自动控制原理课程设计实验

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。

自动控制原理实验自动控制原理实验是自动控制原理课程的重要组成部分，通过实验可以帮助学生深入理解自动控制原理的相关知识，并且掌握实际操作的能力。

本实验旨在通过具体的实验操作，让学生对自动控制原理的理论知识有更深入的了解，同时培养学生的实际动手能力和解决问题的能力。

一、实验目的。

本实验旨在通过具体的实验操作，让学生对自动控制原理的理论知识有更深入的了解，同时培养学生的实际动手能力和解决问题的能力。

二、实验原理。

自动控制原理是一门研究控制系统的设计与分析的学科，它主要研究用于自动控制的原理、方法和技术。

自动控制原理实验是通过实验来验证自动控制原理的理论知识，包括传递函数、控制器设计、系统响应等内容。

三、实验内容。

1. 搭建控制系统模型，根据所学的自动控制原理知识，搭建相应的控制系统模型，包括传感器、执行器、控制器等组成部分。

2. 系统参数测量，对搭建好的控制系统模型进行参数测量，包括系统的传递函数、阶跃响应等参数。

3. 控制器设计与调试，根据实验要求，设计相应的控制器，并进行调试，观察系统的响应情况。

4. 系统性能分析，对设计好的控制系统进行性能分析，包括稳定性、灵敏度、鲁棒性等指标的评估。

四、实验步骤。

1. 按照实验要求，搭建控制系统模型，包括传感器、执行器、控制器等组成部分。

2. 进行系统参数测量，包括系统的传递函数、阶跃响应等参数的测量。

3. 根据实验要求，设计相应的控制器，并进行调试，观察系统的响应情况。

4. 对设计好的控制系统进行性能分析，包括稳定性、灵敏度、鲁棒性等指标的评估。

五、实验结果与分析。

通过实验操作，我们得到了控制系统的传递函数、阶跃响应等参数，并设计了相应的控制器进行了调试。

通过对系统的性能分析，我们可以得出系统的稳定性较好，对外界干扰具有一定的抵抗能力。

六、实验总结。

通过本次实验，我们深入理解了自动控制原理的相关知识，掌握了实际操作的能力。

同时，我们也发现了一些问题，比如在控制器设计与调试过程中遇到了一些困难，需要进一步加强相关知识的学习和实践能力的培养。

自动控制原理及其应用课程设计设计目的自动控制原理及其应用课程设计是一门基础课程，主要针对电气自动化专业学生进行教学。

课程设计旨在通过实践操作，更好地理解自动控制理论知识，在实际工程中能够应用所学知识进行工程设计、调试和维护。

设计内容实验一：自动升降电梯控制实验目的通过自动升降电梯控制实验，了解电梯控制系统的基本原理，掌握电梯控制系统的设计流程和调试方法，了解电梯控制系统的特点，加深对自动控制理论的理解和应用。

实验要求1.设计电梯运行时的控制电路和控制程序。

2.要求电梯可以在每层楼进行停留、开关门、运动等操作，并保证电梯行驶平稳可靠。

3.使用编程自动化控制系统对电梯进行调试。

实验步骤1.建立电梯控制系统模型。

2.充分了解电梯控制系统各部分的工作原理。

3.设计电梯控制系统的控制电路和控制程序。

4.将程序下载至编程自动化控制系统并进行调试。

5.对电梯进行测试，检查电梯运行是否平稳可靠。

实验二：温度控制系统实验目的通过温度控制系统实验，了解PID控制算法的基本原理，掌握PID控制算法的设计流程和调试方法，了解实际工程中的PID控制系统的特点，加深对自动控制理论的理解和应用。

实验要求1.设计温度控制系统的控制电路和控制程序。

2.要求温度可以自动调节，保持在设定的温度范围内。

3.使用编程自动化控制系统对温度控制系统进行调试。

实验步骤1.建立温度控制系统模型，确定PID控制算法参数。

2.了解温度控制系统各部分的工作原理。

3.设计PID控制算法的控制电路和控制程序。

4.将程序下载至编程自动化控制系统并进行调试。

5.对温度控制系统进行测试，检查控制过程是否稳定。

总结通过本次课程设计，对自动控制原理理论知识有了更深入的了解，通过进行实验操作，更好地掌握了自动控制系统的设计流程和调试方法，同时增强了创新思维和动手能力，为今后工作和学习打下坚实的基础。

