最新自动控制原理第九章大学课件

第九章非线性控制系统简介 1 主要内容简介 Description Function（描述函数）Lyapunov（李亚普诺夫）稳定性分析 2 简介简介回顾非线性系统特点

研究非线性系统的意义与方法典型非线性特性的数学描述 3 简介 1. 回顾

到目前为止前面的分析与设计都是基于线性系统的.

许多实际系统在某个操作点附近都可以近似为线性系统. 但是

非线性特性问题仍然不容忽视，本章就非线性控制进行简要介绍. 4 简介 x1 t y1 t x 2 t y 2 t 2. 非线性系统特点 a1 x1 t a 2 x 2 t a1 y1 t a 2 y 2 t

非线性系统与线性控制系统相比，具有一系列新的特点 1

线性系统满足叠加原理，而非线性控制系统不满足叠加原理（指同时满足叠加性与

均匀性

虽然非线性系统通过利用非线性滤波，可使系统满足叠加性（如图示），但不可能

满足均匀性。滤波器 I 非线性器件 I X1X2 Y1＋Y2 滤波器 II 非线性器件 II

带滤波器的非线性系统 5 简介 2.

非线性系统特点非线性系统与线性系统相比，具有一系列新的特点:2

非线性系统的稳定性不仅取决于系统的固有结构和参数，而且与系统的初始条件以

及外加输入有关系

对非线性系统而言，稳定性总是针对某一平衡点（状态）讨论的。

所谓平衡点（状态）： xt f x t 设 f x t 0 求出满足的所有xe

即为非线性系统的平衡点 6 简介 2. 非线性系统特点例：对于一由非线性微分方程 x x 1 x 描述的非线性系统，显然有两个平衡点，即x10 和 x21。将上式改写为 dx 设t＝0时，系统的初态为x0。积分上式可得 dt x 1 x x0 e t xt 1 x 0 x 0 e t xt

若初始条件x0＜1，随着时间 1 t t xt0，即平衡状态x10 x0 ln 是小范围稳定的

当x0＞1时， x0 1 0 在tlnx0/x0-1时， xt 这说明x21是不稳定的平衡状态。

一阶非线性系统 7 简介自激振荡（自振）：没有外界周期变化信号

的作用时，系统内产生的具有固定振幅和频 2. 非线性系统特点

率的稳定周期运动。非线性系统与线性系统相比，具有一系列新的特点: 3

非线性系统可能存在自激振荡现象（即维持等幅振荡运动）

对于二阶非线性系统，这种自激振荡状态称为极限环。 4

非线性系统在正弦信号作用下，其输出存在极其复杂的情况：

跳跃谐振和多值响应 A 2 2 3 1 . 4 4 .5 跳跃谐振与多值响应 8 简介 2.

非线性系统特点分频振荡和倍频振荡

非线性系统在正弦信号作用下，其稳态分量除产生同频率振

荡外，还可能产生倍频振荡和分频振荡。如图所示波形。输入信号 t倍频信号

t分频信号 t 倍频振荡与分频振荡 9 简介 3.

研究非线性系统的意义与方法研究非线性系统的意义1）实际的控制系统，存在着

大量的非线性因素。这些非线性因素的

存在，使得我们用线性系统理论进行分析时所得出的结论，与实际

系统的控制效果不一致。线性系统理论无法解释非线性因素所产生

的影响。2）非线性特性的存在，并非总是对系统产生不良影响。 10 简介 3.

研究非线性系统的意义与方法研究非线性系统的方法

1）相平面法是用图解的方法分析一阶，二阶非线性系统的方法。通过绘制控制系

统相轨迹，达到分析非线性系统特性的方法。

2）描述函数法是受线性系统频率分析法启发，而发展出的一种分析非线性系统的

方法。它是一种谐波线性化的分析方法，是频率法在非线性系统分析中的推广。3）计算机求解法是利用计算机运算能力和高速度求解非线性微分方程的一种数值解

法。 11 简介 3. 研究非线性系统的意义与方法常见的非线性特性：继电特性

-M 死区双位

死区特性饱和特性滞环 y y y y M k0 k0 - -a x Δ 0Δ x 0 a x x

死区滞环双位间隙双位 y y y x x x 12 简介 4. 典型非线性特性的数学描述饱和特性在电子放大器中常见的一种非线性，如图所示.

x饱和装置的输入特性的数学描述如下： b k ke t et e0 -e0 e x t ke 0 signe t et

e0 e0 饱和特性 13 简介 4. 典型非线性特性的数学描述死区特性

死区特性也称为不灵敏区，大量存在各种放大器中。其特性如图所示。其数学描述

如下： 0 et e0 xt k et e0 signet et e0 xt k et -e0 e0 死区特性 14 简介 4.

典型非线性特性的数学描述间隙特性

存在于齿轮之间。其特性如图所示。其数学描述如下： k et e0 xt 0 x xt k et e0 xt 0 bsignet xt 0 b k k -e0 e e0 -b 间隙 15 简介 4.

