控制工程基础实验

《控制工程基础》MATLAB仿真实验指导书

湖北民族学院理学院

2010年9月

目录

实验一 1、控制系统应用软件学习使用及典型控制系统建模分析 (1)

2、一、二阶系统时域特性分析 (6)

3、控制系统频域特性分析 (8)

实验二 1、控制系统稳定性仿真 (11)

2、控制系统校正及PID仿真 (15)

实验一

1 控制系统应用软件学习使用及典型控制系统建模分析

一、实验目的

1.掌握MATLAB软件使用的基本方法；

2.熟悉MATLAB的数据表示、基本运算和程序控制语句；

3.熟悉MATLAB程序设计的基本方法。

4.学习用MATLAB创建控制系统模型。

二、实验原理

1.MATLAB的基本知识

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）之意。MATLAB具有卓越的数值计算能力，具有专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,与工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。

当MATLAB 程序启动时，一个叫做MATLAB 桌面的窗口出现了。默认的MATLAB 桌面结构如下图所示。

在MATLAB 集成开发环境下，它集成了管理文件、变量和用程序的许多编程工具。在MATLAB 桌面上可以得到和访问的窗口主要有：

命令窗口（The Command Window）:在命令窗口中，用户可以在命令行提示符(>>)后输入一系列的命令，回车之后执行这些命令，执行的命令也是在这个窗口中实现的。

命令历史窗口（The Command History Window）:用于记录用户在命令窗口(The Command Windows)，其顺序是按逆序排列的。即最早的命令在排在最下面，最后的命令排在最上面。这些命令会一直存在下去，直到它被人为删除。双击这些命令可使它

再次执行。要在历史命令窗口删除一个或多个命令，可以先选择，然后单击右键，这时就有一个弹出菜单出现，选择Delete Section。任务就完成了。

工作台窗口（Workspace）:工作空间是MATLAB用于存储各种变量和结果的内存空间。在该窗口中显示工作空间中所有变量的名称、大小、字节数和变量类型说明，可对变量进行观察、编辑、保存和删除。

当前路径窗口（Current Directory Browser）

MATLAB命令常用格式为: 变量=表达式

或直接简化为: 表达式

通过“=”符号将表达式的值赋予变量，若省略变量名和“=”号，则MATLAB 自动产生一个名为ans的变量。

变量名必须以字母开头，其后可以是任意字母、数字或下划线，大写字母和小写字母分别表示不同的变量，不能超过19个字符，特定的变量如：pi（=3.141596）、Inf（=∞）、NaN(表示不定型求得的结果,如0/0）等不能用作它用。

表达式可以由函数名、运算符、变量名等组成，其结果为一矩阵，赋给左边的变量。

MATLAB所有函数名都用小写字母。MATLAB有很多函数，因此很不容易记忆。可以用帮助（HELP）函数帮助记忆，有三种方法可以得到MATLAB 的帮助。最好的方法是使用帮助空间窗口（helpbrowser）。你可以单击MATLAB 桌面工具栏上的图标，也可以在命令窗口(The CommandWindows)中输入helpdesk 或helpwin 来启动帮助空间窗口（help browser）。你可以通过浏览MATLAB 参考证书或搜索特殊命令的细节得到帮助。

另外还有两种运用命令行的原始形式得到帮助。

第一种方法是在MATLAB 命令窗口(The Command Windows)中输入help 或help 和所需要的函数的名字。如果你在命令窗口(The Command Windows)中只输入help，MATLAB 将会显示一连串的函数。如果有一个专门的函数名或工具箱的名字包含在内，那么help 将会提供这个函数或工具箱。

第二种方法是通过lookfor 函数得到帮助。lookfor 函数与help 函数不同，help 函数要求与函数名精确匹配，而lookfor 只要求与每个函数中的总结信息有匹配。Lookfor 函数比help函数运行起来慢得多，但它提高了得到有用信息的机会。使用HELP函数可以得到有关函数的屏幕帮助信息。

常用运算符及特殊符号的含义与用法如下：

+ 数组和矩阵的加法

- 数组和矩阵的减法

* 矩阵乘法

/ 矩阵除法

[ ] 用于输入数组及输出量列表

( ) 用于数组标识及输入量列表

‘’其内容为字符串

, 分隔输入量,或分隔数组元素 ； 1.分开矩阵的行

2. 在一行内分开几个赋值语句

3．需要显示命令的计算结果时，则语句后面不加“；”号，否则要加“；”

号。

% 其后内容为注释内容，都将被忽略，而不作为命令执行 … 用来表示语句太长,转到第二行继续写 回车之后执行这些命令 举例：矩阵的输入 1 2 3 A= 4 5 6 7 8 9

矩阵的输入要一行一行的进行，每行各元素用（，）或空格分开，每行用（；）分

开。

MATLAB 书写格式为： A=[1,2,3;4,5,6;7,8,9]

或A=[1 2 3 ；4 5 6 ；7 8 9] 回车之后运行程序可得到A 矩阵 A = 1 2 3 4 5 6 7 8 9

需要显示命令的计算结果时，则语句后面不加“；”号，否则要加“；”号。 运行下面两种格式可以看出他们的区别

a=[1 2 3;4 5 6;7 8 9] a=[1 2 3;4 5 6;7 8 9];

a = 1 2 3 （不显示计算结果）

4 5 6 7 8 9 2. 系统建模

(1)系统的传递函数模型

系统的传递函数为：

对线性定常系统，式中s 的系数均为常数，且a1不等于零，这时系统在MATLAB

1

1211

121......)()()(+-+-++++++++=

=n n n n m n m m a s a s a s a b s b s b s b s R s C s G

中可以方便地由分子和分母系数构成的两个向量唯一地确定出来，这两个向量可分别用变量名num 和den 表示。

num=[b1,b2,…,bm,bm+1] den=[a1,a2,…,an,an+1]

注意：它们都是按s 的降幂进行排列的。 举例： 传递函数: 输入:

>>num=[12,24,0,20],den=[2 4 6 2 2]

显示:

num = 12 24 0 20

den = 2 4 6 2 2

(2)模型的连接 1）并联：parallel 格式：

[num,den]=parallel(num1,den1,num2,den2) ? ％将并联连接的传递函数进行相加。 举例： 传递函数: 输入:

>>num1=3;den1=[1,4];num2=[2,4];den2=[1,2,3];[num,den]=parallel(num1,de n1,num2,den2) 显示:

num = 0 5 18 25 den = 1 6 11 12 2) 串联：series 格式：

[num,den]=series(num1,den1,num2,den2) ? ％将串联连接的传递函数进行相乘。 3) 反馈：feedback 格式：

[num,den]=feedback(num1,den1,num2,den2,sign)

? ％将两个系统按反馈方式连接，系统1为对象，系统2为反馈控制器，系统和闭环系统均以传递函数的形式表示。sign 用来指示系统2输出到系统1输入的连接符号，sign 缺省时，默认为负，即sign= -1。总系统的输入/输出数等同于系统1。

4) 闭环：cloop （单位反馈） 格式：

2

264220

2412)(234

23++++++=s s s s s s s G 3

242)(22+++=

s s s s G 4

3)(1+=

s s G

[numc,denc]=cloop(num,den,sign)

