自动控制原理实验报告
实验一典型系统的时域响应和稳定性分析 (4)
一、实验目的 (4)
二、实验原理及内容 (4)
三、实验现象分析 (7)
方法一：matlab程序 (7)
方法二：multism仿真 (16)
方法三：simulink仿真 (23)
实验二线性系统的根轨迹分析 (28)
一、确定图3系统的根轨迹的全部特征点和特征线，并绘出根轨迹 (28)
二、根据根轨迹图分析系统的闭环稳定性 (30)
三、如何通过改造根轨迹来改善系统的品质？ (33)
实验三线性系统的频率响应分析 (43)
一、绘制图1. 图3系统的奈氏图和伯德图 (43)
二、分别根据奈氏图和伯德图分析系统的稳定性 (49)
三、在图4中，任取一可使系统稳定的R值，通过实验法得到对应的伯德图，并据此导
出系统的传递函数 (50)
实验四、磁盘驱动器的读取控制 (54)
一、实验原理 (54)
二、实验内容及步骤 (55)
（一）系统的阶跃响应 (55)
（二) 系统动态响应、稳态误差以及扰动能力讨论 (59)
1、动态响应 (60)
2、稳态误差和扰动能力 (63)
（三）引入速度传感器 (67)
1. 未加速度传感器时系统性能分析 (68)
2、加入速度传感器后的系统性能分析 (76)
五、实验总结 (83)
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（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0
1
T K K =。
(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=，R
200
K 1= R
200
K =?
系统闭环传递函数为：K
S S K
S S S W n n n 5552)(2
222++=++=ωζωω 其中自然振荡角频率：R
1010T K 1n ==ω；阻尼比：40
R
1025n =
ω=
ζ 2．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 12
3
=+++?=+。 (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
由Routh 判断得，Routh 行列式为：
S 3 1 20
S 2 12 20K S 1 (-5K/3)+20 0 S 0 20K 0
为了保证系统稳定，第一列各值应为正数，所以有 ?????>>+-0
K 200
20K 35
得： 0 < K < 12 ? R > 41.7K Ω 系统稳定; K = 12 ? R = 41.7K Ω 系统临界稳定; K > 12 ? R < 41.7K Ω 系统不稳定;
三、实验现象分析
方法一：matlab 程序
1．典型二阶系统瞬态性能指标
表1
其中2
1e
Mp ζ
-ζπ
-=，2n
p 1t ζ
-ωπ
=
，n s 4
t ζω=，2
1p e 1)t (C ζ-ζπ
-+=
matlab 程序：
R=10; K=200/R; wn=10*sqrt(10/R); r=5/(2*wn); num=5*K; den=[1 5 5*K]; sys=tf(num,den); Mp=exp(-r*pi./sqrt(1-r*r));
tp=pi./(wn*sqrt(1-r*r));
ts=4./(r*wn);
Ctp=1+Mp;
t=0:0.01:3;
step(sys,t);grid
xlabel('t');ylabel('C(t)');title('step response'); hold off
R=10
R=50
R=160
R=200
2．典型三阶系统在不同开环增益下的响应情况
表2
R(KΩ) 开环增益K 稳定性
125 4 稳定
41.6667 12 振荡（临界）
25 20 不稳定
开环增益K=4
程序：K1=20;
R1=500/K1;
num1=[K1];
den1=[0.05 0.6 1 K1];
roots(den1)
[z1, p1, k1]=tf2zp(num1,den1)
t=0:0.01:10;
step(num1,den1,t)
xlabel('t');ylabel('C(t)');title('step response'); grid hold off
z1 = Empty matrix: 0-by-1 p1 =-10.8356 + 0.0000i -0.5822 + 2.6541i
-0.5822 - 2.6541i
k1 = 80
开环增益K=12
z1 = Empty matrix: 0-by-1 p1 = -12.0000 + 0.0000i
0.0000 + 4.4721i
0.0000 - 4.4721i
k1 =240
开环增益K=20
z1 =Empty matrix: 0-by-1
p1 =-12.8628 + 0.0000i 0.4314 + 5.5598i 0.4314 - 5.5598i k1 = 400
分析：在二阶系统时t s 只给出了一个公式，而在课本上，可以知道欠阻尼，临界阻尼以及过 阻尼三种情况下t s 的计算方法不相同，在欠阻尼的情况下，若取误差带为5%，则计算时常取
n
s t ζω3.5
=
，若取误差带为2%，则计算时常取n
s t ζω.4
4=
；在临界阻尼的情况下，若
取误差带为5%，则计算时常取14.75
T t s = ))
1(1
(2
1--=ζ
ζωn T ；在过阻尼
的情况下，也有固定的公式。
方法二：multism 仿真
ξ＝1
临界阻尼160
1.2
500
2.5
000
1 无 1 无无 1.9
2.33
9
单调
指数
ξ> 1 过阻尼200 1
2.2
361
1.1
180
无 1 无无 2.6
3.17
8
单调
指数
二阶
R=10(取2%)
