自控实验报告
电气学科大类
2010 级
《信号与控制综合实验》课程
实验报告
(基本实验:自动控制理论基本实验)
姓名学号专业班号电气1009 班
同组者学号专业班号
指导教师
日期2013.1.17
实验成绩
评阅人
实验评分表
实验十一 二阶系统的模拟与动态性能研究
一、任务与目标
1、 掌握典型二阶系统动态性能指标的测试方法。
2、 通过实验和理论分析计算比较，研究二阶系统的参数对其动态性能的影响。
二、总体方案设计
典型二阶系统的方框图如图11-1：
图11-1.典型二阶振荡环节的方框图
其闭环传递函数为：2
2
2
22)(1)()(n n n s s k s Ts K
s G s G s ωξωωφ++=++=+= 式中T K
KT
n ==
ωξ;21 ζ为系统的阻尼比，n ω为系统的无阻尼自然频率。对于不同的系统，ζ和所包含的内容也是不同的。调节系统的开环增益K ，或时间常数T 可使系统的阻尼比分别为： 1,1,1<=>ξξξ三种。实验中能观测对应于这三种情况下的系统阶跃响应曲线是完全不同的。
二阶系统可用图11-2所示的模拟电路图来模拟：
图11-2,.二阶系统模拟电路图
实验中为了计算方便起见，将运放A3处的20K 电阻换成了10K 的电阻，A4中也只保留了R2。这样就有
11)(22
22++-
=ΦCS R s C R s ,RC
R R n 1
,22==ωξ，其中R=10K Ω 三、方案实现和具体设计
1、在实验装置上搭建二阶系统的模拟电路（参考图11-2）。
2. 分别设置ξ＝0；0＜ξ＜1；ξ＞ 1，观察并记录r(t)为正负方波信号时的输出波形C(t)；?分析此时相对应的各σp、ts ，加以定性的讨论。
3. 改变运放A1的电容C ，再重复以上实验内容。
4. 设计一个一阶线性定常闭环系统，并根据系统的阶跃输入响应确定该系统的时间常数。
四、实验设计与实验结果 二阶系统
1.取C=0.68uf
1）ξ=0(取R2=0Ω)
图11-3.零阻尼阶跃响应2）0<ξ<1(取R2=6.3kΩ)
图11-4.欠阻尼阶跃响应
3）ξ>1(取R2=36kΩ)
图11-5.过阻尼阶跃响应2、取C=0.082uf
1）ξ=0(取R2=0Ω)
图11-6.零阻尼阶跃响应2）0<ξ<1(取R2=6.3kΩ)
图11-7.欠阻尼阶跃响应
3）ξ>1(取R2=36k Ω)
图11-8.过阻尼阶跃响应
五、结果分析与讨论
由实验结果的两组图可清晰地看到：
1、ξ＝0时系统很不稳定，振荡很剧烈，理论上是等幅振荡，在实验中由于干扰因素的存在，振幅会略有衰减；当0＜ξ＜1时，响应快但存在着超调量；ξ＞ 1，无超调量但响应比较慢。
2、ξ越小，超调量越大，ξ＝0时σp最大，ξ>1时超调量σp ＝0；ξ越小，调节时间ts 越大，这是因为此种模型下，自然振荡频率n ω保持不变的缘故，
4
(2%)s n
T ξω=
。
3、无阻尼自然震荡频率与响应速度关系明显，阻尼比相同的情况下，无阻尼自然震荡频率越大，系统响应越快。
六、思考题
1. 根据实验模拟电路图绘出对应的方框图。消除内环将系统变为一个单位负反馈的典型结构图。此时能知道系统中的阻尼比ξ体现在哪一部分吗？如何改变ξ的数值？ 答：
由系统方框图可知该系统此为无阻尼系统。将系统中的某个积分环节改为惯性环节可以改变ξ的数值。
2. 当线路中的A4运放的反馈电阻分别为??8.2k, 20k, 28k, 40k,50k ，102k ，120k ，180k ，220k 时，计算系统的阻尼比ξ＝？ 答：取C=0.68μF ，得闭环传递函数为43252
R 41.29s 43252
)(22
++=
s s φ，此处的R 2
等效于图中的R 2+10k ：
R 2=8.2k ，ξ=0.58; R 2=20k ，ξ=1.41; R 2=28k ，ξ=1.98; R 2=40k ，ξ=2.83; R 2=50k ，ξ=3.53; R 2=102k ，ξ=7.21; R 2=120k ，ξ=8.48; R 2=180k ，ξ=12.73; R 2=220k ，ξ=15.56.