自动控制原理课程设计本课程设计的目的着重于自动控制基本原理与设计方法的综合实际应用。

主要内容包括：古典自动控制理论（PID ）设计、现代控制理论状态观测器的设计、自动控制MATLAB 仿真。

通过本课程设计的实践，掌握自动控制理论工程设计的基本方法和工具。

1 内容某生产过程设备如图1所示，由液容为C1和C2的两个液箱组成，图中Q 为稳态液体流量)/(3s m ，i Q ∆为液箱A 输入水流量对稳态值的微小变化)/(3s m ，1Q ∆为液箱A 到液箱B 流量对稳态值的微小变化)/(3s m ，2Q ∆为液箱B 输出水流量对稳态值的微小变化)/(3s m ，1h 为液箱A 的液位稳态值)(m ，1h ∆为液箱A 液面高度对其稳态值的微小变化)(m ，2h 为液箱B 的液位稳态值)(m ，2h ∆为液箱B 液面高度对其稳态值的微小变化)(m ，21,R R 分别为A ，B 两液槽的出水管液阻))//((3s m m 。

设u 为调节阀开度)(2m 。

已知液箱A 液位不可直接测量但可观，液箱B 液位可直接测量。

图1 某生产过程示意图要求1. 建立上述系统的数学模型；2. 对模型特性进行分析，时域指标计算，绘出bode,乃示图，阶跃反应曲线3. 对B 容器的液位分别设计：P ，PI ，PD ，PID 控制器进行控制；4. 对原系统进行极点配置，将极点配置在－1＋j 和－1－j ；（极点可以不一样）5. 设计一观测器，对液箱A 的液位进行观测（此处可以不带极点配置）；6. 如果要实现液位h2的控制，可采用什么方法，怎么更加有效？试之。

用MATLAB 对上述设计分别进行仿真。

（提示：流量Q=液位h/液阻R ，液箱的液容为液箱的横断面积，液阻R=液面差变化h ∆/流量变化Q ∆。

）2 双容液位对象的数学模型的建立及MATLAB 仿真过程一、对系统数学建模如图一所示，被控参数2h ∆的动态方程可由下面几个关系式导出： 液箱A ：dt h d C Q Q i 111∆=∆-∆ 液箱B ：dth d C Q Q 2221∆=∆-∆ 111/Q h R ∆∆= 222/Q h R ∆∆= u K Q u i ∆=∆消去中间变量，可得：u K h dt h d T T dt h d T T ∆=∆+∆++∆222122221)( 式中，21,C C ——两液槽的容量系数21,R R ——两液槽的出水端阻力 111C R T =——第一个容积的时间常数 222C R T =——第二个容积的时间常数 2R K K u =_双容对象的放大系数其传递函数为：1)()()()(212212+++=∆∆=S T T S T T KS U S H S G二．对模型特性进行分析，绘出bode,奈氏图，阶跃反应曲线 当输入为阶跃响应时的Matlab 仿真： 令T1=T2=6；K=1112361)()()(22++=∆∆=S S S U S H S G 2)16(1+=S单位阶跃响应的MATLAB 程序： num1=[1];den1=[36 12 1]; G1=tf(num1,den1); figure(1); step(G1);xlabel('时间(sec)');ylabel('输出响应');title('二阶系统单位阶跃响应'); step(G1,100); 运行结果如下：阶跃反应曲线：图1c(∞)=1; c(t p )=1; t p =45.5s; t d =10s; t s =45.5s; 最大超调量：δ(t p )= [c(t p )- c(∞)]/ c(∞)*100%=0%稳态误差分析： 开环传递函数112361)()()(22++=∆∆=S S S U S H S G ，稳态误差1=ss e ；用MATLAB绘制的奈氏图如下图2所示，其程序如下：nyquist([1],conv([6 1],[6 1]))图2在工程实践中，一般希望正相角裕度r为45o~60o,增益裕度Kg10≥dB,即Kg3≥。

名称：《自动控制原理》课程设计题目：基于自动控制原理的性能分析设计与校正院系：建筑环境与能源工程系班级：学生姓名：指导教师：目录一、课程设计的目的与要求------------------------------3二、设计内容2.1控制系统的数学建模----------------------------42.2控制系统的时域分析----------------------------62.3控制系统的根轨迹分析--------------------------82.4控制系统的频域分析---------------------------102.5控制系统的校正-------------------------------12三、课程设计总结------------------------------------17四、参考文献----------------------------------------18一、课程设计的目的与要求本课程为《自动控制原理》的课程设计，是课堂的深化。

设置《自动控制原理》课程设计的目的是使MATLAB成为学生的基本技能，熟悉MATLAB这一解决具体工程问题的标准软件，能熟练地应用MATLAB软件解决控制理论中的复杂和工程实际问题，并给以后的模糊控制理论、最优控制理论和多变量控制理论等奠定基础。

