然后使用`step`函数获取单位阶跃响应的时间和响应数据。
最后，通过计算响应曲线的初始斜率，我们可以获取一阶系统单位阶跃响应的初始斜率。
请根据你的具体系统传递函数替换`numerator`和`denominator`的值，以适应你所研究的系统。
一阶系统的时域分析
数T之间的关系。
时间t
0
T
2T 3T
…
输出量 0 0.632 0.865 0.950 … 1.0
斜率 1/T 0.368/T 0.135/T 0.050/T … 0.0
根据这一特点，可用实验的方法测定一阶系统的时间常 数，或测定系统是否属于一阶系统。
时间常数T是一阶系统的一个重要参数。 当t=3T时，响应输出可达稳态值的95％；
输出量和输入量之间的位置误差： t ess (t) 1(t) c(t) e T
稳态误差 ：
t
lim
t
ess
(t
)
lim
t
e
T
0
三 一阶系统的单位斜坡响应
当一阶系统的输入信号为单位斜坡信号r(t)=t，其拉氏变 换为R(s)=1/s2，则系统的输出为:
C(s)
R(s) Ts 1
1 Ts 1
S tep R esponse 10
9
8
7
k 0.1
6
A m plitude
5
4
3
k 0.3
2
1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
T im e (sec)
小结
• 一阶系统的传递函数和典型方块图 • 一阶系统的单位阶跃响应(单调上升曲线，性
能指标常用调整时间) • 系统对输入信号导数的响应等于对输入信号响
五．三种响应之间的关系
比较一阶系统对单位脉冲、单位阶跃和单位斜 坡输入信号的响应，就会发现它们的输入信号 有如下关系：
d (t) d [1(t)];
dt
1(t) d [t 1(t)]; dt
自控原理实验报告 实验一
自动控制原理实验报告一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试学院姓名班级学号日期一、实验目的1. 了解一、二阶系统阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系。
2. 学习在电子模拟机上建立典型环节系统模型的方法。
3. 学习阶跃响应的测试方法。
二、实验内容1. 建立一阶系统的电子模型,观测并记录在不同时间常数T时的跃响应曲线,并测定其过渡过程时间Ts。
2. 建立二阶系统的电子模型,观测并记录在不同阻尼比ζ时的跃响应曲线,并测定其超调量σ%及过渡过程时间Ts。
三、实验原理1．一阶系统：系统传递函数为：∅(S)=C(S)R(S)=KTS+1模拟运算电路如图1- 1所示：图1- 1由图1-1得U0(S)U i(S)=R2/R1R2CS+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：0.25s、0.5s、1s2．二阶系统:其传递函数为：ϕ(S)=C(S)R(S)=ωn2S+2ζωn S+ωn令ωn=1弧度/秒，则系统结构如图1-2所示：图1-2根据结构图，建立的二阶系统模拟线路如图1-3所示：图1-3取R2C1=1 ，R3C2 =1，则R 4R 3=R 4C 2=12ξ及 ξ=12R 4C 2s T 理论及σ%理论由公式21-e %ξπξσ-=和）（8.05.3T ns <=ξξω及）（8.07.145.6T ns ≥-=ξωξ计算得到。
ζ取不同的值ζ=0.25 , ζ=0.5 , ζ=1，ζ=0.707四、实验步骤1. 确定已断开电子模拟机的电源，按照实验说明书的条件和要求，根据计算的电阻电容值，搭接模拟线路；2. 将系统输入端 与D/A1相连，将系统输出端 与A/D1相；3. 检查线路正确后，模拟机可通电；4. 双击桌面的“自控原理实验”图标后进入实验软件系统。
5. 在系统菜单中选择“项目”——“典型环节实验”；在弹出的对话框中阶跃信号幅值选1伏，单击按钮“硬件参数设置”，弹出“典型环节参数设置”对话框，采用默认值即可。
实验四 一阶、二阶系统阶跃响应曲线的绘制及系统稳定性分析
实验四 一阶、二阶系统阶跃响应曲线的绘制及系统稳定性分析【实验目的】熟悉采用Matlab 软件所进行的自动控制原理分析。
【实验内容】1、一阶系统的阶跃响应曲线的绘制；2、二阶系统的阶跃响应曲线的绘制；3、求解系统闭环极点并判断系统的稳定性。