3. 用实验线路如何实现ξ＝0？当把A4运放所形成的内环打开时，系统主通道由二个积分环节和一个比例系数为1的放大器串联而成，?主反馈仍为1，此时的ξ＝？
答：当把A 4运放所形成的内环打开时，阻尼比ξ为0
4. 如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？
答：如果阶跃信号的幅值过大，会使运放进入饱和区而非线性放大区，造成失真现象。
5. 在电路模拟系统中，如何实现单位负反馈？
答：输入信号经过某电阻连接到运放的反相输入端，同相输入端接地，在输出方（注意此时引入的反馈信号与输入信号应该反相）接一个等值电阻到运放的反相输入端，即实现了单位负反馈，实际上此时的运放起反相比例加法器作用，在输出端接一个反相放大电路（反相器），模拟电路的传函即为系统传函。
6. 惯性环节中的时间常数T 改变意味着典型二阶系统的什么值发生了改变？
p σ、s t 、r t 、p t 各值将如何改变？
答：二阶系统的传递函数2
22
22)(1)()(n n n s s K s Ts K
s G s G s ωξωωφ++=++=+=
式中：T
K
KT
n =
=
ωξ;21。T 改变，则闭环增益K=K v 改变，ωn 和ξ均发生改变。当T 增大时，ξ减小，由公式2ξ
1ξπ
p
e
--=σ可知超调量p σ增大，s t 与
ξωn 成反比，也变大，由r t 和p t 都与ωd 有关，而ωd = n ωξ21- ， 当ξ和ωn 都变小时，ωd 可能变小，也可能变大，因而r t 和p t 可能变大也可能变小。
7. 典型二阶系统在什么情况下不稳定？用本实验装置能实现吗？?为什么？ 答：典型二阶系统的特征值s 的实部大于0时系统不稳定。用本实验装置能实现，引入正反馈即可。
8. 采用反向输入的运算放大器构成系统时，?如何保证闭环系统是负反馈性质？你能提供一简单的判别方法吗？
答：反向输入的运算放大器采用电流负反馈方法，每经过一级运放，输出的信号都要反相一次。通过观察前向通道里的运放个数来决定负反馈的接法。若个数为奇数，则直接在末端接上负反馈到首端；若个数为偶数，则需要在反馈通道中加一个反相器，以此来保证系统是负反馈性质。
七、实验小结
由于是第一次做自控实验，我们都不怎么了解实验室的实验箱的使用方法，在连接电路和调试电路时花费了大量的时间，相信下次实验可以完成地更为得心应手。通过这个实验，我们掌握了二阶系统的实际电路模拟方法，并且通过改变阻尼系数与无阻尼自然频率较为透彻地研究了二阶系统的动态性能，对二阶系统的超调、衰减时间等参数进行了研究。
实验十二 二阶系统的稳态性能研究
一、任务与目标
1. 进一步通过实验了解稳态误差与系统结构、参数及输入信号的关系：
（1）了解不同典型输入信号对于同一个系统所产生的稳态误差； （2）了解一个典型输入信号对不同类型系统所产生的稳态误差； （3）研究系统的开环增益K 对稳态误差的影响。 2. 了解扰动信号对系统类型和稳态误差的影响。 3. 研究减小直至消除稳态误差的措施。
二、总体方案设计
控制系统的方框图如图12-1：
图12-1,控制系统方框图
当H (s ) = 1(即单位反馈)时，系统的闭环传递函数为：)
(1)
()(s G s G s +=
φ
而系统的稳态误差E(S)的表达式为：)
(1)
()(s G s R s E +=
系统的误差不仅与其结构（系统类型N ）及参数（增益K ）有关，而且也与入信号R (s )的大小有关。
图12-1表示了系统类型、增益、信号幂次与稳态误差的关系(表中无阴影部分即稳态误差)。
图12-1,稳态误差表
设二阶系统的方框图如图12-2。
图12-2，方框图
系统的模拟电路图如图12-3。
图12-3，系统模拟电路图
当所有固定电阻取10Ωk 、所有电容取1F μ时，系统开环传递函数 212)1
01.01
(1010)(++-
=s R s GH
调节其增益系数 K 或其系统型别 n 即可调节稳态误差
ss
e：K越大稳态误差越小，系统型别的影响见图12-1
三、方案实现和具体设计
1. 进一步熟悉和掌握用模拟电路实现线性控制系统方框图以研究系统性能的方法，在实验装置上搭建模拟电路；
2. 自行设计斜坡函数信号产生电路，作为测试二阶系统斜坡响应的输入信号（实验装置上只有周期性方波信号作为阶跃信号输入）。（提高性实验内容）
3. 观测0型二阶系统的单位阶跃和斜坡响应，并测出它们的稳态误差。
4. 观测Ⅰ型二阶系统的单位阶跃和斜坡响应，并测出它们的稳态误差。
5. 观测扰动信号在不同作用点输入时系统的响应及稳态误差。
6. 根据实验目的和以上内容，自行设计实验步骤。
四、实验设计与实验结果
阶跃响应的稳态误差：
1、当r(t)＝1(t)、f(t)＝0时，且A
1(s)、A
3
(s)为惯性环节，A
2
(s)为比例环节，
观察系统的输出C(t)和稳态误差ｅ
SS
，并记录开环放大系数Ｋ的变化对二阶系统输出和稳态误差的影响。
（1）增益环节K＝3（即12
R＝20k）,响应波形：
图12-4.A1与A3均为惯性环节阶跃响应（K=3）（2）增益环节K＝6（即12
R＝50k）,响应波形：
图12-5.A1与A3均为惯性环节阶跃响应（K=6）可见：随着K增大，
ss
e逐渐减小
2、将A
1(s)或A
3
(s)改为积分环节，?观察并记录二阶系统的稳态误差和变化。
