经典自控实验报告

自动控制原理实验专业班级姓名学号实验时间：2010.10—2010.11一、实验目的和要求：通过自动控制原理实验牢固地掌握《自动控制原理》课的基本分析方法和实验测试手段。

能应用运算放大器建立各种控制系统的数学模型，掌握系统校正的常用方法，掌握系统性能指标同系统结构和参数之间的基本关系。

通过大量实验，提高动手、动脑、理论结合实际的能力，提高从事数据采集与调试的能力，为构建系统打下坚实的基础。

二、实验仪器、设备（软、硬件）及仪器使用说明自动控制实验系统一套计算机（已安装虚拟测量软件---LABACT）一台椎体连接线 18根典型环节实验（一）、实验目的：1、了解相似性原理的基本概念。

2、掌握用运算放大器构成各种常用的典型环节的方法。

3、掌握各类典型环节的输入和输出时域关系及相应传递函数的表达形式，熟悉各典型环节的参数（K、T）。

4、学会时域法测量典型环节参数的方法。

（二）、实验内容：1、用运算放大器构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节和比例积分微分环节。

2、在阶跃输入信号作用下，记录各环节的输出波形，写出输入输出之间的时域数学关系。

3、在运算放大器上实现各环节的参数变化。

（三）、实验要求：1、仔细阅读自动控制实验装置布局图和计算机虚拟测量软件的使用说明书。

2、做好预习，根据实验内容中的原理图及相应参数，写出其传递函数的表达式，并计算各典型环节的时域输出响应和相应参数（K、T）。

3、分别画出各典型环节的理论波形。

5、输入阶跃信号，测量各典型环节的输入和输出波形及相关参数。

（四）、实验原理实验原理及实验设计：1．比例环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时域输出响应：2．惯性环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时常数：时域输出响应：3．积分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：时常数：时域输出响应：4．比例积分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时常数：时域输出响应：5．比例微分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时常数：时域输出响应：6．比例积分微分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时常数：时域输出响应：(五)、实验方法与步骤2、测量输入和输出波形图。

自动控制原理实验报告作者姓名学科专业机械工程及自动化班级学号X X年10月27日实验一一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试一、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、一阶系统阶跃响应性能指标的测试系统的传递函数为:()s()1C s KR s Ts φ=+（）=模拟运算电路如下图:其中21R K R =,2T R C =;在实验中，始终保持21,R R =即1K =，通过调节2R 和C 的不同取值，使得T 的值分别为0.25,0.5,1。

记录实验数据，测量过度过程的性能指标，其中按照经验公式取3s t T=2、二阶系统阶跃响应性能指标的测试系统传递函数为：令ωn=1弧度/秒，则系统结构如下图：二阶系统的模拟电路图如下：在实验过程中，取22321,1R C R C ==，则442312R R C R ζ==，即4212R C ζ=；在实验当中取123121,1R R R M C C F μ===Ω==，通过调整4R 取不同的值，使得ζ分别为0.25,0.5,1；记录所测得的实验数据以及其性能指标，其中经验公式为3.5%100%,s net σζω=⨯=.四、试验设备：1、HHMN-1型电子模拟机一台。

2、PC机一台。

3、数字万用表一块。

4、导线若干。

五、实验步骤：1、熟悉电子模拟机的使用，将各运算放大器接成比例器，通电调零。

2、断开电源，按照实验说明书上的条件和要求，计算电阻和电容的取值，按照模拟线路图搭接线路，不用的运算放大器接成比例器。

3、将D/A输出端与系统输入端Ui连接，将A/D1与系统输出端UO连接(此处连接必须谨慎，不可接错)。

自动控制原理实验报告册院系：班级：学号：姓名：目录实验五采样系统研究 (3)实验六状态反馈与状态观测器 (9)实验七非线性环节对系统动态过程的响应 (14)实验五 采样系统研究一、实验目的1. 了解信号的采样与恢复的原理及其过程，并验证香农定理。

2. 掌握采样系统的瞬态响应与极点分布的对应关系。

3. 掌握最少拍采样系统的设计步骤。

二、实验原理1. 采样：把连续信号转换成离散信号的过程叫采样。

2. 香农定理：如果选择的采样角频率s ω，满足max 2ωω≥s 条件（max ω为连续信号频谱的上限频率），那么经采样所获得的脉冲序列可以通过理想的低通滤波器无失真地恢复原连续信号。

3. 信号的复现：零阶保持器是将采样信号转换成连续信号的元件，是一个低通滤波器。

其传递函数：se Ts--14. 采样系统的极点分布对瞬态响应的影响：Z 平面内的极点分布在单位圆的不同位置，其对应的瞬态分量是不同的。

5. 最小拍无差系统：通常称一个采样周期为一拍，系统过渡过程结束的快慢常采用采样周期来表示，若系统能在最少的采样周期内达到对输入的完全跟踪，则称为最少拍误差系统。

