2011-2012 学年第1 学期
院别: 控制工程学院
课程名称: 自动控制原理A
实验名称: 二阶系统时域响应特性的实验研究实验教室: 6111
指导教师: 瞿福存
小组成员（姓名，学号）:
实验日期：2012 年11 月15 日
评分：
1．有一位置随动系统，其结构图如下图所示，其中K = 4。求该系统的：1）自然 k 振荡角频率；2）系统的阻尼比；3）超调量和调节时间；4）如果要求 <0.707 ， 值。 应怎样改变系统参数 K k 2．已知受控对象的开环传递函数为
(1)单位反馈时，计算单位脉冲响应的输出。 (2)试采用速度反馈方法，使得系统的阻尼比ζ=05.，确定速度反馈系数τ的值，并计算性能改善后的动态性能。 解 (1)单位反馈时，闭环传递函数为 其单位脉冲响应为 响应曲线为等幅振荡的，所以该系统仅作单位反馈，不能实现调节作用。 (2)增加速度反馈如图所示。 闭环传递函数为 ζωτ=，所以 阻尼比ζ=05.，则有2 n τ=?= 20.50.95 此时，系统阶跃响应的超调量为 调节时间为 3．已知速度反馈控制系统如图所示，要求系统的超调量为20%，峰值时间为1秒，试计算相应的前向增益K与速度反馈系数K 的值。如果保持K值不变，Kf为零时，计算超调量增大值。
解上述系统的闭环传递函数为 比较二阶系统的标准式有 给定的性能指标为 上述指标与系统特征参数ζ和ωn的关系为： 解得 所以： 当K=125.，Kf=0时，也就是没有速度反馈时，闭环传递函数成为： 阻尼比：
超调量增大为： 4．对下图所示系统，试求K为何值时，阻尼比ζ=0.5。并求此时系统单位阶跃响应的最大超调量和调整时间。 解:系统开环传函为： 系统闭环传函为： 最大超调量： 调整时间
5． 系统结构如图，欲使超调量бp =0. 2, 过渡过程时间t s =1秒(Δ=0.02)， 试确定K 和τ的值。 答案： ()2222(2)2n n n K s s K s K s ωτζωωΦ==+++++ 0.456ζ= 8.77 n ω= 277n K ω== 0.078τ= 6. 题图所示机械系统，当受到 F =40N 力的作用时，位移量xt ()的阶跃响应如图所示，试确定机械系统的参数m ，k, f 的值。 解: 图示机械系统的传递函数为 由图所示稳态值()1c ∞=,由终值定理 得到 K=40N/m 由超调量： 峰值时间：
武汉工程大学 实验报告 专业 班号 组别 指导教师 姓名 学号 实验名称 线性系统时域响应分析 一、实验目的 1．熟练掌握step( )函数和impulse( )函数的使用方法，研究线性系统在单位阶跃、单位脉冲及单位斜坡函数作用下的响应。 2．通过响应曲线观测特征参量ζ和n ω对二阶系统性能的影响。 3．熟练掌握系统的稳定性的判断方法。 二、实验内容 1．观察函数step( )和impulse( )的调用格式，假设系统的传递函数模型为 1 4647 3)(2 342++++++=s s s s s s s G 可以用几种方法绘制出系统的阶跃响应曲线试分别绘制。 2．对典型二阶系统 2 22 2)(n n n s s s G ωζωω++= 1）分别绘出)/(2s rad n =ω，ζ分别取0,,,和时的单位阶跃响应曲线，分析参数ζ对系统的影响，并计算ζ=时的时域性能指标ss s p r p e t t t ,,,,σ。 2）绘制出当ζ=, n ω分别取1,2,4,6时单位阶跃响应曲线，分析参数n ω对系统的影响。 3．系统的特征方程式为010532234=++++s s s s ，试用两种判稳方式判别该系统的稳定性。 4．单位负反馈系统的开环模型为 ) 256)(4)(2()(2++++= s s s s K s G
试用劳斯稳定判据判断系统的稳定性，并求出使得闭环系统稳定的K 值范围。 三、实验结果及分析 1．观察函数step( )和impulse( )的调用格式，假设系统的传递函数模型为 14647 3)(2342++++++=s s s s s s s G 可以用几种方法绘制出系统的阶跃响应曲线试分别绘制。 方法一：用step( )函数绘制系统阶跃响应曲线。 程序如下： num=[0 0 1 3 7]; den=[1 4 6 4 1]; t=0::10; step(num,den) grid xlabel('t/s'),ylabel('c(t)') title('Unit-step Response of G(s)=s^2+3s+7/(s^4+4s^3+6s^2+4s+1)') Unit-step Response of G(s)=s 2+3s+7/(s 4+4s 3+6s 2+4s+1) t/s (sec) c (t ) 方法二：用impulse( )函数绘制系统阶跃响应曲线。 程序如下： num=[0 0 0 1 3 7 ]; den=[1 4 6 4 1 0]; t=0::10; impulse(num,den) grid xlabel('t/s'),ylabel('c(t)') title('Unit-impulse Response of G(s)/s=s^2+3s+7/(s^5+4s^4+6s^3+4s^2+s)')