将A
1(s)改为积分环节响应波形：(12
R＝20k）
图12-6.A1为积分环节阶跃响应可见：稳态误差已消除
3、当r(t)＝0、f(t)＝1(t)时，扰动作用点在f点，且A
1(s)、A
3
(s)为惯性环节，
A 2(s)为比例环节，观察并记录系统的稳态误差ｅ
SS
。改变A
2
(s)的比例系数，
记录ｅ
SS
的变化。
（1）增益环节K＝3（即12
R＝20k）,响应波形：
图12-7.扰动作用在f点阶跃响应（K=3）（2）增益环节K＝6（即12
R＝50k）,响应波形：
图12-8.扰动作用在f点阶跃响应（K=6）
可见：随着K增大，稳态误差
ss
e减小
4、当r(t)＝0、f(t)＝1(t)时，且A
1(s)、A
3
(s)为惯性环节，A
2
(s)为比例环节，
将扰动点从f点移动到g点，观察并记录扰动点改变时，扰动信号对系统的稳态误差ｅ
SS
的影响。
扰动点前移后：
（1）增益环节K＝2（即12
R＝10k）,响应波形：
图12-9.扰动作用在g点阶跃响应（K=2）（2）增益环节K＝3（即12
R＝20k）,响应波形：
图12-10.扰动作用在g点阶跃响应（K=3）可见：扰动点前移使稳态误差ss e增大
5、当r(t)＝0、f(t)＝1(t)，扰动作用点在f点时，观察并记录当A
1(s)、A
3
(s)
分别为积分环节时系统的稳态误差ｅ
SS
的变化。
（1）A1(s) 为积分环节时, 响应波形：
图12-11.扰动作用在f点且A1为积分环节阶跃响应（2）A3(s) 为积分环节时, 响应波形：
图12-12.扰动作用在f点且A3为积分环节阶跃响应
可见：在扰动作用点以前的前向通道上引入积分环节能减小干扰的作用
6、当r(t)＝1(t)、f(t)＝1(t)，扰动作用点在f点时，分别观察并记录以下情况时系统的稳态误差ｅ
：
SS
（1）A1(s)、A3(s)均为惯性环节；
图12-13.当r(t)＝1(t)、f(t)＝1(t)且A1、A3均为惯性环节阶跃响应（2）A1(s)为积分环节，A3(s)为惯性环节；
图12-14.当r(t)＝1(t)、f(t)＝1(t)且A1积分、A3惯性的阶跃响应稳态误差为零
（3）A1(s)为惯性环节，A3（s)为积分环节
图12-15.当r(t)＝1(t)、f(t)＝1(t)且A1惯性、A3积分的阶跃响应
可见：积分环节应出现在扰动作用点以前的前向通道上，不宜出现在扰动作用点之后的前向通道上，否则会加剧扰动的作用。
五、结果分析与讨论
由前述实验结果比较得到以下结论：
1、由实验结果1可知，增大前向通道的开环增益K值，能减小系统的开环误差；
2、由实验结果2可知，提高系统的类型（即在前向通道上引入积分环节），使系统变为1型系统，能消除阶跃响应的稳态误差；
3、由实验结果3可知，增加扰动作用点以前的前向通道的开环增益K值能减小扰动引起的稳态误差；
4、由实验结果4可知，扰动作用点提前，扰动的干扰作用加剧；
5、由实验结果5可知，在扰动作用点以前的前向通道上引入积分环节能减小干扰的作用；
6、由实验结果6可知：积分环节应出现在扰动作用点以前的前向通道上，不宜出现在扰动作用点之后的前向通道上，否则会加剧扰动的作用。
总结：
二阶系统中，系统的类型和系统的开环增益K会影响系统的稳态误差，非单位反馈中反馈环节也会起作用。
减小系统参考输入引起的稳态误差的方法有：
1、增大前向通道的开环增益K值；
2、提高系统的类型（即在前向通道上引入积分环节）；
减小系统扰动输入引起的稳态误差的方法有：
1、增大扰动作用点以前的前向通道的开环增益K值；
2、在扰动作用点以前的前向通道上引入积分环节；
3、尽量保证扰动作用点在前向通道上的位置靠后，积分环节应出现在扰动作用
点以前的前向通道上，不要在扰动作用点之后的前向通道上引入积分环节。
六、思考题
1、系统开环放大系数Ｋ的变化对其动态性能(σp、ts、tp)的影响是什么？对
其稳态性能（ｅSS）的影响是什么？从中可得到什么结论？
答：增大开环放大系数K，σp会变大，上升时间t s保持不变，峰值时间t p会减小，其稳态误差会变小。这些现象说明了，开环放大系数会减小系统稳态误差，但会增大超调量，且使系统阻尼减小，振荡加剧。所以仅靠调节开环增益K不能达到让系统稳态性能和动态性能均很好的目的，而应该引入校正器。
2、对于单位负反馈系统，当ｅSS＝lim[r(t)-C(t)]时，?如何使用双线示波器
观察系统的稳态误差？对于图3-2所示的实验线路，如果将系统的输入r(t)送入示波器的y1通道，输出C(t)送入示波器的y2通道，且y1和y2增益档放在相同的位置，?则在示波器的屏幕上可观察到如图12-4所示的波形，这时你如何确认系统的稳态误差ｅSS？
图12-4，实验中的波形
答：增大开环放大系数K，σp会变大，上升时间t s保持不变，峰值时间t p会减小，其稳态误差会变小。这些现象说明了，开环放大系数会减小系统稳态误差，但会增大超调量，且使系统阻尼减小，振荡加剧。所以仅靠调节开环增益K不能达到让系统稳态性能和动态性能均很好的目的，而应该引入校正器。
3、当r(t)＝0时，实验线路中扰动引起的误差ｅSS应如何观察？
答：此时扰动引起的误差ｅss即为由扰动引起的振荡达到稳态后与0的差值。
4、当r(t)＝1 (t)、f(t)＝1 (t)时，?试计算以下三种情况下的稳态误差ｅSS：
