探测器暗电流综述报告
暗电流形成及其稳定性分析
综述报告
目录
光电探测器基本原理 (2)
PIN光探测器的工作原理 (2)
雪崩光电二极管工作原理 (3)
暗电流的形成及其影响因素 (4)
暗电流掺杂浓度的影响 (5)
复合电流特性 (6)
表面复合电流特性 (6)
欧姆电流特性 (7)
隧道电流特性 (7)
结面积和压焊区尺寸对探测器暗电流的影响 (10)
腐蚀速率和表面钝化工艺对探测器暗电流的影响 (12)
温度特性对暗电流影响 (13)
暗电流稳定性分析小结 (15)
参考文献 (16)
光探测器芯片处于反向偏置时，在没有光照的条件下也会有微弱的光电流，被称为暗电流，产生暗电流的机制有很多，主要包括表面漏电流、反向扩散电流、产生复合电流、隧穿电流和欧姆电流。。本文就将介绍光电探测器暗电流形成及其稳定性分析，并介绍了一些提高稳定性的方案，讨论它们的优势与存在的问题。
光电探测器基本原理
光电检测是将检测的物理信息用光辐射信号承载,检测光信号的变化,通过信号处理变换,得到检测信息。光学检测主要应用在高分辨率测量、非破坏性分析、高速检测、精密分析等领域,在非接触式、非破坏、高速、精密检测方面具有其他方法无比拟的。因此,光电检测技术是现代检测技术最重要的手段和方法之一,是计量检测技术的一个重要发展方向。
PIN光探测器的工作原理
在PD的PN结间加入一层本征（或轻掺杂）半导体材料（I区），就可增大耗尽区的宽度，减小扩散作用的影响，提高响应速度。由于I区的材料近似为本征半导体，因此这种结构称为PIN光探测器。图（a）给出了PIN光探测器的结构和反向偏压时的场分布图。I区的材料具有高阻抗特性，使电压基本落在该区，从而在PIN 光探测器内部存在一个高电场区，即将耗尽层扩展到了整个I区控制 I 区的宽度可以控制耗尽层的宽度。
PIN光探测器通过加入中间层，减小了扩散分量对其响应速度的影响，但过大的耗尽区宽度将使载流子通过耗尽区的漂移时间过长，导致响应速度变慢，因此要根据实际情况折中选取I层的材料厚度。
雪崩光电二极管工作原理
雪崩光电二极管,具有增益高固有增益可达,灵敏度高、响应速度快的特点,因而可用于检测高速调制的脉冲位置调制光信号。雪崩光电二极管是利用雪崩倍增效应而具有内增益的光电二极管,它的工作过程是在光电二极管的一结上加一相当高的反向偏压,使结区产生一个很强的电场,当光激发的载流子或热激发的栽流子进入结区后,在强电场的加速下获得很大的能量,与晶格原子碰撞而使晶格原子发生电离,产生新的电子一空穴对,新产生的电子一空穴对在向电极运动过程中又获得足够能量,再次与晶格原子碰撞,这时又产生新的电子一空穴对,这一过程不断重复,使一结内电流急剧倍增,这种现象称为雪崩倍增。雪崩光电二极管就是利用这种效应而具有光电流的放大作用。为保证载流子在整个光敏区的均匀倍增,必须采用掺杂浓度均匀并且缺陷少的衬底材料,同时在结构上采用“保护环”,其作用是增加高阻区宽度,减小表面漏电流避免边缘过早击穿,所以有保护环的APD，有时也称为保护环雪崩光电二极管。
雪崩光电二极管结构示意图
几种雪崩光电二极管的结构,图中（a）是P型N+结构,它是以型硅材料做基片,扩散五价元素磷而形成重掺杂十型层,并在与十区间通过扩散形成轻掺杂高阻型硅,作为保护环,,使一结区变宽,呈现高阻。图(b)是p-i-n结构,为高阻型硅,作为保护环,同样用来防止表面漏电和边缘过早击穿。图表示一种新的达通型雪崩光电二极管记作结构,二为高阻型硅,本图的右边画出了不同区域内的电场分市情况,其结构的特点是把耗尽层分高电场倍增区和低电场漂移区。图(c)中,区为高电场雪崩倍增区,而币义为低电场漂移区。器件在工作时,反向偏置电压使耗尽层从`一结一直扩散到二一边界。当光照射时,漂移区产生的光生载流子电子在电场中漂移到高电场区,发生雪崩倍增,从而得到较高的内部增益,耗尽区很宽,能吸收大多数的光子,所以量子效率也高,另外,达通型雪崩光电二极管还具有更高的响应速度和更低的噪声。
暗电流的形成及其影响因素
探测器暗电流由五部分部分构成:扩散电流、产生复合电流、欧姆电流、表
面复合电流和隧道电流。
载流子浓度对器件的暗电流影响：在反向偏置低压时探测器的暗电流主要由
产生复合电流构成,偏压再增大时,带与带间隧道电流对暗电流的贡献起主要作用,且光吸收层的载流子浓度对器件的暗电流有很大的影响。
结面积和压焊区尺寸对探测器暗电流影响：电极压焊区的大小及位置相关的表面漏电对探测器暗电流的影响不大,结区暗电流仍为器件暗电流的主要分量。
腐蚀速率和钝化技术对暗电流影响：腐蚀台面时腐蚀速率稍大, 侧向钻蚀较明显, 这会影响钝化层的淀积, 使部分有源区侧壁没有覆盖到钝化层, 而磁控溅射制作电极时, 金属与这些没有受到钝化保护的有源区形成肖特基势垒。肖特基势垒的电流输运机制很多, 其中一种机制是吸收层中含有许多位错缺陷, 这些位错缺陷会协助载流子通过隧穿方式穿越势垒而到达金属, 其电流表达式近似为I =Is exp(βV)。
温度特性对暗电流影响：零偏时,光电流在20℃以下随着温度的上升而变大,符合相关理论;但是,温度高于20℃后,光电流随温度增加的变化很小,甚至在升温时电流值略有下降。
暗电流掺杂浓度的影响
在忽略其他因素的条件下,双异质结探测器暗电流由四部分构成:扩散电流、产生复合电流、欧姆电流、表面复合电流和隧道电流。
扩散电流特性
扩散电流起源于耗尽区边缘p区和n区热激发产生的少数载流子向耗尽层的扩散。这里所模拟的器件是基于我们实际研制的p+-i-n+异质结台面结构,p区为重掺杂InP层,InP材料ni较小,扩散电流与n2i成正比,所以,p区向耗尽层的扩散电流可忽略不计,在此,只考虑层向耗尽层的扩散电流。表达式如下:
式中:ni为本征载流子浓度,Dp为i区中空穴扩散系数,τp为i区中空穴的寿命,Nd为i区的掺杂浓度,A是耗尽层与p区和i区的接触面积,V为探测器所加偏压。
复合电流特性
产生复合电流起源于势垒区热激发产生的载流子在电场作用下向势垒区两边的漂移运动,如式(2)所示:
式中:q为电子电量,τeff是有效载流子寿命, W为耗尽层宽度,W=[2εj(Vb+ V)/ qNd] 1/2,εj为i层介电常数, Vb为内建电势差, Vb=(kT/ q)In(Pp0/Pn0),Pp0为p区空穴浓度,Pn0为n区空穴浓度。
表面复合电流特性
表面复合电流是由于器件表面的热激发产生的载流子在电场作用下的漂移运动产生的表达式如下所示:
式中:S为表面复合速度。由式(3)可以看出Is与ni成正比,ni又与exp(- Eg/2kT)成正比,Eg为材料禁带宽度。所以一般在器件结构中采用宽禁带的半导体层来制作帽层以减小表面暗电流。
欧姆电流特性
欧姆电流表达式为
式中,Reff 为有效电阻,Ro 为理想的异质结阻抗,Rs 是由表面漏电流引起的并
联电阻 , Rd由有源区的位错引起的并联电阻
隧道电流特性
隧道电流主要起源于载流子穿过禁带的隧道效应,电压较高时,隧道电流将决定探测器的暗电流。隧道电流分为带与带间隧道电流和缺陷隧道电流,分别如式(4),(5)所示:
参数γ决定于隧穿载流子的始态与终态,对于带与带间隧道电流,γ=[(2 meEg)1/2 q3 EmV/4π2η2],me是InGaAs导带电子的有效质量,对于材料,me= m0,m0是电子静止质量,Eg为禁带宽度,Em是耗尽层电场强度,Em= 2(V+ Vb)/ W,Θ=α(2 me/ m0)1/2,α决定于隧穿势垒的具体形状,C1、C2为隧穿常数,Et为缺陷隧穿势垒。其中τeff,Θ,S,C1,C2为可调参数。我们以扩散电流,产生复合电流、表面复合电流和隧
