自动控制原理实验报告
班级自动化1204
姓名焦雍堡
学号12212153
组员黄寅峰
学号：12212124
任课老师苗宇
实验一经典环节及其阶跃响应1.各个环节的模拟电路图及其阶跃响应曲线
（1）比例环节
（2）惯性环节
（3）积分环节
（4）微分环节
（5）比例微分环节
2.由阶跃响应曲线计算出传递函数
（1）惯性环节
K=R2/R1=200K/100K=2 T=R2C=0.2
G(S)=-2/(0.2S+1)
由图可得，输入1000mv的阶跃信号，输出信号稳定在-2000mv 与理论值相符。
（2）积分环节
T=RC=0.1
G(S)=1/TS=10/s
由图可得，R(S)=100/S,C(S)=1000/2S,与理论值相符。
实验二二阶系统阶跃响应
1.画出二阶系统的模拟电路图，讨论经典二阶系统性能指标与ξ，nω的关系。
(1)R2=0，ξ=0，nω=10 rad/s
(2)R2=50K,ξ=0.25，nω=10 rad/s
(3)R2=100K,ξ=0.5，nω=10 rad/s
(4)R2=150K,ξ=0.75，nω=10 rad/s
(5)R2=200K,ξ=1，nω=10 rad/s
(6)R2=400K,ξ=2，nω=10 rad/s
(7)ξ=0.5，nω=100 rad/s
2.不同ξ，n ω条件下的Mp 和ts 值。 实际测量值： n ω
ξ
Mp
Ts （ms ）
10 rad/s 0 无 无穷 10 rad/s 0.25 41.1% 1098 10 rad/s 0.5 15.9% 665 10 rad/s 0.75 17.3% 333 10 rad/s 1 0 - 10 rad/s 2 0 - 100 rad/s
0.5
15.3%
73
当ξ=0时，系统处于零阻尼状态，等幅振荡；
当0<ξ<1时，系统处于欠阻尼状态，在相同自然角频率的情况下，通过改变ξ可以减小系统的响应时间并减少超调量，且在0.5<ξ<0.75存在最佳阻尼比。在相同阻尼比的情况下，通过改变n ω可以减小系统的响应时间并减少超调量。
当ξ>=1时，系统处于临界阻尼和过阻尼状态，系统无超调量。
3.根据系统响应曲线和Mp 、ts 计算出传递函数。 理论值： n ω
ξ
Mp
Ts （ms ）
10 rad/s 0 无 无穷 10 rad/s 0.25 51.4% 1200 10 rad/s 0.5 16.3% 800 10 rad/s 0.75 21.1% 400 10 rad/s 1 0 - 10 rad/s 2 0 - 100 rad/s
0.5
16.3%
80
由表可以看出实验值与理论值基本相同。
实验三控制系统的稳定性分析1.画出模拟电路图。
2.画出系统增幅或减幅振荡的波形图。
（1）减幅振荡R3=170K K=17
（2）等幅振荡R3=200K K=20
（3）增幅振荡R3=300K K=30
（4）改变电路中电容C1后
3.计算系统的临界放大系数，并与测得的临界放大系数比较。（1）理论值：
开环传递函数：
G(S)=10K1/S(0.1S+1)(TS+1)
K1=R3/R2，R2=100K,R3=0~500K,T=RC1，R=100K,C=C1=1uf
由劳斯判据得：当K=20时，系统临界稳定，即R3=200K。（2）实际测量值：R3=200K，即K=20时，系统临界稳定。
实验测量值与理论值一致！
4.当C1由1uf变成0.1uf，系统稳定性变化情况
当C1由1uf变成0.1uf时，系统由临界稳定状态变成稳定状态，因此提高了稳定性。
实验四连续系统串联校正
1.计算串联校正装置的传递函数Gc(s)和校正网络参数
（1）超前校正
Gc1（s）=2
2（0.055s+1） Gc2（s）=
0.005s+1 （2）滞后校正
Gc1(s）=10
10（s+1）
Gc2（s）= 11s+1（3）超前—滞后校正
Gc1（s）=6
6（1.2s+1）（0.15s+1） Gc2（s）=
（6s+1）（0.05s+1）2.对数坐标图
（1）超前校正
（2）滞后校正
（3）超前—滞后校正
3.比较校正前后性能指标
（1）超前校正
校正前：超调量63% Ts=1280
校正后：超调量13.7% Ts=290
校正前系统传递函数为G=40/（0.2s*s+s）,校正后系统传递函数为G=（2.2s+40）/(0.01s*s*s+0.25s*s+s)，超前校正增大系统的相角裕度，改善了系统的稳定性和平稳性。
（2）滞后校正
校正前：超调量78% Ts=3627
校正后：超调量11.5% Ts=890
校正前系统传递函数为G=50/（0.005s*s*s+0.5s*s+s）校正后系统传递函数为G=（50s+50）/(0.03s*s*s*s+3.005s*s*s+6.5s*s+s)，滞后校正通过对快速性的限制换取了系统的稳定性。
（3）超前—滞后校正
校正前：超调量76% Ts=1240
校正后：超调量31% Ts=300
校正前系统传递函数为G=60/（0.001s*s*s+0.11s*s+s）,校正后系统传递函数为G=60（1.2s+1）(0.15s+1)/[( 0.001s*s*s+0.11s*s+s）(0.3s*s+6.05s+1))，滞后-超前校正能够综合超前和滞后校正的优点，
全面提高系统的控制性能。