? ％表示由传递函数表示的开环系统构成闭环系统，sign 意义与上述相同。

三、 实验仪器和用具

主要仪器设备： 1. 电脑, 1台/人 2. MATLAB 软件 3. 打印机

四、 实验方法与步骤

1. 掌握MATLAB 软件使用的基本方法；

2. 用MATLAB 产生下列系统的传递函数模型：

2

32341

23)(2

345

234+++++++++=s s s s s s s s s s G 3. 系统结构图如下所示，求其传递函数模型

4. 系统结构图如下所示，传递函数模型

5. 系统结构图如下所示，求其多项式传递函数模型

五、 实验分析及结论

1. 记录程序

2. 记录与显示给定系统数学模型

3. 完成上述各题

六、 注意事项

掌握MATLAB 软件使用的基本方法；用Matlab 产生系统的传递函数模型

七、 思考题

1. 怎样使用MATLAB 软件？

2. 怎样用MATLAB 产生系统的传递函数模型？

2 一、二阶系统时域特性分析

一、 实验目的

1. 利用MATLAB 对一、二阶系统进行时域分析。

2. 掌握一阶系统的时域特性，理解时间常数T 对系统性能的影响。

3. 掌握二阶系统的时域特性，理解二阶系统的两个重要参数ξ和ωn 对系统动

态特性的影响。

二、 实验原理

1. MATLAB 的基本知识

MATLAB 为用户提供了专门用于单位阶跃响应并绘制其时域波形的函数step 阶跃响应常用格式： step(num,den)

或step(num,den,t) 表示时间范围0～t 。

或step(num,den,t1:p:t2) 绘出在t1～t2时间范围内，且以时间间隔p

均匀取样的波形。

举例：

二阶系统闭环传函为()6

.06.05

22

+++=s s s s G 绘制单位阶跃响应曲线。 输入:

>> num=[2,5];den=[1,0.6,0.6];step(num,den)

2. 系统的单位阶跃响应

3. 系统的动态性能指标

4. 教科书3.7节

三、 实验仪器和用具

主要仪器设备： 1. 电脑, 1台/人 2. MATLAB 软件 3. 打印机

四、 实验方法与步骤

1. 一阶系统()1

1

+=

Ts s G T 分别为0.2、0.5、1、5时单位阶跃响应曲线

2. 二阶系统()2

222n

n n s s s G ωζωω++= 1）ωn=6, ξ分别为0.2、0.5、1时单位阶跃响应曲线 2）ξ=0.7, ωn 分别为2、4、12时单位阶跃响应曲线 3）键入程序，观察并记录单位阶跃响应曲线

4）记录各响应曲线实际测取的峰值大小、峰值时间、超调量及过渡过程时间，并填表：

五、 实验分析及结论

1.

完成上述各题完成上述各题

2. 记录程序，观察记录单位阶跃响应曲线

3. 响应曲线及指标进行比较，作出相应的实验分析结果

4.

分析系统的动态特性

六、 注意事项

1. 注意一阶惯性环节当系统参数T 改变时，对应的响应曲线变化特点，以及对

系统的性能的影响。

2. 注意二阶系统的性能指标与系统特征参数ξ、ωn 之间的关系。

七、 思考题

1. 一阶系统时间常数T 对系统性能有何影响？

2. 二阶系统的两个重要参数ξ和ωn 对系统性能有何影响？

3 控制系统频域特性分析

一、 实验目的

1. 加深理解频率特性的概念，掌握系统频率特性的测试原理及方法。

2. 利用MATLAB 作出开环系统的奈奎斯特图和波特图，对控制系统特性进行分

析。

二、 实验原理

1. 奈奎斯特图（幅相频率特性图）

MATLAB 为用户提供了专门用于绘制奈奎斯特图的函数nyquist 常用格式：

nyquist (num,den)

或nyquist (num,den,w) 表示频率范围0～w 。

或nyquist (num,den,w1:p:w2) 绘出在w1～w2频率范围内，且以频率间隔p 均匀取样的波形。 举例：

系统开环传函为()3

21

5222++++=s s s s s G 绘制奈奎斯特图。

输入:

>> num=[2,5,1];den=[1,2,3];nyquist(num,den)

2. 对数频率特性图（波特图）

MATLAB 为用户提供了专门用于绘制波特图的函数bode 常用格式：

bode (num,den)

或bode (num,den,w) 表示频率范围0～w 。

或bode (num,den,w1:p:w2) 绘出在w1～w2频率范围内，且以频率间隔p 均匀取样的波形。 举例：

系统开环传函为()1

2.01

2

++=s s s G 绘制波特图。 输入:

>> num= num=[1];den=[1,0.2,1];bode(num,den)

4. Nyquist 稳定性判据内容；

5. 教科书4.8节。

三、 实验仪器和用具

主要仪器设备： 1. 电脑, 1台/人 2. MATLAB 软件 3. 打印机

四、 实验方法与步骤

1. 用Matlab 作 Nyquist 图. 系统开环传函为()3

21

522++++=s s s s s G

2. 用Matlab 作Bode 图. 系统开环传函为()1

4.012++=s s s G

3. 键入程序，观察并记录各种曲线

五、实验分析及结论

1.完成上述各题

2.记录程序，观察记录各种曲线

3.根据开环频率特性图分析闭环系统稳定性及其他性能

4.作出相应的实验分析结果

六、注意事项

1.频率特性的概念

2.频率特性的测试原理及方法。

七、思考题

1.典型环节的频率特性？

2.怎样用奈奎斯特图和波特图对控制系统特性进行分析？

实验二

1、 控制系统稳定性仿真

一、 实验目的

1. 加深理解稳定性的概念，掌握判断系统的稳定性的原理及方法。

2. 学会运用各种稳定判据来判断系统的稳定性及对控制系统稳定性进行分析。

3. 学会运用MATLAB 对系统稳定性进行仿真。

二、 实验原理

1. 传递函数描述

(1)连续系统的传递函数模型

连续系统的传递函数如下：

对线性定常系统，式中s 的系数均为常数，且a1不等于零，这时系统在MATLAB 中可以方便地由分子和分母系数构成的两个向量唯一地确定出来，这两个向量分别用num 和den 表示。

num=[b1,b2,…,bm,bm+1] den=[a1,a2,…,an,an+1]

注意：它们都是按s 的降幂进行排列的。

(2)零极点增益模型

零极点模型实际上是传递函数模型的另一种表现形式，其原理是分别对原系统传递函数的分子、分母进行分解因式处理，以获得系统的零点和极点的表示形式。

K 为系统增益，zi 为零点，pj 为极点

在MATLAB 中零极点增益模型用[z,p,K]矢量组表示。即： z=[z1,z2,…,zm] p=[p1,p2,...,pn] K=[k]

函数tf2zp()可以用来求传递函数的零极点和增益。

(3)部分分式展开

控制系统常用到并联系统，这时就要对系统函数进行分解，使其表现为一些基本控制单元的和的形式。

函数[r,p,k]=residue(b,a)对两个多项式的比进行部分展开，以及把传函分解为微分单元的形式。

向量b 和a 是按s 的降幂排列的多项式系数。部分分式展开后，余数返回到向量r ，极点返回到列向量p ，常数项返回到k 。

1

1211

1

21......)()()(+-+-++++++++==n n n n m n m m a s a s a s a b s b s b s b s R s C s G )

)...()(()

)...()(()(2121n m p s p s p s z s z s z s K s G ------=

[b,a]=residue(r,p,k)可以将部分分式转化为多项式比p(s)/q(s)。 举例：

传递函数描述：

1）

》num=[12,24,0,20];den=[2 4 6 2 2];

2）

借助多项式乘法函数conv 来处理：

》num=4*conv([1,2],conv([1,6,6],[1,6,6]));

》den=conv([1,0],conv([1,1],conv([1,1],conv([1,1],[1,3,2,5])))); 零极点增益模型：

》num=[1,11,30,0];