道电流来模拟计算探测器(结构与实测器件结构相同)在反向偏压下的暗电流。计算中所用到的参数数值在表1中列出。模拟结果如图1所示：
图1 暗电流分量随反向偏压变化的模拟结果
实测数据及其与模拟结果的比较如图2所示,由图2可以看出,模拟结果较好地反映了实测结果的变化趋势。说明探测器在反向偏压下的暗电流特性。分析图中曲线可以发现,探测器暗电流随反向偏压变化有几个明显不同的区域。综合以上分析可以看出,对探测器,在反向偏置低压时探测器的暗电流主要由产生复合电流构成,偏压再增大时,带与带间隧道电流对暗电流的贡献起主要作用,且光吸收层的载流子浓度对器件的暗电流有很大的影响。此外由于材料及器件参数受生长条件,工艺处理等因素的影响,计算结果与实测结果仍存在着一定偏差。
结面积和压焊区尺寸对探测器暗电流的影响
为分析探测器的结面积对 PIN·343·探测器反向偏压下的暗电流的影响,我们制作了3种不同结面积(直径分别为50μm,100μm,150μm)的 PIN台面探测器,i层掺杂浓度为5× 1016 cm- 3,并分别测量了三者在室温(293 K)反向偏置下的I-V特性,如图3所示。由图可看出,
结面积越大,探测器反向偏压下的暗电流越大,这与预期相符。在反向偏压为5 V时,结面直径为50μm的器件暗电流为× 10- 9 A,结面直径为100μm的器件暗电流为× 10- 8 A,结面直径为150μm的器件暗电流为× 10- 8 A。在反向偏压为20 V时,结面直径为50μm的器件暗电流为×10- 7 A,结面直径为100
μm的器件暗电流为×10- 7 A,结面直径为150μm的器件暗电流为× 10- 7 A。三者存在着一定的比例关系,在反向偏压为5 V时三者比例为1∶∶,在反向偏压为20 V时,三者的比例为1∶∶,与其结面积之比1∶4∶9有较好的相关性,这说明对我们的器件结区的暗电流在总暗电流中仍起主要作用,但表面和压焊电
极的漏电也有一定影响。
本节从理论和实验上分析了探测器在不同掺杂浓度及反向偏压下的暗电流特性,结果表明在低偏压处产生复合电流起主要作用,偏压增大时,隧道电流对探测器暗电流的贡献起主要作用,且层的载流子浓度对探测器反向偏压下暗电流
有很大的影响,当载流子浓度由5×1016 cm- 3减小到5× 1015 cm- 3时,10 V 偏压下的暗电流约减小3倍。此外,本文通过对器件结面积和压焊电极尺寸对探测器反向偏压下暗电流影响的探讨表明,与电极压焊区的大小及位置相关的表面漏电对探测器暗电流的影响不大,结区暗电流仍为器件暗电流的主要分量。
腐蚀速率和表面钝化工艺对探测器暗电流的影响
样品A 、B 和C 的有效电阻Reff 分别为0 .14 、0 .32和0 .36 MΩ, 依次递增, 这大体上能够反映材料内部的性能。与上述结论类似, 数字递变超晶格DGS L1 能够减少吸收层中的位错, InP 缓冲层能减小衬底缺陷对吸收层的影响, 从而使整个样品的体电阻逐渐变大。另外从有效电阻数值上还可以判断并联电阻R s 和Rd 对总电阻的贡献较大, 而这又增加了器件的欧姆电流, 导致暗电流偏大。因此, 为了减少暗电流, 需要在材料生长和器件制作中加以改进。另外, 样品C 中还出现了一个较大的电流分量IM-S , 模拟的结果显示该电流分量表达式近似为I M-S=α×exp(βV), 其中α=0 .17 , β=3 .43 。此电流产生的可能原因是该样品在H3 PO4/ H2 O2 腐蚀台面时腐蚀速率稍大, 侧向钻蚀较明显, 这会影响钝化层的淀积, 使部分有源区侧壁没有覆盖到钝化层, 而磁控溅射制作电极时, 金属与这些没有受到钝化保护的有源区形成肖特基势垒。肖特基势垒的电流输运机制很多, 其中一种机制是吸收层中含有许多位错
缺陷, 这些位错缺陷会协助载流子通过隧穿方式穿越势垒而到达金属, 其电流表达式近似为I =Is exp(βV) 。为了减少这类电流, 需要进一步稳定腐蚀速率和提高钝化技术。
本节小结：PIN 探测器在室温下的暗电流特性。结果表明在零偏压附近暗电流主要为反向扩散电流, 随着电压增加, 产生复合电流、欧姆电流贡献逐渐增加。通过比较发现在InAlAs/InGaAs 异质界面处的数字递变超晶格和外延初始生长的InP 缓冲层能够有效地改善探测器的性能。此外为了进一步减小该类探测器工作在小偏压下的暗电流, 还需要优化缓冲层和界面结构以进一步提高材料生长质量以及改善芯片制作中的表面钝化工艺。
温度特性对暗电流影响
图3表明:零偏时,光电流在20℃以下随着温度的上升而变大,符合相关理论;但是,温度高于20℃后,光电流随温度增加的变化很小,甚至在升温时电流值略有下降。对于这一情况可作如下分析:
在非理想情况下,光电转换pn结的伏安特性可以描述为：
其中:Iph表示光生电流;Rs表示pn结串联体电阻(由体电阻、电极接触电阻和电极材料本身电阻构成);Rsh表示旁路电阻;I0表示pn结反向饱和电流;q表示电子电荷;K表示玻耳兹曼常数;T表示绝对温度。
为简化问题,设Rs= Rsh。外加偏压VR= 0时,式(1)变为：
图3中,IL-T曲线可用式(4)进行解释。温度上升会使半导体材料带隙变窄,可
能导致Voc下降[2]。Rs主要是高阻区(低掺杂区)体串联电阻,在温度较低时,低掺杂区存在较严重的载流子冻结效应[1],使材料电导率减小,电阻率或体电阻增加。在-50～+ 20℃内,载流子冻结效应随着温度的升高迅速减轻或消除,即Rs由低温时的较大值逐渐减小,此时Rs的减小相对Voc的减小起主导作用,导致IL上升。在20～ 50℃内载流子冻结效应已基本消除,随着温度的升高Rs变化很小,Voc减小起主导作用,从而导致IL值基本不变或者略有下降。由于整机使用的工作条件在-10～+ 50℃,而在室温附近这一范围内,图3光电流的变化幅度足够小(< 10%),因此符合使用要求。
暗电流稳定性分析小结
掺杂浓度、结面积、压焊区尺寸、温度、腐蚀速率和钝化技术等都会对探测器的暗电流稳定性的影响。要减小暗电流提高暗电流的稳定性,少子寿命和材料掺杂浓度应适当提高,但过高的掺杂浓度会使器件的反压过低,还会影响响应速度和光灵敏度,因此材料电阻率的选取应折中考虑；探测器反向偏压下暗电流影响的探讨表明,与电极压焊区的大小及位置相关的表面漏电对探测器暗电流的影响不大；只在表面pn结SiO2层上覆盖聚酰亚胺环形钝化膜,在其他大面积pn 结上不加聚酰亚胺钝化膜,既解决了芯片表面钝化问题,又保证了光电探测器的高光灵敏度；温度上升会使半导体材料带隙变窄,可能导致Voc下降[2]。Rs主要是高阻区(低掺杂区)体串联电阻,在温度较低时,低掺杂区存在较严重的载
流子冻结效应[1],使材料电导率减小,电阻率或体电阻增加，因此要让探测器的暗电流稳定，温度适中和恒定也是影响因素之一。
参考文献
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[2]InGaAsPIN光电探测器的暗电流特性研究_郝国强
[3]低暗电流InGaAsPIN光电二极管_KatsuyaHasegawa
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[5]具有高量子效率_低暗电流_高可靠_省略_面InGaAs_PIN光电二极管_李保根
[6]双异质结扩展波长InGaAsPIN光电探测器暗电流研究_李成
[7]中心带雪崩光电二极管的InGaAsPIN四象限探测器_石柱
[8]一种低暗电流高响度InGaAs_InPpin光电探测器_车相辉
[9]APD微弱光电信号探测技术研究_赵慧玲
[10]Ge_Si异质结及其光电探测器特性研究_魏莹
[11]半导体光电探测器中载流子输运过程研究_马丽芹
[12]光电探测器特性一体化实验系统研究_曲洪丰