典型非线性特性的数学描述继电特性

继电特性是根据控制的需要，人为产生的一种非线性特性。在使用继电特性时，有

四种可供选择的形态。 x 1）理想继电特性 M M e 0 xt M e 0 0 e

理想的继电特性 16 简介 4. 典型非线性特性的数学描述继电特性

继电特性是根据控制的需要，人为产生的一种非线性特性。在使用继电特性时，有

四种可供选择的形态。 x2）具有死区的继电特性 M et e0 -e0 e0 et e0xt 0 e0 0 e M et e 0 具有死区的继电特性 17 简介 4. 典型非线性特性的数学描述继电特性

继电特性是根据控制的需要，人为产生的一种非线性特性。在

使用继电特性时，有四种可供选择的形态。 3）具有磁滞回环的继电特性 x M et 0 et e0 et 0 et e0 Mxt M et 0 et e0 et 0 et e0 -e0 e0 e 0

具有滞环的继电特性 18 简介 4. 典型非线性特性的数学描述继电特性

继电特性是根据控制的需要，人为产生的一种非线性特性。在使用继电特性时，有

四种可供选择的形态。 x4）具有磁滞回环和死区的继电特性 M M e 0 e e0 e 0 e me0 -e0 -me0 e 0 e 0 me0 e e0 0 me0 e0 xt e 0 e0 e me0 M e 0 e me0 e 0 e e0

具磁滞回环和死区的继电特性 19 主要内容简介 Description Function（描述函数）Lyapunov（李亚普诺夫）稳定性分析 (20)

2021年深圳大学939电子系统综合考研精品资料之胡寿松《自动控制原理》复习提纲

《自动控制原理》重点章节复习提纲 1．掌握常规控制器和自动控制系统的组成及其相互关系。 2．了解对自动控制系统的性能要求及分析系统性能的方法。 3．掌握用传递函数，方框图，信号流图及状态空间描述建立系统数学模型的方法。 4．掌握常规控制器的基本控制规律、动态特性和对控制系统的作用。 5．掌握对控制系统进行分析和综合的方法：时域分析法、频域分析法、根轨迹法及状态空间分析法。 6．初步掌握控制系统的校正和设计方法，为解决实际问题打好基础。 7．掌握脉冲传递函数的概念，了解离散控制系统的一般分析方法。 8．初步了解非线性系统的基本知识。 第一章自动控制的一般概念 （一）复习要求 （1）明确什么是自动控制；正确理解被控对象、被控量、控制装置和自控系统等概念； （2）正确理解三种控制方式，特别是闭环控制； （3）初步掌握由系统工作原理画方框图的方法，并能正确判别系统的控制方式； （4）明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征，特别是按数学模型分类的方式； （5）明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。 （二）重点和难点 重点：掌握线性与非线性系统的分类，特别是对线性系统的定义、性质、判别方法要准确理解。 难点：线性系统的准确理解。 （三）复习方式 本章采用课堂讲授、多媒体教学相结合的教学形式。 （四）复习内容 1-1 自动控制的基本原理与方式 1-2 自动控制系统示例 1-3 自动控制系统的分类 1-4 对自动控制系统的基本要求 1-5 自动控制系统的分析与设计工具 第二章控制系统的数学模型 （一）复习要求 （1）正确理解数学模型的特点，对系统的相似性、动态模型、静态模型、输入变量、输 1 / 6

自动控制原理实验书(DOC)

目录 实验装置介绍 (1) 实验一一、二阶系统阶跃响应 (2) 实验二控制系统稳定性分析 (5) 实验三系统频率特性分析 (7) 实验四线性系统串联校正 (9) 实验五 MATLAB及仿真实验 (12)

实验装置介绍 自动控制原理实验是自动控制理论课程的一部分，它的任务是：一方面，通过实验使学生进一步了解和掌握自动控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设计方法；另一方面，帮助学生学习和提高系统模拟电路的构成和测试技术。 TAP-2型自动控制原理实验系统的基本结构 TAP-2型控制理论模拟实验装置是一个控制理论的计算机辅助实验系统。如上图所示，TAP-2型控制理论模拟实验由计算机、A/D/A 接口板、模拟实验台和打印机组成。计算机负责实验的控制、实验数据的采集、分析、显示、储存和恢复功能，还可以根据不同的实验产生各种输出信号；模拟实验台是被控对象，台上共有运算放大器12个，与台上的其他电阻电容等元器件配合，可组成各种具有不同系统特性的实验对象，台上还有正弦、三角、方波等信号源作为备用信号发生器用；A/D/A 板安装在模拟实验台下面的实验箱底板上，它起着模拟与数字信号之间的转换作用，是计算机与实验台之间必不可少的桥梁；打印机可根据需要进行连接，对实验数据、图形作硬拷贝。 实验台由12个运算放大器和一些电阻、电容元件组成，可完成自动控制原理的典型环节阶跃响应、二阶系统阶跃响应、控制系统稳定性分析、系统频率特性测量、连续系统串联校正、数字PID 、状态反馈与状态观测器等相应实验。 显示器 计算机 打印机 模拟实验台 AD/DA 卡

实验一一、二阶系统阶跃响应 一、实验目的 1．学习构成一、二阶系统的模拟电路，了解电路参数对系统特性的影响；研究二阶系统的两个重要参数：阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn对动态性能的影响。 2．学习一、二阶系统阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算一、二阶系统的传递函数。 二、实验仪器 1．自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台 三、实验原理 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一、二阶系统，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟一、二阶系统，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 构成下述系统的模拟电路，并测量其阶跃响应： 1．一阶系统的模拟电路如图