【实验步骤】1、 已知系统传递函数为：=)(s φ11+Ts ，分别作T=0.1，1，10时的阶跃响应曲线。
其程序为：subplot(3,1,1);num=1;den=[0.1,1];step(num,den);gridsubplot(3,1,2);den=[1,1];step(num,den);gridsubplot(3,1,3);den=[10,1];step(num,den);grid2、 已知二阶系统2222)(w w s w s ++=ςφ；当w=5时，分别作出2,1,6.0,0=ς的阶跃响应曲线。
其程序为：num=25;den=[1,0,25];step(num,den);hold onden=[1,6,25];step(num,den);hold onden=[1,10,25];step(num,den);hold onden=[1,20,25];step(num,den);axis([0, 5 ,0 ,2.2])text(0.7,2.0,'\zeta=0','FontSize',8)text(0.7,1.2,'0.6','FontSize',8)text(0.7,0.8,'1','FontSize',8)text(0.7,0.5,'2','FontSize',8)（2）作出二阶系统单位阶跃响应曲线：（要求zeta 每次变化0.1）其程序为：num=25;for zeta=[0:0.1:1,2];den=[1,10*zeta,25];step(num,den);hold on;end3、 求解系统闭环极点并判断系统的稳定性：（1）025103234=++++s s s sp=[3,10,5,1,2];roots(p)（2）04832241232345=+++++s s s s sp=[ 1,3,12,24,32,48];roots(p)。
一阶系统响应及参数测定实验报告
学院：机电工程学院专业：自动化课程名称：自动控制原理实验
班级：13自动化姓名：吴军浩学号：2013100101020组别：
实验名称：一阶系统响应及参数测定实验时间：4月28日
成绩：教师签名：批改时间：
（1）根据实验，画出一阶系统的时间常数的阶跃响应曲线，并由实测的曲线求得时间常数T。
R=200k,C=5uf T=RC=1s（理论）T=0.9375s（实际）
R=100k,C=1uf T=RC=0.1s（理论）T=0.109.4（实际）
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：自动化课程名称：自动控制原理实验
班级：13自动化姓名：吴军浩学号：2013100101020组别：
实验名称：一阶系统响应及参数测定实验时间：4月28日
成绩：教师签名：批改时间：
（2）观察并记录一阶系统的斜坡响应曲线，并由图确定跟踪误差ess，这一误差值由终值定理求得是否相等？分析产生误差的原因。
R=200k，C=5uf, ess=1s（理想）,ess=718.8ms（实际）
R=100k,C=1uf，ess=100ms（理想）ess=93.8ms（实际）
一．由以上可得，测出的ess（实际）与由终值定理求得的ess（理想）不同，产生该问题的原因可能有
1.实验器材存在影响
2.设计电路存ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ系统误差
3.实验过程出现偶然误差
4.计算过程出现错误
一阶RC电路的阶跃响应
基础知识
01
一阶RC电路
阶跃响应
02
03
时间常数
由一个电阻R和一个电容C串联组 成的电路。
当电路的输入从一个电压值突然 跳变到另一个电压值时，电路的 输出随时间变化的特性。
决定RC电路动态响应快慢的参数 ，等于RC的乘积。
02
CATALOGUE
一阶RC电路的原理
电容和电阻的基本原理
电容
电容是一种存储电荷的电子元件，其基本单位是法拉。电容的基本原理是电荷在电场中会受到电场力 的作用，从而在电容的两极板上积聚电荷。电容的充电和放电过程就是电荷在电容两极板之间移动的 过程。
集成RC电路
将多个一阶RC电路集成在一块芯片上，实现小型 化、集成化的信号处理功能。
参数优化
通过优化一阶RC电路的元件参数，可以进一步提 高电路的性能。
一阶RC电路和其他电路的比较和分析
与RL电路的比较
一阶RC电路和RL电路在阶跃响应上有显著差异，RC电路的响应 速度更快。
与二阶RLC电路的比较
