控制工程基础综合实验指导书

控制工程实验指导书周志2006年9月概述自本世纪30年代以来，自动化技术获得了惊人的成就，已在工业和国民经济各行各业起着关键的作用。

自动化水平已成衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。

自动控制按输入量的变化规律分类，可分恒值控制系统（Fixed Set-Point Control System）、随动控制系统（Follow-Up Control System）、过程控制系统（Process Control System）。

过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。

在现代化工业生产过程中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。

学生通过该实验课程后，可掌握下列内容：1、自动化仪表的初步使用。

2、变频器的基本工作原理和初步使用。

3、测定控制对象特性的方法。

4、单回路控制系统的参数整定。

5、复杂控制回路系统的参数整定。

6、控制参数对控制系统品质指标的影响。

7、控制系统的设计、计算、分析、接线、投运等综合能力。

实验的基本程序：1、明确实验任务；2、提出实验方案；3、画实验接线图；4、进行实验操作，作好观测和记录；5、整理实验数据，得出结论，撰写实验报告。

在进行本书中的综合实验时，上述程序应尽量让学生独立完成，教师给予必要的指导，以培养学生的实验能力。

要做好各主题实验，就应做到：实验前有准备；实验中有条理；实验后有分析。

第一章硬件设备的介绍PCT—I型过程控制实验装置是基于工业过程物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置。

系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识、单回路控制、串级控制、前馈控制、比值控制等多种控制形式。

第一节水箱实验装置由被控对象和控制回路两部分组成。

运动控制工程基础实验指导书实验目的该实验指导书旨在帮助学生掌握运动控制工程的基本知识和技能，通过实际操作提升学生对运动控制工程的理解和实践能力。

实验要求1. 学生需提前研究相关的理论知识，包括运动控制算法、控制器的原理和示波器的使用方法。

2. 学生需具备一定的电路基础和编程基础，能够独立完成实验设备的搭建和程序的编写。

3. 学生需按照实验指导书的步骤进行实验，并记录实验数据和观察结果。

实验设备1. 运动控制器：型号 XYZ-1232. 电机：型号 ABC-4563. 示波器：型号 DEF-789实验步骤1. 连接电路：将运动控制器与电机和示波器正确连接，并确保电路连接稳固。

2. 编写程序：使用指定的编程软件编写控制程序，实现电机的运动控制。

3. 调试程序：通过示波器观察电机的运动情况，调试程序以确保电机的运动符合预期。

4. 记录数据：记录实验中的关键数据，包括电机的运动速度、加速度等参数。

5. 分析结果：根据实验数据和观察结果，分析电机的运动特性和控制效果。

实验注意事项1. 进行实验时需注意安全，避免电路短路和故障，遵守实验室安全规定。

2. 实验过程中如遇到问题，应及时寻求指导老师的帮助。

3. 完成实验后，应将实验设备归位并保持实验室整洁。

实验评估本实验将根据学生的实验数据和报告来评估学生对运动控制工程的理解和实践能力。

学生需撰写实验报告，包括实验目的、步骤、数据和结果分析等内容。

参考资料- 《运动控制工程实践指南》- 《控制理论基础》教材第三章以上为《运动控制工程基础实验指导书完整版》的内容，请学生按照指导书的要求进行实验。

实验二二阶系统的瞬态响应分析一、实验目的1、熟悉二阶模拟系统的组成。

2、研究二阶系统分别工作在ξ=1，0<ξ<1，和ξ> 1三种状态下的单位阶跃响应。

3、分析增益K对二阶系统单位阶跃响应的超调量σP、峰值时间tp和调整时间ts。

4、研究系统在不同K值时对斜坡输入的稳态跟踪误差。

5、学会使用Matlab软件来仿真二阶系统，并观察结果。

二、实验仪器1、控制理论电子模拟实验箱一台；2、超低频慢扫描数字存储示波器一台；3、数字万用表一只；4、各种长度联接导线。

三、实验原理图2-1为二阶系统的原理方框图，图2-2为其模拟电路图，它是由惯性环节、积分环节和反号器组成，图中K=R2/R1，T1=R2C1，T2=R3C2。

图2-1 二阶系统原理框图图2-1 二阶系统的模拟电路由图2-2求得二阶系统的闭环传递函1222122112/() (1)()/O i K TT U S K U S TT S T S K S T S K TT ==++++ :而二阶系统标准传递函数为(1)(2), 对比式和式得n ωξ==12 T 0.2 , T 0.5 , n S S ωξ====若令则。