使相关专业的本科学生学会应用这一强大的工具，并掌握利用MATLAB对控制理论内容进行分析和研究的技能，以达到加深对课堂上所讲内容理解的目的。

通过使用这一软件工具把学生从繁琐枯燥的计算负担中解脱出来，而把更多的精力用到思考本质问题和研究解决实际生产问题上去。

通过此次计算机辅助设计，学生应达到以下的基本要求：1.能用MATLAB软件分析复杂和实际的控制系统。

2.能用MATLAB软件设计控制系统以满足具体的性能指标要求。

3.能灵活应用MATLAB的CONTROL SYSTEM 工具箱和SIMULINK仿真软件，分析系统的性能。

一、实验目的1. 理解并掌握自动控制原理的基本概念和基本分析方法。

2. 熟悉自动控制系统的典型环节，包括比例环节、积分环节、比例积分环节、惯性环节、比例微分环节和比例积分微分环节。

3. 通过实验，验证自动控制理论在实践中的应用，提高分析问题和解决问题的能力。

二、实验原理自动控制原理是研究自动控制系统动态和稳态性能的学科。

本实验主要围绕以下几个方面展开：1. 典型环节：通过搭建模拟电路，研究典型环节的阶跃响应、频率响应等特性。

2. 系统校正：通过在系统中加入校正环节，改善系统的性能，使其满足设计要求。

3. 系统仿真：利用MATLAB等仿真软件，对自动控制系统进行建模和仿真，分析系统的动态和稳态性能。

三、实验内容1. 典型环节实验（1）比例环节：搭建比例环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数对系统性能的影响。

（2）积分环节：搭建积分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析积分时间常数对系统性能的影响。

（3）比例积分环节：搭建比例积分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数和积分时间常数对系统性能的影响。

（4）惯性环节：搭建惯性环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析时间常数对系统性能的影响。

（5）比例微分环节：搭建比例微分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数和微分时间常数对系统性能的影响。

（6）比例积分微分环节：搭建比例积分微分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数、积分时间常数和微分时间常数对系统性能的影响。

2. 系统校正实验（1）串联校正：在系统中加入串联校正环节，改善系统的性能，使其满足设计要求。

（2）反馈校正：在系统中加入反馈校正环节，改善系统的性能，使其满足设计要求。

3. 系统仿真实验（1）利用MATLAB等仿真软件，对自动控制系统进行建模和仿真，分析系统的动态和稳态性能。

（2）根据仿真结果，优化系统参数，提高系统性能。

四、实验步骤1. 搭建模拟电路：根据实验内容，搭建相应的模拟电路，并连接好测试设备。

自动控制原理课程设计实习引言：自动控制原理课程设计实习是一门重要的实践课程，旨在通过实际操作和设计，加深学生对自动控制原理的理解和应用能力。

本文将详细介绍自动控制原理课程设计实习的内容和要求，并提供一些实践指导和建议，以帮助学生顺利完成实习任务。

一、实习目标：1. 熟悉自动控制原理的基本概念和理论知识；2. 掌握自动控制系统的建模和仿真方法；3. 学会使用常见的自动控制器设计方法；4. 培养实际问题解决能力和团队合作精神。

二、实习内容：1. 实习前准备：1.1 研读相关教材和课程讲义，了解自动控制原理的基本概念和理论知识；1.2 学习使用MATLAB等仿真软件，掌握建模和仿真的基本操作；1.3 熟悉实验室设备和工具的使用方法。

2. 实习任务：2.1 实验一：建立系统数学模型2.1.1 选择一个实际系统，如温度控制系统或机器人控制系统；2.1.2 根据系统特点，建立系统的数学模型；2.1.3 使用MATLAB进行仿真，验证模型的准确性。

2.2 实验二：设计PID控制器2.2.1 根据系统模型和性能指标，选择合适的PID控制器结构；2.2.2 设计PID控制器的参数；2.2.3 使用MATLAB进行仿真，评估控制器的性能。

2.3 实验三：优化控制器设计2.3.1 使用现代控制理论，如模糊控制或神经网络控制，对控制器进行优化；2.3.2 比较不同控制器的性能，并分析优缺点。

2.4 实验四：控制系统实现2.4.1 将设计好的控制器实现到实际系统中；2.4.2 进行实际系统的调试和性能测试；2.4.3 分析测试结果，评估控制系统的性能。

三、实习要求：1. 实习报告：1.1 撰写实习报告，包括实验目的、方法、结果和分析；1.2 报告应具备清晰的逻辑结构和完整的实验数据；1.3 实习报告字数控制在1500字左右。

