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1、 实验报告课程名称 自动控制原理 实验项目 时域对应于典型环节 实验地点 实验室自动控制 实验日期 2017 年 3 月 22 日指导教师 乔学工 实验一 1.熟悉和掌握典型环节的时域特征TDN-ACC各典型环节模拟电路的设备使用方法和构成方法。2.熟悉各种典型环节的理想阶跃对应曲线和实际阶跃响应曲线。比较差异，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一套实验系统。三、实验原理及内容 实验前应熟悉方框图、传输函数、模拟电路图和阶跃响应。1 比例环节 P1方框图2传递函数3阶跳跃响应 其中 4模。
2.拟电路图5对照曲线的理想和实际阶跃响应 取R0 200K；R1 100K。 取R0 200K；R1 200K。2积分环节 I1方框图2传递函数 3阶跃响应 其中 4模拟电路图5 理想与实际阶跃响应曲线对比 取R0 200K；C 1uF。 取R0 200K；C 2uF。3比例积分环节 PI1方框图K1TSU iSU oS传递函数3阶跃响应 模拟电路图5理想与实际阶跃响应曲线对照 R0 R1 200K；C 1uF。 理想阶跃响应曲线 测量阶跃响应曲线Uo 10VU ot21U it 00 .2stUo 无穷U ot21U it 00 .2st 取 R0R1200K；C2u。
3、F。 理想阶跃响应曲线 测量阶跃响应曲线Uo 无穷U ot21U it 00 .4stUo 10VU ot21U it 00 .4st4惯性环节 T1 方框图2 传递函数。3 模拟电路图 4 其中，阶跃响应； 5 理想与实际阶跃响应曲线对比 取R0R1200K；C1uF。 取R0R1200K；C2uF。5.比例微分环节 PD1 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比 取R0 R2 100K，R3 10K，C 1uF；R1 100K。 取R0R2100K，R310K，C1uF；R1200K。6.比例积分微分环节 PIDKp U iS1Ti SU o。
4、STd S1方框图2传输函数3阶跃响应4模拟电路图5理想和实际阶跃响应曲线 R2 R3 10K，R0 100K，C1 C2 1uF；R1 100K。取 R2 R3 10K，R0 100K，C1 C2 1uF；R1 200K。第四，实验步骤结果波形1。根据列出的比例链接的模拟电路图连接线路。检查正确后，打开设备电源。2.信号源单元ST端插针与S端插针用短路块短接。由于每个运输单元都设置了锁零场效应管，因此运输具有锁零功能。将开关分别设在“方波”档和“500ms12s档，调整调幅和调频电位器，使OUT端输出的方波幅值为1V，周期为10s左右。3.。
5.将2中的方波信号添加到链接的输入端Ui，使用示波器CH1”和“CH2表笔分别监控模拟电路的输入Ui端和输出U0端，观察输出端的实际响应曲线U0t，记录实验波形和结果。4.改变几组参数，重新观察结果。5.模拟电路图采用相同的方法连接积分环节、比例积分环节、比例微分环节、惯性环节和比例积分微分环节。观察阶跃信号的实际响应曲线，分别记录实验波形的结果。6.阶跃响应曲线在不同参数下的实验结果1。比例链接 取R0200K；R1100K。 取R0200K；R1200K。2.积分环节 取R0200K；C1uF。 取R0200K；C2uF。3.比例积分环节 取R0R1200K；C1u。
6、F。 取R0R1200K；C2uF。4.惯性环节 取R0R1200K；C1uF。 取R0R1200K；C2uF。5.比例微分环节 取R0R2200K，R310K，C1uF，R1100K。 取R0R2200K，R310K，C1uF，R1200K。6.比例积分微分环节 取R2R3200K，R010K，C1C21uF，R1100K。 取R2R3200K，R010K，C1C21uF，R1200K 实验报告课程名称 自动控制原理 实验项目 典型的二级系统时域分析 实验地点 实验室自动控制 实验日期 2017 年 3 月 22 日指导教师 乔学工 实验二 研究二阶系统的典型二阶系统实验目的1研究二阶系统。