由图可知，C(tp)=1.444v，Tp=325.502ms,Ts=1.623s,并可计算得到Mp=44.4% R=50
由图可知，C(tp)=1.120v，Tp=848.297ms,Ts=1.305s,并可计算得到Mp=12% R=160
由图可知，Ts=2.339s
R=200
由图可知，Ts=3.178s
三阶multisim
R(KΩ) 开环增益K 稳定性
30 16.7 不稳定发散
41.7 12 临界稳定等幅振荡
100 5 稳定衰减收敛R=30
液位自动控制装置 摘要 本系统采用分布式微机控制系统，通过测量传感器的信号频率来获取液面高度。系统采用主从式结构，主站和从站都采用以“8051系列单片机+电容式液面高度传感器”模式。并通过电磁阀来调整液面高度，构成了一个闭环控制系统。可通过键盘设定所需液面高度，范围为0～25cm，误差不超过±0.3 cm。并可实时显示当前液位高度和瓶内液体重量以及阀门状态。当液面超过25cm或液位低于2cm时，可进行声光报警。 主从站之间通过RS232C总线构成串行通讯星型网络。主站可对8个从站进行定点或巡回监测，查询各从站的实时状态，并可显示其从站传输过来的从站号和液位讯息，并可控制从站液位。并且在巡回检测时，主站能任意设定要查询的从站数量、从站号和各从站的液位讯息。当收到从站发来的报警信号后，能声光报警并显示相应的从站号，可自动调整从站液位为20cm。从站能够输出从站号、液位讯息和报警信号，并且能对主站设定的液位控制信息相应。 该系统布局合理，运行平稳，控制精度较高，完全达到了题目基本部分的要求，并基本实现了发挥部分要求。 一、总体方案的设计 1、主站的整体设计： 以单片机为控制核心，通过液位传感器实时获取储液瓶B的液面高度，并通过显示器实时显示液面高度、重量。当键盘有输入时，单片机根据键盘输入的功能要求，单片机通过控制电磁阀1、2来提升或降低液面高度达到设定值，根据题意整体规划主站的系统如图（1） 图（1） 2、主站和从站整体设计 主从站之间通过RS232C总线构成串行通讯网络，主站定期查询液面信息，并对液面信息进行控制。
图（2） 二、系统模块的确定和设计 分析题目要求，系统为一个主从式测控系统。由通讯网络把主站和多个从站连成一个系统。通讯网络可采用RS232C 等接口组成。液位监测与控制装置的功能可有多种方案实现，但一般都都由控制单元、执行机构和检测单元单元三部分组成。 下面具体论述一下液位监测与控制装置的各个部分模块的方案确定和设计。 1、检测元件的选择 （1）传感器的选择 检测液面高度有多种元件可选，如超声波传感器和电容传感器等。 方案—：使用超声波传感器。超声波具有不受被测液体的浓度和导电性能影响的特性，因此精度比较高，但价格比较贵。 方案二：使用电容式传感器。电容式传感器在测量高频信号时，精度较高。但要求液位 变化速度较为缓慢，而且距离不能太远，本题采用的进出水管较细，进出水速度合适，由于只要求测量范围最大为0～25cm ，距离较小，此传感器正好符合条件，而且该传感器比较经济，考虑到液体流速和测量范围、精度以及价格，故从实用性和经济性角度考虑选择电容式传感器。 我们选择第二种方案，由于采用了电容式传感器，所以我们需要对电容信号进行采集。 （2）电容信号采集方案的选择和设计 方案—：将电容信号转换为电压信号。由于输出电压信号比较微弱，采用该方案时，采集信号的灵敏度不高，误差一般较大，难以控制，而且电压信号要通过A/D 转换后才能被单片机处理，比较复杂。原理图如图（3）所示： 图（3） 方案二：将电容信号转换为频率信号。压感电容传感器对由液面高度变化引起的水压变化的检测灵敏比较高，对由于液位高度的变化而引起的水压的微小变化，通过传感器中的压控电容的变化，得到的输出的信号的频率变化非常明显。我们通过采集信号的频率就能得出对应的液位的高度，从而通过控制单片机，来进行设置所对应的液面的频率就能对所要求的高度进行任意控制，这样的系统能满足题目所要求的基本要求。 综合考虑我们选择第二个方案，接着我们需要考虑如何将电容信号转换为频率信号。 （3）电容信号处理方案
《自动控制原理》 实验报告 姓名： 学号： 专业： 班级： 时段： 成绩： 工学院自动化系
实验一 典型环节的MATLAB 仿真 一、实验目的 1．熟悉MATLAB 桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK 功能模块的使用方法。 2．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应曲线的理解。 3．定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、实验原理 1．比例环节的传递函数为 K R K R R R Z Z s G 200,1002)(211 212==-=-=- = 其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-3所示。 三、实验内容 按下列各典型环节的传递函数，建立相应的SIMULINK 仿真模型，观察并记录其单位阶跃响应波形。 ① 比例环节1)(1=s G 和2)(1=s G ； ② 惯性环节11)(1+= s s G 和1 5.01 )(2+=s s G ③ 积分环节s s G 1)(1= ④ 微分环节s s G =)(1 ⑤ 比例+微分环节（PD ）2)(1+=s s G 和1)(2+=s s G ⑥ 比例+积分环节（PI ）s s G 11)(1+=和s s G 211)(2+= 四、实验结果及分析 图1-3 比例环节的模拟电路及SIMULINK 图形
① 仿真模型及波形图1)(1=s G 和2)(1=s G ② 仿真模型及波形图11)(1+= s s G 和1 5.01)(2+=s s G 11)(1+= s s G 1 5.01 )(2+=s s G ③ 积分环节s s G 1)(1= ④ 微分环节