[13]光探测器等效电路模型的建立与参数提取_许文彪
[14]硅基光电探测器的研究_周弘毅
[15]基于ADL5317雪崩二极管系统参数测试电路的设计_伍保红
自动控制原理实验报告
《自动控制原理》 实验报告 姓名： 学号： 专业： 班级： 时段： 成绩： 工学院自动化系
实验一 典型环节的MATLAB 仿真 一、实验目的 1．熟悉MATLAB 桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK 功能模块的使用方法。 2．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应曲线的理解。 3．定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、实验原理 1．比例环节的传递函数为 K R K R R R Z Z s G 200,1002)(211 212==-=-=- = 其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-3所示。 三、实验内容 按下列各典型环节的传递函数，建立相应的SIMULINK 仿真模型，观察并记录其单位阶跃响应波形。 ① 比例环节1)(1=s G 和2)(1=s G ； ② 惯性环节11)(1+= s s G 和1 5.01 )(2+=s s G ③ 积分环节s s G 1)(1= ④ 微分环节s s G =)(1 ⑤ 比例+微分环节（PD ）2)(1+=s s G 和1)(2+=s s G ⑥ 比例+积分环节（PI ）s s G 11)(1+=和s s G 211)(2+= 四、实验结果及分析 图1-3 比例环节的模拟电路及SIMULINK 图形
① 仿真模型及波形图1)(1=s G 和2)(1=s G ② 仿真模型及波形图11)(1+= s s G 和1 5.01)(2+=s s G 11)(1+= s s G 1 5.01 )(2+=s s G ③ 积分环节s s G 1)(1= ④ 微分环节
自动控制原理课程总结
自动控制原理课程总结 20091334023张杰 作为一门电子信息类的学生，专业的培养目标就是要求我们能够设计简单的控制电路，加之自己对单片机的兴趣，因此有必要学习自动控制原理这门课程。第一节课老师的一些理念我非常的认同，比如一门课程要把握这门课的整体框架，即这门课多的灵魂所在，毕竟我们学的东西很多，如果不每天使用这些，一段很长的时间以后我们又能够记得多少呢，把握一门课的整体框架很重要；还有就是老师强调的就是要培养自己快速学习的能力，这个世界有很多东西要学，我们所处的IT行业新知识的更新速度更是飞快，以后在工作岗位上的许多知识技能都要从头开始，一个人最大的竞争优势就是能在最短的时间内掌握应有的技能……当时我就暗暗高兴，觉得选修这门课时明智之举。 没有拿到书以前我所认为的子偶那个控制原理就是讲一些自动控制的某些方法，等接触到这门课程才发现这门课程用到了还多的方面的基本知识，深入了解之后才知道这门课程讲的是一些控制原理的一些原理，自动控制原理的思路，一些数学模型，以及线性系统的分析…… 本书的第一章对自动控制原理做了一个概述，正如老师所讲，学一门课程要先了解这门课程的整体结构，反馈的控制就是本书的重点，其基本原理是取被控量的反馈信息，用以不断地修正被控量与输入量之间的误差，从而实现对被控对象进行控制的任务。课程的主要内容包括：自动控制系统的基本组成和结构、自动控制系统的性能指标，自动控制系统的类型（连续、离散、线性、非线性等）及特点、自动控制系统的分析（时域法、频域法等）和设计方法等。这就是本书的整体框架。 第二章刚开始讲的就是《信号与系统》的主要内容，傅里叶变换和拉普拉斯变换的规则和性质，这是自动控制原理的基础与基本的数学工具。在给定的最小RLC无源网络中了解了线性微分方程的建立以及控制系统微分方程的建立以及求解方法。接着是控制系统的复数域数学模型，再次加强了传递函数的概念，我们接下来研究的好多性质都是围绕传递函数进行的，这是一个很重要的概念。在控制系统的结构图和信号的流图这节中我是真正掌握了控制原理图的读图方法，解答了我以前学《信号与系统》与系统时读不懂结构图的困惑，顿时豁然开朗。方框图和信号流图的变换和化简讲了好多的性质，对我们以后读懂结构图打下的基础，其中有许多法则在这里就不列出了，毕竟这不是这篇课程总结的目的。我感觉有个梅森公式很有用，有了这个公式，我们以后在解题时就可以省去好多的不必要浪费的时间，直接套用公式就可以求出传递函数，对解大题时分析思路有很大的帮助。 在确定系统的数学模型之后，我们可以用时域分析法，根轨迹法或频域分析法来分析线性系统的性能，第三章讲的就是线性系统的时域分析法，首先应掌握典型的输入输出信号，以及什么是动态和稳态过程以及它们的性能。重点是线性连续系统的动态过程分析。一阶系统的分析是指一阶微分方程作为运动方程的控制系统，需要掌握的内容是一届系统对典型输入信号的输出响应。二阶系统是指以二阶微分方程作为运动方程的控制系统，以二阶系统的单位阶跃响应为例，分别研究了欠阻尼的单位阶跃响应，临界阻尼，过阻尼二阶系统的单位阶跃响应。
自动控制原理论文
自动控制 摘要：综述了自动控制理论的发展情况，指出自动控制理论所经历的三个发展阶段，即经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。最后指出，各种控制理论的复合能够取长补短，是控制理论的发展方向。 自动控制理论是自动控制科学的核心。自动控制理论自创立至今已经过了三代的发展：第一代为20世纪初开始形成并于50年代趋于成熟的经典反馈控制理论；第二代为50、60年代在线性代数的数学基础上发展起来的现代控制理论；第三代为60年代中期即已萌芽，在发展过程中综合了人工智能、自动控制、运筹学、信息论等多学科的最新成果并在此基础上形成的智能控制理论。经典控制理论(本质上是频域方法)和现代控制理论(本质上是时域方法)都是建立在控制对象精确模型上的控制理论，而实际上的工业生产系统中的控制对象和过程大多具有非线性、时变性、变结构、不确定性、多层次、多因素等特点，难以建立精确的数学模型。因此，自动控制专家和学者希望能从要解决问题领域的知识出发，利用熟练操作者的丰富经验、思维和判断能力，来实现对上述复杂系统的控制，这就是基于知识的不依赖于精确的数学模型的智能控制。本文将对经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论的发展情况及基本内容进行介绍。 1自动控制理论发展概述 自动控制是指使用自动化仪器仪表或自动控制装置代替人 自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制，使之达到预期的状态或性能指标。对传统的工业生产过程采用自动控制技术，可以有效提高产品的质量和企业的经济效益。对一些恶劣环境下的控制操作，自动控制显得尤其重要。 自动控制理论是和人类社会发展密切联系的一门学科，是自动控制科学的核心。自从19世纪M ax we ll对具有调速器的蒸汽发动机系统进行线性常微分方程描述及稳定性分析以来，经过20世纪初Ny qu i s t，B od e，Ha rr is，Ev ans，W ie nn er，Ni cho l s等人的杰出贡献，终于形成了经典反馈控制理论基础，并于50年代趋于成熟。经典控制理论的特点是以传递函数为数学工具，采用频域方法，主要研究“单输入—单输出”线性定常控制系统的分析和设计，但它存在着一定的局限性，即对“多输入—多输出”系统不宜用经典控制理论解决，特别是对非线性、时变系统更