7、特征参量 、n 对过渡过程的影响。研究二阶对象的三个阻尼比下的响应曲线和系统的稳定性。3熟悉 Routh 判据，用 Routh 分析三阶系统的稳定性。二、实验设备 PC 机一台，TD-ACC或 TD-ACS一套教学实验系统。3.实验内容1。典型的二级系统稳定性分析1结构框图2对应的模拟电路图3理论分析 系统开环传输函数为 ；开环增益。4实验内容首先计算电阻R的理论值，然后在模拟电路中应用理论值，观察二级系统的动态性能和稳定性，基本符合理论分析。， ， 闭环传输函数包括自然振荡角频率 ；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3理论分。
8.其中包括分析系统的开环传输，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 为保证系统稳定，第一列各值应为正数，所以有 得 0 K 12 R 41.7K系统稳定K 12 R 41.7K临界稳定的系统K 12 R 41.7K4.实验步骤和波形 1.信号源单元ST端插针与S端插针用短路块短接。由于每个运输单元均匀 设置锁零场效应管，具有锁零功能。由于每个运输单元均匀 设置锁零场效应管，具有锁零功能。将开关设置在方波档，分别调整调幅和调频 电位器OUT端输出的方波幅值为 1V，周期为 10s 左右。 2.测试典型二级系统的瞬态性能指标 按模拟电路图 1.2-2 接线，。
9、将 1 方波信号接入输入端，取 R 10K。 2用示波器观察系统响应曲线 Ct，测量和记录超调 MP、峰值时间 tp 和调节时间 tS。 3分别按 R 50K；160K；200K；改变系统开环增益，观察响应曲线 Ct，测量和记录性能指标 MP、tp 和 tS，系统的稳定性。比较测量值和计算值 实验前必须按公式计算。填写实验结果表 1.2-1 中。参数项目R KKnCtpCMp tpstss响应 情 况理 论 值 测量 值理 论 值测 量 值理 论 值01欠阻尼100 20 10 1/4 1.41 4438.82 0.32 0.2961.6 1.344 衰 减 振 荡5。
10、04 4.47 0.56 1.1 1 11 7.76 0.85 0.7661.6 1.0471 临界 阻尼 160 1.252.51 无1无无 1.9 3.672 单 调 指 数 1过阻尼2001 2.24 1.12无 1无无 2.9 4.844 单 调 指 数系统响应曲线如下 欠阻尼 R10K 欠阻尼R50 K临界阻尼R160 K 过阻尼R200 K3.典型三阶系统的性能1 1.2-4 接线，将 1 方波信号接入输入端，取 R 30K。观察系统的响应曲线，并记录波形。2观察系统的响应曲线，并记录波形。3减少开环增益 R 41.7K；100K，观察响应曲线，填写实验结果表 1.2-3 中。RK开环增益 K稳定。
性30167不稳定发散41 .712临界稳定振荡1005稳定衰减收敛 响应曲线在不同开环增曲线 K16.7(R30 K) K12(R41.7 K) K5(R100 K) 实验报告课程名称 自动控制原理 实验项目 稳态误差 实验地点 实验室自动控制 指导教师 乔学工 实验三 稳态误差一、实验目的1学会利用MATLAB分析控制系统的稳定性；2学会使用MATLAB计算系统的稳态误差。二、实验设备安装Windows系统和MATLAB一台计算机软件。二、实验设备安装Windows系统和MATLAB一台计算机软件。3、实验内容1。MATLAB如果系统的数学模型可以用以下传递函数来表示系统的数学模型MATLAB。
12.在下面，传输函数可以很容易地确定由分子和分母多项式系数组成的两个向量。即numb0,b1 bm; den1,a1,a2 an例2-1 如果系统的传输函数是试用的MATLAB表示。解 对于上述系统的传输函数，可使用以下功能MATLAB命令表示num4;den1,3,2,5;printsysnum,den结果显示num/den 4 s3 3 s2 2 s当传递函数的分子或分母由多个多项乘积表示时，它可以通过MATLAB 多项乘法运算函数提供conv 来处理，该函数的调用格式是获得分子和分母的多项向量 pconvp1,p2其中，p1和p2是由两个多项系数组成的向量，而p是p。