自动控制原理实验

自动控制原理实验 实验报告 实验三闭环电压控制系统研究 学号姓名 时间2014年10月21日 评定成绩审阅教师

实验三闭环电压控制系统研究 一、实验目的： （1）通过实例展示，认识自动控制系统的组成、功能及自动控制原理课程所要解决的问题。 （2）会正确实现闭环负反馈。 （3）通过开、闭环实验数据说明闭环控制效果。 二、预习与回答： （1）在实际控制系统调试时，如何正确实现负反馈闭环？ 答：负反馈闭环，不是单纯的加减问题，它是通过增量法实现的，具体如下： 1.系统开环； 2.输入一个增或减的变化量； 3.相应的，反馈变化量会有增减； 4.若增大，也增大，则需用减法器； 5.若增大，减小，则需用加法器，即。 （2）你认为表格中加1KΩ载后，开环的电压值与闭环的电压值，哪个更接近2V？ 答：闭环更接近。因为在开环系统下出现扰动时，系统前部分不会产生变化。故而系统不具有调节能力，对扰动的反应很大，也就会与2V相去甚远。 但在闭环系统下出现扰动时，由于有反馈的存在，扰动产生的影响会被反馈到输入端，系统就从输入部分产生了调整，经过调整后的电压值会与2V相差更小些。 因此，闭环的电压值更接近2V。 （3）学自动控制原理课程，在控制系统设计中主要设计哪一部份？ 答：应当是系统的整体框架及误差调节部分。对于一个系统，功能部分是“被控对象”部分，这部分可由对应专业设计，反馈部分大多是传感器，因此可由传感器的专业设计，而自控原理关注的是系统整体的稳定性，因此，控制系统设计中心就要集中在整个系统的协调和误差调节环节。 二、实验原理： （1）利用各种实际物理装置（如电子装置、机械装置、化工装置等）在数学上的“相似性”，将各种实际物理装置从感兴趣的角度经过简化、并抽象成相同的数学形式。我们在设计控制系统时，不必研究每一种实际装置，而用几种“等价”的数学形式来表达、研究和设计。又由于人本身的自然属性，人对数学而言，不能直接感受它的自然物理属性，这给我们分析和设计带来了困难。所以，我们又用替代、模拟、仿真的形式把数学形式再变成“模拟实物”来研究。这样，就可以“秀才不出门，遍知天下事”。实际上，在后面的课程里，不同专业的学生将面对不同的实际物理对象，而“模拟实物”的实验方式可以做到举一反三，我们就是用下列“模拟实物”——电路系统，替代各种实际物理对象。

作业-典型环节的电路模拟实验-自动控制原理-深圳大学

深圳大学实验报告课程名称：自动控制原理 实验项目名称：典型环节的电路模拟实验学院：机电 专业：自动化 指导教师： 报告人：学号：班级： 实验时间： 实验报告提交时间： 教务部制

实验一典型环节的电路模拟实验 一、实验目的 1.学习构成典型线性环节的模拟电路。 2.研究阻、容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。 3.学习典型线性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。 4. 二、实验内容 1.完成比例环节的电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。 2.完成积分环节的电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。 3.完成比例积分环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。 4.完成比例微分环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。 5.完成惯性环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。 6.完成比例积分微分环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。 7. 三、实验仪器 1.ZY17AutoC12BB自动控制原理实验箱。 2.双踪低频慢扫示波器。 3.数字万用表。 4. 四、实验原理 1.比例环节

下载后图可变大 图1.1.2 图1.1.1` 比例环节的阶跃响应图

比例环节的传递函数为： ()() K s U s U I O =。 比例环节的方块图、阶跃响应及模拟电路图分别如图1.1.1、图1.1.2和图1.1.3所示。 其中0 12R R R K += ，试验参数取R 2=200K ，R 1=100K ，R 0=100K ，R=10K 或100K 。 2. 积分环节 积分环节的传递函数为： ()() TS s U s U I O 1=。积分环节的方块图、阶跃响应及模拟电路 图分别如图1.2.1、图 1.2.2和图1.2.3所示。其中()110C R R T +=，试验参数取R 0=100K 可调，R 1=100K ，C 1=1uF ，R=10K 或100K 。 图1.2.2 图1.2.1` 积分环节的阶跃响应图 图1.1.3

自动控制原理实验报告

自动控制原理 实验报告 姓名学号 时间地点实验楼B 院系专业 实验一系统的数学模 实验二控制系统的时域分析 实验三控制系统的频域分析

实验一系统的数学模 一、实验目的和任务 1、学会使用MATLAB的命令； 2、掌握MATLAB有关传递函数求取及其零、极点计算的函数。 3、掌握用MATLAB 求取系统的数学模型 二、实验仪器、设备及材料 1、计算机 2、MATLAB软件 三、实验原理 1、MATLAB软件的使用 2、使用MATLAB软件在计算机上求取系统的传递函数 四、实验内容 1、特征多项式的建立与特征根的求取 在命令窗口依次运行下面命令，并记录各命令运行后结果 >>p=[1,3,0,4]; p = 1 3 0 4 >>r=roots(p) r = -3.3553 + 0.0000i 0.1777 + 1.0773i 0.1777 - 1.0773i >>p=poly(r) p = 1.0000 3.0000 -0.0000 4.0000 2、求单位反馈系统的传递函数： 在命令窗口依次运行下面命令，并记录各命令运行后结果 >>numg=[1];deng=[500,0,0]; >>numc=[1,1];denc=[1,2]; >>[num1,den1]=series(numg,deng,numc,denc); >>[num,den]=cloop(num1,den1,-1) num = 0 0 1 1