自动化控制实验报告(DOC 43页)
本科生实验报告 实验课程自动控制原理 学院名称 专业名称电气工程及其自动化 学生姓名 学生学号2013 指导教师 实验地点6C901 实验成绩 二〇一五年四月——二〇一五年五月
线性系统的时域分析 实验一（3.1.1）典型环节的模拟研究 一. 实验目的 1． 了解和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． 观察和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 二．典型环节的结构图及传递函数 方 框 图 传递函数 比例 （P ） K (S) U (S) U (S)G i O == 积分 （I ） TS 1 (S)U (S)U (S)G i O == 比例积分 （PI ） )TS 1 1(K (S)U (S)U (S)G i O +== 比例微分 （PD ） )TS 1(K (S) U (S) U (S)G i O +== 惯性 TS 1K (S)U (S)U (S)G i O += =
环节 （T） 比例 积分 微分 （PI D） S T K S T K K (S) U (S) U (S) G d p i p p i O + + = = 三．实验内容及步骤 观察和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.。 改变被测环节的各项电路参数，画出模拟电路图，阶跃响应曲线，观测结果，填入实验报告 运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。具体用法参见用户手册中的示波器部分。1)．观察比例环节的阶跃响应曲线 典型比例环节模拟电路如图3-1-1所示。 图3-1-1 典型比例环节模拟电路 传递函数： 1 (S) (S) (S) R R K K U U G i O= = = ；单位阶跃响应：
自动控制系统的组成及功能实现 自动控制系统作为目前工业领域控制的核心，已经为大家所熟悉。自动控制系统是指在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段，其组建了整个系统的大脑及神经网络。自动控制系统的组成一般包括控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成。 一、自动控制系统的分类 自动控制系统按控制原理主要分为开环控制系统和闭环控制系统。 （一）开环控制系统 在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。 （二）闭环控制系统 闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。 自动控制系统按给定信号分类，可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。（三）恒值控制系统 给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。 （四）随动控制系统 给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。（五）程序控制系统 给定值按一定时间函数变化。如程控机床。 在我们的工业领域中，因控制的工艺流程复杂、生产数多、对产品质量控制严格，所以一般控制系统均为闭环控制系统。 二、控制系统各部分的功能 （一）控制器 目前控制系统的控制器主要包括PLC、DCS、FCS等主控制系统。在底层应用最多的就是PLC控制系统，一般大中型控制系统中要求分散控制、集中管理的场合就会采用DCS 控制系统，FCS系统主要应用在大型系统中,它也是21世纪最具发展潜力的现场总线控制系
实验报告 课程名称：自动控制原理 实验项目：典型环节的时域相应 实验地点：自动控制实验室 实验日期：2017 年 3 月22 日 指导教师：乔学工 实验一典型环节的时域特性 一、实验目的 1.熟悉并掌握TDN-ACC+设备的使用方法及各典型环节模拟电路的构成方法。
2.熟悉各种典型环节的理想阶跃相应曲线和实际阶跃响应曲线。对比差异，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)实验系统一套。 三、实验原理及内容 下面列出各典型环节的方框图、传递函数、模拟电路图、阶跃响应，实验前应熟悉了解。 1．比例环节 (P) (1)方框图 (2)传递函数： K S Ui S Uo =) () ( (3)阶跃响应：) 0()(≥=t K t U O 其中 01/R R K = (4)模拟电路图： (5) 理想与实际阶跃响应对照曲线： ① 取R0 = 200K ；R1 = 100K 。 ② 取R0 = 200K ；R1 = 200K 。
2．积分环节 (I) (1)方框图 (2)传递函数： TS S Ui S Uo 1 )()(= (3)阶跃响应： ) 0(1)(≥= t t T t Uo 其中 C R T 0= (4)模拟电路图 (5) 理想与实际阶跃响应曲线对照： ① 取R0 = 200K ；C = 1uF 。 ② 取R0 = 200K ；C = 2uF 。
1 Uo 0t Ui(t) Uo(t) 理想阶跃响应曲线 0.4s 1 Uo 0t Ui(t) Uo(t) 实测阶跃响应曲线 0.4s 10V 无穷 3．比例积分环节 (PI) (1)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照： ①取 R0 = R1 = 200K；C = 1uF。 理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线 ②取 R0=R1=200K；C=2uF。 K 1 + U i(S)+ U o(S) + Uo 10V U o(t) 2 U i(t ) 0 0 .2s t Uo 无穷 U o(t) 2 U i(t ) 0 0 .2s t