2. 实习成绩评定：2.1 实习报告的质量和完整度；2.2 实际系统的调试和性能测试结果；2.3 实习期间的参与度和团队合作精神。

实验三 典型环节（或系统）的频率特性测量一、实验目的1．学习和掌握测量典型环节（或系统）频率特性曲线的方法和技能。

2．学习根据实验所得频率特性曲线求取传递函数的方法。

二、实验内容1．用实验方法完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。

2．用实验方法完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。

3．根据测得的频率特性曲线求取各自的传递函数。

4．用软件仿真方法求取一阶惯性环节频率特性和典型二阶系统开环频率特性，并与实验所得结果比较。

三、实验步骤1．利用实验设备完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。

在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。

为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能，接线方式将不同于上述无上位机情况。

仍以一阶惯性环节为例，此时将Ui 连到实验箱 U3单元的O1（D/A 通道的输出端），将Uo 连到实验箱 U3单元的I1（A/D 通道的输入端），并连好U3单元至上位机的并口通信线。

接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。

界面上的操作步骤如下：①按通道接线情况完成“通道设置”:在界面左下方“通道设置”框内，“信号发生通道”选择“通道O1＃”，“采样通道X ”选择“通道I1＃”，“采样通道Y ”选择“不采集”。

②进行“系统连接”（见界面左下角），如连接正常即可按动态状态框内的提示（在界面正下方）“进入实验模式”；如连接失败，检查并口连线和实验箱电源后再连接，如再失败则请求指导教师帮助。

③进入实验模式后，先对显示进行设置：选择“显示模式”（在主界面左上角）为“Bode”。

④完成实验设置，先选择“实验类别”（在主界面右上角）为“频域”，然后点击“实验参数设置”，在弹出的“频率特性测试频率点设置”框内，确定实验要测试的频率点。

注意设置必须满足ω<30Rad/sec 。

⑤以上设置完成后，按“实验启动”启动实验。

界面中下方的动态提示框将显示实验测试的进展情况，从开始测试直至结束的过程大约需要2分钟。

一、实验目的1. 理解自动控制原理的基本概念，掌握自动控制系统的组成和基本工作原理。

2. 熟悉自动控制实验设备，学会使用相关仪器进行实验操作。

3. 通过实验验证自动控制理论在实际系统中的应用，加深对理论知识的理解。

二、实验原理自动控制原理是研究自动控制系统动态过程及其控制规律的科学。

实验主要验证以下原理：1. 线性时不变系统：系统在任意时刻的输入与输出之间关系可用线性方程表示，且系统参数不随时间变化。

2. 稳定性：系统在受到扰动后，能够逐渐恢复到稳定状态。

3. 控制器设计：通过控制器的设计，使系统满足预定的性能指标。

三、实验设备1. 自动控制实验台2. 计算机及控制软件3. 测量仪器（如示波器、信号发生器、数据采集器等）四、实验内容1. 线性时不变系统阶跃响应实验2. 线性时不变系统频率响应实验3. 控制器设计实验五、实验步骤1. 线性时不变系统阶跃响应实验（1）搭建实验电路，连接好相关仪器；（2）设置输入信号为阶跃信号，观察并记录输出信号；（3）分析阶跃响应曲线，计算系统动态性能指标。

2. 线性时不变系统频率响应实验（1）搭建实验电路，连接好相关仪器；（2）设置输入信号为正弦信号，改变频率，观察并记录输出信号；（3）分析频率响应曲线，计算系统频率特性指标。

3. 控制器设计实验（1）根据系统性能指标，选择合适的控制器类型；（2）搭建实验电路，连接好相关仪器；（3）调整控制器参数，观察并记录输出信号；（4）分析控制器效果，验证系统性能指标。

六、实验结果与分析1. 线性时不变系统阶跃响应实验（1）实验结果：绘制阶跃响应曲线，计算系统动态性能指标；（2）分析：与理论值进行对比，验证系统动态性能。

2. 线性时不变系统频率响应实验（1）实验结果：绘制频率响应曲线，计算系统频率特性指标；（2）分析：与理论值进行对比，验证系统频率特性。

3. 控制器设计实验（1）实验结果：调整控制器参数，观察并记录输出信号；（2）分析：验证系统性能指标，评估控制器效果。

目录0 绪论 (1)1系统分析和模型建立 (1)1.1 背景知识 (1)1.2 模型建立 (1)1.3性能指标分析 (2)1.3.1 典型的闭环频率特性 (2)1.3.2 二阶系统闭环幅频特性与时域指标的关系 (2)1.3.3 高阶闭环系统与二阶系统的关系 (3)2系统校正 (3)2.1 基于根轨迹法系统校正 (3)2.2 基于频率法的系统校正 (8)2.2.1 电流环校正分析 (8)2.2.2 速度环校正分析 (9)2.2.3 位置环校正分析 (11)2.2.4 前馈控制 (15)3系统仿真检验 (16)3.1 基于根轨迹法校正的系统仿真检验 (16)3.2 基于频率法校正的系统仿真检验 (18)3.3 饱和环节对输出的影响 (24)4电路实现 (27)4.1 比例放大环节电路实现 (27)4.2 串联超前校正装置的实现 (27)4.3 前馈校正装置的实现 (29)5总结 (31)5.1 设计总结 (31)5.2 心得体会 (31)0绪论直流电动机以其良好的控制特性得到了广泛的应用。