自动控制原理实验 实验报告 实验三闭环电压控制系统研究 学号姓名 时间2014年10月21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）通过实例展示，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）通过开、闭环实验数据说明闭环控制效果。 二、预习与回答： （1）在实际控制系统调试时，如何正确实现负反馈闭环？ 答：负反馈闭环，不是单纯的加减问题，它是通过增量法实现的，具体如下： 1.系统开环； 2.输入一个增或减的变化量； 3.相应的，反馈变化量会有增减； 4.若增大，也增大，则需用减法器； 5.若增大，减小，则需用加法器，即。 （2）你认为表格中加1KΩ载后，开环的电压值与闭环的电压值，哪个更接近2V？ 答：闭环更接近。因为在开环系统下出现扰动时，系统前部分不会产生变化。故而系统不具有调节能力，对扰动的反应很大，也就会与2V相去甚远。 但在闭环系统下出现扰动时，由于有反馈的存在，扰动产生的影响会被反馈到输入端，系统就从输入部分产生了调整，经过调整后的电压值会与2V相差更小些。 因此，闭环的电压值更接近2V。 （3）学自动控制原理课程，在控制系统设计中主要设计哪一部份？ 答：应当是系统的整体框架及误差调节部分。对于一个系统，功能部分是“被控对象”部分，这部分可由对应专业设计，反馈部分大多是传感器，因此可由传感器的专业设计，而自控原理关注的是系统整体的稳定性，因此，控制系统设计中心就要集中在整个系统的协调和误差调节环节。 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。
A . 阶跃 函数 斜坡函数 抛物线函数 脉冲函数 正弦函数 B.典型环节的传递函数 比例环节 惯性环节(非周期环节 ) 积分环节 微分环节 二阶振荡环节(二阶惯性环节) 延迟环节 C.环节间的连接 串联 并联 反馈开环传递函数= 前向通道传递函数= 负反馈闭环传递函数 正反馈闭环传递函数 D.梅逊增益公式 E.劳斯判据 劳斯表中第一列所有元素均大于零 s n a 0a 2a 4a 6…… s n-1a 1a 3a 5a 7…… s n-2b 1b 2b 3b 4…… s n-3c 1c 2c 3c 4…… ……… s 2f 1f 2 s 1g 1 s 0h 1 劳斯表中某一行的第一个元素为零而该行其它元素不为零，ε→0； 劳斯表中某一行的元素全为零。P(s)=2s 4+6s 2-8。 F.赫尔维茨判据 特征方程式的所有系数均大于零。 G. 误差传递函数 扰动信号的误差传递函数 I.二阶系统的时域响应： 其闭环传递函数为 或 系统的特征方程为0 2)(22=++=n n s s s D ωζω 特征根为1 ,221`-±-=ζωζωn n s 上升时间t r 其中 峰值时间t p 最大超调量M p 调整时间t s a.误差带范围为±5% b.误差带范围为±2% 振荡次数N J.频率特性： 还可表示为：G (jω)=p (ω)+jθ(ω) p (ω)——为G (jω)的实部，称为实频特性； θ(ω)——为G (jω)的虚部，称为虚频特性。 显然有： K.典型环节频率特性： 1.积分环节 ???? ???? ? =+===)()()()()()()(sin )()()(cos )()(2 2ωωθω?ωθωωω?ωωθω?ωωp arctg p A A A p s s G 1(=???≥<=000)(t A t t r K s R s C s G ==)()()(222 2)(n n n s s K s G ωζωω++=)()(1)()() ()(s H s G s G s R s C s -= =Φ22 22)() (n n n s s s R s C ωζωω++=1 21)()(22++= Ts s T s R s C ζ2 1ζωβ πωβπ--=-= n d r t n s t ζω3 =
一、填空题（每空 1 分，共15分） 1、反馈控制又称偏差控制，其控制作用是通过 给定值 和反馈量的差值进行的。 2、复合控制有两种基本形式：即按 输入 的前馈复合控制和按 扰动 的前馈复合控制。 3、两个传递函数分别为G 1(s)和G 2(s)的环节，以并联方式连接，其等效传递函数为()G s ，则G(s)为G 1(s)+G 2(s)（用G 1(s)和G 2(s) 表示）。 4、典型二阶系统极点分布如图1所示， 则无阻尼自然频率=n ω 1.414 ， 阻尼比=ξ 0.707 ， 该系统的特征方程为 2220s s ++= ， 该系统的单位阶跃响应曲线为 衰减振荡 。 5、若某系统的单位脉冲响应为0.20.5()105t t g t e e --=+， 则该系统的传递函数G(s)为1050.20.5s s s s +++。 6、根轨迹起始于 开环极点 ，终止于 开环零点 。 7、设某最小相位系统的相频特性为101()()90()tg tg T ?ωτωω--=--，则该系统的开环传递函数为 (1)(1) K s s Ts τ++。 1、在水箱水温控制系统中，受控对象为水箱，被控量为 水温 。 2、自动控制系统有两种基本控制方式，当控制装置和受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时，称为 开环控制系统 ；当控制装置和受控对象之间不但有顺向作用而且还有反向联系时，称为 闭环控制系统 ；含有测速发电机的电动机速度控制系统，属于 闭环控制系统 。 3、稳定是对控制系统最基本的要求，若一个控制系统的响应曲线为衰减振荡，则该系统 稳定 。判断一个闭环线性控制系统是否稳定，在时域分析中采用劳斯判据；在频域分析中采用 奈奎斯特判据。 4、传递函数是指在 零 初始条件下、线性定常控制系统的 输出拉氏变换 和 输入拉氏变换 之比。 5、设系统的开环传递函数为2(1)(1)K s s Ts τ++，则其开环幅频特性为2222211 T τωωω++； 相频特性为arctan 180arctan T τωω--o (或：2180arctan 1T T τωωτω---+o ) 。