den = 500 1000 1 1 >>printsys(num,den) num/den = s + 1 --------------------------- 500 s^3 + 1000 s^2 + s + 1 3、传递函数零、极点的求取 在命令窗口依次运行下面命令，并记录各命令运行后结果>>num1=[6,0,1];den1=[1,3,3,1]; >>z=roots(num1) ; >>p=roots(den1) ; >>n1=[1,1];n2=[1,2];d1=[1,2*i];d2=[1,-2*i];d3=[1,3]; >>num2=conv(n1,n2) num2 = 1 3 2 >>den2=conv(d1,conv(d2,d3)) den2 = 1 3 4 12 >>printsys(num2,den2) s^2 + 3 s + 2 ---------------------- s^3 + 3 s^2 + 4 s + 12 >>num=conv(num1,den2);den=conv(den1,num2); >>printsys(num,den) 6 s^5 + 18 s^4 + 25 s^3 + 75 s^2 + 4 s + 12 ------------------------------------------- s^5 + 6 s^4 + 14 s^3 + 16 s^2 + 9 s + 2 >>pzmap(num,den),title(‘极点－零点图’)

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

自动控制原理课程实验

上海电力学院实验报告 自动控制原理实验课程 题目：2.1.1(2.1.6课外)、2.1.4（2.1.5课内）班级：gagagagg 姓名：lalalal 学号：hahahahah 时间：zzzzzzzzzzz

实验内容一： 一、问题描述： 已知系统结构图，（1）用matlab编程计算系统的闭环传递函数；（2）用matlab转换函数表示系统状态空间模型；（3）计算其特征根。 二、理论方法分析 （1）根据系统结构图的串并联关系以及反馈关系，分别利用tf （）函数series（）函数，parallel函数以及feedback函数构建系统传递函数；（2）已求出系统传递函数G，对于线性定常系统利用函数ss（G）课得到系统的状态空间模型。（3）利用线性定常系统模型数据还原函数[num，den]=tfdata（G，‘v’）可得到系统传递函数的分子多项式num与分母多项式den，利用roots（den）函数可得到系统的特征根。 三、实验设计与实现 新建M文件，编程程序如下文所示： G1=tf([0.2],[1,1,1]); G2=tf([0.3],[1,1]); G3=tf([0.14],[2,1]); G4=series(G2,G3);%G2与G3串联 G5=0.7*feedback(G4,-1,1); G6=0.4*feedback(G1,G5,1); G7=feedback(G6,0.6)

ss(G7)%将系统传递函数转化为状态空间模型 [num den]=tfdata(G7,'v');%还原系统传递函数分子、分母系数矩阵 roots(den)%求系统传递函数特征根 点击Run运行 四、实验结果与分析 M文件如下： 运行结果如下：

自动控制原理

基于OrCAD/PSpice的自动控制原理实验仿真研究 simulation 引言1 仿真的机理自动控制原理是高等院校电子信息及相关专业一门重要的专业基础课。其特点是教学内容抽象，数学含量大，计算繁杂，学生不易理解?。而实验是帮助学生掌握自动控制理论的重要环节。因此，搞好实验教学，不仅可以使学生对所学理论有更深刻的理解，提高学生学习兴趣，同时也可以提高学生的动手能力和设计水平，对该门课程的教学质量有着十分重要的作用。传统的自动控制原理实验是采用模拟学习机或自动控制实验箱，通过面板排线，外接相关设备来完成。这种方式一定程度上可以提高学生的动手能力，但观察效果不理想。而且由于排线较多，极易出现接触不良，学生实验中很难及时排除，造成实验误差大、效率低、甚至无法完成实验。为此，各高校相继开展了计算机辅助实验的研究。其中，采用MATLAB 软件进行开发、仿真，投入的人力物力最多，应用面也最为广泛。但需要专门学习，适用于研究人员及相关专业的学生使用。而在电子信息及相关专业，则普遍采用EDA 软件仿真。 收稿日期:2007-03-30 修订日期:2007-07-10