本次设计正是以直流电机为模型，基于控制系统常用的性能指标，提出合理的设计方案。

本次设计是对前边所学课程的综合应用，也是与工程实践相结合的一个良好范本。

本次设计，旨在加深对自动控制原理和元件等知识的深入理解，也为后继课程的学习奠定基础。

1系统分析和模型建立1.1背景知识标准直流电机控制系统的基本方框图如图1-1所示。

图1- 11.2模型建立根据题给条件，对参数进行求取。

其中转动惯量又由力矩系数，知反电势系数。

，，求得，。

则电机的模型如图1-2所示。

1图1- 21.3性能指标分析1.3.1典型的闭环频率特性对于典型的单位反馈闭环系统，闭环幅频特性具有以下特点：(1)若开环传递函数含有串联积分环节，则闭环幅频特性在处。

否则(2)在低频段，闭环幅频特性变化缓慢，比较平滑。

(3)随着增大，闭环幅频特性会出现谐振峰，谐振峰对应的角频率成为谐振频率。

自动控制原理课程设计实验报告一、 实验目的1、了解自动控制原理的数学和系统稳定验证的方法。

2、了解自动控制系统的放大系数对系统的稳态误差和稳定性的影响。

3、 熟悉MABLAB 系统仿真的应用，加强对MABLAB 软件应用的认识。

二、 实验内容1、设单位反馈控制系统的开环传递函数如下，试用MATLAB 绘制闭环根轨迹图。

33*)2()1()(++=s s K s G2、两个系统的传递函数分别为：)65)(1)(254()144)(3(50)()()1(2232++-++++-=s s s s s s s s s s H s G )1)(2)(6())(133(3)()()2(2222323+++-+++++=s s s s s s s s s s s s H s G 计算上述所给系统在2=ω和20=ω时的幅频特性)(ωA ，对数幅频特性)(ωL 以及相频特性)(ωϕ。

（用MATLAB 验证） 3、设单位反馈的开环传递函数为)15.0)(1()(0++=s s s Ks G要求设计一串联校正网络，使校正后系统的开环增益K=5，相角裕度不低于40°，幅值裕度不小于10dB.(用MATLAB 验证)三、实验步骤及MATLAB 验证仿真1、设单位反馈控制系统的开环传递函数如下，试用MATLAB 绘制闭环根轨迹图。