《自动控制原理》教学大纲 课程类别：专业必修课课程名称：自动控制原理 开课单位：飞行器设计与工程专业建设组课程编号：N02010102 总学时：64学分：4 适用专业：飞行器设计与工程 先修课程：高等数学、大学物理、理论力学、机械原理、电工技术等 一、课程在教学计划中的地位、作用 《自动控制原理》是飞行器设计与工程专业的一门必修课，通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基本原理和概念，并具备对自动控制系统进行分析，计算，实验的初步能力，为专业课的学习和参加控制工程实践提供必要的理论基础。通过对本课程的学习，要求学生掌握自动控制的基本理论和基本分析方法，能应用控制理论对自动控制系统进行性能分析，能对系统进行校正和提出改善系统性能的途径和方法。 二、课程内容、基本要求 1、掌握常规控制器和自动控制系统的组成及其相互关系。 2、了解对自动控制系统的性能要求及分析系统性能的方法。 3、掌握用传递函数，方框图，信号流图及状态空间描述建立系统数学模型的方法。 4、掌握常规控制器的基本控制规律、动态特性和对控制系统的作用。 5、掌握对控制系统进行分析和综合的方法：时域分析法、频域分析法、根轨迹法及状态空间分析法。 6、初步掌握控制系统的校正和设计方法，为解决实际问题打好基础。 第一章自动控制的一般概念（3学时） 教学要求： （1）明确什么是自动控制；正确理解被控对象、被控量、控制装置和自控系统等概念；
（2）正确理解三种控制方式，特别是闭环控制； （3）初步掌握由系统工作原理画方框图的方法，并能正确判别系统的控制方式； （4）明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征，特别是按数学模型分类的方式； （5）明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。 重点和难点重点：掌握线性与非线性系统的分类，特别是对线性系统的定义、性质、判别方法要准确理解。难点：线性系统的准确理解。 教学方式本章采用课堂讲授、多媒体教学相结合的教学形式。 教学内容 1-1自动控制的基本原理与方式 1-2自动控制系统示例 1-3自动控制系统的分类 1-4对自动控制系统的基本要求 1-5自动控制系统的分析与设计工具 第二章控制系统的数学模型（12学时） 教学要求 （1）正确理解数学模型的特点，对系统的相似性、动态模型、静态模型、输入变量、输出变量、中间变量等概念，要准确掌握，掌握动态微分方程建立的一般方法； （2）掌握运用拉氏变换解微分方程的方法，并对解的结构、运动模态与特征根的关系、零输入响应有清楚的理解； （3）正确理解传递函数的定义、性质和意义，特别对传递函数微观结构的分析要准确掌握； （4）正确理解由传递函数派生出来的系统的开环传递函数、闭环传递函数、前向通道传递函数的定义，并对重要传递函数如：控制输入下闭环传递函数、扰动输入下闭环传递函数、误差传递函数、典型环节传递函数，能够熟练掌握。 （5）掌握系统结构图和信号流图两种数学图形的定义和组成方法，熟练掌握等效变换代数法则，简化图形结构，并能用梅逊公式求系统传递函数。
答案 一、填空题(每空1分，共15分) 1、稳定性 快速性 准确性 稳定性 2、()G s ； 3、微分方程 传递函数 （或结构图 信号流图）（任意两个均可） 4、劳思判据 根轨迹 奈奎斯特判据 5 01112()90()()tg T tg T ?ωωω--=--- 6、0()()()()t p p p i K de t m t K e t e t dt K T dt τ=++? 1()(1)C p i G s K s T s τ=++ 7、S 右半平面不存在系统的开环极点及开环零点 二、判断选择题(每题2分，共 20分) 1、A 2、B 3、D 4、C 5、C 6、B 7、A 8、C 9、C 10、D 三、(8分)建立电路的动态微分方程，并求传递函数。 解：1、建立电路的动态微分方程 根据KCL 有 2 00i 10i )t (u )]t (u )t (d[u )t (u )t (u R dt C R =-+- (2分) 即 )t (u )t (du )t (u )()t (du i 2i 21021021R dt C R R R R dt C R R +=++ (2分) 2、求传递函数 对微分方程进行拉氏变换得 )(U )(U )(U )()(U i 2i 21021021s R s Cs R R s R R s Cs R R +=++ (2分) 得传递函数 2 121221i 0)(U )(U )(R R Cs R R R Cs R R s s s G +++== (2分) 四、(共20分) 解：1、（4分） 22222221)()()(n n n s s K s K s K s K s K s K s R s C s ωξωωβ++=++=++==Φ
《自动控制原理》课程教学大纲 课程代码：060131003 课程英文名称：Automatic Control Principle 课程总学时：64 讲课：56 实验：8 上机：0 适用专业：自动化专业 大纲编写（修订）时间：2017.11 一、大纲使用说明 （一）课程的地位及教学目标 自动控制原理是高等工业学校自动化专业开设的一门培养学生自动控制系统分析设计能力的主干技术基础课，主要讲授自动控制系统基本知识、基本理论和基本方法，在自动化专业培养计划中，它起到由基础理论课向专业课过渡的承上启下的作用。本课程在教学内容方面除基本知识、基本理论和基本方法的教学外，还通过实验学时，来培养学生的设计思维和设计能力。 通过本课程的学习，学生将达到以下要求： 1．掌握自动控制系统的分析原理、设计方法和系统稳定性的一般规律 2．具有设计闭环控制系统的初步能力； 3．了解典型控制系统的实验方法，获得实验技能的基本训练； （二）知识、能力及技能方面的基本要求 1.基本知识：掌握控制系统的一般知识，控制系统的主要类型、性能、结构特点、应用等。 2.