二阶RLC电路具有更复杂的动态特性，可以用于实现更高级的信号 处理功能。
02
欠阻尼响应：系统对阶跃输入的响应速度较慢，输出在一段时间内会 持续振荡。
03
过阻尼响应：系统对阶跃输入的响应速度较快，输出在一段时间内会 迅速达到稳态值，不会发生振荡。
04
临界阻尼响应：系统对阶跃输入的响应速度最快，输出在极短时间内 达到稳态值，且不会发生振荡。
阶跃响应的特点
阶跃响应具有非线性 特性，其输出与输入 之间通常不是线性关 系。
一阶RC电路的阶跃 响应
目录
• 引言 • 一阶RC电路的原理 • 阶跃响应的概念 • 一阶RC电路的阶跃响应分析 • 实验和模拟 • 应用和扩展
matlab四阶系统的阶跃响应
标题：Matlab四阶系统的阶跃响应分析1.概述Matlab作为一种流行的数学建模软件，广泛应用于控制系统工程中。
在控制系统工程中，对系统的阶跃响应进行分析和仿真是至关重要的。
本文将对Matlab中四阶系统的阶跃响应进行深入探讨，包括系统建模、阶跃信号的生成、系统响应的仿真和分析等方面。
2.系统建模在Matlab中，我们可以使用State-Space模型或者Transfer Function模型来描述系统。
在本文中，我们选择使用State-Space模型来建模一个四阶系统。
3.四阶系统的State-Space表达四阶系统的State-Space表达可以表示为：\[\dot{x} = Ax + Bu\]\[y = Cx + Du\]其中，\(x\)为系统的状态变量，\(u\)为系统的输入信号，\(y\)为系统的输出信号，\(A\)、\(B\)、\(C\)、\(D\)分别为系统的状态方程系数矩阵。
4.阶跃信号的生成在Matlab中，我们可以使用step函数来生成阶跃信号。
阶跃信号是一种理想的信号输入方式，可以让我们更清晰地观察系统的响应特性。
5.系统响应的仿真通过将四阶系统的State-Space模型和生成的阶跃信号输入到Matlab 中，可以进行系统响应的仿真。
仿真结果将得到系统的阶跃响应曲线。
6.阶跃响应的分析通过对系统的阶跃响应曲线进行分析，可以得到系统的稳态误差、超调量、调节时间等重要性能指标。
这些指标对于评估和优化控制系统设计具有重要意义。
7.结论通过本文的分析，我们可以深入了解Matlab中四阶系统的阶跃响应特性。
掌握这些特性对于控制系统工程中的系统设计和性能评估具有重要意义。
希望本文能够为相关领域的研究和工程实践提供一定的帮助。
8.参考文献[1] 王强. Matlab在控制系统工程中的应用[M]. 电子工业出版社, 2019.[2] 李明. 现代控制理论及应用[M]. 高等教育出版社, 2018.以上是本文详细探讨的内容，希望对您有所帮助。
19春北理工《自动控制理论1》在线作业答案
(单选题)1: 梅森公式主要用来（）。
A: 判断稳定性B: 计算输入误差C: 求系统的传递函数D: 求系统的根轨迹正确答案:(单选题)2: 放大环节的对数幅频特性曲线是（）。
A: 平行于横轴的直线B: 斜率为1的直线C: 逐渐增大至某一值的曲线D: 垂直于横轴的直线正确答案:(单选题)3: 最小相位系统的开环增益越大，其（）。
A: 振荡次数越多B: 稳定裕量越大C: 相位变化越小D: 稳态误差越小正确答案:(单选题)4: 典型二阶系统的超调量越大，反映出系统（）A: 频率特性的谐振峰值越小B: 阻尼比越大C: 闭环增益越大D: 相角裕度越小正确答案:(单选题)5: 系统的频率特性（）A: 是频率的函数B: 与输入幅值有关C: 与输出有关D: 与时间t有关正确答案:(单选题)6: 系统在r(t)=t2作用下的稳态误差ess=∞，说明( )。
A: 型别ν<2B: 系统不稳定C: 输入幅值过大D: 闭环传递函数中有一个积分环节正确答案:(单选题)7: 已知单位反馈控制系统在阶跃函数作用下，稳态误差为常数，则此系统为（）。
A: 0型系统B: I型系统C: II型系统D: 高阶系统正确答案:(单选题)8: 采用负反馈形式连接后，则 ( )。
A: 一定能使闭环系统稳定B: 系统动态性能一定会提高C: 一定能使干扰引起的误差逐渐减小，最后完全消除D: 需要调整系统的结构参数，才能改善系统性能正确答案:(单选题)9: 一阶系统的阶跃响应（）。
A: 无超调B: 当时间常数较大时有超调正确答案:(单选题)10: 用实验法求取系统的幅频特性时，一般是通过改变输入信号的（）来求得输出信号的幅值。