s02.01K102.01+s)(sN(C)(sR 图12-5 （b) )(sR102.01+sKs02.01)(sN(C 图12-5 （c) 图12-4 实验中的波形
答：
(a) 利用线性叠加原理，当r (t )＝1 (t)、f (t )＝0时，得稳态误差为K
+
11
，当r (t )＝0、f (t )＝1时，得稳态误差为K
+-
11
。则此系统总的稳态误差为0。 (b) 利用线性叠加原理，当r (t )＝1 (t)、f (t )＝0时，得稳态误差为0，当r (t )＝0、f (t )＝1时，得稳态误差为0，则此系统总的稳态误差为0。 (c) 利用线性叠加原理，当r (t )＝1 (t)、f (t )＝0时，得稳态误差为0，当r (t )＝0、
f (t )＝1时，得稳态误差为K 1-，总稳态误差为K 1
-。
5、 试求下列二种情况下输出C(t)与比例环节K 的关系。当K 增加时C(t)应如何变化？
答：（a ）K
Ts Ts s N s C +++=2)1(1
)
()(，则当K 增大时， C (s)变小；
（b ）1
/)1(1
)
()(2+++=K Ts Ts s N s C ，则当K 增大时， C (s)变大。
6、为什么0型系统不能跟踪斜坡输入信号？
答：系统为0型时，输入斜坡信号后，即2
1
)(s s R =
，稳态误差为无穷大，所得到的输出与输入的差值会越来越大，最后趋向无穷。这样就无法反映斜坡输入信号的状况，即不能跟踪斜坡输入信号。
7、为什么0型系统在阶跃信号输入时一定有误差存在？ 答：由 可知，当阶跃输入为21)(s s R = 时，得到ss e 等于某一非0的常数，说明0型系统在阶跃信号输
入时一定有误差存在。
8、为使系统的稳态误差减小，系统的开环增益应取大些还是小些？ 答：由 可知系统的开环增益应取大一点。
)
(11
)(lim )(lim 00s G s sR s sE e s s ss +==→→∏∏==++=
n
i i m j j s T s K s G 1
1
)
1()
1()(τ???=+=→0,11)(lim 0N K
s sR e s ss
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
自动控制实验报告1
东南大学自动控制实验室 实验报告 课程名称：自动控制原理 实验名称：闭环电压控制系统研究 院（系）：仪器科学与工程专业：测控技术与仪器姓名：学号： 实验室：常州楼五楼实验组别：/ 同组人员：实验时间：2018/10/17 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。 （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、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。 （2）自动控制的根本是闭环，尽管有的系统不能直接感受到它的闭环形式，如步进电机控制，专家系统等，从大局看，还是闭环。闭环控制可以带来想象不到的好处，本实验就是用开环和闭环在负载扰动下的实验数据，说明闭环控制效果。自动控制系统性能的优劣，其原因之一就是取决调节器的结构和算法的设计（本课程主要用串联调节、状态反馈），本实验为了简洁，采用单闭环、比例调节器K。通过实验证明：不同的K，对系性能产生不同的影响，以说明正确设计调节器算法的重要性。 （3）为了使实验有代表性，本实验采用三阶（高阶）系统。这样，当调节器K值过大时，控制系统会产生典型的现象——振荡。本实验也可以认为是一个真实的电压控制系统。 三、实验设备： THBDC-1实验平台 四、实验线路图： 五、实验步骤：
自控实验报告实验三 线性系统的根轨迹
实验三 线性系统的根轨迹 一、实验目的 1. 熟悉MATLAB 用于控制系统中的一些基本编程语句和格式。 2. 利用MATLAB 语句绘制系统的根轨迹。 3. 掌握用根轨迹分析系统性能的图解方法。 4. 掌握系统参数变化对特征根位置的影响。 二、实验报告 1．根据内容要求，写出调试好的MATLAB 语言程序，及对应的结果。 2. 记录显示的根轨迹图形，根据实验结果分析根轨迹的绘制规则。 3. 根据实验结果分析闭环系统的性能，观察根轨迹上一些特殊点对应的K 值，确定闭环系统稳定的范围。 4．写出实验的心得与体会。 三、实验内容 请绘制下面系统的根轨迹曲线同时得出在单位阶跃负反馈下使得闭环系统稳定的K 值的范围。 一、 ) 136)(22()(2 2 ++++=s s s s s K s G 1、程序代码： G=tf([1],[1,8,27,38,26]); rlocus (G); [k,r]=rlocfind(G) G_c=feedback(G,1); step(G_c) 2、实验结果：
-8-6 -4 -2 24 6 8 Root Locus Real Axis I m a g i n a r y A x i s selected_point = -8.8815 + 9.4658i k = 1.8560e+04 r = -10.2089 + 8.3108i -10.2089 - 8.3108i 6.2089 + 8.2888i 6.2089 - 8.2888i Time (seconds) A m p l i t u d e selected_point = -9.5640 - 7.6273i k = 1.3262e+04 r = -9.5400 + 7.6518i -9.5400 - 7.6518i 5.5400 + 7.6258i 5.5400 - 7.6258i Time (seconds) A m p l i t u d e