基本理论和方法：掌握控制系统设计的基本原则，系统稳定的工作原理、简化的物理模型与数学模型、时域分析、根轨迹分析、频域分析、系统校正、非线性分析等。 3.基本技能:掌握设计计算、结构设计，实验技能等。 （三）实施说明 1．教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性。讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。 2．教学手段：本课程属于技术基础课，在教学中采用电子教案、CAI课件及多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。 3．计算机辅助学习：提醒学生使用matlab软件，要求学生使用VB编写程序来完成某些计算和绘制。 （四）对先修课的要求 本课程的教学必须在完成先修课程之后进行。本课程主要的先修课程有高等数学、信号变换等。 （五）对习题课、实践环节的要求 1．对重点、难点章节（如：系统校正、非线性计算等）应安排习题课，例题的选择以培养学生消化和巩固所学知识，用以解决实际问题为目的。 2．课后作业要少而精，内容要多样化，作业题内容必须包括基本概念、基本理论及设计计算方面的内容，作业要能起到巩固理论，掌握计算方法和技巧，提高分析问题、解决问题能力，熟悉标准、规范等的作用，对作业中的重点、难点，课上应做必要的提示，并适当安排课内讲评作业。学生必须独立、按时完成课外习题和作业，作业的完成情况应作为评定课程成绩的一部分。 3．每个学生要完成大纲中规定的必修实验，通过实验环节，学生应掌握典型系统的频率特
上海电力学院实验报告 自动控制原理实验课程 题目：2.1.1(2.1.6课外)、2.1.4（2.1.5课内）班级：gagagagg 姓名：lalalal 学号：hahahahah 时间：zzzzzzzzzzz
实验内容一： 一、问题描述： 已知系统结构图，（1）用matlab编程计算系统的闭环传递函数；（2）用matlab转换函数表示系统状态空间模型；（3）计算其特征根。 二、理论方法分析 （1）根据系统结构图的串并联关系以及反馈关系，分别利用tf （）函数series（）函数，parallel函数以及feedback函数构建系统传递函数；（2）已求出系统传递函数G，对于线性定常系统利用函数ss（G）课得到系统的状态空间模型。（3）利用线性定常系统模型数据还原函数[num，den]=tfdata（G，‘v’）可得到系统传递函数的分子多项式num与分母多项式den，利用roots（den）函数可得到系统的特征根。 三、实验设计与实现 新建M文件，编程程序如下文所示： G1=tf([0.2],[1,1,1]); G2=tf([0.3],[1,1]); G3=tf([0.14],[2,1]); G4=series(G2,G3);%G2与G3串联 G5=0.7*feedback(G4,-1,1); G6=0.4*feedback(G1,G5,1); G7=feedback(G6,0.6)
ss(G7)%将系统传递函数转化为状态空间模型 [num den]=tfdata(G7,'v');%还原系统传递函数分子、分母系数矩阵 roots(den)%求系统传递函数特征根 点击Run运行 四、实验结果与分析 M文件如下： 运行结果如下：
自动控制原理试卷A(1) 1．（9分）设单位负反馈系统开环零极点分布如图所示，试绘制其一般根轨迹图。 （其中-P 为开环极点,-Z ，试求系统的传递函数及单位脉冲响应。 3.（12分）当ω从0到+∞变化时的系统开环频率特性()()ωωj j H G 如题4图所示。K 表示开环增益。P 表示开环系统极点在右半平面上的数目。v 表示系统含有的积分环节的个数。试确定闭环系统稳定的K 值的范围。 4．（12分）已知系统结构图如下，试求系统的传递函数 ) () (, )()(s R s E s R s C 5．（15分）已知系统结构图如下，试绘制K 由0→+∞变化的根轨迹，并确定系统阶跃响应分别为衰减振荡、单调衰减时K 的取值范围。 Re Im ∞→ω00→ωK 2-0,3==p v （a ） Re Im ∞ →ω00 →ωK 2-0,0==p v （b ） Re Im ∞→ω00→ωK 2-2 ,0==p v （c ） 题4图 题2图 1G 2G 3 G 5 G C R +E -- 4G +6 G
6．（15分）某最小相位系统用串联校正，校正前后对数幅频特性渐近线分别如图中曲线(1)、(2)所示，试求校正前后和校正装置的传递函数)(),(),(21s G s G s G c ，并指出Gc （S ）是什么类型的校正。 7．（15分）离散系统如下图所示，试求当采样周期分别为T=0.1秒和T=0.5秒输入 )(1)23()(t t t r ?+=时的稳态误差。 8．（12分）非线性系统线性部分的开环频率特性曲线与非线性元件负倒数描述曲线如下图 所示，试判断系统稳定性，并指出) (1 x N - 和G （j ω）的交点是否为自振点。