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院 专业方向机械工程及自动化 班级 学号 学生姓名刘帆 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2014年11月15日 实验编号 同组同学 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T s 。 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T s 。 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 ()1 C s K R s Ts φ=+（）= 模拟运算电路如下图 : 其中2 1 R 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0.2,0.51,1.0。记录实验数据，测量过度过程的性能指标，其中取正负5%误差带，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42 12R 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0.25,0.5,0.707,1；记录所测得的实验数据以及其性能指标，取正负5%误差 带，其中当ζ<1时经验公式为2 1 3.5 %100%,s n e t ζσζω- -=?= ，当ζ=1时经验公式 为n 4.75 ts ω= 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。
实验二二阶系统阶跃响应 一、实验目的 1.研究二阶系统的特征参数，阻尼比Z和无阻尼自然频率3 n对系统动态性能的影响，定量分析Z和3 n 与最大超调量(T p和调节时间ts之间的关系。 2.进一步学习实验系统的使用。 3.学会根据系统的阶跃响应曲线确定传递函数。 4.学习用MATLAB仿真软件对实验内容中的电路进行仿真。 二、实验原理 典型二阶闭环系统的单位阶跃响应分为四种情况： 1)欠阻尼二阶系统 如图1所示，由稳态和瞬态两部分组成：稳态部分等于1,瞬态部分是振荡衰减的过程，振荡角频率为阻尼振荡角频率，其值由阻尼比Z和自然振荡角频率3D决定。 (1)性能指标： 调节时间t s：单位阶跃响应C(t)进人土5%(有时也取土2%)误差带，并且不再超出该误差带的最小时间。 超调量(7 % ;单位阶跃响应中最大超出量与稳态值之比。 峰值时间t P :单位阶跃响应C(t)超过稳态值达到第一个峰值所需要的时间。 结构参数E :直接影响单位阶跃响应性能。 (2)平稳性：阻尼比E越小，平稳性越差 (3)快速性：E过小时因振荡强烈，衰减缓慢，调节时间t S长，过大时，系统响应迟钝，调节时间t s也长，快速性差。E = 0.7调节时间最短，快速性最好。 E = 0.7时超调量7 %<% , 平稳性也好，故称0.7为最佳阻尼比。 2)临界阻尼二阶系统(即E 1) 系统有两个相同的负实根，临界阻尼二阶系统单位阶跃响应是无超调的，无振荡单调上升的，不存在
稳态误差。
3）无阻尼二阶系统（0时）此时系统有两个纯虚根。 4）过阻尼二阶系统（E >1）时 此时系统有两个不相等的负实根，过阻尼二阶系统的单位阶跃响应无振荡无超调无稳态误差，上升速度由小加大有一拐点。 三、实验内容 1.搭建模拟电路 典型二阶系统的闭环传递函数为: 2 W n s2 2 W n S Wn 其中，Z和?n对系统的动态品质有决定的影响 搭建典型二阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应: 二阶系统模拟电路图其结构图为: 系统闭环传递函数为：.「. ..d . ■-'
--二阶系统的阶跃响应实验报告
实验二 二阶系统的阶跃响应实验报告 1．实验的目的和要求 1）掌握二阶控制系统的电路模拟方法及其动态性能指标的测试技术； 2）定量分析二阶控制系统的阻尼比ξ和无阻尼自然频率n ω对系统动态性能的影响； 3）加深理解“线性系统的稳定性只与其结构和参数有关，而与外作用无关”的性质； 4）了解与学习二阶控制系统及其阶跃响应的MATLAB 仿真。 2．实验内容 1）分析典型二阶系统2 2 2 2)(n n n s s s G ωξωω ++=的ξ（ξ 取值为0、0.25、0.5、1、1.2……）和n ω(n ω取值 10、100……)变化时，对系统阶跃响应的影响。 2）典型二阶系统，若0.707ξ=，1 10n s ω-=，确定系统单位阶跃响应的特征量%σ、r t 和s t 。 3．需用的仪器 计算机、Matlab6.5编程软件 4．实验步骤 1）利用MATLAB 分析n ω=10时ξ变化对系统单位阶跃响应的影响。 观察并记录响应曲线，根据实验结果分析ξ 变化对系统单位阶跃响应的影响。 2）利用MATLAB 分析ξ=0时n ω变化对系统单位阶跃响应的影响。 观察并记录响应曲线，根据实验结果分析n ω 变化对系统单位阶跃响应的影响。 3）利用MATLAB 计算特征量%σ、r t 和s t 。 5．教学方式 讲授与指导相结合 6．考核要求 以实验报告和实际操作能力为依据 7．实验记录及分析 1）程序：