成绩________ 过程控制仪表及装置实验报告 班级：_______________________________________ 姓名：________________________________________ 学号：________________________________________ 指导老师：_____________________________________ 实验日期：_____________________________________
目录 实验一电容式差压变送器的校验 (2) 实验二热电阻温度变送器的校验 (5) 实验三模拟调节器开环校验 (8) 实验四模拟调节器闭环校验 (12) 实验五SLPC可编程调节器的编程设计与操作 (14) 实验六SLPC可编程调节器PID控制参数整定 (19) 1 实验一电容式差压变送器的校验 一、实验目的 1．了解并熟悉电容式差压变送器整体结构及各种部件的作用。 2．掌握电容式差压变送器的工作原理。 3．掌握电容式差压变送器的起点及终点调整、精度校验、迁移的调整方法。 二、实验项目 1．掌握气动定值器、标准电流表、标准压力表、标准电阻箱的使用方法。2．了解电容式差压变送器整体结构，熟悉各调节螺钉的位置和用途。 3．按照实验步骤进行仪表的起点、终点调整，进行精度、迁移校验。 三、实验设备与仪器 1．电容式差压变送器1台 2．标准电阻箱1个 3．气动定值器1个 4．标准电流表1台 5．标准压力表1个 6．大、小螺丝刀各1把 7．连接导线、气压导管若干 四、实验原理 实验接线如图2-1所示。
实验一 MATLAB 及仿真实验（控制系统的时域分析） 一、实验目的 学习利用MATLAB 进行控制系统时域分析，包括典型响应、判断系统稳定性和分析系统的动态特性； 二、预习要点 1、 系统的典型响应有哪些？ 2、 如何判断系统稳定性？ 3、 系统的动态性能指标有哪些？ 三、实验方法 （一） 四种典型响应 1、 阶跃响应： 阶跃响应常用格式： 1、)(sys step ；其中sys 可以为连续系统，也可为离散系统。 2、),(Tn sys step ；表示时间范围0---Tn 。 3、),(T sys step ；表示时间范围向量T 指定。 4、),(T sys step Y =；可详细了解某段时间的输入、输出情况。 2、 脉冲响应： 脉冲函数在数学上的精确定义：0 ,0)(1)(0 ?==?∞ t x f dx x f 其拉氏变换为：) ()()()(1)(s G s f s G s Y s f === 所以脉冲响应即为传函的反拉氏变换。 脉冲响应函数常用格式： ① )(sys impulse ； ② ); ,();,(T sys impulse Tn sys impulse ③ ),(T sys impulse Y = （二） 分析系统稳定性 有以下三种方法： 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 （三） 系统的动态特性分析 Matlab 提供了求取连续系统的单位阶跃响应函数step 、单位脉冲响应函数impulse 、零输入响应函数initial 以及任意输入下的仿真函数lsim.
一、实验目的 1、通过实验对自控仪表和控制元器件有一具体认识。 2、了解自控原理，锻炼动手能力。学习并安装不同的温度自控电路。 3、通过对不同电路的调试和数据测量，初步掌握仪表自控技术。 4、要求按流程组装实验电路，并测量加热反应釜温度随加热时间的变化。 5、要求待反应釜加热腔温度稳定后测量加热釜轴向温度分布规律。 二、实验原理 仪表自动控制在现代化工业生产中是极其重要的，它减少大量手工操作，使操作人员避免恶劣、危险环境，自动快速完成重复工作，提高测量精度，完成远程传输数据。本实验就是仪表自动控制在化工生产和实验中非常重要的一个分支——温度的仪表自动控制。 图-1所示是本实验整套装置图。按图由导线连接好装置，首先设置“人工智能控制仪”的最终温度，输出端输出直流电压用于控制“SSR”（固态继电器），则当加热釜温度未达到最终温度时“SSR”是通的状态，电路导通，给加热釜持续加热；当加热釜温度达到最终温度后“SSR”是不通的状态，电路断开，加热釜加热停止。本实验研究的数据对象有两个：其一，测量仪表在加热釜开始加热后测量的升温过程，即温度随时间变化；其二，当温度达到最终温度并且稳定后，测量温度沿加热釜轴向的分布，即稳定温度随空间分布。 图-1 实验装置图
1、控温仪表，2测温仪表，3和4、测温元件（热电偶），5电加热釜式反应器， 6、保险 7、电流表，8固态调压器，9、滑动电阻，10、固态继电器（SSR），11、中间继电器，12、开关 实验装置中部分仪器的工作原理： 1，控温仪表：输出端输出直流电压控制SSR，当加热釜温度未达到预设温度时SSR使电路导通，持续加热；当达到最终温度后SSR使电路断开，加热停止。 2，测温仪表：与测温的热电偶相连，实时反馈加热釜内温度的测量值。 3、4，热电偶：分别测量加热腔和反应芯内的温度。工作原理：热电阻是利用金属的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量。它是由两种不同材料的导体焊接而成。焊接的一端插入被测介质中，感受被测温度，称为热电偶的工作端或热端。另一端与导线连接，称为自由端或冷端。若将其两端焊接在一起，且两段存在温度差，则在这个闭路回路中有热电势产生。如在回路中加一直流毫伏计，可见到毫伏计中有电势指示，电势的大小与两种不同金属的材料和温度有关，与导线的长短无关。 图2 热电偶工作原理 8，RSA固态调压器原理：通过电位器手动调节以改变阻性负载上的电压，来达到调节输出功率的目的（相当于一个滑动变阻器）。输出端接加热回路，输入端接控温仪表。 10，SSR 固态继电器工作原理：固态继电器是一种无触点通断电子开关，为四端有源器件。其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端。在输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断状态转变成导通状态（无信号时呈阻断状态），从而控制较大负载。可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能