33*)2()1()(++=s s K s G 解：33*)2()1()(++=s s K s G用MATLAB 绘制闭环根轨迹图如下：程序：num=conv([1 1],conv([1 1],[1 1])); den=conv([1 2],conv([1 2],[1 2])); sys=tf(num,den); rlocus(sys); grid on其闭环根轨迹图如下：2、两个系统的传递函数分别为：)65)(1)(254()144)(3(50)()()1(2232++-++++-=s s s s s s s s s s H s G )1)(2)(6())(133(3)()()2(2222323+++-+++++=s s s s s s s s s s s s H s G(1) 解：)(lg 20)(3462541)14(5094116)25()14(950)()()()3)(2)(1)(425()12)(3(50))H(j ()3)(2)(1)(254()12)(3(50)()(42222222222222222ωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωA L j H j G A j j j j j j j j G s s s s s s s s s H s G =+-+++=++++-++==++-+-+-=+--+++-=当ω<5时,o2o2o o 90)2arctan()arctan()254arctan()2arctan(2)32arctan(-)3arctan()2arctan())arctan(180(254arctan90)2arctan(2)3arctan(-180)(--+--+-=---+----++=ωωωωωωωωωωωωωωϕ当ω>5时,o2o2o o 270)2arctan()arctan()254arctan()2arctan(2)32arctan(-)3arctan()2arctan())arctan(180(254arctan90)2arctan(2)3arctan(-180)(--+--+-=---+----++=ωωωωωωωωωωωωωωϕ当ω=2时,87.7904543.6385.2093.15138.6790)22arctan()2arctan()22524arctan()42arctan()322arctan()2(513.999.2lg 20)2lgA(20)2L(99.224346254414214450)2(o o24-=--+-+-=--+-⨯-+-=≈==≈+⨯-+++⨯⨯=ϕ）（A当ω=20时,9. 24027029.8414.8704.1214.17793. 162270)220arctan()20arctan()2025204arctan()402arctan()3202arctan( )20(7.31026.0lg20)20lgA(20)20L(026.0204003462544001400 201400450) 20 (o o2 4-=--+++-=--+-⨯-+-=-≈==≈+⨯-+++⨯⨯=ϕ）（A用MATLAB验证如下：程序：num=conv(50,conv([1 -3],[4 4 1]));den=conv([1 4 25 0],conv([1 -1],[1 5 6]));sys=tf(num,den);margin(sys);grid on其MABLAB验证图如下：由计算值和MATLAB 验证可知，当ω=2时，()()%032.0%100)2()2()2(:16.8251.92L ,87.7)2(513.9)2(99.2)2()2(≈⨯'-=-='='-===L L L L A L δϕϕ故其误差值分别为，，仿真值：，，理论值：%68.3%100)22()2()2(-≈⨯'-=（）ϕϕϕδϕ当时20=ω理论值：()()，）（，， 9.240207.3120L 026.020A -=-≈≈ϕ仿真值：()()，， 241207.3120L -='-='ϕ故其误差值分别为：()()()()()()%04.0%1002020200%10020L 20L 20L 2020L -≈⨯'-==⨯'-=ϕϕϕδδϕ）（）（（2）解：)1)(2)(2)(3()1(3)1)(2)(6())(133(3)()(242222323+++-++=+++-+++++=s s s s s s s s s s s s s s s s s s s H s G )1)(2)(2)(3()1(3)()(24ωωωωωωωωωj j j j j j j H j G +-+-++=422222222222221)4(9)1(3)1(449)1(3|)()(|)(ωωωωωωωωωωωωωωωω+-+++=+-++++==j H j G A )(lg 20)(ωβωA L =()()()()()05.027087.247.8155.34827020120arctan 320arctan 20arctan 42077.908.3lg 2020lg 202008.320201420920120203)20(,2026.162702arctan 4270212arctan 32arctan 2arctan 4)2(18.35275lg 20)2(lg 20)2(44.1221)42(92)12(23)2(,22701arctan3arctan arctan 4)1arctan 180(2arctan )]7arctan(180[3arctan arctan 490)(,1242222242222222-=-+-≈----=≈==≈+-+++⨯⨯==-≈-=----====≈+-+++⨯⨯==----=-+---+--+=>ϕωϕωωωωωωωωωωωωϕωA L A A L A 时当时当时当用MATLAB 验证如下：程序：num=conv(3,conv([1 3 3 1],[1 1 0 0])); den=conv([1 1 -6],conv([1 2 0],[1 1 1])); sys=tf(num,den); margin(sys)； grid on其MATLAB 验证图如下：(下一页)由计算值和MATLAB 验证可知; 当时，2=ω理论值：()()() 26.162,18.32,44.12-≈=≈ϕL A 验证值：()() 2.162,17.32-='='ϕL 故其误差值分别为：()%14.3%100)2()2(2)2(≈⨯'-=L L L L δ%37.0%100)2()2()2()2(≈⨯'-=ϕϕϕδϕ当时，20=ω理论值：()()() 05.02077.920L 08.320A -=≈≈ϕ，， 验证值：()() 0512.02041.920L -='='ϕ， 故其误差值分别为：()()()()%68.3%10020L 20L 2020L ≈⨯'-=L δ()()()%4.2%10020202020-=⨯'-=ϕϕϕδϕ）（3、设单位反馈的开环传递函数为)15.0)(1()(0++=s s s Ks G要求设计一串联校正网络，使校正后系统的开环增益K=5，相角裕度不低于40°，幅值裕度不小于10dB.(用MATLAB 验证)解：设校正后c ω截止频率为r c ''",ω为指标求值，通过串联滞后校正，设滞后校正传递函数为()sss G c 71671++=()()())12)(1(1015.01++=++=s s s s s s s s G()()()12110++=ωωωωj j j j G()2110lg2022++=ωωωωL() 902arctanarctan ---=ωωωψ由()()c c c r r ωψω''+''''='' ,且()c c ωψ''取为 14- ,得()() 541440=+=''-''=''''c r c r ωψω由()()c c r ''+=''''ωψω 180得 () 126180540-=-=''x ωψ通过Bode 图得 442.0="c ω程序： num=[10]; den=[1,3,2,0]; G=tf(num,den); margin(G); grid on其MATLAB 伯德图如下：则()1.202442.01442.0442.010log20442.02≈++='=⎪⎭⎫ ⎝⎛"'L L c ω所以有：()()()()()ss s s s s s s s s s G s G s G c 266.30449.45383.1501083.15083.1501083.15115.0152340++++=++⋅++=⋅=程序：num1=[10];den1=[1,3,2,0]; num2=[150.83,10];den2=[150.83,453.49,304.66,2,0]; G1=tf(num1,den1); margin(G1); hold onG2=tf(num2,den2); margin(G2); bode(G1,':'); grid on其MATLAB 验证图如下()sss G T b bTl b c cc 83.1501083.15183.1501.015.010lg 20++=⎩⎨⎧==⎪⎩⎪⎨⎧''==⎪⎭⎫ ⎝⎛"'+得ωω校正前系统阶跃响应如下：程序：num=[10];den=[1,3,2,0];G=tf(num,den);figure(1);step(feedback(G,1,-1));grid on其MATLAB验证图如下校正后系统阶跃响应如下：程序：num=[150.83,10];den=[150.83,453.49,304.66,2,0]; G=tf(num,den);figure(1);step(feedback(G,1,-1));grid on其MATLAB验证图如下校正方法分析：ω附近很窄的频率范围内在此题中，采用相位超前校正是不怎么有效的，此例在c对数幅频和相频特性衰减很快，若采用相位超前校正，虽然校正环节可提供超前相角，ω右移，又将使系统的相位产生较大的滞后量，而使系统的相位裕量不会有但又会使c明显的改善。