》t=[0:0.01:10]; y1=step([100],[1 0 100],t); y2=step([100],[1 5 100],t); y3=step([100],[1 10 100],t); y4=step([100],[1 20 100],t); y5=step([100],[1 80 100],t); subplot(3,2,1); plot(t,y1,'-'); grid xlabel('time t');ylabel('y1'); title('李山 1206074118'); legend('\xi=0 单位阶跃响应曲线'); subplot(3,2,2); plot(t,y2,'-'); grid xlabel('time t');ylabel('y2'); title('李山 1206074118'); legend('\xi=0.25 单位阶跃响应曲线'); subplot(3,2,3); plot(t,y3,'-'); grid xlabel('time t');ylabel('y3'); title('李山 1206074118'); legend('\xi=0.5 单位阶跃响应曲线'); subplot(3,2,4); plot(t,y4,'-'); grid xlabel('time t');ylabel('y4'); title('李山 1206074118'); legend('\xi=1 单位阶跃响应曲线'); subplot(3,2,5); plot(t,y5,'-'); grid xlabel('time t');ylabel('y5'); title('李山 1206074118'); legend('\xi=4 单位阶跃响应曲线');
实验二 典型二阶系统的时域响应与性能分析 一、实验目的 1、研究二阶系统的特征参量（ζ, 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。 二、实验设备 PC 机一台，TD-ACS 教学实验系统一套。 三、实验原理 典型二阶系统开环传递函数为：) 1()1()(101101 += += s T s T K s T s T K s G ；其中，开环放大系数01K K = 。系统方块图与模拟电路如图2-1与图2-2所示。 图2-1典型二阶系统方块图 图2-2模拟电路图 先算出临界阻尼、欠阻尼、过阻尼时电电阻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。 设R T K K s T T s T 200,2.0,10 1 10== ===， 系统闭环传递函数为： 2 222 221)()(n n n s s T K s T s T K K s Ts K s R s C ωζωω++=+ +=++= 其中，自然振荡频率：R T K n 10 10 == ω 阻尼比：4 102521R T K T n = = = ωζ 典型二阶系统的瞬态性能指标： 超调量：2 1%ζζπ δ--=e 峰值时间：2 1ζ ωπ-= n p t 峰值时间的输出值：2 11)(ζζπ -=+=e t C p 调节时间： 1）欠阻尼10<<ζ，???????=?=?≈5324 ，，t n n s ζωζω 2）临界阻尼1=ζ，???????=?=?≈575.4284 .5，，t n n s ωω 3）过阻尼1>ζ，? ??=?=?≈532 411，p ，p t s ，1p -与2p -为二阶系统两个互异的 负实根12 2,1-±-=-ζ ωζωn n p ，21p p ->>-，过阻尼系统可由距离虚轴较近的极点 1p -的一阶系统来近似表示。
广州大学学生实验报告 开课学院及实验室：工程北531 2014年 11 月 30日 学院机械与电气 工程学院 年级、专 业、班 电气123姓名陈海兵学号45 实验课程名称自动控制原理实验成绩 实验项目名称实验二二阶系统阶跃响应及性能分析指导 老师 姚菁 一、实验目的 1. 掌握控制系统时域响应曲线的绘制方法； 2. 研究二阶系统特征参数对系统动态性能的影响,系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。 3. 能够计算阶跃响应的瞬态性能指标，对系统性能进行分析。 二、实验内容 实验１.典型二阶系统闭环传递函数 (1) 试编写程序，绘制出当ωn=6, ζ分别为,,,1, 时的单位阶跃响应; (2)试编写程序，绘制出当ζ=, ωn 分别为2,4,6,8,10 时的单位阶跃响应; (3) 对上述各种单位阶跃响应情况加以讨论. 实验2. 设单位反馈系统的开环传递函数为 若要求系统的阶跃响应的瞬态性能指标为σp=10%,t s (5%) = 2s .试确定参数K 和a 的值, 并画出阶跃响应曲线，在曲线上标出σp、t s(5%)的数值。 实验3. 设控制系统如图2-1 所示。其中（a）为无速度反馈系统，（b）为带速度反馈系统，试(1)确定系统阻尼比为时的K 1 值;(2) 计算并比较系统（a）和(b)的阶跃响应的瞬态性能指标;(3)画出系统（a）和(b)阶跃响应曲线，在曲线上标出σp、t s(5%)的数值，以验证计算结果。 图2-1 三、使用仪器、材料 计算机、MATLAB 软件 四、实验过程原始记录（程序、数据、图表、计算等） 1、运行Matlab 软件； 2、在其命令窗口中输入有关函数命令或程序。涉及的主要命令有：step() 实验1：为便于比较，可用hold on 指令将多条曲线放在一个图中。进一步，为清楚起见，用legend 指令在图中加注释。部分结果如图2-2所示。 图2-2 实验2：首先与二阶系统闭环传递函数的标准形式比较，求出参数K 1 、a 与阻尼系数、自然频率的关系，再由对系统的阶跃响应的瞬态性能指标 要求，求出参数K 1 、a，再用step()画出即可。 实验3：首先与二阶系统闭环传递函 数的标准形式比较，求出阻尼系数、自然频率，再求出瞬态性能指标。 1、观察并记录、总结。 五、实验结果及分析 实验１.典型二阶系统闭环传递函数 (1) =;b=[36];c=[1?12*a?36];? sys=tf(b,c);? p=roots(c);? s=0::15;? step(sys,s);grid? hold?on? a=;b=[36];c=[1?12*a?36];?