自动控制原理教学大纲 自动控制原理 课程性质：专业技术基础课程 开设学期学时分配：第5学期 适用专业及层次：自动化、测控技术及仪器等工科类大学本科 先行、后继课程情况：先行课：工程数学１、２，电工、电子技术基础等 后继课：过程控制工程，运动控制系统等 推荐参考书： 1．《现代控制工程》绪方胜彦著（卢伯英佟明安罗维铭译）科学出版社 2．《自动控制原理与系统》上、下册清华大学吴麒等国防工业出版社 3.《自动控制原理》孙德宝主编化学工业出版社 4．《自动控制原理》天津大学李光泉主编机械工业出版社 5．《自动控制理论》侯夔龙主编西安交通大学出版社 6．《现代控制工程》第三版 [美] Katsuhiko Ogata 著 卢伯英于海勋等译电子工业出版 一、课程目的及要求： 本课程是自动化专业及其相关专业的一门主要技术基础课，是与后续专业课紧密相关的一门理论性较强的课程。重点在于学习反馈控制系统的基本理论及基本方法，掌握控制系统的分析，设计方法和技能，并能在后续专业课中应用其理论及方法进行分析和设计控制系统的任务。 本课程重点是线性、连续系统的基本理论，以掌握时域法、根轨迹法和频域法三大经典方法为基本要求。又本着适当扩充现代控制理论的思想，要求掌握状态空间分析法的基本方法和简单应用。对于非线性系统和离散时间系统的分析方法有一定程度的了解。 本课程教学学时数为90学时。 二、课程内容及学时分配： 第一章概述（3学时）介绍本课程研究的课题及方法，明确本课程的目的，介绍自动控制系统的基本原理与方式，控制系统的组成及系统的分类。 1．本课程研究课题及方法 1）自动控制系统的概念及在国民经济中的作用 2）研究对象及课题 3）自动控制理论的发展概况，经典理论与现代理论及其关系 4）课程的内容及特点 2．控制系统简介 1）控制系统的基本组成 2）控制系统的常用术语 3）自动控制系统示例 4）自动控制系统的分类 5）对自动控制系统的基本要求 第二章控制系统的数学模型（10 学时）介绍数学模型的概念，数学模型在分析、研究系统中的重要性，讲解常用的建模方法。1．系统的静态和动态特性 静态、动态特性的概念，动态特性在系统分析研究的作用以及数学描述
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。 四．分析系统时域 1.原系统稳定性分析 num=[50]; den=[1 80 2500 50]; g1=tf(num,den); [z,p,k]=zpkdata(g1,'v'); p1=pole(g1); pzmap(g1) 分析：上图闭环极点分布图，有一极点位于原点，另两极点位于虚轴左边，故处于临界稳定状态。但还是一种不稳定的情况，所以系统无稳态误差。 2.Simulink搭建未加控制器的原系统（不考虑扰动）。
三.名词解释 47、传递函数：传递函数是指在零初始条件下，系统输出量的拉式变换与系统输入量的拉式变换之比。 48、系统校正：为了使系统达到我们的要求，给系统加入特定的环节，使系统达到我们的要求，这个过程叫系统校正。 49、主导极点：如果系统闭环极点中有一个极点或一对复数极点据虚轴最近且附近没有其他闭环零点，则它在响应中起主导作用称为主导极点。 50、香农定理：要求离散频谱各分量不出现重叠,即要求采样角频率满足如下关系： ωs ≥2ωmax 。 51、状态转移矩阵：()At t e φ=，描述系统从某一初始时刻向任一时刻的转移。 52、峰值时间：系统输出超过稳态值达到第一个峰值所需的时间为峰值时间。 53、动态结构图：把系统中所有环节或元件的传递函数填在系统原理方块图的方块中，并把相应的输入、输出信号分别以拉氏变换来表示，从而得到的传递函数方块图就称为动态结构图。 54、根轨迹的渐近线：当开环极点数 n 大于开环零点数 m 时，系统有n-m 条根轨迹终止于 S 平面的无穷远处，且它们交于实轴上的一点，这 n-m 条根轨迹变化趋向的直线叫做根轨迹的渐近线。 55、脉冲传递函数：零初始条件下，输出离散时间信号的z 变换()C z 与输入离散信号的z 变换()R z 之比，即()()() C z G z R z =。 56、Nyquist 判据（或奈氏判据）：当ω由-∞变化到+∞时， Nyquist 曲线（极坐标图）逆时针包围（-1，j0）点的圈数N ，等于系统G(s)H(s)位于s 右半平面的极点数P ，即N=P ，则闭环系统稳定；否则（N ≠P ）闭环系统不稳定，且闭环系统位于s 右半平面的极点数Z 为：Z=∣P-N ∣ 57、程序控制系统: 输入信号是一个已知的函数，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入，这样的自动控制系统称为程序控制系统。 58、稳态误差：对单位负反馈系统，当时间t 趋于无穷大时，系统对输入信号响应的实际值与期望值（即输入量）之差的极限值，称为稳态误差，它反映系统复现输入信号的（稳态）精度。 59、尼柯尔斯图（Nichocls 图）：将对数幅频特性和对数相频特性画在一个图上，即以（度）为线性分度的横轴，以 l(ω)=20lgA(ω)（db ）为线性分度的纵轴，以ω为参变量绘制的φ(ω) 曲线，称为对数幅相频率特性，或称作尼柯尔斯图（Nichols 图） 60、零阶保持器：零阶保持器是将离散信号恢复到相应的连续信号的环节，它把采样时刻的采样值恒定不变地保持（或外推）到下一采样时刻。 61、状态反馈设系统方程为,x Ax Bu y cx =+=&，若对状态方程的输入量u 取u r Kx =-，则称状态反馈控制。 四.简答题
2017年自动控制原理期末考试卷与答案 一、填空题（每空 1 分，共20分） 1、对自动控制系统的基本要求可以概括为三个方面，即： 稳定性 、快速性和 准确性 。 2、控制系统的 输出拉氏变换与输入拉氏变换在零初始条件下的比值 称为传递函数。 3、在经典控制理论中，可采用 劳斯判据(或：时域分析法)、根轨迹法或奈奎斯特判据(或：频域分析法) 等方法判断线性控制系统稳定性。 4、控制系统的数学模型，取决于系统 结构 和 参数, 与外作用及初始条件无关。 5、线性系统的对数幅频特性，纵坐标取值为20lg ()A ω(或：()L ω)，横坐标为lg ω 。 6、奈奎斯特稳定判据中，Z = P - R ，其中P 是指 开环传函中具有正实部的极点的个数，Z 是指 闭环传函中具有正实部的极点的个数，R 指 奈氏曲线逆时针方向包围 (-1, j0 )整圈数。 7、在二阶系统的单位阶跃响应图中，s t 定义为 调整时间 。%σ是超调量 。 8、设系统的开环传递函数为12(1)(1) K s T s T s ++频特性为 01112()90()() tg T tg T ?