自动控制原理实验报告
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： TS S Ui S Uo 1 )()(= (3)阶跃响应： ) 0(1)(≥= t t T t Uo 其中 C R T 0= (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 。
1 Uo 0t Ui(t) Uo(t) 理想阶跃响应曲线 0.4s 1 Uo 0t Ui(t) Uo(t) 实测阶跃响应曲线 0.4s 10V 无穷 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 ②取 R0=R1=200K；C=2uF。 K 1 + U i(S)+ U o(S) + Uo 10V U o(t) 2 U i(t ) 0 0 .2s t Uo 无穷 U o(t) 2 U i(t ) 0 0 .2s t
自动控制原理MATLAB仿真实验报告
实验一 MATLAB 及仿真实验（控制系统的时域分析） 一、实验目的 学习利用MATLAB 进行控制系统时域分析，包括典型响应、判断系统稳定性和分析系统的动态特性； 二、预习要点 1、 系统的典型响应有哪些？ 2、 如何判断系统稳定性？ 3、 系统的动态性能指标有哪些？ 三、实验方法 （一） 四种典型响应 1、 阶跃响应： 阶跃响应常用格式： 1、)(sys step ；其中sys 可以为连续系统，也可为离散系统。 2、),(Tn sys step ；表示时间范围0---Tn 。 3、),(T sys step ；表示时间范围向量T 指定。 4、),(T sys step Y =；可详细了解某段时间的输入、输出情况。 2、 脉冲响应： 脉冲函数在数学上的精确定义：0 ,0)(1)(0 ?==?∞ t x f dx x f 其拉氏变换为：) ()()()(1)(s G s f s G s Y s f === 所以脉冲响应即为传函的反拉氏变换。 脉冲响应函数常用格式： ① )(sys impulse ； ② ); ,();,(T sys impulse Tn sys impulse ③ ),(T sys impulse Y = （二） 分析系统稳定性 有以下三种方法： 1、 利用pzmap 绘制连续系统的零极点图； 2、 利用tf2zp 求出系统零极点； 3、 利用roots 求分母多项式的根来确定系统的极点 （三） 系统的动态特性分析 Matlab 提供了求取连续系统的单位阶跃响应函数step 、单位脉冲响应函数impulse 、零输入响应函数initial 以及任意输入下的仿真函数lsim.
自动控制原理大纲
自动控制原理教学大纲 自动控制原理 课程性质：专业技术基础课程 开设学期学时分配：第5学期 适用专业及层次：自动化、测控技术及仪器等工科类大学本科 先行、后继课程情况：先行课：工程数学１、２，电工、电子技术基础等 后继课：过程控制工程，运动控制系统等 推荐参考书： 1．《现代控制工程》绪方胜彦著（卢伯英佟明安罗维铭译）科学出版社 2．《自动控制原理与系统》上、下册清华大学吴麒等国防工业出版社 3.《自动控制原理》孙德宝主编化学工业出版社 4．《自动控制原理》天津大学李光泉主编机械工业出版社 5．《自动控制理论》侯夔龙主编西安交通大学出版社 6．《现代控制工程》第三版 [美] Katsuhiko Ogata 著 卢伯英于海勋等译电子工业出版 一、课程目的及要求： 本课程是自动化专业及其相关专业的一门主要技术基础课，是与后续专业课紧密相关的一门理论性较强的课程。重点在于学习反馈控制系统的基本理论及基本方法，掌握控制系统的分析，设计方法和技能，并能在后续专业课中应用其理论及方法进行分析和设计控制系统的任务。 本课程重点是线性、连续系统的基本理论，以掌握时域法、根轨迹法和频域法三大经典方法为基本要求。又本着适当扩充现代控制理论的思想，要求掌握状态空间分析法的基本方法和简单应用。对于非线性系统和离散时间系统的分析方法有一定程度的了解。 本课程教学学时数为90学时。 二、课程内容及学时分配： 第一章概述（3学时）介绍本课程研究的课题及方法，明确本课程的目的，介绍自动控制系统的基本原理与方式，控制系统的组成及系统的分类。 1．本课程研究课题及方法 1）自动控制系统的概念及在国民经济中的作用 2）研究对象及课题 3）自动控制理论的发展概况，经典理论与现代理论及其关系 4）课程的内容及特点 2．控制系统简介 1）控制系统的基本组成 2）控制系统的常用术语 3）自动控制系统示例 4）自动控制系统的分类 5）对自动控制系统的基本要求 第二章控制系统的数学模型（10 学时）介绍数学模型的概念，数学模型在分析、研究系统中的重要性，讲解常用的建模方法。1．系统的静态和动态特性 静态、动态特性的概念，动态特性在系统分析研究的作用以及数学描述
自控力调查报告
精心整理关于青少年自控力研究的调查报告 姓名：刘晓霞、黎亚文、张容榕、 杜雅玲、钟彩凤、何林兰 二、文献综述............................. 错误!未指定书签。 （一）青少年自控力相关概念的研究..... 错误!未指定书签。 （二）青少年自控力表现的研究......... 错误!未指定书签。 （三）青少年自控力影响因素的研究..... 错误!未指定书签。 （四）青少年自控力影响的研究......... 错误!未指定书签。
（五）提高青少年自控力对策的研究..... 错误!未指定书签。 三、调查结果分析......................... 错误!未指定书签。 （一）青少年自控力表现............... 错误!未指定书签。 （二）青少年自控力的影响因素......... 错误!未指定书签。 （三）提高青少年自控力对策........... 错误!未指定书签。 意志 自控力，对于人的一生都是非常重要的尤其是青少年。在媒体报纸上，经常可以看到青少年走自杀、青少年变成混混、青少年吸毒等等不良现象，在学校，也可以经常听到“某某同学上课打瞌睡”、“某某同学逃课上网吧”等话语，这说明当代青少年的自控力较弱，没有控制自己、青少年自控力低下现象已经引起家长、学校和社会的广泛关注。 通过对中学生(包括初中、高中生)自控力偏弱的相关表现、影响因素以及相应的对策的调查研究，进一步了解当代青少年（主要是中学生）自控力的现状，并为提升青少年自控力提出可借鉴的策略。 通过对中学生自控力的研究，一方面，可以警醒父母提升对孩子的关注度和责任感，提高家庭
北航自动控制原理实验报告(完整版)
自动控制原理实验报告 一、实验名称：一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试 二、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 三、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时的响应曲线，测定过渡过程时间T s 2、建立二阶系统电子模型，观测并记录不同阻尼比的响应曲线，并测定超调量及过渡过程时间T s 四、实验原理及实验数据 一阶系统 系统传递函数： 由电路图可得，取则K=1，T分别取：0.25, 0.5, 1 T 0.25 0.50 1.00 R2 0.25MΩ0.5M Ω1MΩ C 1μ1μ1μ T S 实测0.7930 1.5160 3.1050 T S 理论0.7473 1.4962 2.9927 阶跃响应曲线图1.1 图1.2 图1.3 误差计算与分析 （1）当T=0.25时，误差==6.12%； （2）当T=0.5时，误差==1.32%； （3）当T=1时，误差==3.58% 误差分析：由于T决定响应参数，而,在实验中R、C的取值上可能存在一定误差，另外，导线的连接上也存在一些误差以及干扰，使实验结果与理论值之间存在一定误差。但是本实验误差在较小范围内，响应曲线也反映了预期要求，所以本实验基本得到了预期结果。 实验结果说明 由本实验结果可看出，一阶系统阶跃响应是单调上升的指数曲线，特征有T确定，T越小，过度过程进行得越快，系统的快速性越好。 二阶系统 图1.1 图1.2 图1.3