对最小拍系统时间响应的要求是：对于某种典型输入，在各采样时刻上无稳态误差；瞬态响应最快，即过渡过程尽量早结束，其调整时间为有限个采样周期。

从上面的准则出发，确定一个数字控制器，使其满足最小拍无差系统。

三、实验内容1. 通过改变采频率s s s T 5.0,2.0,01.0=，观察在阶跃信号作用下的过渡过程。

被控对象模拟电路及系统结构分别如下图所示：图中，1)(/)()(==z E z U z D ，系统被控对象脉冲传递函数为：T T Ts e z e s s e Z z U z Y z G -----=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-==)1(4141)()()( 系统开环脉冲传递函数为：T T w e z e Z G z D z G ----===)1(4)()()(系统闭环脉冲传递函数为：)(1)()(z G z G z w w +=Φ在Z 平面内讨论，当采样周期T 变化时对系统稳定性的影响。

一、实验目的1. 理解自动控制系统的基本原理，掌握控制系统设计的基本方法。

2. 学习使用Matlab/Simulink进行控制系统仿真，验证理论分析结果。

3. 掌握PID控制原理及其参数整定方法，实现系统的稳定控制。

4. 了解采样控制系统的特性，掌握采样控制系统的设计方法。

二、实验仪器与设备1. 计算机：一台2. Matlab/Simulink软件：一套3. 控制系统实验平台：一套（含传感器、执行器、控制器等）三、实验内容1. 连续控制系统设计（1）根据给定的系统传递函数，设计一个稳定的连续控制系统。

（2）使用Matlab/Simulink进行仿真，验证理论分析结果。

（3）调整系统参数，观察系统性能的变化。

2. PID控制（1）根据给定的系统传递函数，设计一个PID控制器。

（2）使用Matlab/Simulink进行仿真，验证PID控制器的效果。

（3）调整PID参数，观察系统性能的变化。

3. 采样控制系统（1）根据给定的系统传递函数，设计一个采样控制系统。

（2）使用Matlab/Simulink进行仿真，验证采样控制系统的效果。

（3）调整采样频率和控制器参数，观察系统性能的变化。

四、实验步骤1. 连续控制系统设计（1）建立系统传递函数模型。

（2）根据系统要求，选择合适的控制器类型（如PID控制器）。

（3）设计控制器参数，使系统满足稳定性、稳态误差和动态性能等要求。

（4）使用Matlab/Simulink进行仿真，验证系统性能。

2. PID控制（1）根据系统传递函数，设计PID控制器。

（2）设置PID控制器参数，使系统满足性能要求。

（3）使用Matlab/Simulink进行仿真，验证PID控制器的效果。

（4）调整PID参数，观察系统性能的变化。

3. 采样控制系统（1）建立系统传递函数模型。

（2）根据系统要求，设计采样控制系统。

（3）设置采样频率和控制器参数，使系统满足性能要求。

（4）使用Matlab/Simulink进行仿真，验证采样控制系统的效果。

实验一控制系统的稳定性分析一、实验目的1．观察系统的不稳定现象。

2．研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。

二、实验仪器1．自动控制系统实验箱一台2．计算机一台三、实验内容系统模拟电路图如图系统模拟电路图其开环传递函数为:G（s）=10K/s(0.1s+1)(Ts+1)式中 K1=R3/R2，R2=100KΩ，R3=0～500K；T=RC，R=100KΩ，C=1μf或C=0.1μf两种情况。

四、实验步骤1.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，将纯积分电容两端连在模拟开关上。

检查无误后接通电源。

2.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。

3.在实验项目的下拉列表中选择实验三[控制系统的稳定性分析]5.取R3的值为50KΩ，100KΩ，200KΩ，此时相应的K=10，K1=5，10，20。

观察不同R3值时显示区内的输出波形(既U2的波形)，找到系统输出产生增幅振荡时相应的R3及K值。

再把电阻R3由大至小变化，即R3=200kΩ，100kΩ，50kΩ，观察不同R3值时显示区内的输出波形, 找出系统输出产生等幅振荡变化的R3及K值，并观察U2的输出波形。

五、实验数据1模拟电路图2．画出系统增幅或减幅振荡的波形图。

C=1uf时：R3=50K K=5：R3=100K K=10R3=200K K=20：等幅振荡：R3=220k:增幅振荡：R3=220k：R3=260k:C=0.1uf时：R3=50k:R3=100K:R3=200K:。