自动控制原理实验报告 一、实验名称：一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试 二、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 三、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时的响应曲线，测定过渡过程时间T s 2、建立二阶系统电子模型，观测并记录不同阻尼比的响应曲线，并测定超调量及过渡过程时间T s 四、实验原理及实验数据 一阶系统 系统传递函数： 由电路图可得，取则K=1，T分别取：0.25, 0.5, 1 T 0.25 0.50 1.00 R2 0.25MΩ0.5M Ω1MΩ C 1μ1μ1μ T S 实测0.7930 1.5160 3.1050 T S 理论0.7473 1.4962 2.9927 阶跃响应曲线图1.1 图1.2 图1.3 误差计算与分析 （1）当T=0.25时，误差==6.12%； （2）当T=0.5时，误差==1.32%； （3）当T=1时，误差==3.58% 误差分析：由于T决定响应参数，而,在实验中R、C的取值上可能存在一定误差，另外，导线的连接上也存在一些误差以及干扰，使实验结果与理论值之间存在一定误差。但是本实验误差在较小范围内，响应曲线也反映了预期要求，所以本实验基本得到了预期结果。 实验结果说明 由本实验结果可看出，一阶系统阶跃响应是单调上升的指数曲线，特征有T确定，T越小，过度过程进行得越快，系统的快速性越好。 二阶系统 图1.1 图1.2 图1.3
系统传递函数： 令 二阶系统模拟线路 0.25 0.50 1.00 R4 210.5 C2 111 实测45.8% 16.9% 0.6% 理论44.5% 16.3% 0% T S实测13.9860 5.4895 4.8480 T S理论14.0065 5.3066 4.8243 阶跃响应曲线图2.1 图2.2 图2.3 注：T s理论根据matlab命令[os,ts,tr]=stepspecs(time,output,output(end),5)得出，否则误差较大。 误差计算及分析 1）当ξ=0.25时，超调量的相对误差= 调节时间的相对误差= 2）当ξ=0.5时，超调量的相对误差==3.7% 调节时间的相对误差==3.4% 4）当ξ=1时，超调量的绝对误差= 调节时间的相对误差==3.46% 误差分析：由于本试验中，用的参量比较多，有R1,R2,R3,R4;C1,C2;在它们的取值的实际调节中不免出现一些误差，误差再累加，导致最终结果出现了比较大的误差，另外，此实验用的导线要多一点，干扰和导线的传到误差也给实验结果造成了一定误差。但是在观察响应曲线方面，这些误差并不影响，这些曲线仍旧体现了它们本身应具有的特点，通过比较它们完全能够了解阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系，不影响预期的效果。 实验结果说明 由本实验可以看出，当ωn一定时，超调量随着ξ的增加而减小，直到ξ达到某个值时没有了超调；而调节时间随ξ的增大，先减小，直到ξ达到某个值后又增大了。 经理论计算可知，当ξ=0.707时，调节时间最短，而此时的超调量也小于5%，此时的ξ为最佳阻尼比。此实验的ξ分布在0.707两侧，体现了超调量和调节时间随ξ的变化而变化的过程，达到了预期的效果。 图2.2 图2.1 图2.3
东南大学自动控制实验室 实验报告 课程名称：自动控制原理 实验名称：闭环电压控制系统研究 院（系）：仪器科学与工程专业：测控技术与仪器姓名：学号： 实验室：常州楼五楼实验组别：/ 同组人员：实验时间：2018/10/17 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。 （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、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。 （2）自动控制的根本是闭环，尽管有的系统不能直接感受到它的闭环形式，如步进电机控制，专家系统等，从大局看，还是闭环。闭环控制可以带来想象不到的好处，本实验就是用开环和闭环在负载扰动下的实验数据，说明闭环控制效果。自动控制系统性能的优劣，其原因之一就是取决调节器的结构和算法的设计（本课程主要用串联调节、状态反馈），本实验为了简洁，采用单闭环、比例调节器K。通过实验证明：不同的K，对系性能产生不同的影响，以说明正确设计调节器算法的重要性。 （3）为了使实验有代表性，本实验采用三阶（高阶）系统。这样，当调节器K值过大时，控制系统会产生典型的现象——振荡。本实验也可以认为是一个真实的电压控制系统。 三、实验设备： THBDC-1实验平台 四、实验线路图： 五、实验步骤：
