《现代控制理论》课程实验教学大纲
课程名称：现代控制理论（Modern Control Theory）
课程编号：021471
课程性质：非独立设课
课程属性：专业基础课
实验教材或指导书名称：自动控制理论实验指导书（自编）
课程总学时：36 学分： 2 实验学时：4
面向专业：自动化专业（A）
实验室名称：电气工程与控制实验教学中心
一、课程简介：
《现代控制理论》是自动化专业的一门重要的专业基础课，同时也是专业的主干课程，其任务让学生掌握分析与综合自动控制系统的另一种基础理论与方法。本课程为自动控制理论中的现代控制理论部分，其主要内容有：系统状态空间表达式的建立；状态方程的求解；系统的能控性和能观性；李雅普诺夫判别稳定性方法的原理及用其分析线性系统的稳定性；控制系统的综合，包括极点配置及状态观测器等。
二、课程实验目的与要求：
1. 本门课程理论性强，较抽象难懂，要求学生通过实验，验证所学理论，通过理论联系实际，学好本课程。
2. 要求学生掌握用状态反馈配置极点的实验线路，能用运算放大器及阻容元件构成状态观测器的模拟系统。
3. 进一步提高学生正确使用有关仪表及实验装置能力、动手能力、分析实际问题能力和初步科研能力，培养科学和严谨的工作作风。
三、考试（考核）方式：
根据学生实验情况及实验报告，评定其实验成绩，并作为平时成绩的一部分，占课程总成绩的5%。在笔试中，实验内容亦占考试内容的5%左右。
四、主要仪器设备及台（套）数：
1．自动控制理论成套模拟实验装置，不少于30套；
2．与实验装置配套计算机，不少于30台；
3．通用测量仪器，包括数字示波器2台、函数记录仪2台、万用表5个。
五、主要参考书目：
刘豹. 现代控制理论.北京：机械工业出版社，1999年5月第2版；
六、实验项目：
序号 实验项目名称 实验主要内容 实验类型 计划学时 各专业开出要求 实验者类别 每组人数 必做 选做
现代控制理论基础实验
电动机速度控制系统如下图虚线框部分所示，设计状态反馈控制器K，使得系统跟踪单位阶跃指令时无静态误差，超调量sts1%,5%。要求写出详细的设计步骤，给出仿真设计系统原理框图，给出仿真的输出波形图和误差波形图。此次实验报告作为平时成绩，要求独立完成设计，发现完全照抄的实验报告，将同时记0分。实验报告给出电子版一份发到QQ邮箱，同时提交一份纸质签名报告。
Power AmpMotor InitMotor ElecComp UnitInstruct0.10.05s+1Transfer Fcn3110sTransfer Fcn110.5s+1Transfer FcnStepScope-K-Gain5-K-Gain4-K-Gain30.2Gain20.5Gain11Gaindu/dtDerivative0.5Constant1
图一 现代控制理论基础仿真实验系统
图二 现代控制理论基础仿真实验系统（简化）
昆明理工大学机电学院机械工程专业研究生实验
《现代控制工程》
MATLA实 验指导书
昆明理工大学机电工程学院
现代控制工程》 MATLAB 实验指导书
1 MATLAB 概述
MATLAB 是 MA Trix LABoratory 的缩写，早期主要用于现代控制中复杂的矩阵、向量 的各种运算。 由于 MA TLAB 提供了强大的矩阵处理和绘图功能， 很多专家因此在自己擅长 的领域用它编写了许多专门的 MATLAB 工具包( toolbox )，如控制系统工具包( control systems toolbox )；系统辨识工具包( system identification toolbox )；信号处理工具包( signal processing toolbox )；鲁棒控制工具包( robust control toolbox )；最优化工具包 (optimization toolbox )等等。由于 MA TLAB 功能的不断扩展，所以现在的 MATLAB 已不仅仅局限与现 代控制系统分析和综合应用，它已是一种包罗众多学科的功能强大的“技术计算语言( The
Language of Technical Computing )”。
MathWorks 公司于 1992 年推出了具有划时代意义的 MATLAB 4.0 版本，并推出了交 互式模型输入与仿真系统 SIMULINK ，它使得控制系统的仿真与 CAD 应用更加方便、快 捷，用户可以方便地在计算机上建模和仿真实验。
1997 年 MathWorks 推出的 MA TLAB 5.0 版允许了更多的数据结构， 1999 年初推出
MATLAB 6.0 。最新版本是 MA TLAB7.0 。
MATLAB 以矩阵作为基本编程单元，它提供了各种矩阵的运算与操作，并有较强的绘 图功能。
MATLAB 集科学计算、图像处理、声音处理于一身，是一个高度的集成系统，有 良好的用户界面，并有良好的帮助功能。 MA TLAB 不仅流行于控制界，在机械工程、生物
现代控制理论
姓名： 滕翔
学号： 10051321
班级： 自动化10-3班
一、 实验内容：
已知系统传递函数
1. 用 Simulink 对该系统进行实现
能控性实现
串联实现
能观性实现（选做）
并联实现（选做）
2. 以上述系统的串联实现为基础，实验研究：
系统在初始条件作用下的状态响应和输出响应
系统在阶跃输入信号作用下的状态响应和输出响应
分析系统在状态空间坐标原点的稳定性
3. 以上述系统的串联实现为基础，设计状态反馈控制器
要求：系统输出的最大超调量，调节时间ts=1秒仿真分析系统的实际工作效果，由系统输出的实际阶跃响应曲线计算最大超调量、调节时间、稳态误差等系统的性能参数分析该系统在输出比例控制下是否会存在稳态误差？状态反馈控制下是否会存在稳态误差？分析出现这种差异的原因，讨论消除状态反馈稳态误差的方法。
4. 以上述系统的串联实现为基础，设计系统的全维状态观测器，观测器极点全
为-4，仿真分析在原系统和观测器系统初始条件相同和不同时，观测状态与原
状态变量的差值随时间变化的情况，例如改变观测器极点配置到-9，结果有何不同？
5. 结合以上 3、4 的结果，应用观测状态实现状态反馈控制对比分析实际状态反馈与观测状态反馈系统控制效果的异同。 6. 选做降维观测器设计及状态反馈
实验平台采用 MATLAB 及Simulink 工具，注意：实验过程中要善于应用 MATLAB 控制系统工具箱的工具。
二、 实验过程，结果及分析：
1.用 Simulink 对该系统进行实现
能控性实现
(1)
(2) 很容易就可以得到能控Ⅰ型实现，状态空间表达式如下：
(3) 由上述表达式可得结构模拟图如下：-5
-6 66uy
(4) 根据结构模拟图在simulink中仿真子系统如下图：
串联实现
(1)
(2) 由上式很容易得到结构模拟图如下：