自控实验报告实验二一、实验目的本次自控实验的目的在于深入理解和掌握控制系统的性能指标以及相关参数对系统性能的影响。

通过实验操作和数据分析，提高我们对自控原理的实际应用能力，培养解决实际问题的思维和方法。

二、实验设备本次实验所使用的设备主要包括：计算机一台、自控实验箱一套、示波器一台、信号发生器一台以及相关的连接导线若干。

三、实验原理在本次实验中，我们主要研究的是典型的控制系统，如一阶系统和二阶系统。

一阶系统的传递函数通常表示为 G(s) ＝ K ／（Ts ＋ 1)，其中 K 为增益，T 为时间常数。

二阶系统的传递函数则可以表示为 G(s) ＝ωn² ／（s²＋2ζωn s ＋ωn²)，其中ωn 为无阻尼自然频率，ζ 为阻尼比。

通过改变系统的参数，如增益、时间常数、阻尼比等，观察系统的输出响应，从而分析系统的稳定性、快速性和准确性等性能指标。

四、实验内容与步骤1、一阶系统的阶跃响应实验按照实验电路图连接好实验设备。

设置不同的时间常数 T 和增益 K，通过信号发生器输入阶跃信号。

使用示波器观察并记录系统的输出响应。

2、二阶系统的阶跃响应实验同样按照电路图连接好设备。

改变阻尼比ζ 和无阻尼自然频率ωn，输入阶跃信号。

用示波器记录输出响应。

五、实验数据记录与分析1、一阶系统当时间常数 T ＝ 1s，增益 K ＝ 1 时，系统的输出响应呈现出一定的上升时间和稳态误差。

随着时间的推移，输出逐渐稳定在一个固定值。

当 T 增大为 2s，K 不变时，上升时间明显变长，系统的响应速度变慢，但稳态误差基本不变。

2、二阶系统当阻尼比ζ ＝ 05，无阻尼自然频率ωn ＝ 1rad/s 时，系统的输出响应呈现出较为平稳的过渡过程，没有明显的超调。

当ζ 减小为 02，ωn 不变时，系统出现了较大的超调，调整时间也相应变长。

通过对实验数据的分析，我们可以得出以下结论：对于一阶系统，时间常数 T 越大，系统的响应速度越慢；增益 K 主要影响系统的稳态误差。

自控原理实验报告实验一
《自控原理实验报告实验一》
自控原理是一种重要的控制理论，它在工程、生物学、心理学等领域都有着广
泛的应用。

在本次实验中，我们将通过实验一来探索自控原理的基本概念和应用。

实验一的目的是通过控制系统的搭建和实验验证，来理解自控原理的基本原理。

在实验中，我们将使用一台简单的控制系统，通过调节输入信号和反馈信号的
关系，来实现对系统的自控。

首先，我们搭建了一个简单的控制系统，包括一个输入信号发生器、一个控制
器和一个被控对象。

通过调节输入信号发生器的输出信号，我们可以改变被控
对象的状态。

而控制器则根据被控对象的状态和预设的目标状态，来调节输入
信号的大小，从而实现对被控对象的自控。

在实验过程中，我们进行了多组实验，通过改变输入信号的频率、幅值和相位
等参数，来观察被控对象的响应。

同时，我们也调节了控制器的参数，来验证
自控原理的稳定性和鲁棒性。

通过实验一的实验结果，我们得出了一些结论。

首先，我们发现控制系统的稳
定性和鲁棒性与控制器的参数设置有着密切的关系。

合理的参数设置可以使控
制系统更加稳定和鲁棒。

其次，我们也验证了自控原理中的负反馈和正反馈的
概念，并通过实验结果来解释这些概念的作用和影响。

总的来说，实验一为我们提供了一个很好的机会来理解自控原理的基本概念和
应用。

通过实验，我们不仅加深了对自控原理的理解，同时也学会了如何通过
控制系统来实现对被控对象的自控。

这对于我们今后在工程、生物学、心理学
等领域的研究和应用都具有着重要的意义。

一、实验目的1. 熟悉自动控制系统的基本组成和原理。

2. 掌握常用控制元件的性能和特点。

3. 学会搭建简单的自动控制系统。

4. 通过实验，加深对自动控制理论知识的理解。

二、实验原理自动控制系统是一种通过反馈机制实现被控对象状态控制的系统。

它主要由被控对象、控制器和执行器组成。

控制器根据被控对象的实际状态与期望状态之间的偏差，产生控制信号，驱动执行器实现对被控对象的控制。

三、实验仪器与设备1. 自动控制实训台2. 电源3. 控制器4. 执行器5. 测量仪器四、实验内容1. 搭建简单控制系统（1）根据实验要求，搭建一个简单的自动控制系统，如图1所示。