作者简介: 曾旺辉（1962-），男，江西临川，本科，副教授，研究方向为自动控制，开关电源等；朱颖莉（1972-），女，江西南昌，本科，讲师，研究方向为高频通信、自动控制。 2008年 4卷 7期 《职业时空》 CAREER HORIZON 起止页码：122-122 国际标准刊号：ISSN 1672-8963 国内统一刊号：CN 13-1349/C 基于MATLAB仿真的自动控制原理课程教学改革探索 谢富珍陈萍 新余高等专科学校机电工程系 摘要: 自动控制原理课程是数学、控制、信息领域的交叉学科，具有概念抽象、数学计算量大、工程实践性强等特点。当前，许多高校以计算 机辅助教学为手段，将MATLAB与相关课程进行了整合，为教学带来了极大的灵活性和便利性。MATLAB是一款数值计算型科技应用软件，由于其强大的矩阵运算和绘图功能，被广泛地应用在控制领域中，成为了控制系统的计算机辅助分析与设计的一个卓越平台。[第一段]全文：结合MATLAB仿真在控制领域的潜在教学功能，从以下三个方面阐述本人对自动控制原理课程教学改革的探索和实践。～、将MATLAB与自动控制原理课程进行整合将MATLAB与自动控制原理两门课程进行整合，使MATLAB 与自动控制原理课程的教与学融为一体，实现了传统教学模式的创新。自动控制原理课程主要涉及到控制理论的基本概念、控制系统的数学建模(传递函数)、时域分析、频域分析、系统的稳定性和系统的综合校正等基础知识。整合后的自动控制原理课程的内容，一方面应当以经典控制理论为主，同时从当前的控制技术中选取一些比较符合课程要求的理论知识，补充介绍给学生，以保持课程内容的先进性。另一方面，结合自动控制原理教学的要求，介绍相关的MATLAB知识：①相关的工具箱，如控制系统工具箱、模糊逻辑工具箱、神经网络工具箱等；②MA TLAB语言编程方法，尤其是矩阵分析及M函数和s函数的编写方法；③Simulink建模仿真方法。重点对MA11_AB语言和Simul ink仿真进行介绍和应用。 关键词: 课程教学改革MATLAB自动控制原理计算机辅助教学计算机辅助分析仿真应用软件交叉学科

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 1 2s 2s s 3s (s)23++++=G )12()1()76()2(5)(332 2++++++= 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 G

自动控制原理实验课件_0122

自动控制原理实验讲义 郭烜 内蒙古民族大学物理与电子信息学院 信息与自动化技术教研室 2012年8月

目录 绪论 第一章自动控制原理实验 实验一MATLAB软件和THDAQ虚拟实验设备的使用 实验二控制系统的单位阶跃响应 实验三高阶系统的时域动态性能和稳定性研究 实验四线性系统的根轨迹 实验五线性系统的频域分析 实验六线性系统校正与PID控制器设计 第二章自动控制原理模拟实验环境简介 第一节MATLAB软件系统与Simulink仿真工具 第二节CZ-AC型自动控制原理实验箱与THDAQ虚拟实验设备

绪论 《自动控制原理》是电子信息专业的专业基础课程，自动控制原理实验课程是一门理论验证型实验课程，结合自动控制理论课开设了一系列相应的实验，使学生理论与实践结合，更好的掌握控制理论。通过实验，学生可以了解典型环节的特性，模拟方法及控制系统分析与校正方法，掌握离散控制系统组成原理，调试方法；使学生加深对控制理论的理解和认识，同时有助于培养学生分析问题和解决问题的工程综合能力，拓宽学生的专业面和知识面，为以后的深入学习与工作打下良好的扎实的基础。

第一章 自动控制原理实验 实验一 MATLAB 软件与THDAQ 虚拟实验设备的使用 一、实验目的 1. 学习MA TLAB 软件、动态仿真环境Simulink 以及THDAQ 虚拟实验设备的正确使用方法。 2. 掌握建立控制系统数学模型的初步方法。 二、实验设备 计算机、MATLAB 软件、CZ-AC 型自动控制原理实验箱、THDAQ 虚拟实验设备、万用表 三、实验内容及原理 1. MA TLAB 基本运算 见第二章1.4节： MATLAB 基本运算 2. 用MATLAB 建立控制系统数学模型 控制系统常用的三种数学模型： <1>传递函数模型(多项式模型) m n s den s num a s a s a b s b s b s G n n n n m m m m ≥= ++++++=----)()()(0 11011ΛΛ 用函数tf()建立控制系统传递函数模型： ]; ,,,[];,,,[0101a a a den b b b num n n m m ΛΛ--== 命令调用格式：sys=tf(num, den) 或 printsys(num, den) 也可以用多项式乘法函数conv()输入num/den 如：) 12()1() 76()2(5)(3 322++++++=s s s s s s s s G ， num=5*conv(conv([1,2],[1,2]),[1,6,7]) <2>零极点模型 调用格式：z=[z 1,z 2,…,z m ]; p=[p 1,p 2,…,p n ]; k=[k]; sys=zpk(z, p, k) <3>部分分式展开式模型 调用格式：[r, p, k]=residue(num, den)

自动控制原理Matlab实验3(系统根轨迹分析)

《自动控制原理》课程实验报告 实验名称系统根轨迹分析 专业班级 *********** ********* 学 号 姓名** 指导教师李离 学院名称电气信息学院 2012 年 12 月 15 日

一、实验目的 1、掌握利用MATLAB 精确绘制闭环系统根轨迹的方法； 2、了解系统参数或零极点位置变化对系统根轨迹的影响； 二、实验设备 1、硬件：个人计算机 2、软件：MATLAB 仿真软件（版本6.5或以上） 三、实验内容和步骤 1．根轨迹的绘制 利用Matlab 绘制跟轨迹的步骤如下： 1） 将系统特征方程改成为如下形式：1 + KG ( s ) = 1 + K ) () (s q s p =0， 其中，K 为我们所关心的参数。 2） 调用函数 r locus 生成根轨迹。 关于函数 rlocus 的说明见图 3.1。 不使用左边的选项也能画出根轨迹，使用左边的选项时，能 返回分别以矩阵和向量形式表征的特征根的值及与之对应的增益值。 图3.1 函数rlocus 的调用 例如，图 3.2 所示系统特征根的根轨迹及其绘制程序见图 3.3。