系统传递函数： 令 二阶系统模拟线路 0.25 0.50 1.00 R4 210.5 C2 111 实测45.8% 16.9% 0.6% 理论44.5% 16.3% 0% T S实测13.9860 5.4895 4.8480 T S理论14.0065 5.3066 4.8243 阶跃响应曲线图2.1 图2.2 图2.3 注：T s理论根据matlab命令[os,ts,tr]=stepspecs(time,output,output(end),5)得出，否则误差较大。 误差计算及分析 1）当ξ=0.25时，超调量的相对误差= 调节时间的相对误差= 2）当ξ=0.5时，超调量的相对误差==3.7% 调节时间的相对误差==3.4% 4）当ξ=1时，超调量的绝对误差= 调节时间的相对误差==3.46% 误差分析：由于本试验中，用的参量比较多，有R1,R2,R3,R4;C1,C2;在它们的取值的实际调节中不免出现一些误差，误差再累加，导致最终结果出现了比较大的误差，另外，此实验用的导线要多一点，干扰和导线的传到误差也给实验结果造成了一定误差。但是在观察响应曲线方面，这些误差并不影响，这些曲线仍旧体现了它们本身应具有的特点，通过比较它们完全能够了解阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系，不影响预期的效果。 实验结果说明 由本实验可以看出，当ωn一定时，超调量随着ξ的增加而减小，直到ξ达到某个值时没有了超调；而调节时间随ξ的增大，先减小，直到ξ达到某个值后又增大了。 经理论计算可知，当ξ=0.707时，调节时间最短，而此时的超调量也小于5%，此时的ξ为最佳阻尼比。此实验的ξ分布在0.707两侧，体现了超调量和调节时间随ξ的变化而变化的过程，达到了预期的效果。 图2.2 图2.1 图2.3
自动控制原理概述及开闭环实例分析
自动控制原理概述及开闭环实例分析 摘要 本文简单介绍了自动控制的基本原理和发展概况，并从开环控制和闭环控制两方面对自动控制原理进行了详细介绍。列举了开环控制和闭环控制的几个实例，结合实例分析了开环控制和闭环的优缺点，并对两种控制方式进行了对比。 关键词：自动控制、基本原理、开环、闭环 1自动控制基本原理及发展概述 所谓的自动控制，就是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备(称为控制器)操作被控对象（如机器、设备或生产过程）的某个状态或参数（称为被控量），使其按预先设定的规律自动运行。 一般情况下自动控制理论的发展过程可以分为以下三个阶段： 1.1经典控制理论时期 时间为20世纪40-60年代，经典控制理论主要是解决单输入单输出问题，主要采用以传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。此阶段所研究的系统大多是线性定常系统，对非线性系统，分析时采用的相平面法一般不超过两个变量。 1.2现代控制理论时期 时间为20世纪60-70年代，这个时期由于计算机的飞速发展，推动了空间技术的发展。经典控制理论中的高阶常微分方程可以转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程，这种方法可以解决多输入多输出问题，系统既可以是线性的、定常的，也可以是非线性的、时变的。 1.3大系统理论、智能控制理论时期 时间为20世纪70年代末至今，控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展。“大系统理论”是用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术理论基础。而“智能控制”是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研究具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。 2自动控制系统分类 按照控制方式和策略，系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。 2.1开环控制系统 开环控制系统是一种简单的控制系统，在控制器和控制对象间只有正向控制作用，系统的输出量不会对控制器产生任何影响，如图1所示。在该类控制系统中，对于每一个输入量，就有一个与之对应的工作状态和输出量，系统的精度仅取决于元件的精度和执行机构的调整精度。 控制量输出量 图1 开环控制系统
自动控制原理课程设计报告
成绩： 自动控制原理 课程设计报告 学生姓名：黄国盛 班级：工化144 学号：201421714406 指导老师：刘芹 设计时间：2016.11.28-2016.12.2
目录 1.设计任务与要求 (1) 2.设计方法及步骤 (1) 2.1系统的开环增益 (1) 2.2校正前的系统 (1) 2.2.1校正前系统的Bode图和阶跃响应曲线 (1) 2.2.2MATLAB程序 (2) 3.3校正方案选择和设计 (3) 3.3.1校正方案选择及结构图 (3) 3.3.2校正装置参数计算 (3) 3.3.3MATLAB程序 (4) 3.4校正后的系统 (4) 3.4.1校正后系统的Bode图和阶跃响应曲线 (4) 3.4.2MATLAB程序 (6) 3.5系统模拟电路图 (6) 3.5.1未校正系统模拟电路图 (6) 3.5.2校正后系统模拟电路图 (7) 3.5.3校正前、后系统阶跃响应曲线 (8) 4.课程设计小结和心得 (9) 5.参考文献 (10)
1.设计任务与要求 题目2：已知单位负反馈系统被控制对象的开环传递函数 ()() 00.51K G s s s =+用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计。 任务：用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计，使系统满足如下动态及静态性能 指标： （1）在单位斜坡信号作用下，系统的稳态误差0.05ss e rad <； （2）系统校正后，相位裕量45γ> 。 （3）截止频率6/c rad s ω>。 2.设计方法及步骤 2.1系统的开环增益 由稳态误差要求得：20≥K ，取20=K ；得s G 1s 5.0201)s(0.5s 20)s (20+=+=2.2校正前的系统 2.2.1校正前系统的Bode 图和阶跃响应曲线 图2.2.1-1校正前系统的Bode 图
自动控制原理 典型系统分析报告
222010322072023 付珣利自动化01班位置随动系统： 控制系统原理图 （作业一） 1.1系统方块图 放大器K1 测速转换 测速电机 TG 电机SM 功放K3 放大器K2u -uo δu ui n 1.2控制方案 若电网电压受到波动，ui↑则δu↑u↑n↑uo↑ 所以δu↓u↓n↓从而使n达到稳定。 （作业二） 2.1由原理可知：