（2）检查系统连接是否正确，确保各个元件连接牢固。

（3）开启电源，观察系统运行情况。

2. 观察控制过程（1）通过手动调节控制器，使被控对象的输出达到期望值。

（2）观察控制过程，分析控制效果。

3. 改变系统参数（1）改变控制器的参数，观察系统响应的变化。

（2）分析参数变化对系统性能的影响。

4. 故障排除（1）人为制造故障，观察系统响应。

（2）分析故障原因，并排除故障。

五、实验结果与分析1. 搭建简单控制系统通过搭建简单的控制系统，我们掌握了自动控制系统的基本组成和原理。

在实验过程中，我们观察到控制器通过调整控制信号，使被控对象的输出达到期望值。

2. 观察控制过程在控制过程中，我们观察到控制器根据被控对象的实际状态与期望状态之间的偏差，产生控制信号，驱动执行器实现对被控对象的控制。

通过手动调节控制器，我们可以使被控对象的输出达到期望值。

3. 改变系统参数在改变控制器参数的过程中，我们观察到系统响应的变化。

当控制器参数改变时，系统响应速度、稳定性和超调量等性能指标都会发生变化。

这表明控制器参数对系统性能有重要影响。

4. 故障排除在故障排除过程中，我们学会了分析故障原因，并采取相应措施排除故障。

这有助于我们更好地理解自动控制系统的运行原理。

六、实验总结通过本次实验，我们掌握了自动控制系统的基本组成和原理，学会了搭建简单的自动控制系统，并加深了对自动控制理论知识的理解。

自动控制原理实验报告（三）
频率特性测试
一．实验目的
1．了解线性系统频率特性的基本概念。

2．了解和掌握对数幅频曲线和相频曲线（波德图）的构造及绘制方法。

二．实验内容及步骤
被测系统是一阶惯性的模拟电路图见图3-2-1，观测被测系统的幅频特性和相频特性，填入实验报告。

本实验将正弦波发生器（B4）单元的正弦波加于被测系统的输入端，用虚拟示波器观测被测系统的幅频特性和相频特性，了解各种正弦波输入频率的被测系统的幅频特性和相频特性。

图3-2-1 被测系统的模拟电路图
实验步骤：
（1）将函数发生器（B5）单元的正弦波输出作为系统输入。

（2）构造模拟电路。

三．实验记录：
ω
ω=1
ω=1.6
ω=3.2
ω=4.5
ω=6.4
ω=8
ω=9.6
ω=16
实验分析：
实验中，一阶惯性环节的幅频特性)(ωL ，相频特性)(ωϕ随着输入频率的变化而变化。

惯性环节的时间常数T 是表征响应特性的唯一参数，系统时间常数越小，输出相应上升的越快，同时系统的调节时间越小。

自动控制原理实验报告姓 名班 级学 号指导教师1自动控制原理实验报告（一）一．实验目的1.了解掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式。

2.观察分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响。

3.了解掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法及Ⅰ型二阶闭环系统的传递函数标准式。

4.研究Ⅰ型二阶闭环系统的结构参数--无阻尼振荡频率ωn 、阻尼比ξ对过渡过程的影响。

5.掌握欠阻尼Ⅰ型二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标σ%、t p 、t s 的计算。

6.观察和分析Ⅰ型二阶闭环系统在欠阻尼、临界阻尼、过阻尼的瞬态响应曲线，及在阶跃信号输入时的动态性能指标σ%、t p 值，并与理论计算值作比对。

二．实验过程与结果1.观察比例环节的阶跃响应曲线1.1模拟电路图1.2传递函数(s)G(s)()o i U K U s == 10R K R =1.3单位阶跃响应U(t)K 1.4实验结果1.5实验截图2342.观察惯性环节的阶跃响应曲线2.1模拟电路图2.2传递函数(s)G(s)()1o i U KU s TS ==+10R K R =1T R C =2.3单位阶跃响应0(t)K(1e)tTU-=-2.4实验结果2.5 实验截图5673.观察积分环节的阶跃响应曲线3.1模拟电路图3.2传递函数(s)1G(s)()TS o i U U s ==i 0T =R C3.3单位阶跃响应01(t)i U t T =3.4 实验结果3.5 实验截图89104.观察比例积分环节的阶跃响应曲线4.1模拟电路图4.2传递函数0(s)1(s)(1)(s)i i U G K U T S ==+10K R R =1i T R C=4.3单位阶跃响应1 (t)(1)U K tT=+ 4.4实验结果4.5实验截图1112135.观察比例微分环节的阶跃响应曲线5.1模拟电路图5.2传递函数0(s)1(s)()(s)1i U TSG K U S τ+==+12312(R )D R R T CR R =++3R C τ=120R R K R +=141233(R //R )R D K R +=0.06D D T K sτ=⨯=5.3单位阶跃响应0(t)()U KT t Kδ=+5.4实验结果截图6.观察比例积分微分（PID ）环节的响应曲线6.1模拟电路图156.2传递函数0(s)(s)(s)p p p d i i K U G K K T S U T S ==++123212(R )C d R R T R R =++i 121(R R )C T =+120p R R K R +=1233(R //R )R D K R +=32R C τ= D D T K τ=⨯6.3单位阶跃响应0(t)()p p D p K U K T t K tTδ=++6.4实验观察结果截图16三．实验心得这个实验，收获最多的一点：就是合作。

自动控制实验报告自动控制实验报告「篇一」一、实验目的1、掌握直流稳压电源的功能、技术指标和使用方法；2、掌握任意波函数新号发生器的功能、技术指标和使用方法；3、掌握四位半数字万用表功能、技术指标和使用方法；4、学会正确选用电压表测量直流、交流电压。

二、实验原理（一）GPD—3303型直流稳压电源主要特点：1、三路独立浮地输出（CH1、CH2、FIXED）2、 CH1、CH2稳压值0―32 V，稳流值0―3。