》den=[1,9,45,87,50]; [z,p,k]=tf2zp(num,den) 》z= 0 -6 -5 p=

-3.0000+4.0000i -3.0000-4.0000i -2.0000 -1.0000 k= 1

结果表达式

部分分式展开：

》num=[2,0,9,1];

》den=[1,1,4,4]; [r,p,k]=residue(num,den) 》r=

0.0000-0.2500i 0.0000+0.2500i -2.0000 p=

0.0000+2.0000i 0.0000-2.0000i -1.0000 k= 2

结果表达式

2

264220

2412)(234

23++++++=s s s s s s s G )

523()1()66)(2(4)(2332

2+++++++=

s s s s s s s s s G 50874593011)(2342

3++++++=

s s s s s s s s G )

43)(43)(2)(1()

5)(6()(j s j s s s s s s s G -+++++++=

441

92)(233+++++=s s s s s s G 1

2

225.0225.02)(+-+++--+=s i s i i s i s G

2. 模型的转换与连接

(1)模型的转换

在一些场合下需要用到某种模型，而在另外一些场合下可能需要另外的模型，这就需要进行模型的转换。

模型转换的函数包括：

residue ： 传递函数模型与部分分式模型互换 tf2zp ： 传递函数模型转换为零极点增益模型 zp2tf ： 零极点增益模型转换为传递函数模型 用法举例：

已知部分分式：

》r=[-0.25i,0.25i,-2]; 》p=[2i,-2i,-1];k=2;

》[num,den]=residue(r,p,k) 》num=

2 0 9 1 》den=

1 1 4 4

三、 实验仪器和用具

主要仪器设备： 1. 电脑, 1台/人 2. MATLAB 软件 3. 打印机

四、 实验方法与步骤

1. 系统传函为()2

7243645232

3

4

5

234+++++++++=

s s s s s s s s s s G ，用以下三种方法试判断其稳定

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

2. 系统传函为2

5372

2)(2

342++++++=s s s s s s s G 用以上三种方法试判断其稳定 五、 实验分析及结论

1. 完成上述各题

2. 记录程序，观察记录各种曲线

3. 根据特性图分析闭环系统稳定性

4.

作出相应的实验分析结果

六、 注意事项

1. 稳定性的概念

1

2

225.0225.02)(+-+++--+=s i s i i s i s G

2. 稳定性的测试原理及方法。

七、 思考题

1. 怎样判断系统的稳定性？

2. 有多少方法判断系统的稳定性？

2、 控制系统校正及PID 仿真

一、 实验目的

1. 熟悉超前、滞后和超前—滞后网络的特性。

2. 理解基于频率法进行串联校正的基本概念，掌握基于频率法进行超前、滞后

和超前——滞后校正的方法。

3. 掌握P 、PD 、PID 控制器的控制原理和实际应用。

4. 学会运用MATLAB 对系统校正及PID 进行仿真。

二、 实验原理

1. 基于频率法进行串联校正的基本概念，基于频率法进行超前、滞后和超前—

—滞后校正的方法 2. P 、PD 、PID 控制器的控制原理和实际应用 3. MATLAB 的基本知识

三、 实验仪器和用具

主要仪器设备： 1. 电脑, 1台/人 2. MATLAB 软件 3. 打印机

四、 实验方法与步骤

1. 被控制对象传递函数为())

20030(400

2

++=

s s s s G ，要求的技术指是ξ=0.5，n ω=13.5rad/s ，编写程序设计一串联校正装置，并绘制校正前后的阶跃响应曲线和

Bode 图。根据实验，试说明校正前后系统的调节时间和超调量有何变化，相角裕度，增益穿越频率又有什么变化？

2. 已知单位负反馈系统的开环传递函数为())

104.0(+=

s s k

s G ，试设计串联滞后校

正装置，使系统指标满足单位斜坡输入信号时稳态误差≤ 1% ss e ，相位裕度γ ≥ 45°，编写程序设计一串联滞后校正装置，并绘制校正前后阶跃响应曲线和Bode 图。根据实验，试说明校正前后系统的调节时间和超调量有何变化，相角裕度，增益穿越频率又有什么变化？

3. 比例环节( P )： 文件名：Gain.mdl

1) 双击 Gain 模块，分别改变Gain 的值K （K=5、10、20）。

2) 启动 Simulation\Start ，双击Scope 模块跳出Scope 窗口，并显现比例环节

阶跃响应曲线。用Simulation\Stop 停止。

3)观察分析不同 Gain 值的阶跃响应曲线，并画在实验指导书上（见后页，曲线画在同一坐标上），写出对应的传递函数。

4.积分环节( I )：文件名：Integrator.m.mdl

1)双击 Transfer Fcn 模块，分别改变分母的”T”值（注意数字之间要有

空格），当T=1、5、50 时的斜率变化。

2)启动 Simulation\Start，双击Scope 模块跳出Scope 窗口，并显现积

分环节阶跃响应曲线。用Simulation\Stop 停止。观察分析不同T 值的阶跃响应曲线，并画在实验指导书上（见后页，曲线画在同一坐标上），写出对应的传递函数。

5.比例加积分( PI )、比例加微分( PD )、比例加积分加微分( PID )：文

件名：PID.mdl

1)分别打开Gain、Gain1、Gain2、Transfer Fcn2 模块并输入Kp、Ki、Kd当Kd=0

时，此时系统为比例加积分( PI )，当Ki=0 时，此时系统为比例加微分( PD )，当Kp、Ki、Kd 的值不为零时，此时系统为比例加积分加微分( PID )。

2)启动Simulation\Start，双击Scope 模块跳出Scope 窗口，并显现例加积

( PI )、比例加微分( PD )、比例加积分加微分( PID )阶跃响应曲线。

Simulation\Stop 停止。

3)分别观察比例加积分( PI )、比例加微分( PD )、比例加积分加微分( PID )

6.的阶跃响应曲线，并画在实验指导书上 , 写出对应的传递函数。

五、实验分析及结论

1.完成上述各题

2.记录程序，观察记录各种曲线

3.作出相应的实验分析结果

六、注意事项

1.校正的概念

2.校正原理及方法

3.P、PD、PID 控制器的控制原理

七、思考题

1.校正网络的特性？

2.P、PD、PID 控制器的控制原理？

(完整版)机械控制工程基础习题及答案考试要点

1-3 题1-3图为工业炉温自动控制系统的工作原理图。分析 系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。 题1-3图 炉温自动控制系统原理图 解 加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压c u 的平方成正比， c u 增高，炉温就上升，c u 的高低由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流 电动机驱动。炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压f u 。f u 作为系统的反馈电压与给定电压r u 进行比较，得出偏差电压e u ，经电压放大器、功率放大器放大成a u 后，作为控制电动机的电枢电压。 在正常情况下，炉温等于某个期望值T °C ，热电偶的输出电压f u 正好等于给定电压 r u 。此时，0=-=f r e u u u ，故01==a u u ，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停 留在某个合适的位置上，使c u 保持一定的数值。这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。 当炉膛温度T °C 由于某种原因突然下降(例如炉门打开造成的热量流失)，则出现以下的控制过程： 控制的结果是使炉膛温度回升，直至T °C 的实际值等于期望值为止。 ?→T C ?→↑→↑→↑→↑→↑→↓→↓T u u u u u c a e f θ1C ↑ 系统中，加热炉是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压r u （表征炉温的希望值）。系统方框图见图解1-3。