Θe （s ）=Θi （s ）—Θ0（s ） US （s ）=K0Θe （s ） Us （s ）=Raia(s)+LaSia+Eb （s ） M(s)=C m ia(s) JS 2θ0(S)+fs θ0(S)= M(s)-Mc (s) Eb(s)=Kb θ0(S) 2.2系统传递函数 ) ()(0s s i θθ=() ))((1) )((1)(1))((3 2103 210f JS R S L S K C f JS R S L S C K K K K f JS R S L S K C f JS R S L S C K K K K a a b m a a m a a b m a a m +++ ++++++ ++= m b m a a m C K K K K K C f JS R S L S C K K K K 32103210))((++++ 2.3动态结构图 设定参数：f=20N,J=20K ·m 2,a R =20 Ω,La=1H,Ko=40,k1k2k3=100,Cm=1,Kb=0 （因为暂取Kb=0，测速反馈通道相当于没加进）
K=101/(0.05S+1)1/S(S+1)δU n Ui -u 图.动态结构图 则开环传递函数为：G(s)= ) 105.0)(1(10 ++s s s 闭环传递函数：Ψ（s ）=10 )105.0)(1(10 +++s s s 2.4信号流图 1/(0.05s+1)1/s(s+1) 10 -1 （作业三）系统性能 3.1系统响应及动态性能指标 单位阶跃响应曲线： 由阶跃响应曲线可得知：系统是稳定的，但震荡次数较多。由闭环主导极点
自动控制原理实验报告73809
-150-100 -50 50 实验一 典型环节的模拟研究及阶跃响应分析 1、比例环节 可知比例环节的传递函数为一个常数： 当Kp 分别为0.5，1，2时，输入幅值为1.84的正向阶跃信号，理论上依次输出幅值为0.92，1.84，3.68的反向阶跃信号。实验中，输出信号依次为幅值为0.94，1.88，3.70的反向阶跃信号， 相对误差分别为1.8%,2.2%,0.2%. 在误差允许范围内可认为实际输出满足理论值。 2、 积分环节 积分环节传递函数为： （1）T=0.1(0.033)时，C=1μf (0.33μf )，利用MATLAB ，模拟阶跃信号输入下的输出信号如图： T=0.1 T=0.033 与实验测得波形比较可知，实际与理论值较为吻合，理论上T=0.033时的波形斜率近似为T=0.1时的三倍，实际上为8/2.6=3.08，在误差允许范围内可认为满足理论条件。 3、 惯性环节 i f i o R R U U -=TS 1 CS R 1Z Z U U i i f i 0-=-=-=15 20
惯性环节传递函数为： K = R f /R 1,T = R f C, （1） 保持K = R f /R 1 = 1不变，观测T = 0.1秒，0.01秒（既R 1 = 100K,C = 1μf ， 0.1μf ）时的输出波形。利用matlab 仿真得到理论波形如下： T=0.1时 t s （5%）理论值为300ms,实际测得t s =400ms 相对误差为：（400-300）/300=33.3%,读数误差较大。 K 理论值为1，实验值2.12/2.28， 相对误差为（2.28-2.12）/2.28=7%与理论值 较为接近。 T=0.01时 t s （5%）理论值为30ms,实际测得t s =40ms 相对误差为：（40-30）/30=33.3% 由于ts 较小，所以读数时误差较大。 K 理论值为1，实验值2.12/2.28， 相对误差为（2.28-2.12）/2.28=7%与理论值较为接近 （2） 保持T = R f C = 0.1s 不变，分别观测K = 1，2时的输出波形。 K=1时波形即为（1）中T0.1时波形 K=2时，利用matlab 仿真得到如下结果： t s （5%）理论值为300ms,实际测得t s =400ms 相对误差为：（400-300）/300=33.3% 读数误差较大 K 理论值为2，实验值4.30/2.28， 1 TS K )s (R )s (C +-=
(完整word版)自动控制原理说课
《自动控制原理》说课稿 一、教材 1、教学用教材： 《自动控制原理》：高等工科院校控制类课程系列化教材 主编：孙亮、杨鹏 北京工业大学出版社 这本教材从工程实际应用的角度出发，注重基础性、系统性和实用性，较深入地介绍了自动控制系统的数学描述方法、时域分析、频域分析方法等。全书共八章（具体内容在教学设计过程中进行详细介绍），每一章后面都给出了相应的习题，并在书中提供了部分习题参考答案供学生参考、对照。 另外，这门自动控制原理课程是计算机控制技术课程的先修前导课程，只有把这门课程学好，才能更好的学习计算机控制技术（计算机控制这门课程在本届学生下学期学习）。 2、辅助教材：《自动控制原理》科学出版社 《现代控制理论》清华大学出版社 3、先修后续课： 先修：《电路分析》、《复变函数》 后续：《现代控制理论》、《计算机控制技术》、《嵌入式技术》 二、教学方法与教学设计过程 （一）课程的简要介绍 1、自动控制原理课程本身要大量用到Laplace变换、复变函数理论，所以要想学好自动控制原理，首先得看看自己的大学数学基础有没有打扎实了（尤其是复变函数与积分变换）。 2、除了应该具备的数学基础外，还需有处理相关专业知识的能力。比如建立实际系统的物理模型，这里就需要有良好的电路（主要是模拟电路）、大学物理、机械原理的知识。同时还需要有一定的数学建模能力。 3、正是因为课程中充满了数学，所以千万不要把自动控制原理当成数学来学，那样会越学越迷糊，甚至会最终怀疑控制理论的科学性。因为若当作一门数学课，你掌握的只是一些方程的操作和图形的画法，你无法理解为什么实际的系统会遵
循控制理论所描述的规律（比如水位能够被精确的控制），这会让你觉得是完全是数学的作用，而忽略了自动控制的基本思想以及这些数学方程背后所受到物理规律支配这一事实。 4、学自动控制原理，掌握基本的控制思想是最重要的（它有别于数学思想、物理思想）。大学阶段所学的自动控制原理主要涉及经典控制理论，所以它最根本的控制思想是【负反馈思想】，很多稳定性理论都是立足于这一思想上建立的，所以数学虽然很重要，但数学对于自动控制理论来说只是一个强有力的工具。 5、要珍惜每次做练习题的机会。题目不在多、在精，一般把书本上每章后面的习题全部掌握，你就算达到基本掌握的程度了。 6、讲仿真软件要认真听。每次程序都要开动自己的脑筋，不要机械的按照老师的步骤输入到计算机中，要有自己的程序方法。 7、要树立学好自动控制原理的信心。要知道，能够接触到人类历史上尤其是19、20世纪的革命性的著名理论与思想，应该感到自豪。 （二）教学内容的组织 1、对控制系统的定性描述上升到对控制系统的定量描述。讲好这一点很重要，它能让学生学习工程技术学科的一般的方法，学会如何从大量的、实际的、具体的物理或化学系统，通过系统中的机理关系，建立起统一的数学模型，将个性问题共性化，将具体问题抽象化，从而利用教学的方法进行定量研究，再回到实际的系统中。 2、稳定、稳态、动态----“三态”去描述系统的性能，“三态”的思想要贯穿在课程讲授的始终，围绕系统的三态进行分析和设计。 3、讲好代数描述和几何描述的关系和变换，使学生学会利用数学工具，从多个角度描述问题和看问题，在“自动控制原理”课程中要用到：微分方程模型、传递函数模型、方框图模型、根轨迹模型、脉冲响应模型、Bode图、Nyquist图等多种模型的表示形式，这些模型中有着十分有意义的关系。比如：控制系统的根轨迹图它既能定量地将控制系统的模型描述出来，还能直接地表示出控制系统的性能；在控制系统的Bode图上，既表现了系统中的数量关系又表现了系统的性能优劣；等等。这些方法的讲解，可以引导学生学习和思考如何利用工具，将实际问题与抽象描述相结合，对于学生分析问题的能力有很大的帮助。