2A3、两路串联（SER/IEDEP），两路并联（PARA/IEDEP）（二）RIGOL DG1022双通道函数/任意波函数信号发生器主要特点1、双通道输出，可实现通道耦合，通道复制2、输出五种基本波形：正弦波、方波、锯齿波、脉冲波、白噪声，并内置48种任意波形三、实验仪器1、直流稳压电源1台2、数字函数信号发生器1台3、数字万用表1台4、电子技术综合试验箱1台四、实验数据记录与误差分析1、直流电压测量（1）固定电源测量：测量稳压电源固定电压2.5V、3.3V、5V；误差分析：E1=|2.507—2.5|÷2。

5×100%=0.28%E2=|3.318—3。

3|÷3.3×100%=0.55%E3=|5.039—5|÷5×100%=0.78%（2）固定电源测量：测量实验箱的固定电压±5V、±12V、—8V；误差分析：E1=|5.029—5|÷5×100%=0.58%E2=|5.042—5|÷5×100%=0.84%E3=|11.933—12|÷12×100%=0.93%E3=|11.857—12|÷12×100%=0.56%E3=|8.202—8|÷8×100%=2.5%（3）可变电源测量；误差分析：E1=|6.016—6|÷6×100%=0.27%E2=|12.117—12|÷12×100%=0.98% E3=|18.093—18|÷18×100%=0.51%（4）正、负对称电源测量；2、正弦电压（有效值）测量（1）正弦波fs=1kHz；（2）正弦波fs=100kHz；3、实验箱可调直流信号内阻测量4、函数信号发生器内阻（输出电阻）的测量；自动控制实验报告「篇二」尊敬的各位领导、同事：大家好！在过去的一年多里，因为有公司领导的关心和指导，有热心的同事们的努力配合和帮助，所以能较圆满的完成质检部门的前期准备工作和领导交代的其他工作，作为质检专责我的主要工作职责就掌握全厂的工艺，负责全厂的质量工作，审核化验结果，并定期向上级领导做出汇报，编写操作规程并组织实施，编写质量和实验室的管理制度以及实验设备的验收等工作。

一、实验目的1. 理解自动控制系统的基本概念和原理；2. 掌握自动控制系统的基本分析方法；3. 培养动手操作能力和实验技能；4. 提高对自动控制系统的设计、调试和优化能力。

二、实验原理自动控制系统是一种利用反馈控制原理，使被控对象的输出量能够跟踪给定输入量的系统。

本实验主要研究线性定常系统的稳定性、动态性能和稳态性能。

三、实验设备1. 自动控制实验台；2. 实验仪器：信号发生器、示波器、信号调理器、数据采集卡等；3. 实验软件：MATLAB/Simulink。

四、实验内容1. 系统搭建与调试（1）搭建实验台，连接实验仪器；（2）设置信号发生器，产生不同频率、幅值的信号；（3）调整信号调理器，对信号进行放大、滤波等处理；（4）将处理后的信号输入实验台，观察系统的响应。

2. 稳定性分析（1）根据实验数据，绘制系统的伯德图；（2）根据伯德图，判断系统的稳定性；（3）通过改变系统参数，观察对系统稳定性的影响。

3. 动态性能分析（1）根据实验数据，绘制系统的阶跃响应曲线；（2）根据阶跃响应曲线，分析系统的上升时间、超调量、调节时间等动态性能指标；（3）通过改变系统参数，观察对系统动态性能的影响。

4. 稳态性能分析（1）根据实验数据，绘制系统的稳态误差曲线；（2）根据稳态误差曲线，分析系统的稳态性能；（3）通过改变系统参数，观察对系统稳态性能的影响。

五、实验结果与分析1. 系统搭建与调试通过搭建实验台，连接实验仪器，观察系统的响应，验证了实验系统的可行性。

2. 稳定性分析根据伯德图，判断系统在原参数下的稳定性。

通过改变系统参数，观察对系统稳定性的影响，得出以下结论：（1）系统在原参数下稳定；（2）减小系统参数，系统稳定性提高；（3）增大系统参数，系统稳定性降低。

3. 动态性能分析根据阶跃响应曲线，分析系统的动态性能指标：（1）上升时间：系统在给定输入信号作用下，输出量达到稳态值的80%所需时间；（2）超调量：系统在达到稳态值时，输出量相对于稳态值的最大偏差；（3）调节时间：系统在给定输入信号作用下，输出量达到稳态值的95%所需时间。

一、实验目的1. 熟悉自动控制原理中典型环节的电路模拟与软件仿真方法。

2. 掌握典型环节（比例、积分、微分、惯性等）的阶跃响应特性及其动态特性。

3. 分析参数变化对典型环节阶跃响应的影响，为控制系统设计提供理论依据。

二、实验原理自动控制系统中，各种典型环节按照一定的关系组合而成，实现对被控对象的调节与控制。

本实验通过电路模拟与软件仿真，研究典型环节的阶跃响应特性及其动态特性。

三、实验仪器与设备1. XMN-2自动控制原理模拟实验箱2. 计算机3. CAE-PCI软件4. 万用表四、实验内容及步骤1. 比例环节（1）搭建比例环节模拟电路，测量输入、输出电压，记录数据。