1-5采用离心调速器的蒸汽机转速控制系统如题1-5图所示。其工作原理是：当蒸汽机带动负载转动的同时，通过圆锥齿轮带动一对飞锤作水平旋转。飞锤通过铰链可带动套筒上下滑动，套筒内装有平衡弹簧，套筒上下滑动时可拨动杠杆，杠杆另一端通过连杆调节供汽阀门的开度。在蒸汽机正常运行时，飞锤旋转所产生的离心力与弹簧的反弹力相平衡，套筒保持某个高度，使阀门处于一个平衡位置。如果由于负载增大使蒸汽机转速ω下降，则飞锤因离心力减小而使套筒向下滑动，并通过杠杆增大供汽阀门的开度，从而使蒸汽机的转速回升。同理，如果由于负载减小使蒸汽机的转速ω增加，则飞锤因离心力增加而使套筒上滑，并通过杠杆减小供汽阀门的开度，迫使蒸汽机转速回落。这样，离心调速器就能自动地抵制负载变化对转速的影响，使蒸汽机的转速ω保持在某个期望值附近。 指出系统中的被控对象、被控量和给定量，画出系统的方框图。 题1-5图蒸汽机转速自动控制系统 解在本系统中，蒸汽机是被控对象，蒸汽机的转速ω是被控量，给定量是设定的蒸汽机希望转速。离心调速器感受转速大小并转换成套筒的位移量，经杠杆传调节供汽阀门，控制蒸汽机的转速，从而构成闭环控制系统。 系统方框图如图解1-5所示。

燕山大学控制工程基础实验报告(带数据)

自动控制理论实验报告 实验一 典型环节的时域响应 院系： 班级： 学号： 姓名：

实验一 典型环节的时域响应 一、 实验目的 1．掌握典型环节模拟电路的构成方法，传递函数及输出时域函数的表达式。 2．熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。 3．了解各项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+教学实验系统一套。 三、 实验步骤 1、按图1-2比例环节的模拟电路图将线接好。检查无误后开启设备电源。 注：图中运算放大器的正相输入端已经对地接了100k 电阻。不需再接。 2、将信号源单元的“ST ”端插针与“S ”端插针用“短路块”接好。将信号形式开关设为“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT ”端输出的方波幅值为1V ，周期为10s 左右。 3、将方波信号加至比例环节的输入端R(t)， 用示波器的“CH1”和“CH2”表笔分别监测模拟电路的输入R(t)端和输出C(t)端。记录实验波形及结果。 4、用同样的方法分别得出积分环节、比例积分环节、惯性环节对阶跃信号的实际响应曲线。 5、再将各环节实验数据改为如下： 比例环节：；，k R k R 20020010== 积分环节：；，u C k R 22000== 比例环节：；，，u C k R k R 220010010=== 惯性环节：。，u C k R R 220010=== 用同样的步骤方法重复一遍。 四、 实验原理、内容、记录曲线及分析 下面列出了各典型环节的结构框图、传递函数、阶跃响应、模拟电路、记录曲线及理论分析。 1．比例环节 (1) 结构框图： 图1－1 比例环节的结构框图 (2) 传递函数： K S R S C =) () ( K R(S) C(S)

控制工程基础实验指导书(答案)

控制工程基础实验指导书 自控原理实验室编印

（内部教材）

实验项目名称: （所属课 程: 院系: 专业班级: 姓名: 学号: 实验日期: 实验地点: 合作者: 指导教师: 本实验项目成绩: 教师签字: 日期: （以下为实验报告正文） 、实验目的 简述本实验要达到的目的。目的要明确，要注明属哪一类实验（验证型、设计型、综合型、创新型）。 二、实验仪器设备 列出本实验要用到的主要仪器、仪表、实验材料等。 三、实验内容 简述要本实验主要内容，包括实验的方案、依据的原理、采用的方法等。 四、实验步骤 简述实验操作的步骤以及操作中特别注意事项。 五、实验结果

给出实验过程中得到的原始实验数据或结果，并根据需要对原始实验数据或结果进行必要的分析、整理或计算，从而得出本实验最后的结论。 六、讨论 分析实验中出现误差、偏差、异常现象甚至实验失败的原因，实验中自己发现了什么问题，产生了哪些疑问或想法，有什么心得或建议等等。 七、参考文献 列举自己在本次准备实验、进行实验和撰写实验报告过程中用到的参考文献资 料。 格式如下 作者，书名（篇名），出版社（期刊名），出版日期（刊期），页码

实验一控制系统典型环节的模拟、实验目的 、掌握比例、积分、实际微分及惯性环节的模拟方法; 、通过实验熟悉各种典型环节的传递函数和动态特性; 、了解典型环节中参数的变化对输出动态特性的影响。 二、实验仪器 、控制理论电子模拟实验箱一台; 、超低频慢扫描数字存储示波器一台; 、数字万用表一只;

、各种长度联接导线。 三、实验原理 运放反馈连接 基于图中点为电位虚地，略去流入运放的电流，则由图 由上式可以求得下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应。 、比例环节 实验模拟电路见图所示 U i R i U o 接示波器 以运算放大器为核心元件，由其不同的输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图所示。图中和为复数阻抗，它们都是构成。 Z2 Z1 Ui ,— U o 接示波器 得:

2机械控制工程基础第二章答案

习 题 2.1 什么是线性系统其最重要的特性是什么下列用微分方程表示的系统中,x o 表示系统输出,x i 表示系统输入,哪些是线性系统 (1) x x x x x i o o o o 222=++&&& (2) x tx x x i o o o 222=++&&& (3) x x x x i o 222o o =++&&& (4) x tx x x x i o o o 222o =++&&& 解: 凡是能用线性微分方程描述的系统就是线性系统。线性系统的一个最重要特性就是它满足叠加原理。该题中（2）和（3）是线性系统。 2.2 图（题2.2）中三同分别表示了三个机械系统。求出它们各自的微分方程，图中x i 表示输入位移，x o 表示输出位移，假设输出端无负载效应。 图(题2.2) 解: (1)对图(a)所示系统，由牛顿定律有 即 x c x c c x m i &&&&1 2 1 o o )(=++ (2)对图(b)所示系统，引入一中间变量x,并由牛顿定律有 消除中间变量有 (3)对图(c)所示系统，由牛顿定律有 即 x k x c x k k x c i i o o 1 2 1 )(+=++&& 2.3求出图(题2.3)所示电系统的微分方程。 图（题2.3） 解:(1)对图(a)所示系统,设i 1为流过R 1的电流,i 为总电流,则有 消除中间变量,并化简有

u R C u C C R R u R C u R C u C C R R u R C i i i o o o 1 2 2 1 1 2 2 1 2 2 2 1 2 1 2 1 1)()1(1+++=-+ ++&&&&&&& (2)对图(b)所示系统，设i 为电流，则有 消除中间变量,并化简有 2.4 求图(题2.4)所示机械系统的微分方程。图中M 为输入转矩,C m 为圆周阻尼，J 为转动惯量。 解：设系统输入为M （即），输 出θ(即)，分别对圆盘和质块进行动力学分析，列写动力学方程如下： 消除中间变量 x ,即可得到系统动力学方程 KM M c M m C R c k KJ c C km R cJ mC mJ m m m ++=++-++++&&&&&&&&&θ θθθ）（2 2 )()() 4(2.5 输出y(t)与输入x(t)的关系为y(t)= 2x(t)+0.5x 3(t)。 （1）求当工作点为x o =0,x o =1,x o =2时相应的稳态时输出值； （2）在这些工作点处作小偏差线性化模型，并以对工作的偏差来定