课程设计自动控制原理一、教学目标本节课的学习目标包括知识目标、技能目标和情感态度价值观目标。

知识目标要求学生掌握自动控制原理的基本概念、原理和应用；技能目标要求学生能够运用自动控制原理分析和解决实际问题；情感态度价值观目标要求学生培养对自动控制原理的兴趣和好奇心，提高学生学习的积极性和主动性。

通过本节课的学习，学生将能够：1.理解自动控制原理的基本概念和原理；2.掌握自动控制系统的分析和设计方法；3.能够运用自动控制原理解决实际问题；4.培养对自动控制原理的兴趣和好奇心，提高学习的积极性和主动性。

二、教学内容本节课的教学内容主要包括自动控制原理的基本概念、原理和应用。

具体包括以下几个方面：1.自动控制原理的定义和发展历程；2.自动控制系统的分类和基本原理；3.控制器的设计方法和应用；4.自动控制原理在实际工程中的应用案例。

教学内容的安排和进度如下：1.第一课时：介绍自动控制原理的定义和发展历程；2.第二课时：讲解自动控制系统的分类和基本原理；3.第三课时：介绍控制器的设计方法和应用；4.第四课时：分析自动控制原理在实际工程中的应用案例。

三、教学方法为了激发学生的学习兴趣和主动性，本节课采用多种教学方法，包括讲授法、讨论法、案例分析法和实验法等。

1.讲授法：通过教师的讲解，向学生传授自动控制原理的基本概念和原理；2.讨论法：引导学生参与课堂讨论，培养学生的思考能力和团队合作精神；3.案例分析法：分析实际工程中的应用案例，让学生更好地理解和掌握自动控制原理；4.实验法：安排实验环节，让学生动手实践，提高学生的实际操作能力。

四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，丰富学生的学习体验，本节课选择和准备以下教学资源：1.教材：选用《自动控制原理》教材，作为学生学习的主要参考资料；2.参考书：推荐学生阅读《现代自动控制原理》等参考书籍，加深对自动控制原理的理解；3.多媒体资料：制作PPT课件，通过图片、动画等形式展示自动控制原理的相关概念和原理；4.实验设备：准备自动控制系统实验设备，让学生进行实际操作和观察。

自动控制原理课程设计实习自动控制原理课程设计实习是为了让学生通过实践运用所学的自动控制原理知识，将理论应用于实际工程问题的实习环节。

以下是一个可能的自动控制原理课程设计实习的方案：1. 实习目标：通过实践，学生将自动控制原理应用于具体的控制系统设计和调试中，培养学生的实践能力和解决问题的能力。

2. 实习内容：a. 实习前准备：学生需要通过学习自动控制原理的理论知识，了解控制系统的基本原理和常用的控制方法。

b. 实习项目选择：学生可以选择一个具体的控制系统项目进行实践，例如温度控制、液位控制、速度控制等。

c. 设计控制系统：学生需要根据实际情况，设计控制系统的结构、参数和控制策略，并进行仿真验证。

d. 硬件实现：学生需要选择合适的硬件设备，搭建实际的控制系统，并进行连线和调试。

e. 软件编程：学生需要使用相应的控制软件，编写控制算法并进行调试。

f. 系统测试：学生需要对实际的控制系统进行测试和性能评估，根据结果进行调整和改进。

g. 实习报告：学生需要撰写实习报告，总结实践过程、结果和经验，并提出改进意见。

3. 实习要求：a. 学生需要独立完成实习项目，包括控制系统的设计、硬件搭建和调试、软件编程等环节。

b. 学生需要按时提交实习报告，并参加实习报告的答辩。

c. 学生需要积极与指导老师沟通，及时解决实习过程中遇到的问题。

4. 实习评价：a. 实习报告的质量和答辩表现将作为实习成绩的主要评价依据。

b. 实习过程中的积极性、独立完成能力和解决问题的能力也将作为评价指标之一。

通过这样的自动控制原理课程设计实习，学生可以将所学的理论知识与实际工程问题相结合，提高自己的实践能力和解决问题的能力，为将来从事自动控制相关工作打下坚实的基础。

一、实验目的1. 理解自动控制系统的基本概念和组成；2. 掌握典型环节的传递函数和响应特性；3. 熟悉PID控制器的原理和参数整定方法；4. 通过实验验证理论知识的正确性，提高实际操作能力。