图3.2 闭环系统一 图3.3 闭环系统一的根轨迹及其绘制程序

图 3.4 函数 rlocfind 的使用方法 注意：在这里，构成系统 s ys 时，K 不包括在其中，且要使分子和分母中 s 最高次幂项的系数为1。 当系统开环传达函数为零、极点形式时，可调用函数 z pk 构成系统 s ys : sys = zpk([zero],[pole],1); 当系统开环传达函数无零点时，[zero]写成空集[]。 对于图 3.2 所示系统， G(s)H(s)= )2()1(++s s s K *11+s =) 3)(2() 1(+++s s s s K . 可如下式调用函数 z pk 构成系统 s ys : sys=zpk([-1],[0 -2 -3],1) 若想得到根轨迹上某个特征根及其对应的 K 的值，一种方法是在调用了函数 rlocus 并得到了根 轨迹后调用函数 rlocfind 。然后，将鼠标移至根轨迹图上会出现一个可移动的大十字。将该十字的 中心移至根轨迹上某点，再点击鼠标左键，就可在命令窗口看到该点对应的根值和 K 值了。另外一种 较为方便的做法是在调用了函数 rlocus 并得到了根轨迹后直接将鼠标移至根轨迹图中根轨迹上某

自动控制原理实验

实验二 线性定常系统的瞬态响应与稳定性分析 例1系统传递函数为4 32 4 32 7182313 ()5972 s G s s s s s s s s ++++= ++++，求系统的单位脉冲响应和 单位阶跃响应解析表达式。 （1） 求脉冲响应解析表达式，输入以下程序： num=[1 7 18 23 13]; den=[1 5 9 7 2]; G=tf(num,den); Impulse(G) [k,p,r]=residue(num,den); %应用MATLAB 求传递函数的留数 k=k',p=p',r=r' 解得：k = 1.0000 1.0000 2.0000 2.0000 p = -2.0000 -1.0000 -1.0000 -1.0000 r = 1 根据k 、p 、r 的值可以写出脉冲响应C(S)的部分分式 2 (0.5s+1) (s)= (s+1)(0.5s +s+1) K G s 经拉普拉斯反变换有：-2t -t -t -t (t)=e +e +2te +t2e +(t)c δ 脉冲响应曲线：

5 1015 00.20.40.60.811.2 1.41.61.8 2Impulse Response Time (sec) A m p l i t u d e （2） 求单位阶跃响应的解析表达式 由于单位阶跃响应解析(s)=G(s)/s Y ，只要将G(s)的分母多项式乘以s ，即分母多项式的系数向量den 增加一个零，然后使用上述求脉冲响应的方法。 程序如下： num=[1 7 18 23 13]; den=[1 5 9 7 2]; G=tf(num,den); step(G) [k,p,r]=residue(num,[den,0]); k=k',p=p',r=r' 运行结果： k = -0.5000 -5.0000 -4.0000 -2.0000 6.5000 p = -2.0000 -1.0000 -1.0000 -1.0000 0 r = [] 根据k 、p 、r,可以直接写出系统的阶跃响应为 -2t -t -t 2-t (t)=-0.5e -5e -4te -t e +6.5c 阶跃响应曲线：

自动控制原理实验指导书(2017-2018-1)

自动控制原理实验指导书 王娜编写 电气工程与自动化学院 自动化系 2017年11月 实验一控制系统的时域分析

[实验目的] 1、熟悉并掌握Matlab 操作环境和基本方法，如数据表示、绘图等命令； 2、掌握控制信号的拉氏变换与反变换laplace 和ilaplace ，控制系统生成模型的常用函数命令sys=tf(num,den)，会绘制单位阶跃、脉冲响应曲线； 3、会构造控制系统的传递函数、会利用matlab 函数求取系统闭环特征根； 4、会分析控制系统中n ζω， 对系统阶跃、脉冲响应的影响。 [实验内容及步骤] 1、矩阵运算 a) 构建矩阵：A=[1 2;3 4]; B=[5 5;7 8]; 解： >> A=[1 2;3 4] A = 1 2 3 4 >>B=[5 5;7 8] B = 5 5 7 8 b) 已知A=[1.2 3 5 0.9;5 1.7 5 6;3 9 0 1;1 2 3 4] ，求矩阵A 的特征值、特征多项式和特征向量. 解：>> A=[1.2 3 5 0.9;5 1.7 5 6;3 9 0 1;1 2 3 4]; >> [V ,D]=eig(A) V = 0.4181 -0.4579 - 0.3096i -0.4579 + 0.3096i -0.6044 0.6211 -0.1757 + 0.2740i -0.1757 - 0.2740i 0.0504 0.5524 0.7474 0.7474 -0.2826 0.3665 -0.1592 - 0.0675i -0.1592 + 0.0675i 0.7432 D = 13.0527 0 0 0 0 -4.1671 + 1.9663i 0 0 0 0 -4.1671 - 1.9663i 0 0 0 0 2.1815 >> p=poly(A) p = -6.9000 -77.2600 -86.1300 604.5500 2. 基本绘图命令 a) 绘制余弦曲线y=cos(x)，x ∈[0，2π] 解：>> x=linspace(0,2*pi); >> y=cos(x); >> plot(x,y)

自动控制原理实验指导书(1).(DOC)