南理工机械院控制工程基础实验报告

实验1模拟控制系统在阶跃响应下的特性实验 一、实验目的 根据等效仿真原理，利用线性集成运算放大器及分立元件构成电子模拟器, 以干电池作为输入信号，研究控制系统的阶跃时间响应。 二、实验内容 研究一阶与二阶系统结构参数的改变，对系统阶跃时间响应的影响。 三、实验结果及理论分析 1.一阶系统阶跃响应 a. 电容值1uF，阶跃响应波形： b. 电容值2.2uF，阶跃响应波形:

c. 电容值4.4uF，阶跃响应波形: 2?—阶系统阶跃响应数据表 U r= -2.87V R°=505k? R i=500k? R2=496k 其中

T = R2C U c C：)=「(R/R2)U r 误差原因分析： ①电阻值及电容值测量有误差； ②干电池电压测量有误差； ③在示波器上读数时产生误差； ④元器件引脚或者面包板老化，导致电阻变大； ⑤电池内阻的影响输入电阻大小。 ⑥在C=4.4uF的实验中，受硬件限制，读数误差较大3?二阶系统阶跃响应 a.阻尼比为0.1，阶跃响应波形: b.阻尼比为0.5，阶跃响应波形:

4.二阶系统阶跃响应数据表 E R w ( ?) 峰值时间 U o (t p ) 调整时间 稳态终值 超调（%） 震荡次数 C. d. 阻尼比为0.7，阶跃响应波形: 阻尼比为1.0，阶跃响应波形: CHI 反相 带宽限制 伏/格

四、回答问题 1.为什么要在二阶模拟系统中 设置开关K1和K2 ,而且必须 同时动作？ 答：K1的作用是用来产生阶跃信号，撤除输入信后，K2则是构成了C2的 放电回路。当K1 一旦闭合（有阶跃信号输入），为使C2不被短路所以K2必须断开，否则系统传递函数不是理论计算的二阶系统。而K1断开后，此时要让 C2尽快放电防止烧坏电路，所以K2要立即闭合。 2.为什么要在二阶模拟系统中设置 F3运算放大器？ 答：反相电压跟随器。保证在不影响输入和输出阻抗的情况下将输出电压传递到输入端，作为负反馈。 实验2模拟控制系统的校正实验 一、实验目的 了解校正在控制系统中的作用

机械控制工程基础实验报告

中北大学机械与动力工程学院 实验报告 专业名称__________________________________ 实验课程名称______________________________ 实验项目数_______________总学时___________ 班级______________________________________ 学号______________________________________ 姓名______________________________________ 指导教师__________________________________ 协助教师__________________________________ 日期______________年________月______日____

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如阻尼比ζ和无阻尼自然频率ω n 对系统动态性能 的影响；定量分析ζ和ω n 与最大超调量Mp、调节时间t S 之间的关系。 2．进一步学习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、实验仪器 1．EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2．PC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% σ： 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)测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查 找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)在实验课题下拉菜单中选择实验二[二阶系统阶跃响应] 。 5)鼠标双击实验课题弹出实验课题参数窗口。在参数设置窗口中设置相应 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)利用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，带入下式算出超 调量： Y MAX - Y ∞ % σ=——————×100% Y ∞ 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 典型二阶系统的闭环传递函数为 ω2 n ?（S）= （1） s2＋2ζω n s＋ω2 n

南理工控制工程基础实验报告

南理工控制工程基础实验报告 成绩：《控制工程基础》课程实验报告班级：学号：姓名：南京理工大学2015年12月《控制工程基础》课程仿真实验一、已知某单位负反馈系统的开环传递函数如下G(s)?10 s2?5s?25借助MATLAB和Simulink完成以下要求：(1) 把G(s)转换成零极点形式的传递函数，判断开环系统稳定性。>> num1=[10]; >> den1=[1 5 25]; >> sys1=tf(num1,den1) 零极点形式的传递函数：于极点都在左半平面，所以开环系统稳定。(2) 计算闭环特征根并判别系统的稳定性，并求出闭环系统在0～10秒内的脉冲响应和单位阶跃响应，分别绘出响应曲线。>> num=[10];den=[1,5,35]; >>

sys=tf(num,den); >> t=[0::10]; >> [y,t]=step(sys,t); >> plot(t,y),grid >> xlabel(‘time(s)’) >> ylabel(‘output’) >> hold on; >> [y1,x1,t]=impulse(num,den,t); >> plot(t,y1,’:’),grid (3) 当系统输入r(t)?sin5t时，运用Simulink搭建系统并仿真，用示波器观察系统的输出，绘出响应曲线。曲线：二、某单位负反馈系统的开环传递函数为：6s3?26s2?6s?20G(s)?4频率范围??[,100] s?3s3?4s2?2s?2 绘制频率响应曲线，包括Bode图和幅相曲线。>> num=[6 26 6 20]; >> den=[1 3 4 2 2]; >> sys=tf(num,den); >> bode(sys,{,100}) >> grid on >> clear; >> num=[6 26 6 20]; >> den=[1 3 4 2 2]; >> sys=tf(num,den); >> [z , p , k] = tf2zp(num, den); >> nyquist(sys) 根据Nyquist判据判定系统的稳定性。

2机械控制工程基础第二章答案

习 题 2.1 什么是线性系统?其最重要的特性是什么?下列用微分方程表示的系统中,x o 表示系统输出,x i 表示系统输入,哪些是线性系统? (1) x x x x x i o o o o 222=++ (2) x tx x x i o o o 222=++ (3) x x x x i o 222o o =++ (4) x tx x x x i o o o 222o =++ 解: 凡是能用线性微分方程描述的系统就是线性系统。线性系统的一个最重要特性就是它满足叠加原理。该题中（2）和（3）是线性系统。 2.2 图（题2.2）中三同分别表示了三个机械系统。求出它们各自的微分方程，图中x i 表示输入位移，x o 表示输出位移，假设输出端无负载效应。 图(题2.2) 解: (1)对图(a)所示系统，由牛顿定律有

x m x c x x c i o o 2 o 1 )(=-- 即 x c x c c x m i 1 2 1 o o )(=++ (2)对图(b)所示系统，引入一中间变量x,并由牛顿定律有 )1()()(1 x x c k x x o i -=- )2()(2 x k x x c o o =- 消除中间变量有 x ck x k k x k k c i o 1 2 1 o 2 1 )(=-- (3)对图(c)所示系统，由牛顿定律有 x k x x k x x c o o i o i 2 1 )()(=-+- 即 x k x c x k k x c i i o o 1 2 1 )(+=++ 2.3求出图(题2.3)所示电系统的微分方程。 图（题2.3） 解:(1)对图(a)所示系统,设i 1为流过R 1的电流,i 为总电流,则有 ?+=idt C i R u o 12 2 i R u u o i 1 1=-

清华大学精仪系--控制工程基础--实验内容与实验报告

实验内容 （一）直流电机双环调速系统实验，此时必须松开连轴节！不带动工作台！ 1． 测试电流环特性 ，由于外接霍尔传感器只有一套，有五套PWM 放大器有电流输出（接成跟随器方式，其电流采样输出为25芯D 型插座的17（模拟地），19脚，但模拟地是电流环的模拟地，不是实验箱运算放大器OP07的地！所以，只能用万用表量测。多数同学可用手堵转，给定微小的输入电压（小于±50mV ）加入到电流环输入端,再加大就必须松开手，观察电机转速能否控制？为什么？如果要测试电流环静态特性，必须用台钳夹住电机轴，保证电机堵转。所以此项实验由教师按图22进行，这里只给出以下数据： 图 22 电流环静态特性实验接线图 （1）霍尔传感器的校准 利用直流稳压电源和电流表校准霍尔传感器，该 传感器为LEM-25,当原边为1匝时，量程为25A ，而原边采用5匝时， 量程为5A ；现在按后者的接法实验，M R 约500Ω。 （2）然后利用它来测试PWM 功率放大器的静态传递系数。电流环的静态特性如表2所示。注意电机是堵转的！