ωωω--=---。 9、反馈控制又称偏差控制，其控制作用是通过 给定值 与反馈量的差值进行的。 10、若某系统的单位脉冲响应为0.20.5()105t t g t e e --=+，则该系统的传递函数G(s)为 105 0.20.5s s s s + ++。 11、自动控制系统有两种基本控制方式，当控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时，称为 开环控制系统；当控制装置与受控对象之间不但有顺向作用而且还有反向联系时，称为 闭环控制系统；含有测速发电机的电动机速度控制系统，属于 闭环控制系统。 12、根轨迹起始于开环极点，终止于开环零点。 13、稳定是对控制系统最基本的要求，若一个控制系统的响应曲线为衰减振荡，则该系统 稳定。判断一个闭环线性控制系统是否稳定，在时域分析中采用劳斯判据；在频域分析中采用奈奎斯特判据。 14、频域性能指标与时域性能指标有着对应关系，开环频域性能指标中的幅值越频率c ω对应时域性能指标 调整时间s t ，它们反映了系统动态过程的快速性
物理电子工程学院《自动控制原理》课程教学大纲课程编号：04210164 课程性质：专业必修课 先修课程：高等数学、函数变换、模拟电路、电路分析 总学时数：76 学分：4 适合专业：电子信息工程、机械与电子工程、机械自动化、电器自动化、通信、包装工程等专业 (一) 课程教学目标 自动控制理论是电子信息科学与技术专业的一门重要的专业基础课程。它侧重于理论角度，系统地阐述了自动控制科学和技术领域的基本概念和基本规律，介绍了自动控制技术从建模分析到应用设计的各种思想和方法，内容十分丰富。通过自动控制理论的教学，应使学生全面系统地掌握自动控制技术领域的基本概念、基本规律和基本分析与设计方法，以便将来胜任实际工作，具有从事相关工程和技术工作的基本素质，同时具有一定的分析和解决有关自动控制实际问题的能力。 (二) 课程的目的与任务 本课程是电子通信工程、机电一体化、包装工程等专业、工科及相关理科的必修基础课程。通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基础理论，并具有对简单连续系统进行定性分析、定量估算和初步设计的能力，为专业课学习和参加控制工程实践打下必要的基础。学生将掌握自动控制系统分析与设计等方面的基
本方法，如控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、状态空间分析法、采样控制系统的分析等基本方法等。为各类计算机控制系统设计打好基础。 (三) 理论教学的基本要求 1、熟练掌握自动控制的概念、基本控制方式及特点、对控制系统性能的基本要求。 2、熟练掌握典型环节的传递函数、结构图化简或梅森公式以及控制系统传递函数的建立和表示方法，初步掌握小偏差线性化方法和通过机理分析建立数学模型的方法。 3、熟练掌握暂态性能指标、劳思判据、稳态误差、终值定理和稳定性的概念以及利用这些概念对二阶系统性能的分析，初步掌握高阶系统分析方法、主导极点的概念。 4、熟练掌握根轨迹的概念和绘制法则，并能利用根轨迹对系统性能进行分析，初步掌握偶极子的概念以及添加零极点对系统性能的影响。 5、熟练掌握频率特性的概念、开环系统频率特性Nyquist图和Bode图的画法和奈氏判据，掌握绝对稳定系统、条件稳定系统、最小相位系统、非最小相位系统、稳定裕量、频域性能指标的概念，以及频率特性与系统性能的关系。 6、熟练掌握校正的基本概念、基本校正方式和反馈校正的作用，初步掌握复合校正的概念和以串联校正为主的频率响应综合法，了解以串联校正为主的根轨迹综合法，掌握常用校正装置及其作用。 (四) 教学学时分配数
《自动控制原理》课程设计任务书 航空航天学院 2016.11
目录 一、设计目的和要求 (1) 1 设计目的 (1) 2 设计要求 (1) 二、题目 (2) 题目1直线一级倒立摆频率响应控制实验 (2) 题目2 直线一级倒立摆PID 控制实验 (7) 题目3 控制系统校正实验1 (9) 题目4 控制系统校正实验2 (10) 题目5 控制系统校正实验3 (11) 题目6 控制系统校正实验4 (12) 三、实践报告书写内容要求 (13) 四、考核方式 (14)
一、设计目的和要求 1 设计目的 1）培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。 2）培养学生运用所学知识，利用MATLAB这软件解决控制理论中的复杂和工程实际问题。 3）提高学生课程设计报告撰写水平。 4）培养学生文献检索的能力。 2 设计要求 1）熟悉MATLAB语言及Simulink仿真软件。 2）掌握控制系统的时域分析，主要包括系统的各种响应、性能指标的获取、零极点对系统性能的影响、高阶系统的近似研究，控制系统的稳定性分析，控制系统的稳态误差的求取。 3）掌握控制系统的根轨迹分析，主要包括多回路系统的根轨迹、零度根轨迹、纯迟延系统根轨迹和控制系统的根轨迹分析。 4）掌握控制系统的频域分析，主要包括系统Bode图、Nyquist图、稳定性判据和系统的频域响应。 5）掌握控制系统的校正，主要包括根轨迹法超前校正、频域法超前校正、频域法滞后校正以及校正前后的性能分析。