（2）利用CAE-PCI软件对比例环节进行仿真，设置不同的比例系数，观察阶跃响应曲线。

（3）分析参数变化对比例环节阶跃响应的影响。

2. 积分环节（1）搭建积分环节模拟电路，测量输入、输出电压，记录数据。

（2）利用CAE-PCI软件对积分环节进行仿真，设置不同的积分时间常数，观察阶跃响应曲线。

（3）分析参数变化对积分环节阶跃响应的影响。

3. 微分环节（1）搭建微分环节模拟电路，测量输入、输出电压，记录数据。

（2）利用CAE-PCI软件对微分环节进行仿真，设置不同的微分时间常数，观察阶跃响应曲线。

（3）分析参数变化对微分环节阶跃响应的影响。

4. 惯性环节（1）搭建惯性环节模拟电路，测量输入、输出电压，记录数据。

（2）利用CAE-PCI软件对惯性环节进行仿真，设置不同的时间常数，观察阶跃响应曲线。

（3）分析参数变化对惯性环节阶跃响应的影响。

五、实验结果与分析1. 比例环节（1）实验结果：随着比例系数的增大，比例环节的阶跃响应速度加快，但超调量增大。

（2）分析：比例环节的阶跃响应速度与比例系数成正比，超调量与比例系数成反比。

2. 积分环节（1）实验结果：随着积分时间常数的增大，积分环节的阶跃响应速度变慢，但超调量减小。

（2）分析：积分环节的阶跃响应速度与积分时间常数成反比，超调量与积分时间常数成反比。

4.实验报告1）记录上述一阶系统实验的曲线图 (1)一阶系统的单位阶跃响应00.51 1.52 2.53 3.54 4.550.10.20.30.40.50.60.70.80.91（2）一阶系统的单位斜坡响应00.51 1.52 2.53 3.54 4.550.10.20.30.40.50.60.70.80.912）设计表格记录上述二阶系统（1）（2）实验的曲线图，分析系统中ζ、wn 对系统相应的影响；记录上述二阶系统（3）实验曲线图，设计表格比较曲线图与理论值所的系统的性能指标（上升时间、峰值时间、超调量、以及调整时间）的异同，并给出结论。

（1）自然角频率wn=10510********0.20.40.60.811.21.41.61.82（2）阻尼比ζ=0.505101520253035400.20.40.60.811.21.4（3）系统动态性能的分析Step ResponseTime (sec)A m p l i t u d e00.511.522.530.20.40.60.811.21.4暂态性能指标 上升时间（tr ） 峰值时间（tp ） 量超调（Mp ） 调整时间（ts ） 曲线图所得值 0.584 0.848 0.12 1.2 计算理论值 0.58360.84720.12031.20003）记录上述高阶系统（1）实验原高阶系统和降阶系统的零点Z 、极点P/和增益K ，和他们的零、极点图；回答此问题：原高阶系统能否用低阶系统近似？原高阶系统零极点增益：P=-5 -1.5+2.6i -1.5-2.6i -0.3+0.954i -0.3-0.954i,无零点，K=45降阶系统零极点增益：P=-0.3+0.954i -0.3-0.954i ，无零点，K=1P ole-Zero MapReal Axis I m a g i n a r y A x i sP ole-Zero MapReal AxisI m a g i n a r y A x i spole-zero MapReal AxisI m a g i n a r y A x i s-6-4-2-4-2024-6-4-2-4-2024-0.4-0.20-1-0.500.514）写出上述高阶系统（2）实验的程序代码，设计表格记录原系统和降阶系统的单位阶跃响应曲线和暂态性能指标（上升时间、峰值时间、超调量、以及调整时间），进行比较分析。

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。

系统开环传递函数为：G(S) = =开环增益为：K=K1/K0(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=，R200K 1= R200K =⇒系统闭环传递函数为：KS S KS S S W n n n 5552)(2222++=++=ωζωω 其中自然振荡角频率：R1010T K 1n ==ω；阻尼比：40R1025n =ω=ζ2．典型的三阶系统稳定性分析 (1) 结构框图图3(2) 模拟电路图图4(3) 理论分析系统的开环传函为:)1S 5.0)(1S 1.0(S R 500)S (H )S (G ++=(其中R 500K =)，系统的特征方程为:0K 20S 20S 12S 0)S (H )S (G 123=+++⇒=+。

(4) 实验内容从Routh 判据出发，为了保证系统稳定，K 和R 如何取值，可使系统稳定，系统临界稳定，系统不稳定三、 实验现象分析1．典型二阶系统瞬态性能指标表1其中21e Mp ζ-ζπ-=，2np 1t ζ-ωπ=，n s 4t ζω=，21p e 1)t (C ζ-ζπ-+=2．典型三阶系统在不同开环增益下的响应情况由Routh判据得：S3 1 20S212 20KS10S020K 0要使系统稳定则第一列应均为正数，所以得得0<K<12即R>41.7KΩ时，系统稳定K=12 即R=41.7KΩ时，系统临界稳定K>12即R<41.7KΩ时，系统不稳定二线性系统的根轨迹分析1.绘制图3系统的根轨迹由开环传递函数分母多项式得最高次为3，所以根轨迹条数为3。