自动控制理论实验报告 姓名 焦皓阳 学号 201423010319 班级 电气F1402 同组人 周宗耀 赵博 刘景瑜 张凯 实验一 典型系统的阶跃响应分析 一、实验目的 1. 熟悉一阶系统、二阶系统的阶跃响应特性及模拟电路； 2. 测量一阶系统、二阶系统的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响； 3. 掌握二阶系统动态性能的测试方法。 二、实验内容 1. 设计并搭建一阶系统、二阶系统的模拟电路； 2. 测量一阶系统的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响； 3. 观测二阶系统的阻尼比分别在0<ξ<1，ξ>1两种情况下的单位阶跃响应曲线；测量二阶系统的阻尼比为2 1=ξ时系统的超调量%σ、调节时间t s (Δ= ±0.05)； 4. 观测系统在ξ为定值n ω不同时的响应曲线。 三、实验结果【】 1、一阶系统 电路：
传递函数 2o(s) 1()21 R U R Ui s R CS =+ T=1结果：
T=0.1结果： 当T=1时：可以看出此时的稳态值为ΔY=4.4293，到达稳态的时间为ΔX=5.2664，调节时间为图二的ΔX=ts=2.757 当T=0.1时：由于此时的波形的起点没有在零点，所以存在着误差，此时的误差Δ=0-Y2=0.085，此时到达稳态时间为ΔX*13/21=0.5556，调节时间为X2在ΔY*0.95-Δ时的X2-X1=ts=0.375
结论：（参数变化对系统动态特性的影响分析） 参数的变化对系统动态性能的影响：T(周期)决定系统达到稳态时间的长短。在其他变量保持不变的情况下，当T 越小，该系统到达稳定状态所需时间就越少，系统对信号的响应也就越快。 2、二阶系统 电路： 传递函数 2 22221 ()1 ()Uo s C R S Ui s S RxC C R =++ (1)10n ω=，2.0=ξ结果：
《工程控制基础》课程基础实验指导书 电子科技大学
目录 实验一典型环节动态特性分析 (3) 实验二二阶系统阶跃响应分析 (7) 实验三系统频率特性分析 (10) 实验四控制系统校正 (14)
实验一 典型环节动态特性分析 一、实验目的 本实验的目的是运用电子模拟线路构成比例、惯性、积分等典型环节，并研究这些环节及电路的动态特性。即： 1、掌握运用运算放大器构成各种典型环节的方法，观察比例、惯性、积分 环节的阶跃响应，并分析其动态性能。 2、了解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 比例环节也称为放大环节，其方框图如图1-1(a)所示。 传递函数为： G(S) = ) () (S Ur S Uc = K 比例环节模拟线路如图1-1(b)所示。这种线路也称作比例或P 调节器。其中：K = 1 R R = 2 () (b ) 图1-1 比例环节的模拟图 U r t t (a)输入波形 (b)输出波形 图1-2 比例环节波形图 改变R 1的值（U r 一定），观察其阶跃响应曲线。若按图 (b)接线，设U r 为-5V ,则图(b)的输入U r 和输出U c 实验波形如图1-2所示。 2、一阶惯性环节 一阶惯性环节的方框图如图1-3(a)所示。 传递函数为： G(S) = )()(S Ur S U c = 1 TS K
一阶惯性环节含有弹性或容性储能元件和阻性耗能元件，其输出落后于输入，与比例环节相比，此环节具有“惯性”，在阶跃输入时，输出不能立即（需经历一段时间）接近所要求的阶跃输出值，因此其输出不可能显现线形，而是一指数函数图象。惯性大小由时间常数T 衡量。 一阶惯性环节模拟线路图如图1-3（b ）所示。这种线路也称作惯性或T 调节器。其中： K = 0 1 R R T = R 1C 分别改变R 1、C 的值（U r 一定），观察其阶跃响应曲线。 一阶惯性环节的模拟图 (a)输入波形 (b)输出波形 图1-4 一阶惯性环节波形图 若按图 (b)接线，设U r 为-5V ,则图(b)的输入U r 和输出U c 实验波形如图1-4所示。 3、积分环节 积分环节的方框图如图1-5(a)所示。 传递函数为： G(S) = )()(S Ur S U c = S K 积分环节模拟线路如图1-5（b ）所示。这种线路也称作积分或I 调节器。其中 K = 1 01 C R 若按图 (b)接线，设U r 为-5V ,则图(b)的输入U r 和输出U c 实验波形如图1-6所示。改变C 1的值（U r 一定），观察其阶跃响应曲线。
专业：电气工程及其自动化 学号：07050443 05 姓名： 实验一 二阶系统时域分析 一、 实验目的 1. 研究二阶系统的两个重要参数ξ、n ω与系统结构之间的关系。 2. 观察系统在阶跃输入作用下的响应，运用基本理论，分析系统过度过程特点及各种参数对其学习过程的影响，从而找出改善系统动态性能的方法，并在实验中加以验证。 3. 学习二阶系统阶跃响应的测试方法。 4. 掌握开环传递函数与闭环传递函数之间的对应关系，以及ξ、n ω与传递函数系数之间的关系。 二、 实验内容 选择适当的元器件建立单位负反馈二阶系统。 开环传递函数由积分环节和惯性环节构成：()() 1S T S T K S G 21+= 令T T T 21==。 1. 设1T = 改变K 值，使阻尼比ξ，分别为0、0.5、0.7、1、1.5；观察并记录在单位阶跃信号作用下，不同阻尼比时，系统输出响应曲线，并测量系统的超调量σ%、上升时间r t 、峰值时间p t 、调节时间s t 。 （1）当阻尼比ξ无限大时： （2）当阻尼比ξ=0.5时：