A: 相位B: 频率C: 稳定裕量D: 时间常数正确答案:(单选题)11: 开环控制系统特征是没有（）环节。
A: 给定B: 放大C: 反馈D: 执行正确答案:(单选题)12: 系统型次越高，稳态误差越（）。
实验四 控制系统的阶跃响应
实验四 控制系统的阶跃响应一、实验目的1． 通过实验了解参数ξ（阻尼比）、Wn （阻尼自然频率）的变化对二阶系统动态性能的影响2． 掌握各阶系统动态性能测试方法 3． 掌握参数调节系统性能的方法。
二、实验内容1. 观测二阶系统的阻尼比分别在0<ξ<1, ξ=1，ξ>1三种状态下的单位阶跃响应曲线2. 调节二阶系统的开环增益K ，使系统的阻尼比ξ=1/√2，测量此时系统超调量，调节时间。
3. ξ一定时，观测系统在不同Wn 时的响应曲线。
4. 一阶及三阶系统的响应 三、实验步骤典型二阶系统结构方框图所示闭环传递函数1222110)()(11)(K s T s T T K s H s G s G ++=+=其相应模拟电路图如图所示C(s)1.连接系统2.系统输入单位阶跃信号，C=1uF，R=100K，调节Rx阻值，观察不同ξ时试验曲线。
2.1系统处于欠阻尼状态，其超调量为53%左右；并计算ξ的值。
可以算出ξ=0.195，此时Rx的理论值为256KΩ，上图是Rx=260KΩ系统的曲线。
最高幅值2.72，峰值时间tp=1.416s,稳态值1.78，Mp=52.8%≈53%，上升时间tr=1.270s 2.2系统处于欠阻尼状态，其超调量为4.3%左右；并计算ξ的值。
计算得出ξ=0.707，此时Rx的理论值为70KΩ，上图为Rx=71KΩ时系统曲线，最高幅值1.877,峰值时间tp=1.108s,稳态值1.800，Mp=4.3%，上升时间tr=0.926s2.3系统处于临界阻尼状态，并计算ξ的值。
此时ξ=1，Rx的理论值为50 KΩ，如上图，最高幅值1.870，稳态值1.8642.4系统处于过阻尼状态，并计算ξ的值。
取ξ=1.5，Rx理论值为33 KΩ，如上图3.ξ值一定时，取R=100K，Rx=250K，此时ξ=0.2系统输入单位阶跃信号，在下列几种情况下，观察不同Wn时实验曲线，并观察系统的性能指标有何变化。
(第05讲) 第三章 一阶系统响应
) 1( t )
1 t T
e ( t ) x i ( t ) x o ( t ) T (1 e
)
所以一阶系统跟踪单位斜坡 信号的稳态误差为：
e s s lim e ( t ) T
t
06-7-20
时域瞬态响应分析
17
上式表明：一阶系统能跟踪斜坡输入信号。稳态时，输入和 输出信号的变化率完全相同。
3.2.2一阶系统的单位斜坡响应
x i ( t ) t 1( t )
X i (s) 1 s
2
X 0 (s)
1
1 T
Ts 1 s
t
1
2
1 s
2
T s
T s 1 T
单位斜坡响应为： x o ( t ) ( t T Te 误差为： 误差传递函数为：
E (s) T s T s 1 T
06720时域瞬态响应分析06720时域瞬态响应分析34高阶系统的瞬态响应31时域响应以及典型输入信号32一阶系统的瞬态响应33二阶系统的瞬态响应06720时域瞬态响应分析时域分析法根轨迹分析法和频域分析法不同的方法有不同的特点和适用范围
第 五 讲
第三章 时域瞬态响应分析
06-7-20
时域瞬态响应分析
3T
0.95
4T
5T
…
…
1
0.632 0.865
0.982 0.993
ts=3T(s)， （对应5%误差带） ts=4T(s)，（对应2%误差带）
系统的时间常数T 越小，调节时间ts越小， 响应过程的快速性 也越好。
06-7-20 时域瞬态响应分析 14
控制系统仿真与设计实验报告
控制系统仿真与设计实验报告姓名：班级:学号：指导老师：刘峰7.2.2控制系统的阶跃响应一、实验目的1。
观察学习控制系统的单位阶跃响应；2。
记录单位阶跃响应曲线；3.掌握时间相应的一般方法；二、实验内容1.二阶系统G(s)=10/（s2+2s+10)键入程序，观察并记录阶跃响应曲线;录系统的闭环根、阻尼比、无阻尼振荡频率；记录实际测去的峰值大小、峰值时间、过渡时间，并与理论值比较。
（1）实验程序如下：num=［10］;den=［1 2 10］；step(num，den)；响应曲线如下图所示：（2）再键入：damp(den);step(num，den)；[y x t]=step(num,den）；[y,t’]可得实验结果如下：实际值理论值峰值 1.3473 1.2975 峰值时间1。