自控实验报告 控制系统串联校正
自动控制原理实验报告（III）
一、实验名称：控制系统串联校正 二、实验目的 1. 了解和掌握串联校正的分析和设计方法。 2. 研究串联校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响。 三、实验内容 1. 设计串联超前校正，并验证。 2. 设计串联滞后校正，并验证。 四、实验原理 1. 系统结构如图3-1 图3-1 其中G c(s)为校正环节，可放置在系统模型中来实现，也可使用模拟电路的方式由模拟机来实现。 2. 系统模拟电路如图3-2 图3-2 各电阻电容取值 R3=2MΩ R4=510KΩ R5=2MΩ C1=0.47μF C2=0.47μF 3. 未加校正时G c s=1 (a >1) 4. 加串联超前校正时G c s=aTs+1 Ts+1 给定 a = 2.44 , T = 0.26 , 则G c s=0.63s+1 0.26s+1 （0 （1）未加校正 （2）超前校正 （3）滞后校正 3. 系统波特图 （1）未加校正环节系统开环传递函数G s= 4 s2+s （2）串联超前校正系统开环传递函数G s= 2.52s+4 0.26s3+1.26s2+s （3）串联滞后校正系统开环传递函数G s= 40s+4 83.33s3 + 84.33s2+s 六、数据分析 1、无论是串入何种校正环节，或者是否串入校正环节，系统最终都会进入稳态，即三个系统都是稳定系统。 2、超前校正：系统比未加校正时调节时间短，即系统快速性变好了，而且超调量也减小了。从频率角度来看，戒指频率减小，相位稳定域度增大，系统稳定性变好。 控制理论： 实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真 1. 比例（P ）环节 1.1 实验电路 图中后一个单元为反相器，其中R 0=200K 。 1.2 实验设备 阶跃信号发生器(单位阶跃输入)；电路单元U 6，U 12；直流数字电压表(测输入电压)；“THBDC-1”软件 1.3实验数据及实验响应曲线 R 1=100K ，R 2=200K(K=2)，R 0=200K 时 红色曲线为输入u i ，蓝色曲线为输出u o 。 注：为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件上的分频系数(一般调至刻度2)和“ ” 按钮(时基自动)，以下实验同样。 2. 积分（I ）环节 2.1 实验电路 图中后一个单元为反相器，其中R 0=200K 。 2.2 实验设备 阶跃信号发生器(单位阶跃输入)，电路单元U 6，U 12，直流数字电压表(测输入电压)， “THBDC-1”软件 2.3实验数据及实验响应曲线 R=100K，C=10 uF，R0=200K ，(T=RC=100K×10uF=1)时, 红色曲线为输入u i，蓝色曲线为输出u o。 注：当实验电路中有积分环节时，实验前一定要用锁零单元进行锁零。 3. 比例积分(PI)环节 3.1 实验电路 图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。 3.2实验设备 阶跃信号发生器(单位阶跃输入)，电路单元U6，U12，直流数字电压表(测输入电压)，“THBDC-1”软件 3.3实验数据及实验响应曲线 R1=100K，R2=100K，C=10uF ，R0=200K ，(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K×10uF=1)时 红色曲线为输入u i，蓝色曲线为输出u o。 4. 比例微分(PD)环节 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 成绩 北京航空航天大学 自动控制原理实验报告 学院自动化科学与电气工程学院 专业方向电气工程及其自动化 班级120311 学号12031019 学生姓名毕森森 指导教师 自动控制与测试教学实验中心 实验一一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试 实验时间2014.10.28 实验编号29 同组同学无 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： 模拟运算电路如图1- 1所示： 图 1- 1 由图 1-1得 在实验当中始终取R 2= R 1 ，则K=1，T= R 2 C，取时间常数T分别为： 0.25、 0.5、1。 2．二阶系统: 其传递函数为： 令=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R 2C 1=1 ，R 3C 2 =1，则及ζ取不同的值ζ=0.25 , ζ=0.5 , ζ=1 四、实验设备 HHMN-1电子模拟机一台、PC 机一台、数字式万用表一块 五、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。 