1V;得到通频带400Hz. 2.根据给定参数，利用MATLAB设计速度环的校正装置参数,画出校正前后的Bode图调，到实验室自己接线，教师检查无误后，可以通电调试；首先，正确接线保证系统处于负反馈，如果正反馈会产生什么现象？如何通过开环特性判断测速反馈是负反馈？对此有正确定答案后方能够开始实验。 （1）在1 β和β=0.4～0.5时分别调试校正装置的参数，使其单位阶跃输入的 = 响应曲线超调量最小，峰值时间最短，并记录阶跃响应曲线的特征值； 能够用A/D卡把数据采集到计算机中更好！ （2）断开电源，记录最佳的校正装置参数； （3）测试速度环静态特性，为加快测试速度，可直接测试输入电压和测速机电压的关系；在转速低的情况下用手动阻止电机的转动，是否会影响转速？ 为什么？分析速度环的机械特性（转速与负载力矩的关系曲线称为机械特 性），从而说明系统的刚度。 （4）有条件的小组可测试速度环频率特性（只测量幅频特性）。 （二）电压－位置伺服系统实验 开始，也必须脱开电机与工作台的连轴节！直到位置环调试好后，再把连轴节连接好！ 1．断开使能，手动电机转动，检查电子电位计工作的正确性！ 2．让位置环开环，利用调速系统，观察电子电位计在大范围工作的正确性，可利用示波器或万用表测试电位计的输出。 3．位置环要使用实验箱的头2个运算放大器，所以必须注意注意位置反馈的极性；为保证位置反馈是负反馈，必须通过位置系统开环来判断，这时位置调节器只利用比例放大器，如果发现目前的接线是正反馈后，怎么接线？ 4．将位置环的位置反馈正确接到反馈输入端，利用给定指令电位计，移动它，使电机位置按要求转动。正确后，即可把连轴节连接好，连接连轴节时用专用内六角扳手。这时应该断电！ 5．按设计的校正装置连接好，再上电。测试具有比例放大器和近似比例积分调节器时的阶跃响应曲线，并记录之； 6．测试输入电压－位置的传递特性曲线； 7．用手轮加小力矩估计系统的（电弹簧）刚度。 三、实验报告要求 （一）速度环实验 1．对速度环建模，画出速度环方块图，传递函数图 2．画出校正前后的Bode图，设计校正装置及其参数； 3．写出实验原始数据，整理出静态曲线和动态数据； 4．从理论和实际的结合上，分析速度环的特点，并写出实验的收获和改进意见； （二）位置环实验 1．对位置环建模，画出位置环方块图，传递函数图；

机械控制工程基础复习题及复习资料

机械控制工程基础复习题1 1、 选择填空（30分，每小题2分） （下列各题均给出数个答案，但只有一个是正确的，请将正确答案的序号写在空白 处） 1.1在下列典型环节中，属于振荡环节的是 。 (A) 101.010)(2++= s s s G (B) 1 01.01)(2 ++=s s s G (C) 101 )(+=s s G 1.2系统的传递函数定义为在零初始条件下输出量的Laplace 变换与输入量的Laplace 变换之比，其表达式 。 （A ）与输入量和输出量二者有关 （B ）不仅与输入量和输出量二者有关，还与系统的结构和参数有关 （C ）只与系统的结构和参数有关，与输入量和输出量二者无关 1.3系统峰值时间p t 满足 。 （A ） 0)(=p p o dt t dx （B ）)()(∞=o p o x t x （C ）)()()(∞??≤∞-o o p o x x t x 其中，)(t x o 为系统的单位阶跃响应。 1.4开环传递函数为G (s )的单位反馈系统的静态速度误差系数的计算式为 。 (A) )(lim 0 s G K s v →= (B) )(lim 2 s G s K s v →= (C) )(lim 0 s sG K s v →= 1.5最大百分比超调量(%)p M 的定义式为 。 （A ）)()(max (%)∞-=o o p x t x M (B) %100) () ()(max (%)∞∞-= o o o p x x t x M （C ）) () (max (%)t x t x M i o p = 其中，)(t x i 为系统的输入量，)(t x o 为系统的单位阶跃响应，)(max t x o 为)(t x o 的最大值。 1.6给同一系统分别输入)sin()(11t R t x i ω=和)sin()(2t R t x r i ω=这两种信号（其中， r ω是系统的谐振频率，1ω是系统正常工作频率范围内的任一频率），设它们对应的稳态输出分别为)sin()(1111?ω+=t C t x o 和)sin()(222?ω+=t C t x r o ，则 成立。 （A ）21C C > （B ）12C C > （C ）21C C = 1.7 若一单位反馈系统的开环传递函数为) ()(1220 a s a s a s G += , 则由系统稳定的必 要条件可知， 。 （A ）系统稳定的充分必要条件是常数210,,a a a 均大于0

南京理工大学控制工程基础实验报告

《控制工程基础》实验报告 姓名欧宇涵 914000720206 周竹青 914000720215 学院教育实验学院 指导老师蔡晨晓 南京理工大学自动化学院 2017年1月

实验1：典型环节的模拟研究 一、实验目的与要求： 1、学习构建典型环节的模拟电路； 2、研究阻、容参数对典型环节阶跃响应的影响； 3、学习典型环节阶跃响应的测量方法，并计算其典型环节的传递函数。 二、实验内容： 完成比例环节、积分环节、比例积分环节、惯性环节的电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃响应特性的影响。 三、实验步骤与方法 （1）比例环节 图1-1 比例环节模拟电路图 比例环节的传递函数为：K s U s U i O =)()(，其中1 2R R K =，参数取R 2=200K ，R 1=100K 。 步骤： 1、连接好实验台，按上图接好线。 2、调节阶跃信号幅值(用万用表测)，此处以1V 为例。调节完成后恢复初始。 3、Ui 接阶跃信号、Uo 接IN 采集信号。 4、打开上端软件，设置采集速率为“1800uS”，取消“自动采集”选项。 5、点击上端软件“开始”按键，随后向上拨动阶跃信号开关，采集数据如下图。 图1-2 比例环节阶跃响应

（2）积分环节 图1-3 积分环节模拟电路图 积分环节的传递函数为： S T V V I I O 1 -=，其中T I =RC ，参数取R=100K ，C=0.1μf 。 步骤：同比例环节，采集数据如下图。 图1-4 积分环节阶跃响应 （3）微分环节 图1-5 微分环节模拟电路图 200K R V I Vo C 2C R 1 V I Vo 200K