自动控制原理实验报告 (1)
实验1 控制系统典型环节的模拟实验（一） 实验目的： 1．掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。 2．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。 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。 实验内容及步骤 实验内容： 观测比例、惯性和积分环节的阶跃响应曲线。 实验步骤： 分别按比例，惯性和积分实验电路原理图连线，完成相关参数设置，运行。 ①按各典型环节的模拟电路图将线接好(先接比例)。(PID先不接) ②将模拟电路输入端(U i)与阶跃信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端(Uo)接至示波器。 ③按下按钮(或松开按钮)SP时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo(t)，且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果。 ④同理得积分和惯性环节的实际响应曲线，它们的理想曲线和实际响应曲线。 实验数据
实验二控制系统典型环节的模拟实验（二） 实验目的 1．掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。 2．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。 实验仪器 1．自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台 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。 实验内容及步骤 内容： 观测PI，PD和PID环节的阶跃响应曲线。 步骤： 分别按PI，PD和PID实验电路原理图连线，完成相关参数设置，运行 ①按各典型环节的模拟电路图将线接好。 ②将模拟电路输入端(U i)与方波信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端(Uo)接至示波器。 ③用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo(t)，且将结果记下。改变参数，重新观测结果。 实验数据 实验结论及分析
自动控制原理 课后习题答案
第1章控制系统概述 【课后自测】 1-1 试列举几个日常生活中的开环控制与闭环控制系统,说明它们的工作原理并比较开环控制与闭环控制的优缺点。 解:开环控制——半自动、全自动洗衣机的洗衣过程。 工作原理:被控制量为衣服的干净度。洗衣人先观察衣服的脏污程度,根据自己的经验,设定洗涤、漂洗时间,洗衣机按照设定程序完成洗涤漂洗任务。系统输出量(即衣服的干净度)的信息没有通过任何装置反馈到输入端,对系统的控制不起作用,因此为开环控制。 闭环控制——卫生间蓄水箱的蓄水量控制系统与空调、冰箱的温度控制系统。 工作原理:以卫生间蓄水箱蓄水量控制为例,系统的被控制量(输出量)为蓄水箱水位(反应蓄水量)。水位由浮子测量,并通过杠杆作用于供水阀门(即反馈至输入端),控制供水量,形成闭环控制。当水位达到蓄水量上限高度时,阀门全关(按要求事先设计好杠杆比例),系统处于平衡状态。一旦用水,水位降低,浮子随之下沉,通过杠杆打开供水阀门,下沉越深,阀门开度越大,供水量越大,直到水位升至蓄水量上限高度,阀门全关,系统再次处于平衡状态。 1-2 自动控制系统通常有哪些环节组成？各个环节分别的作用就是什么？ 解:自动控制系统包括被控对象、给定元件、检测反馈元件、比较元件、放大元件与执行元件。各个基本单元的功能如下: (1)被控对象—又称受控对象或对象,指在控制过程中受到操纵控制的机器设备或过程。 (2)给定元件—可以设置系统控制指令的装置,可用于给出与期望输出量相对应的系统输入量。 (3)检测反馈元件—测量被控量的实际值并将其转换为与输入信号同类的物理量,再反馈到系统输入端作比较,一般为各类传感器。 (4)比较元件—把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的给定值进行比较,分析计算并产生反应两者差值的偏差信号。常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置与电桥等。 (5)放大元件—当比较元件产生的偏差信号比较微弱不足以驱动执行元件动作时,可通过放大元件将微弱信号作线性放大。如电压偏差信号,可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大器与功率放大级加以放大。 (6)执行元件—用于驱动被控对象,达到改变被控量的目的。用来作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等。 (7)校正元件:又称补偿元件,它就是结构或参数便于调整的元件,用串联或反馈的方式连接在系统中,以改善控制系统的动态性能与稳态性能。 1-3 试阐述对自动控制系统的基本要求。 解:自动控制系统的基本要求概括来讲,就就是要求系统具有稳定性、准确性与快
自动控制原理课程设计报告
自控课程设计课程设计(论文) 设计（论文）题目单位反馈系统中传递函数的研究 学院名称Z Z Z Z学院 专业名称Z Z Z Z Z 学生姓名Z Z Z 学生学号Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z 任课教师Z Z Z Z Z 设计（论文）成绩
单位反馈系统中传递函数的研究 一、设计题目 设单位反馈系统被控对象的传递函数为 ) 2)(1()(0 0++= s s s K s G （ksm7） 1、画出未校正系统的根轨迹图，分析系统是否稳定。 2、对系统进行串联校正，要求校正后的系统满足指标： （1）在单位斜坡信号输入下，系统的速度误差系数=10。 （2）相角稳定裕度γ>45o , 幅值稳定裕度H>12。 （3）系统对阶跃响应的超调量Mp <25%,系统的调节时间Ts<15s 3、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。 4、给出校正装置的传递函数。计算校正后系统的截止频率Wc 和穿频率Wx 。 5、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。 6、在SIMULINK 中建立系统的仿真模型，在前向通道中分别接入饱和非线性环节和回环非线性环节，观察分析非线性环节对系统性能的影响。 7、应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响（自由发挥）。 二、设计方法 1、未校正系统的根轨迹图分析 根轨迹简称根迹，它是开环系统某一参数从0变为无穷时，闭环系统特征方程式的根在s 平面上变化的轨迹。 1）、确定根轨迹起点和终点。 根轨迹起于开环极点，终于开环零点；本题中无零点，极点为：0、-1、-2 。故起于0、-1、-2，终于无穷处。 2）、确定分支数。 根轨迹分支数与开环有限零点数m 和有限极点数n 中大者相等，连续并且对称于实轴；本题中分支数为3条。