6. 单击“确定”，进行实验。完成后检查实验结果，填表记录实验数据，抓图记录实验曲线。 六、实验结果 1、一阶系统。 自动控制系统实验报告 学号： 班级： 姓名: 老师： 一．运动控制系统实验 实验一.硬件电路的熟悉和控制原理复习巩固 实验目的：综合了解运动控制实验仪器机械结构、各部分硬件电路以及控制原理，复习巩固以前课堂知识，为下阶段实习打好基础。 实验内容：了解运动控制实验仪的几个基本电路： 单片机控制电路（键盘显示电路最小应用系统、步进电机控制电路、光槽位置检测电路） ISA运动接口卡原理（搞清楚译码电路原理和ISA总线原理） 步进电机驱动检测电路原理（高低压恒流斩波驱动电路原理、光槽位置检测电路）两轴运动十字工作台结构 步进电机驱动技术（掌握步进电机三相六拍、三相三拍驱动方法。） 微机接口技术、单片机原理及接口技术，数控轮廓插补原理，计算机高级语言硬件编程等知识。 实验结果： 步进电机驱动技术： 控制信号接口： （1）PUL：单脉冲控制方式时为脉冲控制信号，每当脉冲由低变高是电机走一步；双 脉冲控制方式时为正转脉冲信号。 （2）DIR：单脉冲控制方式时为方向控制信号，用于改变电机转向；双脉冲控制方式 时为反转脉冲信号。 （3）OPTO ：为PUL 、DIR 、ENA 的共阳极端口。 （4）ENA ：使能/禁止信号，高电平使能，低电平时驱动器不能工作，电机处于自由状 态。 电流设定： （1）工作电流设定： （2）静止电流设定： 静态电流可用SW4 拨码开关设定，off 表示静态电流设为动态电流的一半，on 表示静态电流与动态电流相同。一般用途中应将SW4 设成off ，使得电机和驱动器的发热减少，可靠性提高。脉冲串停止后约0.4 秒左右电流自动减至一半左右（实际值的60％），发热量理论上减至36％。 （3）细分设定： （4）步进电机的转速与脉冲频率的关系 电机转速v = 脉冲频率P * 电机固有步进角e / (360 * 细分数m) 逐点比较法的直线插补和圆弧插补： 一．直线插补原理： 如图所示的平面斜线AB ，以斜线起点A 的坐标为x0，y0，斜线AB 的终点坐标为(xe ，ye)，则此直线方程为： 00 00Y Ye X Xe Y Y X X --= -- 取判别函数F ＝(Y —Y0)(Xe —Xo)—(X-X0)(Ye —Y0) 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. 东南大学自控实验报告实验三闭环电压控制系统研究 东南大学 《自动控制原理》 实验报告 实验名称：实验三闭环电压控制系统研究 院（系）：专业： 姓名：学号： 实验室： 416 实验组别： 同组人员：实验时间：年 11月 24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）经过实例展示，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）经过开、闭环实验数据说明闭环控制效果。 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”的数学形式来表示、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。因此，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，就能够“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”的实验方式能够做到举一反三，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。 （2）自动控制的根本是闭环，尽管有的系统不能直接感受到它的 闭环形式，如步进电机控制，专家系统等，从大局看，还是闭环。闭环控制能够带来想象不到的好处，本实验就是用开环和闭环在负载扰动下的实验数据，说明闭环控制效果。自动控制系统性能的优劣，其原因之一就是取决调节器的结构和算法的设计（本课程主要用串联调节、状态反馈），本实验为了简洁，采用单闭环、比例调节器K。经过实验证明：不同的K，对系性能产生不同的影响，以说明正确设计调节器算法的重要性。 （3）为了使实验有代表性，本实验采用三阶（高阶）系统。这样，当调节器K值过大时，控制系统会产生典型的现象——振荡。本实验也能够认为是一个真实的电压控制系统。 三、实验设备： THBDC-1实验平台 四、实验线路图： 五、实验步骤： （1）如图接线，建议使用运算放大器U8、U10、U9、U11、U13。 实验报告册 课程名称：自动控制原理 指导老师：丁永前 班级： 姓名： 学号： 学期：20 16 —20 17 学年第 1 学期南京农业大学工学院教务处印 实验目录实验一：典型环节的模拟实验 实验二：典型系统瞬态响应和稳定性分析实验三：控制系统的频率特性 实验四：系统校正 实验名称：典型环节的模拟实验 一、实验目的 通过模拟实验电路，结合理论知识感性认识各基本环节在典型信号下的响应。通过实验初步了解实验装置的性能和结构，学会布线、设计和组合单元，学会软件的操作。 