（3）当阻尼比ξ=0.7时： （4）当阻尼比ξ=1时： （5）当阻尼比ξ=1.5时：
2. 设定K 值 使ξ=0.707，改变时间常数T ，观察并记录在单位阶跃信号作用下，系统输出曲线，并测量系统的超调量σ%、上升时间r t 、峰值时间p t 、调节时间s t 。并与（1）的结果加以比较。 （1） 当T=0.1时： （2） 当T=1时：
（3） 当T=1.5时： 3. 改变时间常数 使1T 不等于2T ，观察并记录输出波形的变化情况。 （1） 当1T 1=，2T 2=时： （2） 当2T 1=，1T 2=时：
闭环零点对二阶系统单位阶跃响应的影响作者： 单位： 邮编： 摘要 在工程上电路中出现两个储能元件时便构成了二阶系统。由于欠阻尼二阶系统最具有实际意义，并且二阶系统往往需要满足工程最佳参数的要求，然而仅仅通过改变开环放大系数从而满足工程要求则可能会出现系统稳态误差增大的现象，设置具有闭环零点的二阶系统既可以达到满足工程所需的阻尼比，又可保证系统稳态精度。 在全面的分析了二阶系统之后，得出二阶系统的动态变化，由此引入带有零点的二阶系统，并分析了在欠阻尼状态下二阶系统的单位阶跃响应，并分析了其上升时间、峰值时间、调节时间、最大超调量，与没有零点的二阶系统进行了动态特性的对比。在此基础上分析了零点位置变化对二阶系统的影响。得到了重要结论。 关键字：二阶系统上升时间峰值时间调节时间最大超调量
0 引言 在已经知道了二阶系统的动态特性的基础之上，进一步研究具有闭环零点的二阶系统。并通过对比二阶系统和具有闭环零点的二阶系统，得出一定的结论。讨论当零点移动时对动态特性的影响。对满足工程所需的阻尼比，保证系统稳态精度具有重要作用。 1 二阶系统 用二阶微分方程描述的系统成为二阶系统。 等效开环传递函数方框图： 其闭环传递函数方框图： 其中n ω无阻尼自然振荡角频率，ξ为阻尼比。 W B （s ）=2n 22n 2n s s ＋ωξω＋ω （1-1） 二阶系统的特征方程为： 2n 22n s s ＋ωξω＋=0 两根为S 1,2=12n n －ξω－ξω 二阶系统极点分布图：
1、当ξ>1时，（过阻尼） 2、当0<ξ<1时，（欠阻尼） 3、当ξ=1时，（临界阻尼） 4、当ξ=0时，（无阻尼） 5、当ξ<0时，（发散振荡） 在不同的阻尼比时，二阶系统的动态响应有很大的差别，因此阻尼比ξ是二阶系统的重要参数，当ξ<0时系统不可以正常工作，而在ξ>1时，系统动态响应进行得太慢，所以对二阶系统来说欠阻尼是最有实际意义的。
实验名称：一二阶系统的电子模拟及时域响 应测试 课程名称：自动控制原理实验
目录 （一）实验目的 (3) （二）实验内容 (3) （三）实验设备 (3) （四）实验原理 (3) （五）一阶系统实验结果 (3) （六）一阶系统实验数据记录及分析 (7) （七）二阶系统实验结果记录 (8) （八）二阶系统实验数据记录及分析 (11) （九）实验总结及感想............................................................................错误!未定义书签。 图片目录 图片1 一阶模拟运算电路 (3) 图片2 二阶模拟运算电路 (3) 图片3 T=0.25仿真图形 (4) 图片4 T=0.25测试图形 (4) 图片5 T=0.5仿真图形 (5) 图片6 T=0.5测试图形 (5) 图片7 T=1仿真图形 (6) 图片8 T=1测试图形 (6) 图片9 ζ=0.25s仿真图形 (8) 图片10 ζ=0.25s测试图形 (8) 图片11 ζ=0.5s仿真图形 (9) 图片12 ζ=0.5s测试图形 (9) 图片13 ζ=0.8s仿真图形 (10) 图片14 ζ=0.8s测试图形 (10) 图片15 ζ=1s仿真图形 (11) 图片16 ζ=1s测试图形 (11) 表格目录 表格1 一阶系统实验结果 (7) 表格2 二阶系统实验结果 (11) 一二阶系统的电子模拟及时域响应测试
（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）实验设备 HHMN电子模拟机，实验用电脑，数字万用表 （四）实验原理 一阶系统：在实验中取不同的时间常数T，由模拟运算电路，可得到不同时间常数下阶跃响应曲线及不同的过渡时间。一阶系统结果预期：时间常数T越小，调节时间t越小，响应曲线很快就接近稳态值，一阶系统无超调量。模拟运算电路原理图如下： 图片 1 一阶模拟运算电路 二阶系统：δ取不同的值，将会形成不同的阶跃响应曲线及不同的超调量δ%、过渡时间及其它参数指标。二阶系统结果预期：δ为阻尼比，当0<δ<1时，系统时间响应具有振荡特性，为欠阻尼状态；当δ=1时，为临界阻尼，无振荡；当δ>1时，为过阻尼状态，无振荡。模拟运算电路图如下： 图片 2 二阶模拟运算电路 （五）一阶系统实验结果