自动控制原理实验指导书 罗雪莲编著

目录 实验一典型环节的模拟研究 2 实验二典型系统瞬态响应和稳定性 6 实验三控制系统的频率特性10 实验四线性连续系统校正13 实验五采样系统分析16 附: 实验系统介绍20

实验一典型环节模拟研究 本实验为验证性实验。 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影响。 2、熟悉各种典型环节的阶跃响应。 3、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。 二、实验设备 PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。 三．实验原理及电路 下面列出了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

四、实验内容及步骤 1、观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶跃响应曲线。 （1）实验接线 ①准备：使运放处于工作状态。 将信号源单元（U1 SG）的ST端（插针）与+5V端（插针）用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管（3DJ6）夹断，这时运放处于工作状态 ②阶跃信号的产生； 电路可采用图1-1所示电路，它由“单脉冲单元”（U13 SP）及“电位器单元”（U14 P）组成。 具体线路形成：在U13 SP单元中，将H1与+5V 插针用“短路块”短接，H2 插针用排线接至U14 P单元的X插针；在U14 P 单元中，将Z插针和GND插针用“短路块”短接，最后由插座的Y端输出信号。 以后实现再用到阶跃信号时，方法同上，不再累赘。

错误! （2）实验操作 ①. 按2中的各典型环节的模拟电路图将线接好（先按比例）。（PID先不接） ②. 将模拟电路输入端（Ui）与阶跃信号的输出端Y相联接；模拟电路的输出端（U0）接至示波器。 ③. 按下按钮（或松平按扭）H 时，用示波器观测输出端U0(t)的实际响应曲线，且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果。 ④. 同理得出积分、比例积分、比例微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见表1-1。 2、观察PID环节的响应曲线。 ①. 此时U i采用U1 SG单元的周期性方波信号（U1单元的ST 的插针改为与S 插针用“短路块”短接，S11波段开关置与“阶跃信号”档，“OUT”端的输出电压即为阶跃信号电压，信号周期由波段开关S12与电位器W11调节，信号幅值由电位器W12调节。以信号幅值小、信号周期较长比较适宜）。 ②. 参照2中的PID模拟电路图，将PID环节搭接好。 ③. 将 中产生的周期性方波加到PID环节的输入端（U i），用示波器观测PID的输出端（U0），改变电路参数，重新观察并记录。

自动控制原理实验——二阶系统的动态过程分析

实验二二阶系统的动态过程分析 一、 实验目的 1. 掌握二阶控制系统的电路模拟方法及其动态性能指标的测试技术。 2. 定量分析二阶系统的阻尼比ξ和无阻尼自然频率n ω对系统动态性能的影响。 3. 加深理解“线性系统的稳定性只与其结构和参数有关，而与外作用无关”的 性质。 4. 了解和学习二阶控制系统及其阶跃响应的Matlab 仿真和Simulink 实现方法。 二、 实验内容 1. 分析典型二阶系统()G s 的ξ和n ω变化时，对系统的阶跃响应的影响。 2. 用实验的方法求解以下问题： 设控制系统结构图如图2.1所示，若要求系统具有性能： %20%,1,p p t s σσ=== 试确定系统参数K 和τ，并计算单位阶跃响应的特征量d t ，r t 和s t 。 图2.1 控制系统的结构图 3. 用实验的方法求解以下问题： 设控制系统结构图如图2.2所示。图中，输入信号()r t t θ=，放大器增益A K 分别取13.5，200和1500。试分别写出系统的误差响应表达式，并估算其性能指标。 图2.2 控制系统的结构图

三、实验原理 任何一个给定的线性控制系统，都可以分解为若干个典型环节的组合。将每个典型环节的模拟电路按系统的方块图连接起来，就得到控制系统的模拟电路图。 通常，二阶控制系统 2 22 () 2 n n n G s s ω ξωω = ++ 可以分解为一个比例环节、一个惯性环节和一个积分环节，其结构原理如图 2.3所示，对应的模拟电路图如图2.4所示。 图2.3 二阶系统的结构原理图 图2.4 二阶系统的模拟电路原理图 图2.4中：()(),()() r c u t r t u t c t ==-。 比例常数（增益系数）2 1 R K R =，惯性时间常数 131 T R C =，积分时间常数242 T R C =。其闭环传递函数为： 12 2 21 112 () 1 ()(1) c r K U s TT K K U s T s T s K s s T TT == ++++ (0.1) 又：二阶控制系统的特性由两个参数来描述，即系统的阻尼比ξ和无阻尼自然频