13、1和p多项式乘积多项式系数向量。conv 多级嵌套允许调用函数。例2-2 如果系统的传输函数是试用的MATLAB用分子和分母多项式表示的传递函数。解 对于上述系统的传输函数，可使用以下功能MATLAB命令表示num4*1,6,6;denconv1,0,conv1 1,1,3,2,5;printsysnum,den结果显示num/den 4 s2 24 s 24 s5 4 s4 5 s3 7 s2 5 s2利用MATLAB在分析控制系统时，第一个问题是系统的稳定性。判断线性系统稳定性最有效的方法之一是直接找出系统的所有极点，然后根据极点进行划分。
14系统的稳定性。对于线性系统，如果连续系统的所有极点都位于左半s平面，则该系统是稳定的。MATLAB根据特征多项式求特征根的函数为roots ，调用格式为rrootsp其中，p特征多项式系数向量；r特征多项式根。另外，MATLAB中的pzmap 函数可以绘制系统的零极点图，其调用格式为p,zpzmapnum,den其中，num和den按降幂排列的系数行向量分别是系统传递函数的分子和分母多项系数。当pzmap 函数不带输出变量时，可在当前图形窗口中绘制出系统的零极点图；当带有输出变量时，也可得到零极点位置，如需要可通过pzmapp,z绘制零极点图，使用图中的极点。
15、表示零用o”表示。例2-3 已知系统的传输函数是给出系统的零极点图，并确定系统的稳定性。解 利用以下MATLAB命令num3 2 1 4 2;den3 5 1 2 2 1;rrootsden,pzmapnum,den如图2-1所示，执行结果可得到以下极点和零极点图。r -1.6067 0.4103 0.6801i 0.4103 - 0.6801i -0.4403 0.3673i -0.4403 - 0.3673i 从上述结果可以看出，系统在右半s平面上有两个极点，因此系统不稳定。 图2-1 使用零极点图3MATLAB根据误差的输入端定义计算系统的稳态误差。
16.稳态误差可以通过拉氏变换终值定理获得ess图2-2 在反馈控制系统中MATLAB使用函数dcgain 对于给定输入下的稳态误差，可求取系统的调用格式为essdcgain ume,dene其中，ess为系统的给定稳态误差；nume和dene分别为系统在给定输入下的稳态传递函数的分子和分母多项式的系数按降幂排列构成的系数行向量例2-4 已知单位反馈系统的开环传递函数为试求该系统在单位阶跃和单位速度信号作用下的稳态误差。解 1 系统在单位阶跃和单位速度信号作用下的稳态传递函数分别为2 MATLAB命令为nume11 2 1;dene11 2 2;ess1dcgain nume1,dene1nume21。
17、 2 1;dene21 2 2 0;ess2dcgain nume2,dene2执行后可得以下结果。ess1 0.5000ess2 Inf四实验结果例2-1 num4; den1,3,2,5; printsysnum,den;num/den 4 - s3 3 s2 2 s 5例2-2 num4*1,6,6; denconv1,0,conv1,1,1,3,2,5; printsysnum,den;num/den 4 s2 24 s 24 - s5 4 s4 5 s3 7 s2 5 s例2-3 num3,2,1,4,2;den3,5,1,2,2,1; rrootsden,。
18、pzmapnum,denr -1.6067 0.0000i 0.4103 0.6801i 0.4103 - 0.6801i -0.4403 0.3673i -0.4403 - 0.3673i例2-4 nume11 2 1;dene11 2 2;ess1dcgainnume1,dene1ess1 0.5000 nume21 2 1;dene21 2 2 0;ess2dcgainnume2,dene2ess2 Inf五实验心得 实验报告课程名称 自动控制原理 实验项目 控制系统的根轨迹和频域特性分析 实验地点 自动控制实验室 实验日期 2017 年 3 月 22 日实验四 控制系统的根。