实验三 二阶系统的时域分析 一、实验目的 １、通过考察系统的过渡过程指标，研究二阶系统的特征参数—阻尼比和自然频率对系统特性的影响，以及系统特征根的位置与过渡过程的关系。 ２、学习自己设计实验，安排适当的实验参数，达到以上实验目标。 二、实验内容 根据传递函数2 22 2)(n n n s s s G ωζωω++=的单位阶跃响应，求取过渡过程的质量指标。按表1的形式整理实验数据，分析实验结果，完成实验报告。 此时，系统的特征根为j j s n n βαζωζω±=-±-=2 2,11。 1、令ζ＝0.5，取三种不同的n ω，观察根在根平面上的位置，求其过渡过程和它的质量指
标，进行比较。说明当ζ相同时，过渡过程的哪些指标是相同的？ 00.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 ωn 改变，ζ=0.5不变 Tim e (sec) A m p l i t u d e
2、固定n ω，取ζ＝０、0. 3、 0.5、0.7、1，观察根在根平面上的位置，求其过渡过程和它的质量指标。总结当ζ不同时，质量指标有哪些变化？ 24681012141618 00.20.40.60.811.2 1.41.61.82 Time (sec) A m p l i t u d e
通过上面两图形与表格总结可以得出： n ω影响二阶系统过渡过程中的峰值时间，过渡时间（在ζ不变的情况下，峰值时间随n ω增 大而减小，过渡时间随n ω的增大而减小） ζ影响几乎全部过渡过程指标，其中超调量，衰减比仅与ζ有关（超调量随着ζ的增大而 减小，衰减比随着ζ的增大而增大；在n ω不变的情况下，峰值时间随ζ增大而增大，过渡时间随ζ的增大而减小。） n ω，ζ对系统的稳态误差均没有影响，且均为0.
实验二典型系统的时域响应分析 1. 实验目的 1) 通过用MATLAB 及SIMULINK 对控制系统的时域分析有感性认识。 2) 明确对于一阶系统，单位阶跃信号、单位斜坡信号以及单位脉冲信号的响应曲线图。 3) 对于二阶系统阶跃信号的响应曲线图以及不同阻尼比、不同自然角频率取值围的二阶系统曲线比较图。 4) 利用MATLAB 软件来绘制高阶控制系统的零极点分布图，判断此系统是否有主导极点，能否用低阶系统来近似，并将高阶系统与低阶系统的阶跃响应特性进行比较5）编制简单的M文件程序。 2. 实验仪器 PC计算机一台，MATLAB软件1套 3. 实验容 1）一阶系统的响应 （1) 一阶系统的单位阶跃响应 在SIMULINK 环境下搭建图1的模型，进行仿真，得出仿真曲线图。 理论分析：C（s）=1/[s(0.8s+1)]由拉氏反变换得h(t)=1-e^(-t/0.8) (t>=0) 由此得知，图形是一条单调上升的指数曲线，与理论分析相符。
（2) 一阶系统的单位斜坡响应 在SIMULINK环境下搭建图2的模型，将示波器横轴终值修改为12进行仿真，得出仿真曲线图。 理论分析：C（s）=1/[s^2(4s+1)]可求的一阶系统的单位斜坡响应为c(t)=(t-4)+4e^(-t/4) e(t)=r(t)-c(t)=4-4e^(-t/4) 当t=0时，e(t)=0,当趋于无穷时，误差趋于常值4. 3）一阶系统的单位脉冲响应 在medit 环境下，编译一个.m 文件，利用impulse（）函数可以得出仿真曲线图。此处注意分析在SIMULINK 环境中可否得到该曲线图。
理论分析：C （s ）=5/(0.8s+2)=(5/2)/(0.4s+1)可求的g(t)=6.25e^(-t/0.4),是一个单调递减的函数。 两种环境下得到的曲线图不一致。 2）二阶系统的单位阶跃响应 二阶系统的闭环传递函数标准形式为 2 22 2)(n n n s s s G ωζωω++= 其阶跃响应可以分以下情况解出 ①当0=ζ时，系统阶跃响应为 )cos(1)(t t c n ω-= ②当10<<ζ时，系统阶跃响应为 )sin(111)(2 θωζ ζω+--=- t e t c d t n 其中ζζθ/121-=-tg ，21ζωω-=n d ③当1=ζ时，系统阶跃响应为 t n n e t t c ωω-+-=)1(1)( ④当1>ζ时，系统阶跃响应为 ???? ??---=21 2 21121)(λλζωλλt t n e e t c 其中121---=ζζλ，122-+-=ζζλ （1）自然角频率1=n ω 选取不同阻尼比=ζ0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,2.0，用MATLAB 得到二阶系统阶跃响应
精 品 资 料 利用MATLAB 绘制二阶控制系统的单位阶跃响应曲线 作者：张宇涛 张怀超 陈佳伟 一：课设目的和意义 （1） 学习控制系统的单位阶跃响应。 （2） 记录单位阶跃响应曲线。 （3） 比较阻尼比zeta 为不同值时曲线的变化趋势。 （4） 掌握二阶系统时间响应分析的一般方法。 二：理论分析 （1）典型二阶系统的结构图如图1所示。 不难求得其闭环传递函数为 2 222)()()(n n n B s s R s Y s G ωζωω++== 其特征根方程为222n n s ωζω++=0 方程的特征根: 222n n s ωζω++=0))(()1)(1(212 1=--=++s s s s T s T s 式中, ζ称为阻尼比; n ω称为无阻尼自然振荡角频率(一般为固有的)。当ζ为不同值时，所对应的单位阶跃响应有不同的形式。 （2）二阶系统单位阶跃响应的三种不同情况 a.过阻尼二阶系统的单位阶跃响应（ζ>1） 在阻尼比ζ>1的条件下，系统的特征方程有两个不相等的实数极点。