二、实验设备基本知识 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1一1所示电路．它由“单脉冲单元”（U0sp）及“电位器单元（Ｕ14Ｐ）组成． 图1—1 具体线路形成：在Ｕ 13 ＳＰ单元中，将Ｈ1与十5Ｖ插针用“短路决”短接， Ｈ2插针用排线接至U 14 Ｐ单元的X插针; 在U 14 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． 以后实验若再用到阶跃信号时，方法同上．不再赘述。 三、实验内容和步骤： （1）观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶成响应曲线。（2）观测ＰＩＤ环节的响应 （3）根据实际搭建的模拟电路图的参数，求解各典型环节的传递函数，在Simulink中进行仿真，给出理论的响应曲线，并与实际响应曲线进行对比分析。 四、写出各典型环节在阶跃信号作用下的输出响应表达式（用参数表示） 1、比例环节：Uo/Ui=K 成绩北京航空航天大学 自动控制原理实验报告 学院仪器科学与光电工程学院 专业方向惯性技术与导航仪器 班级 学号 学生姓名尧爸爸 指导教师 自动控制与测试教学实验中心 实验四控制系统数字仿真 目录 一、实验目的 (3) 二、实验内容 (3) 三、理论计算 (3) 1.求解ζ和主导极点所对应角度β (3) 2.用matlab绘制系统的根轨迹并找到主导极点 (3) 3.求解K值 (4) 四、计算机仿真 (5) 1. 实验程序 (5) ①四阶龙格库塔计算函数：RgKta.m (5) ②stepspecs.m (5) ③主程序test.m (7) 2. 超调量和ts (8) 3.阶跃响应曲线 (8) 五．实验总结 (9) 一、 实验目的 通过本实验掌握利用四阶龙格——库塔法进行控制系统数字仿真的方法，并分析系统参数改变对系统性能的影响。 二、 实验内容 已知系统结构如图4-1 ： 图4-1 若输入为单位阶跃函数，计算当超调量分别为5%，25%，50%时K 的取值（用主导极点方法估算），并根据确定的K 值在计算机上进行数字仿真。 三、 理论计算 1.求解ζ和主导极点所对应角度β ①根据公式：%100%e πξσ-=?，可以解得相应的ξ 2.用matlab 绘制系统的根轨迹并找到主导极点 由cos β=ξ,过原点做倾角为180-β的直线，与系统根轨迹的交点即为系统主导极点。 代码如下： %%绘制跟轨迹和主导极点所在位置 % hold on; num=[1]; dun=[1,10,25,0]; rlocus(num,dun) t=-4:0.001:0; y1=-t*tan(46.37/57.3); y2=-t*tan(66.19/57.3); y3=-t*tan(77.555/57.3); plot(t,y1,t,y2,t,y3); 3.求解K值 由模值方程K?=s?p1|s?p2||s?p3|可解K 西安邮电学院 自动控制原理 实验报告 实验三系统校正 一，实验目的 1.了解和掌握系统校正的一般方法。 2.熟悉掌握典型校正环节的模拟电路构成方法。二．实验原理及电路 1.未校正系统的结构方框图 图1 2.校正前系统的参考模拟方框图 图2 3.校正后系统的结构方框图 图3 4.校正后系统的模拟电路图 图4 三．实验内容及步骤 1.测量未校正系统的性能指标 （1）按图2接线 （2）加入阶跃电压观察阶跃响应曲线，并测出超调量和调节时间，并将曲线和参数记录出来。 2.测量校正系统的性能指标 （1）按图4接线 （2）加入阶跃电压，观察阶跃响应曲线，并测出超调量以及调节时间。 四．实验结果 未校正系统 理论值σ% = 60.4% t s = 3.5s 测量值σ% = 60% t s = 2.8s 校正后系统 理论值σ% = 16.3% t s = 0.35s 测量值σ% = 5% t s = 0.42s 五．心得体会 在课本的第六章，我们学习了线性系统的校正方法，包括串联校正、反馈校正以及复合校正等矫正方法，相对于之前学习的内容，理解起来相对难一些，做起实验来也不容易上手。试验期间，遇到了很多难题，反复调整修改甚至把连接好的电路全都拆了重连，最后终于完成了实验。相对于之前的几次试验，这次实验师最让人头疼的，幸好之前积累了些经验，才使得我们这次实验的时候不至于手忙脚乱，但是也并不轻松。 虽然遇到的困难很多，但是我们却收获的更多，线性系统的校正是自动控制原理中重要的部分，通过理论课的学习，再加上实验课的实践，我终于对这些内容有个系统的理解。 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 -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 +-= 成绩 实验报告 实验二频率特性测试与频域分析法建模实验 实验时间第12周周三上午实验编号 同组同学无 一、实验目的 1.掌握频率特性的测试原理及方法。 2.学习根据所测定出的系统的频率特性，确定系统传递函数的方法。 二、实验内容 1.测定给定环节的频率特性。 系统模拟电路图及系统结构图分别如图 2.2.1及图 2.2.2。 