电力系统自动控制装置 白太：刘万炮 1.AAT装置有哪两部分组成？各有什么作用？ 答：AAT装置由低压起动和自动合闸两部分组成。低压起动部分的作用是：当母线因各种原因失去电压时，断开工作电源。自动合闸部分的作用是：在工作电源断路器断开后，将备用电源断路器投入。 2、简述AAT装置明备用和暗备用的含义。(掌握明备用和暗备用的典型一次接线图） 答：明备用是指两路电源变压器其中一台工作运行，而另一台备用。两台变压器的容量都是按计算负荷100％确定的。暗备用是指两台变压器都工作，两路电源变压器容量都是按计算负荷一、二级负荷确定，在供电系统中变压器容量占全部计算负荷的70％，而工业则是40%。 简而言之就是：系统正常运行时，备用电源不工作，称为明备用；系统正常运行时，备用电源同时投入运行的，称为暗备用，暗备用实际上是两个工作电源的互为备用。 备用电源自动投入装置：当线路或用电设备发生故障时，能够自动迅速、准确的把备用电源投入用电设备中或把设备切换到备用电源上，不至于让用户断电的一种装置，简称APD。 3、什么是重合闸前加速保护？什么是重合闸后加速保护？各具有什么优点？
答：（1）.重合闸前加速：重合闸前加速保护方式一般用于具有几段串联的辐射形线路中，重合闸装置仅装在靠近电源的一段线路上。当线路上发生故障时，靠近电源侧的保护首先无选择性地瞬时动作于跳闸，而后再靠重合闸来纠正这种非选择性动作。前加速的优点就是能快速切除故障，提高重合成功率，使用设备少，只需装设一套重合闸装置，经济性好。缺点是重合于永久性故障时切除时间可能过长，断路器动作次数较多，工作条件恶劣。主要适合35kV及以下线路。（2）.重合闸后加速：重合闸后加速是检定同期重合闸是当线路一侧专无压重合后，另一侧在两端的频率不超过属一定允许值的情况下才进行重合的。 4、双电源线路上采用自动重合闸装置时，需要考虑哪些特殊问题？为什么？ 答：（1）需要考虑故障点的断电时间问题。因为当线路发生故障时，线路两侧的继电保护可能以不同的时限跳开两侧断路器，这两种情况下只有两侧的断路器都跳开后，故障点才完全断电，所以重合闸应加较长的延时。 （2）同步问题。因为当线路发生故障，两侧断路器跳闸后，线路两侧电源之前电动势夹角摆开，甚至有可能失去同步，所以，后重合侧重合时应考虑是否允许非同步合闸和进行同步检定的问题。 5、什么是综合重合闸？综合重合闸装置能实现哪几种重合
实验一、常用电子仪器的使用 一、实验目的 1、学习电子技术实验中常用电子仪器的主要技术指标、性能和正确使用方法。 2、初步掌握用示波器观察 正弦信号波形和读取波形参数的方法。 电路实验箱的结构、基本功能和使用方法。 二、实验原理 在模拟电子电路实验中，要对各种电子仪器进行综合使用，可按照信号流向，以接线简捷，调节 顺手，观察与读数方便等原则进行合理布局。接线时应注意，为防止外界干扰，各仪器的公共接地端应 连接在一起，称共地。 1．信号发生器信号发生器可以根据需要输出正弦波、方波、三角波三种信号波形。输出信号电压频率可以通过频率分挡开关、频率粗调和细调旋钮进行调节。输出信号电压幅度可由输出幅度调节旋钮进行连续调节。 操作要领： 1）按下电源开关。 2）根据需要选定一个波形输出开关按下。 3）根据所需频率，选择频率范围（选定一个频率分挡开关按下）、分别调节频率粗 调和细调旋钮，在频率显示屏上显示所需频率即可。 4）调节幅度调节旋钮，用交流毫伏表测出所需信号电压值。注意：信号发生器的输出端不允许短 路。 2．交流毫伏表交流毫伏表只能在其工作频率范围内，用来测量300 伏以下正弦交流电压的有效值。 操作要领： 1）为了防止过载损坏仪表，在开机前和测量前（即在输入端开路情况下）应先将量程开关置于较大量程处，待输入端接入电路开始测量时，再逐档减小量程到适当位置。 2）读数：当量程开关旋到左边首位数为“1”的任一挡位时，应读取O?10标度尺上的示数。当量程开关旋到左边首位数为“3”的任一挡位时，应读取O?3标 度尺上的示数。 3）仪表使用完后，先将量程开关置于较大量程位置后，才能拆线或关机。3．双踪示波器 示波器是用来观察和测量信号的波形及参数的设备。双踪示波器可以同时对两个输入信号进行观 测和比较。 操作要领： 1）时基线位置的调节开机数秒钟后，适当调节垂直（↑J）和水平（J→）位移旋钮，将时基线移至适当的位置。 2）清晰度的调节适当调节亮度和聚焦旋钮，使时基线越细越好（亮度不能太亮，一般能看清楚即可）。 3）示波器的显示方式示波器主要有单踪和双踪两种显示方式，属单踪显示的有 “ Y i ”、“ Y2”、“ Y1+Y2”，作单踪显示时，可选择“ 丫1 ”或“丫2”其中一个按钮 按下。属双踪显示的有“交替”和“断续”，作双踪显示时，为了在一次扫描过 程中同时显示两个波形，采用“交替”显示方式，当被观察信号频率很低时（几十赫兹以 下），可采用“断续”显示方式。 4）波形的稳定为了显示稳定的波形，应注意示波器面板上控制按钮的位置：a） “扫描速率” （t/div）开关------根据被观察信号的周期而定（一般信号频率低时，
自动控制原理实验报告 学院： 班级： 姓名： 学号：
西安交通大学实验报告 课程自动控制原理实验日期2014 年12月22 日专业班号交报告日期 2014 年 12月27日姓名学号 实验五直流电机转速控制系统设计 一、实验设备 1.硬件平台——NI ELVIS 2.软件工具——LabVIEW 二、实验任务 1.使用NI ELVIS可变电源提供的电源能力，驱动直流马达旋转，并通过改变电压改变 其运行速度； 2.通过光电开关测量马达转速； 3.通过编程将可变电源所控制的马达和转速计整合在一起，基于计算机实现一个转速自 动控制系统。 三、实验步骤 任务一：通过可变电源控制马达旋转 任务二：通过光电开关测量马达转速 任务三：通过程序自动调整电源电压，从而逼近设定转速