222n n s ωζω++=0))(()1)(1(212 1=--=++s s s s T s T s 式中1T =;)1(1 2--ζζωn =2T ) 1(1 2-+ζζωn 。 此时，由于ζ>1，所以1T 和2T 均为实数，2 121T T n =ω。 当输入信号为单位阶跃输入时，系统的输出响应如下： ) /1)(1/(1)/1)(1/(11)()()(221112T s T T T s T T s s R s G s Y B +-++-+== 对上式进行拉普拉斯反变换，可得 t T t T e T T e T T t y 211 211121/11/11)(---+-+= b ．临界阻尼时的单位阶跃响应（ζ=1） 此时闭环系统的极点为n n s s ωζω-=-==21 此时系统的单位阶跃响应为)1(1)(t e t y n t n ωω+-=- c ．欠阻尼时的单位阶跃响应(0<ζ<1) 当0<ζ<1时,系统处于欠阻尼状态。其闭环极点为： S=n ζω-d j ω± 21ζωω-=n d 求得单位阶跃响应： Y(s)= )()(s R s G B =()()22221d n n d n n s s s s ωζωζωωζωζω++-+++- 设21sin ,cos ζβζβ-== 对上式进行拉普拉斯反变换,可得其时间响应为 )1arctan sin(112 2ζζωζω-+---t e d t n 特别地,当ζ=0时,有 t t t y n n ωωcos -1)90sin(1)(=?+-= 这是一条平均值为1的正.余弦形式的等幅振荡。
11级自动控制原理实验二 姓名：陈泉 学号：1104130103 班级：楼宇自动化01班 2013年11月26日星期二
1、标准二阶系统的阶跃响应及性能分析 考虑图2.2所示的标准二阶系统，假设ωn=1（这等价于ωn t为自变量），利用程序lab.3_1.m观察ζ=0.1,0.2,0.4,0.7,1.0,2.0时的系统单位阶跃响应，估计各自对应的性能水平，并将其与理论值进行比较。 解：Lab.3_1.m程序如下 t=[0:0.1:12]; num=[1]; zeta1=0.1; den1=[1 2*zeta1 1]; sys1=tf(num,den1); zeta2=0.2; den2=[1 2*zeta2 1]; sys2=tf(num,den2); zeta3=0.4; den3=[1 2*zeta3 1]; sys3=tf(num,den3); zeta4=0.7; den4=[1 2*zeta4 1]; sys4=tf(num,den4); zeta5=1.0; den5=[1 2*zeta5 1]; sys5=tf(num,den5); zeta6=2.0; den6=[1 2*zeta6 1]; sys6=tf(num,den6); [y1,T1]=step(sys1,t); [y2,T2]=step(sys2,t); [y3,T3]=step(sys3,t); [y4,T4]=step(sys4,t); [y5,T5]=step(sys5,t); [y6,T6]=step(sys6,t); plot(T1,y1,T2,y2,T3,y3,T4,y4,T5,y5,T6,y6)
林美花（1班）学号：200900192029 二、1：. 在过阻尼情况下，典型二阶系统有两个相异的实数极点，其阶跃响应实际上是两个一阶系统响应的叠加。请以例【3－1】中的系统为例（ωn＝5），不断增大ζ值，观察每个ζ值下两个实数极点间的距离；同时绘出两个实数极点分别对应的一阶系统响应和二阶系统的响应，观察它们间的关系。你能得出什么结论？为什么？ 解：（1）根据理论推算两实数极点之间的距离为2*ωn*（ζ2-1）0.5 ，所以增大ζ值，两个实数极点间的距离随之增大。 （2）源程序如下： clc; clear; wn=5; num=wn^2; zeta=[1.1:0.1:2.0]; for i=1:10 figure(i) hold on s1=-zeta(i)*wn+wn*(zeta(i)^2-1)^0.5; s2=-zeta(i)*wn-wn*(zeta(i)^2-1)^0.5; num1=wn^2/(s1-s2); num2=-wn^2/(s1-s2); den=[1,2*zeta(i)*wn,wn^2];
step(num,den) den=[1,-s1]; step(num1,den) den=[1,-s2]; step(num2,den) hold off end title('stepresponse')
结论：在过阻尼的状态下，由图像可知其阶跃响应实际上是两个一阶系统响应的叠加。随着ζ的不断增加，一个极点不断靠近原点，另一个不断远