机械控制工程基础实验指导书

机械控制工程基础实验 指导书 Company number【1089WT-1898YT-1W8CB-9UUT-92108】

河南机电高等专科学校《机械控制工程基础》 实验指导书 专业：机械制造与自动化、起重运输机械设计与制造等 机械制造与自动化教研室编 2012年12月

目录

实验任务和要求 一、自动控制理论实验的任务 自动控制理论实验是自动控制理论课程的一部分，它的任务是： 1、通过实验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； 2、重点学习如何利用MATLAB工具解决实际工程问题和 计算机实践问题； 3、提高应用计算机的能力及水平。 二、实验设备 1、计算机 2、MATLAB软件 三、对参加实验学生的要求 1、阅读实验指导书，复习与实验有关的理论知识，明确每次实验的目的，了解内容和方法。 2、按实验指导书要求进行操作；在实验中注意观察，记录有关数据和图 像，并由指导教师复查后才能结束实验。 3、实验后关闭电脑，整理实验桌子，恢复到实验前的情况。 4、认真写实验报告，按规定格式做出图表、曲线、并分析实验结果。字迹 要清楚，画曲线要用坐标纸，结论要明确。 5、爱护实验设备，遵守实验室纪律。 实验模块一 MATLAB基础实验 ——MATLAB环境下控制系统数学模型的建立 一、预备知识 的简介

MATLAB为矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，由美国MathWorks公司出品的商业数学软件。主要用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 来源：20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler 为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。1984年由 Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。 地位：和Mathematica、Maple并称为三大数学软件，在数学类科技应用软件中，在数值计算方面首屈一指。 功能：矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等。 应用范围：工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 图1-1 MATLAB图形处理示例 的工作环境 启动MATLAB，显示的窗口如下图所示。 MATLAB的工作环境包括菜单栏、工具栏以及命令运行窗口区、工作变量区、历史指令区、当前目录窗口和M文件窗口。 (1)菜单栏用于完成基本的文件输入、编辑、显示、MATLAB工作环境交互性设置等操作。 (2)命令运行窗口“Command Window”是用户与MATLAB交互的主窗口。窗口中的符号“》”表示MATLAB已准备好，正等待用户输入命令。用户可以在“》”提示符后面输入命令，实现计算或绘图功能。 说明：用户只要单击窗口分离键，即可独立打开命令窗口，而选中命令窗口中Desktop菜单的“Dock Command Window”子菜单又可让命令窗口返回桌面（MATLAB桌面的其他窗口也具有同样的操作功能）；在命令窗口中，可使用方向

控制工程基础实验报告

控制工程基础[英]实验 实验一.典型环节的模拟研究： 已知一个小车、倒单摆系统非线性系统方程为： ( 2.92)0.008x x u =-+ 20.004sin 36cos n n x θωθωθθ=-+- 其中假设 (0)0;(0)0.2x x ==， (0)0;(0); 6.781,n θθπω=== （1）要求绘出系统[0,10]t ∈的状态响应曲线 （2）并将上述系统在0θ≈的条件下线性化，并要求绘出线性化后系统 [0,10]t ∈的状态响应曲线，并与非线性系统状态响应曲线相比较。 (1)下面利用Simulink 对该系统进行仿真如下图所示。 图1.倒单摆系统仿真图 在图中已经对主要信号进行了标注下面给出每个未标注信号后加入放大器的增益： 008.092.2= 阶跃K 008 .01 -=一阶微分x K 98.45=二阶微分θK 通过示波器Scope 和Scope1观察x(t)和θ(t)的波形图如下所示。

图2.x(t)波形图3.θ(t)波形（2）将上述系统在0 θ≈的条件下线性化，则方程组改写成如下形式： ( 2.92)0.008 x x u =-+ 2 0.004sin36 n n x θωθωθ =-+- 在Simulink中对系统仿真如下所示。 图4.线性化后仿真系统 通过示波器模块可以观察输出信号，图形如下图所示。

图5.x(t)输出波形 图6.θ（t ）输出波形 实验二.典型系统时域响应动、静态性能和稳定性研究； 已知系统的开环传递函数为 2()11G s s s = ++ （1）利用已知的知识判断该开环系统的稳定性（系统的特征方程根、系统零极点表示法）。 （2）判别系统在单位负反馈下的稳定性，并求出闭环系统在[0,10]t ∈内的脉冲响应和单位阶跃响应，分别绘制出相应响应曲线。 （1）该系统的特征方程的根、零极点表示的求解代码如下：

机械控制工程基础

机械控制工程基础（专升本） 多选题 1. 微分环节的特点和作用是_______.(5分) (A) 输出提前于输入 (B) 干扰噪声放大 (C) 高通滤波 (D) 作为反馈环节，可改善系统的稳定性 (E) 作为校正环节，使系统的剪切频率增大 标准答案是：A,B,C,D,E 2. 闭环控制系统必不可少的环节有_______.(5分) (A) 输入输出 (B) 被控对象 (C) 测量环节 (D) 校正环节 (E) 比较环节 标准答案是：A,B,C,D,E 3. 若系统的传递函数为G(s)=10(s+5)/[s2(s+2)(s2+0.2s+100)]，则其特性是_______.(5分) (A) 其奈奎斯特曲线在频率趋于零时的起点处，应平行于负实轴 (B) 其奈奎斯特曲线在频率趋于无穷大的终点处，应平行于正实轴，并进入坐标原点 (C) 其Bode图的转折频率依次为2，3.14，10，50 (D) 其Bode图的幅频特性的斜率依次为[-40],[-60],[-100],[-80]dB/Dec (E) 系统的增益为5/2 标准答案是：A,B,C,D 4. 工程实际中常用的典型测试信号有________.(5分) (A) 脉冲信号 (B) 阶跃信号 (C) 斜坡信号 (D) 抛物线信号 (E) 正弦信号 标准答案是：A,B,C,D,E 5. PID调节器与无源器件的相位滞后-超前校正器在原理上的区别有_______.(5分) (A) PID调节器在低频段的斜率为-20dB/Dec，相位滞后-超前校正器的低频段斜率为0dB/Dec (B) PID 调节器的高频段的斜率为+20dB/Dec，相位滞后-超前校正器的高频段斜率为0dB/Dec (C) PID调节器对高频噪声敏感，无源器件的相位滞后超前校正器则不放大高频噪声 (D) PID调节器构成带阻滤波器 (E) PID调节器是带通滤波器 标准答案是：A,B,C 6. 单位负反馈系统的闭环传递函数为G(s)=9(0.2s+1)(0.5s+1)/[s2(0.1s+1)]，则系统特性为_______.(5分) (A) 它是II型系统 (B) 闭环系统包含的典型环节有六个 (C) 闭环系统跟踪斜坡信号的稳态误差为零 (D) 闭环系统跟踪阶跃信号的稳态误差为零 1

南理工 机械院 控制工程基础实验报告

页眉 实验1 模拟控制系统在阶跃响应下的特性实验一、实验目的 根据等效仿真原理，利用线性集成运算放大器及分立元件构成电子模拟器，以干电池作为输入信号，研究控制系统的阶跃时间响应。 二、实验内容 研究一阶与二阶系统结构参数的改变，对系统阶跃时间响应的影响。 三、实验结果及理论分析 1.一阶系统阶跃响应 a.电容值1uF，阶跃响应波形： b.电容值2.2uF，阶跃响应波形： 页脚 页眉

，阶跃响应波形：电容值c.4.4uF 阶系统阶跃响应数据表2.一稳态终值U（∞）（V）时间常数T(s) 电容值c（uF）理论值实际值实际值理论值0.50 2.87 1.0 0.51 2.90 1.07 2.90 2.2 2.87 1.02 2.06 2.90 2.87 4.4 2.24 元器件实测参数=505kU= -2.87V R? R=496k? =500kR?2o1r其中 T?RC2U(?)??(R/R)U rc21页脚 页眉 误差原因分析： ①电阻值及电容值测量有误差；

②干电池电压测量有误差； ③在示波器上读数时产生误差； ④元器件引脚或者面包板老化，导致电阻变大； ⑤电池内阻的影响输入电阻大小。 ⑥在C=4.4uF的实验中，受硬件限制，读数误差较大。 3.二阶系统阶跃响应 a.阻尼比为0.1，阶跃响应波形： b.阻尼比为0.5，阶跃响应波形： 页脚 页眉 ，阶跃响应波形：0.7c.阻尼比为

，阶跃响应波形：阻尼比为1.0d. 阶系统阶跃响应数据表4.二ξR（?）峰值时间U(t) 调整时间稳态终值超调（%）震荡次数pow M（）t）t（s V（）（s UV）N psps6 62.7 2.8 0.3 0.1 2.95 454k 4.8 1 0.5 0.5 3.3 52.9k 2.95 11.9 0.4 1 0.7 0.3 0.4 24.6k 3.0 2.7 2.92 1.0 1.0 2.98 1.0 2.97k 2.98 页脚 页眉 四、回答问题

机械控制工程基础实验指导书版

河南机电高等专科学校《机械控制工程基础》

目录 实验任务和要求............................................................................................................................................. 实验模块一MATLAB基础实验............................................................................................................