0928 1。
0649 过渡时间+％5 2.4836 2.6352+%2 3.4771 3。
51362。
二阶系统G(s)=10/（s2+2s+10)试验程序如下：num0=［10]；den0=［1 2 10］;step(num0，den0);hold on;num1=［10］;den1=［1 6.32 10];step（num1,den1）;hold on；num2=［10]；den2=[1 12.64 10］；step（num2，den2);响应曲线：（2）修改参数，分别实现w n1= (1/2）w n0和w n1= 2w n0响应曲线试验程序:num0=［10]；den0=［1 2 10］;step（num0,den0);hold on;num1=[2.5］；den1=[1 1 2。
5］;step(num1,den1)；hold on;num2=［40]；den2=［1 4 40］；step(num2，den2)；响应曲线如下图所示：3。
时作出下列系统的阶跃响应，并比较与原系统响应曲线的差别与特点,作出相应的实验分析结果。
典型环节与及其阶跃响应
实验一: 典型环节与及其阶跃响应一、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、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G（S）= −R2/R12、惯性环节的模拟电路及其传递函数G（S）= −K/TS+1K=R2/R1T=R2C3、积分环节的模拟电路及传递函数G（S）=1/TST=RC4、微分环节的模拟电路及传递函数G（S）= −RCS5、比例+微分环节的模拟电路及传递函数G（S）= −K（TS+1）K=R2/R1T=R1C五、实验结果及分析（注：图中黄色为输入曲线、紫色为输出曲线）1、比例环节（1）模拟电路图：（2）响应曲线：2、惯性环节（1）模拟电路图：（2）响应曲线：（3）传递函数计算：实验值：X1=1029ms=1.029s=4TT=0.257sK=Y2/1000=2.017G(S)=-2.017/(0.257S+1) 理论值：G（S）=-2/(0.2S+1)结论：实验值与理论值相近。
3、积分环节（1）模拟电路图：（2）响应曲线：（3）传递函数计算：实验值：5000/(2110/2/2)=9.1G（S）=-9.1/S=-1/0.11S 理论值：G（S）=-1/0.1S结论：实验值与理论值相近。
4、微分环节（1）模拟电路图：（2）响应曲线：5、比例+微分环节（1）模拟电路图：（2）响应曲线：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。
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实验四一阶系统的阶跃响应
一、实验目的
1、研究一阶系统数学模型的建立及函数表达式的推导；
2、研究一阶系统的时域响应，以及分析系统的时间常数对系统性能的影响；
3、掌握线性定常系统动态性能指标的测试方法；
4、、研究线性定常系统的参数对其动态性能的影响。
二、实验设备及软件
Multisim软件
三、实验内容
用Mulitsim软件画出一阶系统模拟电路图如图1，并研究其阶跃响应，响应曲线如图2，研究一阶系统的瞬态反应。
图1二阶系统模拟电路图
上图一阶系统的传递函数为：
011()11
()()11
i U s G s U s R C S TS =
==++ 其中：11C R T =
四、实验步骤
(1)分别取F
C M R μ04.0,111==；F
C M R μ01.0,111==；
F C R μ06.0,25.011==数据，画出模拟电路图，记录每组数据的输出曲
线，观察示波器的输出波形。
(2) 测出上面数据所对应曲线的上升时间
t、调节时间s t、超调
r
量%
σ，把测出的数据填入下表。
（注：上升时间可以认为是输出响应从零开始第一次达到稳态时的90%时所用的时间。
）
五、实验报告
1、画出一阶系统的模拟电路图，并求系统的传递函数和时间常数。
2、将3组数据所对应上升时间、调节时间、超调量填入表中。
本次实验中，决定一阶系统响应快慢的都有那些因素？。