离。当两个极点相距较近时，对阶跃响应产生的影响都不能忽略。ζ的增大使不断远离原点的极点所产生的影响越来越小，最后趋近于零。当两个极点的绝对值之比达到某一倍数（五倍）以上时，则可以忽略离虚轴较远的极点的影响，将二阶系统近似为一阶系统来考虑。同理，在考虑高阶问题时可以找到主导极点，可以降阶处理，化简运算。 二、2：请绘制出图3-21。根据典型二阶系统的脉冲响应，可以分析出系统的哪些暂态性能指标，为什么？ 解： clc; clear; wn=5; num=wn^2; zeta=[0.1:0.2:0.7,1.0]; figure(1) hold on for i=1:5 den=[1,2*zeta(i)*wn,wn^2]; impulse(num,den) end hold off title('stepresponse')
实验二 二阶系统的阶跃响应实验报告 1．实验的目的和要求 1）掌握二阶控制系统的电路模拟方法及其动态性能指标的测试技术； 2）定量分析二阶控制系统的阻尼比ξ和无阻尼自然频率n ω对系统动态性能的影响； 3）加深理解“线性系统的稳定性只与其结构和参数有关，而与外作用无关”的性质； 4）了解与学习二阶控制系统及其阶跃响应的MATLAB 仿真。 2．实验内容 1）分析典型二阶系统2222)(n n n s s s G ωξωω++=的ξ（ξ取值为0、0.25、0.5、1、 1.2……）和n ω(n ω取值10、100……)变化时，对系统阶跃响应的影响。 2）典型二阶系统，若0.707ξ=，1 10n s ω-=，确定系统单位阶跃响应的特征量%σ、r t 和s t 。 3．需用的仪器 计算机、Matlab6.5编程软件 4．实验步骤 1）利用MA TLAB 分析n ω=10时ξ变化对系统单位阶跃响应的影响。 观察并记录响应曲线，根据实验结果分析ξ变化对系统单位阶跃响应的影响。 2）利用MA TLAB 分析ξ=0时n ω变化对系统单位阶跃响应的影响。 观察并记录响应曲线，根据实验结果分析n ω变化对系统单位阶跃响应的影响。 3）利用MA TLAB 计算特征量%σ、r t 和s t 。 5．教案方式 讲授与指导相结合 6．考核要求 以实验报告和实际操作能力为依据 7．实验记录及分析 1）程序： 》t=[0:0.01:10]。 y1=step([100],[1 0 100],t)。 y2=step([100],[1 5 100],t)。 y3=step([100],[1 10 100],t)。 y4=step([100],[1 20 100],t)。 y5=step([100],[1 80 100],t)。 subplot(3,2,1)。 plot(t,y1,'-')。
基于m精编b的二阶系统的阶跃响应曲线分析 集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）
利用MATLAB 绘制二阶控制系统的单位阶跃响应曲线 作者：张宇涛 张怀超 陈佳伟 一：课设目的和意义 （1） 学习控制系统的单位阶跃响应。 （2） 记录单位阶跃响应曲线。 （3） 比较阻尼比zeta 为不同值时曲线的变化趋势。 （4） 掌握二阶系统时间响应分析的一般方法。 二：理论分析 （1）典型二阶系统的结构图如图1所示。 不难求得其闭环传递函数为 其特征根方程为222n n s ωζω++=0 方程的特征根: 222n n s ωζω++=0))(()1)(1(212 1=--=++s s s s T s T s 式中, ζ称为阻尼比; n ω称为无阻尼自然振荡角频率(一般为固有的)。 当ζ为不同值时，所对应的单位阶跃响应有不同的形式。 （2）二阶系统单位阶跃响应的三种不同情况 a.过阻尼二阶系统的单位阶跃响应（ζ>1） 在阻尼比ζ>1的条件下，系统的特征方程有两个不相等的实数极点。 222n n s ωζω++=0))(()1)(1(212 1=--=++s s s s T s T s
式中1T =;)1(12--ζζωn =2T )1(1 2-+ζζωn 。 此时，由于ζ>1，所以1T 和2T 均为实数，2121T T n = ω。 当输入信号为单位阶跃输入时，系统的输出响应如下： 对上式进行拉普拉斯反变换，可得 b ．临界阻尼时的单位阶跃响应（ζ=1） 此时闭环系统的极点为n n s s ωζω-=-==21 此时系统的单位阶跃响应为)1(1)(t e t y n t n ωω+-=- c ．欠阻尼时的单位阶跃响应(0<ζ<1) 当0<ζ<1时,系统处于欠阻尼状态。其闭环极点为： S=n ζω-d j ω± 21ζωω-=n d 求得单位阶跃响应： Y(s)= )()(s R s G B =()()22221 d n n d n n s s s s ωζωζωωζωζω++-+++- 设21sin ,cos ζβζβ-== 对上式进行拉普拉斯反变换,可得其时间响应为 特别地,当ζ=0时,有 这是一条平均值为1的正.余弦形式的等幅振荡。 三：仿真验证 已知二阶系统传递函数 假设n ω=1，我们绘制出当阻尼比ζ分别为0，0.2，0.4，0.6，0.8， 1.0， 2.0时系统的单位阶跃响应曲线。