实验任务和要求 一、自动控制理论实验的任务 自动控制理论实验是自动控制理论课程的一部分，它的任务是： 1、通过实验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 2、按实验指导书要求进行操作；在实验中注意观察，记录有关数据和图像，并由指 导教师复查后才能结束实验。 3、实验后关闭电脑，整理实验桌子，恢复到实验前的情况。

4、认真写实验报告，按规定格式做出图表、曲线、并分析实验结果。字迹要清楚， 画曲线要用坐标纸，结论要明确。 5、爱护实验设备，遵守实验室纪律。 实验模块一MATLAB基础实验 ——MATLAB环境下控制系统数学模型的 建立 一、预备知识 1.MATLAB的简介 MATLAB为矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，由美国MathWorks公司出品的商业数学软件。主要用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 来源：20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。 地位：和Mathematica、Maple并称为三大数学软件，在数学类科技应用软件中，在数值计算方面首屈一指。 功能：矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言

清华控制工程基础-实验1 Matlab仿真实验

实验一 Matlab 仿真实验 基本实验 1、 对于一阶惯性系统 G s s ()= +K T 1 当分别取以下几组参数时，试画出系统单位阶跃响应曲线、频率特性乃氏图和伯德图。 1).K=1,T=10; 2).K=1,T=1; 3).K=1,T=0.1 结果：

2、 对于二阶系统 G s s s ()= ++1 2122T T ζ 分别就T=1和T=0.1，?分别取0, 0.2, 0.5, 0.7, 1, 10时，画出系统单位阶跃响应曲线、频率特性乃氏图和伯德图。 结果：

3、自构造高阶系统，试利用Matlab软件工具分析其时域、频域特性。 构造高阶系统 2 32 0.01315 () 0.00040.120100 s s G s s s s ++ = +++ 利用软件画出系统单位阶跃响应曲线、频率特性乃氏图和伯德图如下： 4、对于下列系统，试画出其伯德图，求出相角裕量和增益裕量，并判其稳定性 （1） )1 0047 .0 )( 1 03 .0( 250 ) ( ) ( + + = s s s s H s G 伯德图：

增益裕量：-0.1366dB 相角裕量：-0.3080degree 故，闭环后系统不稳定。 （2） ) 10047.0)(103.0)(110() 15.0(250)()(++++=s s s s s s H s G 伯德图： 增益裕量：25.2910dB 相角裕量：58.0765degree 故，闭环后系统稳定。 实验目的 1） 熟悉直流伺服电机控制系统各环节的传递函数模型； 2）根据给定的性能指标，设计速度环与位置环的控制器参数。 实验内容及要求 2.1 速度环仿真实验 图1－1 双环调速系统简化方框图

机械控制工程基础期末试卷_答案2解析

一. 填空题(每小题2.5分，共25分) 1． 对控制系统的基本要求一般可以归纳为稳定性、 快速性 和 准确性 。 2． 按系统有无反馈，通常可将控制系统分为 开环系统 和 闭环系统 。 3． 在控制工程基础课程中描述系统的数学模型有 微分方程 、 传递函数 等。 4． 误差响应 反映出稳态响应偏离系统希望值的程度，它用来衡量系统 控制精度的程度。 5． 一阶系统 1 1 Ts +的单位阶跃响应的表达是 。 6． 有系统的性能指标按照其类型分为时域性能指标和 频域性能指标 。 7． 频率响应是线性定常系统对 谐波 输入的稳态响应。 8． 稳态误差不仅取决于系统自身的结构参数，而且与 的类型有关。 9． 脉冲信号可以用来反映系统的 。 10. 阶跃信号的拉氏变换是 。 二． 图1为利用加热器控制炉温的反馈系统（10分） 炉温控制系统 图1 炉温控制结构图 试求系统的输出量、输入量、被控对象和系统各部分的组成，且画出原理方框图，说明其工作原理。 三、如图2为电路。求输入电压i u 与输出电压0u 之间的微分方程， 并求该电路的传递函数（10分） 图2 四、求拉氏变换与反变换 (10分) 1． 求[0.5]t te -（5分） 2． 求 1 3[ ](1)(2) s s s -++（5分） R u 0 u i L C u 0u i (a) (b) (c)

五、化简图3所示的框图，并求出闭环传递函数（10分） 图3 六、图4示机械系统由质量m 、阻尼系数C 、弹簧刚度K 和外力)(t f 组成的机械动力系统。图4(a)中)(t x o 是输出位移。当外力)(t f 施加3牛顿阶跃力后(恒速信号)，记录仪上记录质量m 物体的时间响应曲线如图4（b ）所示。试求： 1）该系统的微分方程数学模型和传递函数；(5分) 2）该系统的自由频率n ω、阻尼比ξ；(2分) 3）该系统的弹簧刚度质量m 、阻尼系数C 、弹簧刚度k ；（3分） 4）时间响应性能指标：上升时间s t 、调整时间r t 、稳态误差ss e （5分）。 1.0 x 0 图4(a) 机械系统 图4（b ）响应曲线 图4 七、已知某系统是单位负反馈系统，其开环传递函数1 510 += s G k ，则该系统在单位脉冲、单位阶跃和单位恒速信号（斜坡信号）作用下的稳态误差ss e 分别是多少？（10分）

控制工程基础实验报告

实验报告 课程名称：______化工原理实验___________指导老师：________________成绩：__________________ 实验名称：_____流体流动阻力测定和离心泵的特性曲线测定______ 实验类型：________________同组学生姓名：___叶天壮、温茂林_______ 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 实验一 流体流动阻力测定 一．实验目的和要求。 1) 掌握测定流体流经直管、管件（阀门）时阻力损失的一般实验方法。 2) 测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re 的关系，验证在一般湍流区内λ与Re 的关系曲线。 3) 测定流体流经管件（阀门）时的局部阻力系数ξ。 4） 识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。 二．实验仪器和设备 1）实验装置如下图所示 1—水箱 2—离心泵 3、10、11、12、13、14—压差传感器 4—温度计 5—涡轮流量计 6—孔板（或文丘里）流量计 7、8、9—转子流量计 15—层流管实验段 16—粗糙管实验段 17—光滑关实验段 18—闸阀 19—截止阀 20—引水漏斗 21、22—调节阀 23—泵出口阀 24—旁路阀（流量校核） a b c d e f g h — 取压点 专业：过程装备与控制工程 姓名：____郝春永________ 学号：____3140104498__ 日期：____2016.12.2__ 地点：____教十 1208__