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050=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)grid;>>运行结果ans =Inf 12.7580 Inf 4.4165②Bode图：④分析：由结果可知，原系统相角裕度r=12.75800，c=4.4165rad/s，不满足指标要求，系统的Bode图如上图所示。

考虑采用串联超前校正装置，以增加系统的相角裕度。

自动控制原理实验——第一次实验姓名：乔佳楠班级：06110901学号：20091419一、实验目的了解MATLAB在自动控制原理课程中的应用，学习MATLAB的基本使用方法。

通过上机实验操作学习线性系统的分析与设计，学习传递函数的描述方法，自控系统结构框图的模型表示以及线性系统的时域分析。

其中本节重点掌握结构框图中的串联，并联和反馈结构的模型表示方法，并能正确分析不同结构模型之间的关系。

二、实验要求运用MATLAB软件解决下列三个问题，并绘制出每个函数的单位阶跃响应图像，标出其上升时间，过渡过程时间，计算出超调量。

三、实验内容1．给出下列两个函数，分别求出在串联，并联和反馈结构中的系统传递函数，并画出阶跃响应曲线，标出上升时间，过渡过程时间以及超调量。

①G1=tf(10,[1,2,3]) ②G2=tf(1,[1,2])Step1:串联结构，即G=G1*G2>> G1=tf(10,[1,2,3]);>> G2=tf(1,[1,2]);>> G=series(G1,G2)Transfer function:10---------------------s^3 + 4 s^2 + 7 s + 6>> step(G)起调量：（1.77-1.66）/1.66*100%=6.63% 上升时间： 2.97 sec过渡过程时间：5.89 secStep2:并联结构，即G=G1+G2>> G1=tf(10,[1,2,3]);>> G2=tf(1,[1,2]);>> G=parallel(G1,G2)Transfer function:s^2 + 12 s + 23---------------------s^3 + 4 s^2 + 7 s + 6>> step(G)起调量：（4.19-3.83）/3.83*100%=9.40% 上升时间： 2.23 sec过渡过程时间：5.78 secStep3：反馈结构，即G=G1/(1+G1G2)>> G1=tf(10,[1,2,3]);>> G2=tf(1,[1,2]);>> G=feedback(G1,G2,-1)Transfer function:10 s + 20----------------------s^3 + 4 s^2 + 7 s + 16 >> step(G)起调量：（2.25-1.25）/1.25*100%=80.0%上升时间： 1.29 sec过渡过程时间：16.7 sec2.根据系统的结构框图，求出系统总的传递函数。

自动控制原理实验报告实验报告：自动控制原理一、实验目的本次实验的目的是通过设计并搭建一个简单的自动控制系统，了解自动控制的基本原理和方法，并通过实际测试和数据分析来验证实验结果。

二、实验装置和仪器1. Arduino UNO开发板2.电机驱动模块3.直流电机4.旋转角度传感器5.杜邦线6.电源适配器三、实验原理四、实验步骤1. 将Arduino UNO开发板与电机驱动模块、旋转角度传感器和直流电机进行连接。

2. 编写Arduino代码，设置电机的控制逻辑和旋转角度的反馈机制。

3. 将编写好的代码上传至Arduino UNO开发板。

4.将电源适配器连接至系统，确保实验装置正常供电。

5.启动实验系统并观察电机的转动情况。

6.记录电机的转动角度和实际目标角度的差异，并进行数据分析。

五、实验结果和数据分析在实际操作中，我们设置了电机的目标转动角度为90度，待实验系统运行后，我们发现电机实际转动角度与目标角度存在一定的差异。

通过对数据的分析，我们发现该差异主要由以下几个方面导致：1.电机驱动模块的响应速度存在一定的延迟，导致电机在到达目标角度时出现一定的误差。

2.旋转角度传感器的精度有限，无法完全准确地测量电机的实际转动角度。

这也是导致实际转动角度与目标角度存在差异的一个重要原因。

3.电源适配器的稳定性对电机的转动精度也有一定的影响。

六、实验总结通过本次实验，我们了解了自动控制的基本原理和方法，并通过实际测试和数据分析了解了自动控制系统的运行情况。

同时，我们也发现了实际系统与理论预期之间存在的一些差异，这些差异主要由电机驱动模块和旋转角度传感器等因素引起。

为了提高自动控制系统的精度，我们需要不断优化和改进这些因素，并进行相应的校准和调试。

实验的结果也提醒我们，在实际应用中，需要考虑各种因素的影响，以确保自动控制系统的可靠性和准确性。

实验四 线性系统的频域分析一、实验目的1．掌握用MATLAB 语句绘制各种频域曲线。

2．掌握控制系统的频域分析方法。

二、实验内容1．典型二阶系统2222)(nn ns s s G ωζωω++= 绘制出6=n ω，1.0=ζ，0.3，0.5，0.8，2的bode 图，记录并分析ζ对系统bode 图的影响。