编程思路：PID控制器输入SP为期望转速输出，PV为实际测量得到的电机转速，MV为PID输出控制电压。其中SP由前面板输入；PV通过光电开关测量马达转速得到；将PID 的输出控制电压接到“可变电源控制马达旋转”模块的电压输入控制端，控制可变电源产生所需的直流电机控制电压。通过不断地检测马达转速与期望值对比产生偏差，通过PID控制器产生控制信号，达到直流电机转速的负反馈控制。 PID参数：比例增益：0.0023 积分时间：0.010 微分时间：0.006 采样率和待读取采样：采样率：500kS/s 待读取采样：500 启动死区：电机刚上电时，速度为0，脉冲周期测量为0，脉冲频率测量为无限大。通过设定转速的“虚拟下限”解决。本实验电机转速最大为600r/min。故可将其上限值设为600r/min，超过上限时，转速的虚拟下限设为200r/min。 改进：利用LabVIEW中的移位寄存器对转速测量值取滑动平均。
-150-100 -50 50 实验一 典型环节的模拟研究及阶跃响应分析 1、比例环节 可知比例环节的传递函数为一个常数： 当Kp 分别为0.5，1，2时，输入幅值为1.84的正向阶跃信号，理论上依次输出幅值为0.92，1.84，3.68的反向阶跃信号。实验中，输出信号依次为幅值为0.94，1.88，3.70的反向阶跃信号， 相对误差分别为1.8%,2.2%,0.2%. 在误差允许范围内可认为实际输出满足理论值。 2、 积分环节 积分环节传递函数为： （1）T=0.1(0.033)时，C=1μf (0.33μf )，利用MATLAB ，模拟阶跃信号输入下的输出信号如图： T=0.1 T=0.033 与实验测得波形比较可知，实际与理论值较为吻合，理论上T=0.033时的波形斜率近似为T=0.1时的三倍，实际上为8/2.6=3.08，在误差允许范围内可认为满足理论条件。 3、 惯性环节 i f i o R R U U -=TS 1 CS R 1Z Z U U i i f i 0-=-=-=15 20
惯性环节传递函数为： K = R f /R 1,T = R f C, （1） 保持K = R f /R 1 = 1不变，观测T = 0.1秒，0.01秒（既R 1 = 100K,C = 1μf ， 0.1μf ）时的输出波形。利用matlab 仿真得到理论波形如下： T=0.1时 t s （5%）理论值为300ms,实际测得t s =400ms 相对误差为：（400-300）/300=33.3%,读数误差较大。 K 理论值为1，实验值2.12/2.28， 相对误差为（2.28-2.12）/2.28=7%与理论值 较为接近。 T=0.01时 t s （5%）理论值为30ms,实际测得t s =40ms 相对误差为：（40-30）/30=33.3% 由于ts 较小，所以读数时误差较大。 K 理论值为1，实验值2.12/2.28， 相对误差为（2.28-2.12）/2.28=7%与理论值较为接近 （2） 保持T = R f C = 0.1s 不变，分别观测K = 1，2时的输出波形。 K=1时波形即为（1）中T0.1时波形 K=2时，利用matlab 仿真得到如下结果： t s （5%）理论值为300ms,实际测得t s =400ms 相对误差为：（400-300）/300=33.3% 读数误差较大 K 理论值为2，实验值4.30/2.28， 1 TS K )s (R )s (C +-=
《机床电气控制》实验报告 单位______________________ 班级______________________ 学号______________________ 姓名______________________ 实验组____________________ 实验日期__________________ 实验一各种常见低压电器的识别、结构和使用方法（2节） 一、实验目的 1、掌握按钮、交流接触器、小型电磁式继电器、热继电器、行程开关、断路器、 熔断器、漏电断路保护器、万能转换开关、倒顺开关、变压器的型号识别、结构、测试及使用方法。 2、掌握导线的横截面积、色标的识别、选用、连接方法。
二、实验器材及工具
三、实验内容 1、按钮 理解按钮的用途。正确识别按钮的型号和参数的含义，掌握按钮的使用方法，用万用表测量按钮触头的好坏。 2、交流接触器
理解交流接触器的用途。正确识别交流接触器的型号和参数的含义，拆卸交流接触器，认识交流接触器的结构。掌握交流接触器的使用方法。用万用表测量交流接触器触头的好坏。 3、小型电磁式继电器 理解电磁式继电器的用途。正确识别继电器的型号和参数的含义，掌握继电器的使用方法。 4、热继电器 理解热继电器的用途。正确识别热继电器的型号和参数的含义，掌握热继电器的使用方法。掌握热继电器的整定电流调节方法。 5、行程开关 理解行程开关的用途。正确识别行程开关的型号和参数的含义，掌握行程开关的使用方法。用万用表测量行程开关触头的好坏。 6、断路器 理解断路器的用途。正确识别断路器的型号和参数的含义，掌握断路器的使用方法。用万用表测量断路器的好坏。
实验1 控制系统典型环节的模拟实验（一） 实验目的： 1．掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。 2．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。 实验原理： 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。 实验内容及步骤 实验内容： 观测比例、惯性和积分环节的阶跃响应曲线。 实验步骤： 分别按比例，惯性和积分实验电路原理图连线，完成相关参数设置，运行。 ①按各典型环节的模拟电路图将线接好(先接比例)。(PID先不接) ②将模拟电路输入端(U i)与阶跃信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端(Uo)接至示波器。 ③按下按钮(或松开按钮)SP时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo(t)，且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果。 ④同理得积分和惯性环节的实际响应曲线，它们的理想曲线和实际响应曲线。 实验数据