取Ω===M R R R 10.432，F C C μ121==，Ω==k 101R R 系统传递函数为： 1=K 时，取Ω=K R 10，则10 1010 )(2++= s s s G 2=K 时，取Ω=K R 20，则10 1020 )(2 ++=s s s G 若正弦输入信号为)sin()(1t A t Ui ω=，则当输出达到稳态时，其输出信号为)sin()(20?ω+=t A t U 。改变输入信号频率π ω 2= f 值，便可测得二组2 1 A A 和ψ随f(或ω)变化的 数值，这个变化规律就是系统的幅频特性和相频特性。 2.根据测定的系统频率特性，确定系统的传递函数。 三、实验原理 1.幅频特性即测量输入与输出信号幅值A 1及A 2，然后计算其比值A 2/A 1。 2.实验采用“李萨如图形”法进行相频特性的测试。以下简单介绍一下这种测试方法的原理。 设有两个正弦信号： )sin()(t X t X m ωω=) sin()(?ωω+=t Y t Y m 若以X (ωt )为横轴，Y (ωt )为纵轴，而以ω作为参变量，则随着ωt 的变化， X (ωt )和Y (ωt )所确定的点的轨迹，将在X -Y 平面上描绘出一条封闭的曲线。这个图形就是物理学上所称的“李萨如图形”，如图2.2.3所示。 图2.2.3李沙育图形 3.相位差角的求法： 对于)sin()(t X t X m ωω=及) sin()(?ωω+=t Y t Y m 当0=t ω时,有0)0(=X ；)sin()0(?m Y Y =即)/)0(arcsin(m Y Y =?,2/0π?≤≤时成立 4.记录实验结果数据填写表2.2.1。 表2.2.1实验结果数据表 编号 1 2 3 … 10 ω A 2/A 1Y 0/Y m 自动控制原理实验报告 学院： 班级： 姓名： 学号： 西安交通大学实验报告 课程自动控制原理实验日期2014 年12月22 日专业班号交报告日期 2014 年 12月27日姓名学号 实验五直流电机转速控制系统设计 一、实验设备 1.硬件平台——NI ELVIS 2.软件工具——LabVIEW 二、实验任务 1.使用NI ELVIS可变电源提供的电源能力，驱动直流马达旋转，并通过改变电压改变 其运行速度； 2.通过光电开关测量马达转速； 3.通过编程将可变电源所控制的马达和转速计整合在一起，基于计算机实现一个转速自 动控制系统。 三、实验步骤 任务一：通过可变电源控制马达旋转 任务二：通过光电开关测量马达转速 任务三：通过程序自动调整电源电压，从而逼近设定转速 编程思路：PID控制器输入SP为期望转速输出，PV为实际测量得到的电机转速，MV为PID输出控制电压。其中SP由前面板输入；PV通过光电开关测量马达转速得到；将PID 的输出控制电压接到“可变电源控制马达旋转”模块的电压输入控制端，控制可变电源产生所需的直流电机控制电压。通过不断地检测马达转速与期望值对比产生偏差，通过PID控制器产生控制信号，达到直流电机转速的负反馈控制。 PID参数：比例增益：0.0023 积分时间：0.010 微分时间：0.006 采样率和待读取采样：采样率：500kS/s 待读取采样：500 启动死区：电机刚上电时，速度为0，脉冲周期测量为0，脉冲频率测量为无限大。通过设定转速的“虚拟下限”解决。本实验电机转速最大为600r/min。故可将其上限值设为600r/min，超过上限时，转速的虚拟下限设为200r/min。 改进：利用LabVIEW中的移位寄存器对转速测量值取滑动平均。 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) 本文部分内容来自网络整理，本司不为其真实性负责，如有异议或侵权请及时联系，本司将立即删除！ == 本文为word格式，下载后可方便编辑和修改！ == 自控原理实验报告修改 实验报告 课程自动控制原理实验报告专业学号 指导教师姓名 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{ EMBED Equation.3 |G1(s)?1和； ② 惯性环节和 ③ 积分环节 ④ 微分环节 ⑤ 比例+微分环节（PD）和 ⑥ 比例+积分环节（PI）和 三、实验结果及分析 实验过程 ① 比例环节 相应的SIMULINK仿真模型及其单位阶跃响应波形如图所示。相应的SIMULINK仿真模型及其单位阶跃响应波形如图所示。 分析知： 1、比例环节是一条平行于实轴的直线。 2、比例系数越大，越远离实轴。 ② 惯性环节 相应的SIMULINK仿真模型及其单位阶跃响应波形如图所示。 相应的SIMULINK仿真模型及其单位阶跃响应波形如图所示。 分析知： 惯性环节s因子系数越小，系统越快速趋于稳定。 ③ 积分环节 相应的SIMULINK仿真模型及其单位阶跃响应波形如图所示。 ④ 微分环节 相应的SIMULINK仿真模型及其单位阶跃响应波形如图所示。 分析知： 积分环节先趋于稳定，后开始开始不稳定。 微分环节开始稳定中间突变而后又趋于稳定。 ⑤ 比例+微分环节（PD） 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 =? 自动控制原理实验报告 学 院 电子信息与电气工程学院 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.经典自控实验报告
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