最新!2020年深圳大学控制科学与工程905自动控制原理一考试大纲、考试题型及复试参考书目

最新！2020年深圳大学控制科学与工程905自动控制原理一考试大纲、考试题型及复试参考书目 一、考试基本要求 本考试大纲适用于报考深圳大学控制科学与工程专业的硕士研究生入学考试。《自动控制原理一》是为招收控制科学与工程专业硕士生而设置的具有选拔功能的水平考试，它的主要目的是测试考生对《自动控制原理》各章节内容的掌握程度。要求考生熟练掌握自动控制理论的基本概念和基本理论，掌握控制系统分析和校正（综合）的基本思想和分析设计方法，具有一定的抽象思维能力、较强的逻辑推理能力和分析运算能力。 二、考试内容和考试要求 1. 控制系统的数学模型 （1）掌握控制系统数学模型的概念及种类； （2）掌握用微分方程描述系统数学模型的建模方法，了解非线性方程的线性化方法； （3）牢固掌握系统传递函数的概念、定义及和微分方程的关系； （4）牢固掌握典型环节的传递函数，明确常用控制系统的传递函数形式。特别是两种标准形式表示的传递函数（时间常数型和零极点型）； （5）牢固掌握控制系统结构图、信号流图和系统表示方法； （6）掌握由系统微分方程建立系统结构图的方法； （7）熟练应用结构图等效变换和Mason公式求解系统的传递函数。 2. 线性系统的时域分析法 （1）牢固掌握控制系统时域指标的概念及定义，熟练掌握一、二阶系统动态品质的计算公式，特别是欠阻尼情况下系统的性能指标计算； （2）牢固掌握控制系统误差的定义及稳态误差的概念；熟练掌握用终值定理求解稳态误差的方法；熟练掌握静态误差系数法；熟悉减小、消除稳态误差的方法；（3）深刻理解稳定性概念及稳定的充要条件，熟练掌握Routh-Hurwitz稳定性判据及其应用； （4）掌握改善系统动态性能及提高系统控制精度的措施。（例如测速反馈控制，比例微分控制，按输入补偿的复合控制，按扰动补偿的复合控制）； （5）掌握三阶系统的时域分析方法，牢固掌握高阶系统的主导极点分析方法，掌握高阶系统中非主导极点及系统零点对控制系统性能的影响（只需要定性分析，不需要精确计算）。

自动控制原理实验报告

自动控制原理 实验报告 实验一典型系统的时域响应和稳定性分析 (2) 一、实验目的 (3) 二、实验原理及内容 (3) 三、实验现象分析 (5) 方法一：matlab程序 (5) 方法二：multism仿真 (12)

方法三：simulink仿真 (17) 实验二线性系统的根轨迹分析 (21) 一、确定图3系统的根轨迹的全部特征点和特征线，并绘出根轨迹 (21) 二、根据根轨迹图分析系统的闭环稳定性 (22) 三、如何通过改造根轨迹来改善系统的品质？ (25) 实验三线性系统的频率响应分析 (33) 一、绘制图1. 图3系统的奈氏图和伯德图 (33) 二、分别根据奈氏图和伯德图分析系统的稳定性 (37) 三、在图4中，任取一可使系统稳定的R值，通过实验法得到对应的伯德图，并据此导 出系统的传递函数 (38) 实验四、磁盘驱动器的读取控制 (41) 一、实验原理 (41) 二、实验内容及步骤 (41) （一）系统的阶跃响应 (41) （二) 系统动态响应、稳态误差以及扰动能力讨论 (45) 1、动态响应 (46) 2、稳态误差和扰动能力 (48) （三）引入速度传感器 (51) 1. 未加速度传感器时系统性能分析 (51) 2、加入速度传感器后的系统性能分析 (59) 五、实验总结 (64) 实验一典型系统的时域响应和稳定性分 析

一、 实验目的 1．研究二阶系统的特征参量（ξ、ωn ）对过渡过程的影响。 2．研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。 3．熟悉Routh 判据，用Routh 判据对三阶系统进行稳定性分析。 二、 实验原理及内容 1．典型的二阶系统稳定性分析 (1) 结构框图：见图1 图1 (2) 对应的模拟电路图 图2 (3) 理论分析 导出系统开环传递函数，开环增益0 1 T K K = 。 (4) 实验内容 先算出临界阻尼、欠阻尼、过阻尼时电阻R 的理论值，再将理论值应用于模拟电路中，观察二阶系统的动态性能及稳定性，应与理论分析基本吻合。在此实验中(图2)， s 1T 0=， s T 2.01=，R 200 K 1= R 200 K =?

自动控制原理实验

自动控制原理实验报告册 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、实验公式

1、比例环节 G(S)= -R2/R1 2、惯性环节 G(S)= -K/TS+1 K= R2/R1, T= R2C 3、积分环节 G(S)= -1/TS T=RC 4、微分环节 G(S)= -RCS 5、比例+微分环节 G(S)= -K(TS+1) K= R2/R1, T= R2C 6、比例+积分环节 G(S)= K(1+1/TS) K= R2/R1, T=R2C 三、实验结果 1、比例环节 阶跃波、速度波、加速度波依次为： 2、惯性环节 阶跃波、速度波、加速度波依次为：

3、积分环节 阶跃波、速度波、加速度波依次为：

4、微分环节 阶跃波、速度波、加速度波依次为： 5、比例+微分环节 阶跃波、速度波、加速度波依次为：

6、比例+积分环节 阶跃波、速度波、加速度波依次为：

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，阻尼比和无阻尼自然频率对系统动态性能 的影响。定量分析和与最大超调量和调节时间之间的关系。 2、进一步学习使用实验系统的使用方法。 3、学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。 二、实验公式 1、超调量： %=(Y MAX-Y OO)/Y OO X100% 2、典型二阶系统的闭环传递函数： (S)= (1) (s)=U2(s)/U1(s)=(1/T2)/(S2+(K/T)S+1/T2) (2) 式中：T=RC, K=R2/R1 由（1）（2）可得： Wn=1/T=1/RC E=K/2=R2/2R1 三、实验结果