19、轨迹和频域特性分析一、实验目的1学会利用MATLAB绘制系统的根轨迹，并对系统进行分析；2学会利用MATLAB对系统进行频域特性分析。二、实验设备安装Windows系统和MATLAB软件的计算机一台。三、实验内容1基于MATLAB的控制系统根轨迹分析1)利用MATLAB绘制系统的根轨迹利用rlocus 函数可绘制出当根轨迹增益k由0至变化时，闭环系统的特征根在s平面变化的轨迹，该函数的调用格式为r,krlocusnum,den 或 r,krlocusnum,den,k其中，返回值r为系统的闭环极点，k为相应的增益。rlocus 函数既适用于连续系统，也适用于离散系统。rlocusnum,den。
20、绘制系统根轨迹时，增益k是自动选取的，rlocusnum,den, k可利用指定的增益k来绘制系统的根轨迹。在不带输出变量引用函数时，rolcus 可在当前图形窗口中绘制出系统的根轨迹图。当带有输出变量引用函数时，可得到根轨迹的位置列向量r及相应的增益k列向量，再利用plotr,x可绘制出根轨迹。2)利用MATLAB获得系统的根轨迹增益在系统分析中，常常希望确定根轨迹上某一点处的增益值k，这时可利用MATLAB中的rlocfind 函数，在使用此函数前要首先得到系统的根轨迹，然后再执行如下命令k,polesrlocfindnum,den 或 k,polesrlocfindnum,den,p其中。
21、，num和den分别为系统开环传递函数的分子和分母多项式的系数按降幂排列构成的系数向量；poles为所求系统的闭环极点；k为相应的根轨迹增益；p为系统给定的闭环极点。3)实验上机结果 1. 已知某反馈系统的开环传递函数为试绘制该系统根轨迹，并利用根轨迹分析系统稳定的k值范围。程序 num1;denconv1,0,conv1,1,1,2; rlocusnum,den;k,polesrlocfindnum,den执行以上命令，并移动鼠标到根轨迹与虚轴的交点处单击鼠标左键后可得根轨迹和如下结果Select a point in the graphics windowselected_point 0。
22、.0024 1.3975ik 5.8689poles -2.9880 0.0000i -0.0060 1.4015i -0.0060 - 1.4015i分析由此可见根轨迹与虚轴交点处的增益k6，这说明当k6时系统稳定，当k6时，系统不稳定；利用rlocfind 函数也可找出根轨迹从实轴上的分离点处的增益k 0.38, 这说明当0k0.38时，系统为单调衰减稳定，当0.38k6时系统为振荡衰减稳定的。2. 已知某正反馈系统的开环传递函数如1所示。试绘制系统根轨迹，并计算根轨迹上点-2.3j2.02处的根轨迹增益和此时系统的稳定性。程序如下num1;denconv1,0,conv1,1,。
23、1,2;rlocus-num,den;k,polesrlocfind-num,den,-2.32.02j执行以上命令可得如下结果和如图所示的根轨迹。 num1;denconv1,0,conv1,1,1,2; rlocus-num,den;k,polesrlocfind-num,den,-2.32.02jk 15.0166poles -2.3011 2.0195i -2.3011 - 2.0195i 1.6021 0.0000i分析由此可见，点-2.3j2.02确实为根轨迹上的，且该点处的增益为15.0166，而由于另一个闭环极点位于正实轴上的1.6021点处，故此时系统不稳定。实际上由。
24、于系统的一条根轨迹一直位于正实轴上，因此该系统在所有的正值增益k值下均不稳定。3 已知二阶系统的开环传递函数为绘制出当wn3和0.3时系统的Bode图。程序如下 wn3;zeta0.3;wlogspace-1,2; numwn.2;den1,2*zeta*wn,wn.2; bodenum,den,w;grid;执行后得如图所示Bode图。在曲线窗口中，通过利用鼠标单击曲线上任意一点，可以获得此点所对应的系统在该点的频率与幅值或频率与相位等有关信息。4 已知系统的开环传递函数为绘制Nyquist图，并判断系统的稳定性。程序为num0.5;den1 2 1 0.5; nyquistnum,den 执行后可得如图所示的曲线分析由于Nyquist曲线没有包围-1,j0点，且P0，所以由GsHs构成的单位负反馈闭环系统稳定。在Nyquist曲线窗口中，也可利用鼠标通过单击曲线上任意一点，获得此点所对应的系统的开环频率特性，在该点的实部和虚部及其频率的值，。