实验二控制系统典型环节的模拟实验（二） 实验目的 1．掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。 2．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。 实验仪器 1．自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台 实验原理 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。 实验内容及步骤 内容： 观测PI，PD和PID环节的阶跃响应曲线。 步骤： 分别按PI，PD和PID实验电路原理图连线，完成相关参数设置，运行 ①按各典型环节的模拟电路图将线接好。 ②将模拟电路输入端(U i)与方波信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端(Uo)接至示波器。 ③用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo(t)，且将结果记下。改变参数，重新观测结果。 实验数据 实验结论及分析
过程控制仪表实验报告 姓名：大葱哥 学号： 班级：测控1202 2015.6.25
实验二S7-200 PLC 基本操作练习 一、实验目的 1、熟悉S7-200PLC 实验系统及外部接线方法。 2、熟悉编程软件STEP7-Micro/WIN 的程序开发环境。 3、掌握基本指令的编程方法。 二、实验设备 1、智能仪表开发综合实验系统一套 （包含PLC主机、各实验挂箱、各功能单元、PC机及连接导线若干）三、实验系统 三、使用注意事项 1、实验接线前必须先断开电源开关，严禁带电接线。接线完毕，检查无误后，方可上电。 2、实验过程中，实验台上要保持整洁，不可随意放置杂物，特别是导电的工具和多余的导线等，以免发生短路等故障。系统上电状态下，电源总开关下方L、N端子间有220VAC输出，实验中应特别注意！ 3、本实验系统上的各档直流电源设计时仅供实验使用，不得外接其它负载。 4、实验完毕，应及时关闭各电源开关（置关端），并及时清理实验板面，整理好连接导线并放置规定的位置。 四、实验内容 （一）熟悉S7-200PLC的接线方法 （二）STEP7-Micro/WIN软件简介 STEP7-Micro/WIN编程软件为用户开发PLC应用程序提供了良好的操作环境。在实验中应用梯形图语言进行编程。编程的基本规则如下： 1、外部输入/输出继电器、内部继电器、定时器、计数器等器件的接点可多次重复使用，无需用复杂的程序结构来减少接点的使用次数。 2、梯形图每一行都是从左母线开始，线圈接在右边。接点不能放在线圈的右边，在继电器控制的原理图中，热继电器的接点可以加在线圈的右边，而PLC的梯形图是不允许的。 3、线圈不能直接与左母线相连。如果需要，可以通过一个没有使用的内部继电器的常闭接点或者特殊内部继电器的常开接点来连接。 4、同一编号的线圈在一个程序中使用两次称为双线圈输出。双线圈输出容易引起误操作，应尽量避免线圈重复使用。 5、梯形图程序必须符合顺序执行的原则，即从左到右，从上到下地执行，如不符合顺序执行的电路就不能直接编程。 6、在梯形图中串联接点使用的次数是没有限制，可无限次地使用。 7、两个或两个以上的线圈可以并联输出。
成绩 北京航空航天大学 自动控制原理实验报告 学院机械工程及自动化学 专业方向工业工程与制造 班级110715 学号11071113 学生姓名吕龙 指导教师 自动控制与测试教学实验中心
实验一一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试 实验时间2013.10.30 实验编号同组同学无 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，观测并记录不同时间常数T时的跃响应曲线，测定其过渡过程时间Ts。 2.建立二阶系统的电子模型，观测并记录不同阻尼比ζ时的跃响应曲线，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： 系统传递函数为： 模拟运算电路如图1-1所示： 图1-1 由图得： 在实验当中始终取, 则, 取不同的时间常数T分别为： 0.25、 0.5、1。 记录不同时间常数下阶跃响应曲线，测量纪录其过渡过程时 ts。（取误差带）2．二阶系统: 其传递函数为：
令，则系统结构如图1-２所示： 图1-2 根据结构图，建立的二阶系统模拟线路如图1-３所示： 图1-3 取，，则及 取不同的值, , ,观察并记录阶跃响应曲线，测量超调量σ%（取误差带）,计算过渡过程时间Ts。 四、实验设备 1.HHMN-1型电子模拟机一台。 2.PC 机一台。 3.数字式万用表一块。 4.导线若干。 五、实验步骤 1. 熟悉HHMN-1 型电子模拟机的使用方法，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. 将与系统输入端连接，将与系统输出端连接。线路接好后， 经教师检查后再通电。 4.运行软件，分别获得理论和实际仿真的曲线。 5. 观察实验结果，记录实验数据，绘制实验结果图形，填写实验数据表格，完成
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0 50=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)