自控实验报告5
实验报告（5） 实验名 称 实验五线性系统串联校正 实验日期2014-6-6 指导教 师 于海春
一、实验目的 1．熟练掌握用MATLAB 语句绘制频域曲线。 2．掌握控制系统频域范围内的分析校正方法。 3．掌握用频率特性法进行串联校正设计的思路和步骤。 二、预习要求 1．熟悉基于频率法的串联校正装置的校正设计过程。 2．熟练利用MATLAB 绘制系统频域特性的语句。 三、实验内容 1．某单位负反馈控制系统的开环传递函数为4 ()(1) G s s s = +，试设计一超前校正装置，使校正后系统的静态速度误差系数120v K s -=，相位裕量050γ=，增益裕量20lg 10g K dB =。 2．某单位负反馈控制系统的开环传递函数为3 ()(1)k G s s = +，试设计一个合适的滞后校正网络，使系统阶跃响应的稳态误差约为0.04，相角裕量约为045。 3．某单位负反馈控制系统的开环传递函数为()(1)(2) K G s s s s = ++，试设计一滞后-超前校正 装置，使校正后系统的静态速度误差系数110-=s K v ，相位裕量0 50=γ，增益裕量 dB K g 10lg 20≥。 三、实验结果分析 1．开环传递函数为的系统的分析及其串联超前校正： （1）取K=20，绘制原系统的Bode 图： ①源程序代码： num0=20; den0=[1,1,0]; w=0.1:1000; [gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0); [mag1,phase1]=bode(num0,den0,w); [gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)
自动控制原理课程设计
物理科学与工程技术学院 课程设计说明书 课题名称：自动控制原理 设计题目：自动控制与检测原理 专业班级：11级自动化 学生姓名：袁 学号：1134307138
自动控制系统 为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度，压力或飞行航迹等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。 自动检测 检测是指为确定产品、零件、组件、部件或原材料是否满足设计规定的 质量标准和技术要求目标值而进行的测试、测量等质量检测活动。检测有3个目标：①实际测定产品（含零、部件）的规定质量特性及其指标的量值。② 根据测得值的偏离状况，判定产品的质量水平（等级）,确定废次品。③认定测量方法的正确性和对测量活动简化是否会影响对规定特征的控制 自动检测是指在计算机控制的基础上，对系统、设备进行性能检测和故障诊断。他是性能检测、连续监测、故障检测和故障定位的总称。现代自动检测技术是计算机技术、微电子技术、测量技术、传感技术等学科共同发展的产物。凡是需要进行性能测试和故障诊断的系统、设备，均可以采用自动检测技术
课程内容——设计一个雷达天线伺服控制系统 1 雷达天线伺服控制系统简介 1.1 概述 用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。它是由若干元件和部件组成的并具有功率放大作用的一种自动控制系统。位置随动系统的输入和输出信号都是位置量，且指令位置是随机变化的，并要求输出位置能够朝着减小直至消除位置偏差的方向，及时准确地跟随指令位置的变化。位置指令与被控量可以是直线位移或角位移。随着工程技术的发展，出现了各种类型的位置随动系统。由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，并成功应用在雷达天线。伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。此外，也可采取附加措施来提高系统的精度，采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道，直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。因此可根据这个特征将它划分为两个类型，一类是模拟式随动系统，另一类是数字式随动系统。本设计——雷达天线伺服控制系统实际上就是随动系统在雷达天线上的应用。系统的原理图如图1-1 所示。
自动控制原理总结报告
HEFEI UNIVERSITY 自动控制原理总结报告 专业自动化 班级 09自动化<1>班 姓名梁超 学号 0905073006 完成时间 2011/12/28
自动控制原理总结报告 摘要: 本学期我们学习了自动控制原理的前前8章，重点介绍了前6章，离散系统的分析与线性系统类似。 自动控制技术所取得的成就和起到的作用给各行各业的人们留下了深刻的印象。从最初的机械转速、位移的控制到工业过程中对温度、压力、流量、物位的控制，从远洋巨轮到深水潜艇的控制，而今的数控机床，汽车工业，自动控制技术的应用几乎无处不在。关键是自动控制理论和技术已经介入到了电气、机械、航空、化工、核反应等诸多的学科和领域。所以越来越多的工程技术人员和科学工作者开始了解和关注自动控制的知识。 关键字：控制方法发展 正文: 一、自动控制理论的分析方法：（1）时域分析法；（2）频率法；（3）根轨迹法；（4）状态空间方法；（5）离散系统分析方法；（6）非线性分析方法 系统的数学模型(1)解析表达：微分方程；差分方程；传递函数；脉冲传递函数；频率特性；脉冲响应函数；阶跃响应函数(2)图形表达：动态方框图（结构图）；信号流图；零极点分布；频率响应曲线；单位阶跃响应曲线 自动控制原理基础系列课程内容体系具有系统性、科学性、先进性、实用性，对课程体系进行了改革确立了以系统分析、系统建模、系统综合为自动控制原理课程的主线构建了由时域分析、复域分析、频域分析、系统校正4个模块构成的知识体系。 从课程的体系出发以系统建模→系统分析→综合设计作为课程主线。数学模型是描述系统内部各物理量或变量之间关系的数学表达式建立一个合理的模型是系统分析和设计的前提。从不同的角度对系统进行建模加深对这方面内容的理解。例如可用船舶上的电机调速系统为例通过建立它的微分方程、传递函数、结构图、信号流图这些不同的数学模型来建立各模型的联系。 系统分析方法是控制系统综合设计的基础这部分的内容主要包括时域分析法、根轨迹法、频域响应法是控制理论的重点。在控制系统中稳定性、快速性和准确性是对控制系统的基本要求也是衡量系统性能的重要指标控制系统不同的分析问题方法都是紧紧围绕这三个方面展开的。只要抓住这个特点就抓住了系统分析的关键有助于加深对不同方法的理解。例如以我军某军舰上的雷达定位系统为例假设给定目标信号要求设计控制器使系统在给定输入下跟踪指定目标最小且抗干扰性最好。这些生动的工程实例大大激发了我的兴趣使我感受到了控制理论的魅力深刻理解了 结合控制理论的发展更新教学内容近年来控制理论得到了蓬勃发展特别在非线性控制、分布参数控制、鲁棒控制、自适应控制、智能控制等方向上取得了重要进展。例如每章结束后都开设一个专题介绍本学科的发展动态这种方法扩大了我们的知识面培养了我们探索科学技术的兴趣。结合船舶电气的发展而言近几年来随着电力、电子、控制技术、通讯及信息技术等的不断发展及其在船舶上的广泛应用船舶电气自动化程度大大地提高。新一代大功率半导体电力电子器件在