二、题目 题目1直线一级倒立摆频率响应控制实验 1、初始条件 （1）固高GLIP2002直线二级倒立摆 （2）计算机（Matlab Simulink） 1.1 倒立摆系统简介 倒立摆是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域、多种技术的有机结合，其被控系统本身又是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，可以作为一个典型的控制对象对其进行研究。最初研究开始于二十世纪50 年代，麻省理工学院（MIT）的控制论专家根据火箭发射助推器原理设计出一级倒立摆实验设备。近年来，新的控制方法不断出现，人们试图通过倒立摆这样一个典型的控制对象，检验新的控制方法是否有较强的处理多变量、非线性和绝对不稳定系统的能力，从而从中找出最优秀的控制方法。倒立摆系统作为控制理论研究中的一种比较理想的实验手段，为自动控制理论的教学、实验和科研构建一个良好的实验平台，以用来检验某种控制理论或方法的典型方案，促进了控制系统新理论、新思想的发展。由于控制理论的广泛应用，由此系统研究产生的方法和技术将在半导体及精密仪器加工、机器人控制技术、人工智能、导弹拦截控制系统、航空对接控制技术、火箭发射中的垂直度控制、卫星飞行中的姿态控制和一般工业应用等方面具有广阔的利用开发前景。平面倒立摆可以比较真实的模拟火箭的飞行控制和步行机器人的稳定控制等方面的研究。 1.2 直线倒立摆 直线倒立摆是在直线运动模块上装有摆体组件，直线运动模块有一个自由度，小车可以沿导轨水平运动，在小车上装载不同的摆体组件，可以组成很多类别的倒立摆，直线柔性倒立摆和一般直线倒立摆的不同之处在于，柔性倒立摆有两个可以沿导轨滑动的小车，并且在主动小车和从动小车之间增加了一个弹簧，作为柔性关节。直线倒立摆系列产品如图1-1 所示。
自动控制原理课程教学大纲 ◆层次：?本科?专科 ◆课程英文名称：Automatical control principle ◆课程类别：本科选?通识必修?通识选修?专业必修?专业选修 专科选?公共必修?公共选修?职业技术必修?职业技术选修 ◆适用专业：自动化 ◆配套教学计划：2011级教学计划 ◆开课系部：自动化系 ◆学分：5 ◆学时：80 其中：实验（实践）学时：10 ；课外学时：0 ◆执笔人：张海燕教研室审核人：张海燕系部审核人： 一、课程性质和教学目标 《自动控制原理》是自动化专业的一门必修课，通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基本原理和概念，并具备对自动控制系统进行分析，计算，实验的初步能力，为专业课的学习和参加控制工程实践提供必要的理论基础。 通过对本课程的学习，要求学生掌握自动控制的基本理论和基本分析方法，能应用控制理论对自动控制系统进行性能分析，能对系统进行校正和提出改善系统性能的途径和方法，具体要求如下： 1．掌握常规控制器和自动控制系统的组成及其相互关系。 2．了解对自动控制系统的性能要求及分析系统性能的方法。 3．掌握用传递函数，方框图，信号流图及状态空间描述建立系统数学模型的方法。 4．掌握常规控制器的基本控制规律、动态特性和对控制系统的作用。 5．掌握对控制系统进行分析和综合的方法：时域分析法、频域分析法、根轨迹法及状态空间分析法。6．初步掌握控制系统的校正和设计方法，为解决实际问题打好基础。 7．掌握脉冲传递函数的概念，了解离散控制系统的一般分析方法。 8．初步了解非线性系统的基本知识。 二、本课程与其他课程的联系与分工 本课程在自动化专业教学计划中被列为专业基础课,本课程以工程数学、电路、电机拖动等为前序课程,也是过程控制系统等课程必需的理论基础，因此本课程的学习对全面掌握各门专业课程起着重要的作用。本课程的重点是第三、第四、第五章章，次重点是第一、第二章，一般章节为六章。 三、教学内容和教学方式 第一章自动控制的一般概念（4学时） （一）教学要求
《自动控制原理》实验课程教学大纲 课程代码： TELE2004 课程学分：3 课程名称（中/英）：自动控制原理 Principles of Automatic Control 课程学时： 54 实验学时：9 适用专业：信息、电子及通信 实验室名称：开放实验室 一、课程简介： 本课程主要学习自动控制系统分析与设计的基本原理与基本方法，包括系统数学 模型的建立，控制系统的分析的时域分析法、根轨迹法以及频域分析法，控制系统设 计的根轨迹法及频率响应法。通过课程的学习，同学们能理解并掌握系统传递函数的 概念，各项动态性能指标的定义与求法，稳定性的概念与判别，稳态误差及稳态误差 系数的求解。 本课程的教学目标是让用学们能够掌握反馈控制系统的经典理论与方法，并能运 用这些知识建立系统的数据模型，分析系统的动态性能指标，确定系统的稳定性与控 制精度，并可以进行小型控制系统的设计与改进。 本课程包含47学时的课程教学，讲授系统建模、时域分析、根轨迹、频率响应 与系统设计等内容。 本课程还包含一个9学时的实验项目，同学们将自行设计并实现一个小型控制系统，该实验将完全按照工程项目的执行方式进行的。 二、实验项目及学时分配 序号 项目名称 实验类型 学时分配 每组人数 必修/选修 设计性 9 1 必修 1 小型控制系统（角位 移、位移、温度可选） 设计与实现 三、实验内容及教学要求 实验项目1：小型控制系统（角位移、位移、温度可选）设计与实现
1.教学内容 与传统意义下的课程实验不同，这是一个项目型实验，意味着你必须执行一个小型的项目。有若干个项目题目可供选择，该项目需要在上课学期内完成。项目在学期中间发布，你必须在学期未进入考试周之前完成全部工作。 This is a project oriented lab, which means that you are required to carry out a small-scale project rather than a conventional lab. You will be supplied with several candidate projects to choose one as your objective project to carry out in the same semester when the course is given. You will have the project issued in the mid-semester and are required to complete it before entering examination weeks of the semester. 