二、实验设备1. 自动控制原理实验箱；2. 示波器；3. 数字多用表；4. 个人电脑；5. 实验指导书。

三、实验原理自动控制系统是一种根据给定输入信号自动调节输出信号的系统。

它主要由控制器、被控对象和反馈环节组成。

控制器根据被控对象的输出信号与给定信号的偏差，通过调节控制器的输出信号来改变被控对象的输入信号，从而实现对被控对象的控制。

1. 典型环节（1）比例环节：比例环节的传递函数为G(s) = K，其中K为比例系数。

比例环节的响应特性为输出信号与输入信号成线性关系。

（2）积分环节：积分环节的传递函数为G(s) = 1/s，其中s为复频域变量。

积分环节的响应特性为输出信号随时间逐渐逼近输入信号。

（3）比例积分环节：比例积分环节的传递函数为G(s) = K(1 + 1/s)，其中K为比例系数。

比例积分环节的响应特性为输出信号在比例环节的基础上，逐渐逼近输入信号。

2. PID控制器PID控制器是一种常用的控制器，其传递函数为G(s) = Kp + Ki/s + Kd(s/s^2)，其中Kp、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数和微分系数。

PID控制器可以实现对系统的快速、稳定和精确控制。

四、实验内容及步骤1. 实验一：典型环节的阶跃响应（1）搭建比例环节电路，观察并记录输出信号随时间的变化曲线；（2）搭建积分环节电路，观察并记录输出信号随时间的变化曲线；（3）搭建比例积分环节电路，观察并记录输出信号随时间的变化曲线。

2. 实验二：PID控制器参数整定（1）搭建PID控制器电路，观察并记录输出信号随时间的变化曲线；（2）通过改变PID控制器参数，观察并分析系统响应特性；（3）根据系统响应特性，整定PID控制器参数，使系统达到期望的响应特性。

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。

上海电力学院自动控制原理实践报告课名：自动控制原理应用实践题目：水翼船渡轮的纵倾角控制船舶航向的自动操舵控制班级：姓名：学号：水翼船渡轮的纵倾角控制一．系统背景简介水翼船(Hydrofoil)是一种高速船。

船身底部有支架，装上水翼。

当船的速度逐渐增加，水翼提供的浮力会把船身抬离水面(称为水翼飞航或水翼航行，Foilborne)，从而大为减少水的阻力和增加航行速度。

水翼船的高速航行能力主要依靠一个自动稳定控制系统。

通过主翼上的舵板和尾翼的调整完成稳定化操作。

该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。

因此，设计上要求系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。

航向自动操舵仪工作时存在包括舵机（舵角）、船舶本身（航向角）在内的两个反馈回路：舵角反馈和航向反馈。

当尾舵的角坐标偏转错误！未找到引用源。

，会引起船只在参考方向上发生某一固定的偏转错误！未找到引用源。

传递函数中带有一个负号，这是因为尾舵的顺时针的转动会引起船只的逆时针转动。

有此动力方程可以看出，船只的转动速率会逐渐趋向一个常数，因此如果船只以直线运动，而尾舵偏转一恒定值，那么船只就会以螺旋形的进入一圆形运动轨迹。

二．实际控制过程某水翼船渡轮，自重670t，航速45节（海里/小时），可载900名乘客，可混装轿车、大客车和货卡，载重可达自重量。

该渡轮可在浪高达8英尺的海中以航速40节航行的能力，全靠一个自动稳定控制系统。

通过主翼上的舵板和尾翼的调整完成稳定化操作。

该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。

因此，设计上要求该系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。

上图：水翼船渡轮的纵倾角控制系统已知，水翼船渡轮的纵倾角控制过程模型，执行器模型为F（s）=1/s。

三．控制设计要求试设计一个控制器Gc（s），使水翼船渡轮的纵倾角控制系统在海浪扰动D （s）存在下也能达到优良的性能指标。

假设海浪扰动D（s）的主频率为w=6rad/s。

本题要求了“优良的性能指标”，没有具体的量化指标，通过网络资料的查阅：响应超调量小于10%，调整时间小于4s。