2．系统的开环传递函数为)5)(15(10)(2+-=s s s s G)106)(15()1(8)(22++++=s s s s s s G)11.0)(105.0)(102.0()13/(4)(++++=s s s s s s G绘制系统的Nyquist 曲线、Bode 图，说明系统的稳定性，并通过绘制阶跃响应曲线验证。

3．已知系统的开环传递函数为)11.0(1)(2++=s s s s G 。

求系统的开环截止频率、穿越频率、幅值裕度和相位裕度。

应用频率稳定判据判定系统的稳定性。

三、实验报告 1．典型二阶系统2222)(nn ns s s G ωζωω++= 绘制出6=n ω，1.0=ζ，0.3，0.5，0.8，2的bode 图，记录并分析ζ对系统bode图的影响。

程序：>> num=[0 0 0 36]; den=[0 1 1.2 36];w=logspace(-2,3,100); bode(num,den,w) gridholdnum=[0 0 0 36];den=[0 1 3.6 36];w=logspace(-2,3,100); bode(num,den,w) gridnum=[0 0 0 36];den=[0 1 6 36];w=logspace(-2,3,100); bode(num,den,w) gridnum=[0 0 0 36];den=[0 1 9.6 36];w=logspace(-2,3,100); bode(num,den,w) gridnum=[0 0 0 36];den=[0 1 24 36];w=logspace(-2,3,100); bode(num,den,w) gridCurrent plot held >> holdCurrent plot released >> gtext('ζ=0.1')>> gtext('ζ=0.3')>> gtext('ζ=0.5')>> gtext('ζ=0.8')>> gtext('ζ=2')图形2-（1）)5)(15(10)(2+-=s s s s G Nyquist 图 程序： num=[10];den=[5 24 -5 0 0];[z,p,k]=tf2zp(num,den); nyquist(num,den)Bode图程序：num=[0 0 0 10];den=[5 24 -5 0 0];w=logspace(-2,3,100);bode(num,den,w)grid单位阶跃响应G=tf([10],[5,24,-5,0,0]); G_c=feedback(G,1);step(G_c)2-（2）)106)(15()1(8)(22++++=s s s s s s GNyquist 图 程序： num=[8 8];den=[1 21 90 150 0 0]; [z,p,k]=tf2zp(num,den); nyquist(num,den)Bode图程序：num=[0 0 0 0 8 8]; den=[1 21 90 150 0 0]; w=logspace(-2,3,100); bode(num,den,w)grid单位阶跃响应G=tf([8 8],[1 21 90 150 0 0]); G_c=feedback(G,1);step(G_c)2-（3）)11.0)(105.0)(102.0()13/(4)(++++=s s s s s s GNyquist 图 程序： num=[4/3 4];den=[0.0001 0.008 0.17 1 0 ]; [z,p,k]=tf2zp(num,den); nyquist(num,den)Bode图程序：num=[4/3 4];den=[0.0001 0.008 0.17 1 0 ]; w=logspace(-2,3,100);bode(num,den,w)grid单位阶跃响应G=tf([4/3 4],[0.0001 0.008 0.17 1 0]); G_c=feedback(G,1);step(G_c)3、)11.0(1)(2++=s s s s G num=[1,1]; den=[0.1 1 0 0]; margin(num,den);[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den)gm =pm =44.4594wcg =wcp =1.2647Bode 如图所示：四、心得体会。

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分析；（3）熟悉Routh判据，用Routh判据对三阶系统进行稳定性分析。

二、实验设备PC机一台，TD-ACC+教学实验系统一套三、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：如图1.2-1所示（2）对应的模拟电路图（3）理论分析系统开环传递函数为；开环增益。

（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，再将理论值应用与模拟电路中，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。

在此实验中系统闭环传递函数为其中自然振荡角频率；阻尼比：。

2.典型的三阶系统稳定性分析（1）结构框图（2）模拟电路图：如图1.2-2所示。

（3）理论分析系统的开环传递函数为（其中），系统的特征方程为。

（4）实验内容实验前由Routh判断得Routh行列式为1 2012为了保证系统稳定，第一列各值应为正数，所以有得0<K<12 → R>41.7KΩ系统稳定K=12 → R=41.7KΩ系统临界稳定K>12 → R<41.7KΩ系统不稳定四、实验步骤1.将信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。

由于每个运放单元均设置了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。

将开关设在“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2.典型二阶系统瞬态性能指标的测试（1）按模拟电路图1.2-2接线，将1中的方波信号戒指输入端，取R=10K。

（2）用示波器观察系统响应曲线C(t)，测量并记录超调Mp、峰值时间Tp和调节时间Ts。

R=10K：（3）分别按R=60K;160K;200K;改变系统开环增益，观察响应曲线C(t)，测量并记录性能指标Mp、Tp和Ts，及系统的稳定性。

并将测量值和计算值进行比较（实验前必须按公式计算出）。