与普通的实验不同，项目的执行通常需要经历若干阶段，也会需要更长的实现周期。通过这个实验，你可明白并经历完整的项目执行过程，尽管从可操作性出发，实验中采用的会是一些比较小型化的项目。这样的经历无疑会对同学们参加项目的能力培养有所助益。 Not like conventional lab, project usually will run for several stages or phases and, maybe, will last for a longer period. You will move from one phase to the other until getting everything done properly. You can then experience and understand the complete project executing procedures, nevertheless how small scaled is the one in which you are involved, which is certainly helpful in preparing you some kind of project taking capabilities. 有三个可供选择的课题，它们是： There are three topics available. They are: 1)直流电机控制的角位移控制系统Angle position control system with dc motor 设计一个角度控制系统，它能接受所期望的角度的输入指令，产生一个与输出要求完全一致的输出角度。 Design an angle system, which can accept desired angle input command and generates an angle output following exactly the input one. 2)车辆运动控制系统Vehicle motion control system 一辆玩具车或是实验室自制的模型车将作为被控制对象。该系统必须能准确地行进任意指定的距离。 A toy vehicle or lab made vehicle is the plant to be controlled. The system must be able to move a given distance accurately. 3)温度控制系统Temperature control system 这是个水温控制系统。它用控制并操持一个小型容器中的水的温度到任意指定的数值。
自动控制原理试卷 一． 是非题（5分）： （1）系统的稳态误差有系统的开环放大倍数k 和类型决定的（ ）； （2）系统的频率特性是系统输入为正弦信号时的输出（ ）； （3）开环传递函数为)0(2>k s k 的单位负反馈系统能跟深速度输入信号（ ）； （4）传递函数中的是有量纲的，其单位为 （ ）； (5)闭环系统的极点均为稳定的实极点，则阶跃响应是无 调的（ ）； 二． 是非题（5分）： （1）为了使系统的过度过程比较平稳要求系统的相角裕量大于零（ ）； （2）Bode 图的横坐标是按角频率均匀分度的，按其对数值标产生的（ ）； （3）对于最小相位系统，根据对数幅频特性就能画出相频特性（ ）； （4）单位闭环负反馈系统的开环传递函数为) ()()(s D s N s G =，劳斯稳定判据是根据)(s D 的系数判闭环 系统的稳定性（ ）；奈奎斯特稳定判据是根据)(s G 的幅相频率特性曲线判闭环系统的稳定性 （ ）。 三． 填空计算题（15分）： （1）如图所示：RC 网络，其输出)(t u c 与输入)(t u r 的微分方程描述为 ，假定在零初始条件下，系统的传递函数)(s φ= ，该系统在)(1)(t t u r =作用时，有)(t u c = 。 (2)系统结构如图，该系统是 反馈系 统，是 阶系统，是 型系统，若要使系统的放大系数为1，调节时间为0.1秒（取%σ的误差带），0k 应为 ，t k 应
为 。 （3）如果单位负反馈系统的开环传递函数是) )(()()(b s a s c s k s G +++=，该系统是 阶系统，是 型系统，该系统的稳态位置误差系数为 ，稳态速度误差系数为 ，稳态加速度误差系数为速度误差系数为 。 四． 是非简答题（5分）： （1）已知某系统的开环传递函数在右半s 平面的极点数为，试叙述Nyquist 稳定判据的结论。 （2）试叙述系统稳定的充分必要条件。 （3）系统的稳定性不仅与系统结构有关，而且与输入信号有关，该结论是否正确。 （4）增加系统的开环放大倍数，系统的稳定性就变差，甚至变为不稳定，该结论是否正确。 五．计算题（10分） 已知某电路的微分方程为： t t i d t i C t U t U t i R t U d t i t i C t U t U t i R t U ??=+=-=+=)(1)()()()(])()([1)() ()()(22002212111111 其中)(t U i 为输入，)(0t U 为输出，2211,,,C R C R 均为常数，试建立系统方筷图，并求传递函数。 六． 计算题（15分） 某非单位反馈控制系统如图所示，若),(1*20)(t t r =，(1)求系统的稳态输出)(∞c ，及max c ，超调量%σ和调整时间s t 。(2)试画出单位阶跃响应曲线，并标出s t 及max c ,)(∞c 。