调节开环增益K 值，不仅能改变系统无阻尼自然振荡频率ωn 和ξ的值，可以得到过阻尼(ξ>1)、临界阻尼（ξ=1）和欠阻尼（ξ<1）三种情况下的阶跃响应曲线。

（1）当K >0.625， 0 < ξ < 1，系统处在欠阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为：图2-3 0 < ξ < 1时的阶跃响应曲线（2）当K =0.625时，ξ=1，系统处在临界阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为：如图2-4为二阶系统工作临界阻尼时的单位响应曲线。

(2) +2+=222nn nS S )S (G ωξωω1()1sin( 2-3n to d d u t t tgξωωωω--=+=式中图为二阶系统在欠阻尼状态下的单位阶跃响应曲线etn o n t t u ωω-+-=)1(1)(图2-4 ξ=1时的阶跃响应曲线（3）当K < 0.625时，ξ> 1，系统工作在过阻尼状态，它的单位阶跃响应曲线和临界阻尼时的单位阶跃响应一样为单调的指数上升曲线，但后者的上升速度比前者缓慢。

XX学院实验指导书课程编号：课程名称：《控制工程基础》实验学时： 4 适用专业：车辆工程专业制定人：制（修）订时间： 2020年7月专业负责人审核：专业建设工作组审核：2020年 7月实验纪律要求1.明确实习目的、端正态度、严格遵守校纪校规。

2.努力完成各项实习任务。

3.服从指导老师和实验室管理人员安排。

4.不迟到、不早退。

5.实习期间不穿拖鞋，做好自我身体安全保护，女生长发要扎起。

6.不做危险有害他人身体健康的事情。

7. 学生在实习场地内未经许可不准随意搬动机件和乱按电器开关，损坏自赔，严格遵守有关的规章制度。

第一部分实验大纲一、教学目的与基本要求《控制工程基础》是车辆工程本科专业一门主要的专业选修课。

因其较强的理论性、应用性及实践性，故应充分重视实验教学。

要求学生在实验中发现问题，解决问题，加深对理论知识的理解和应用。

目的使学生建立经典控制理论的思维，掌握和了解其基本理论、研究方法，培养运用控制的理论、方法去解决工程实际问题的能力。

通过教学实验使学生了解MATLAB软件环境和使用方法，能够应用MATLAB进行建模仿真，研究控制系统的时域频域仿真分析。

二、实验内容和学时分配三、实验成绩评定、考核办法1．实验报告（1）每个学生按照实验课内容自己总结实验的结果及实验中遇到问题的处理办法；（2）按照规定的时间，上交实验报告。

2．考核方式（1）实验课成绩按照提交的实验报告内容给出，不再进行单独的考核评定。

（2）实验课成绩按照一定的百分比折合到学生的平时成绩中。

四、参考资料（参考书、网络资源等）1．使用教材及实验指导书《控制工程基础》，董景新赵长德等主编，清华大学出版社，2016。

实验指导书：自编。

2. 主要参考书《自动控制原理》，余成波、张莲等主编，清华大学出版社《控制工程基础》，杨秀萍主编，机械工业出版社第二部分 单元实验实验（项目）一 控制系统时域仿真和稳定性研究凡是能用二阶微分方程描述的控制系统，都称为二阶控制系统。

控制工程基础实验指导书自控原理实验室编印（内部教材）实验项目名称：（所属课程：）院系：专业班级：姓名：学号：实验日期：实验地点：合作者：指导教师：本实验项目成绩：教师签字：日期：（以下为实验报告正文）一、实验目的简述本实验要达到的目的。

目的要明确，要注明属哪一类实验（验证型、设计型、综合型、创新型）。

二、实验仪器设备列出本实验要用到的主要仪器、仪表、实验材料等。

三、实验内容简述要本实验主要内容，包括实验的方案、依据的原理、采用的方法等。

四、实验步骤简述实验操作的步骤以及操作中特别注意事项。

五、实验结果给出实验过程中得到的原始实验数据或结果，并根据需要对原始实验数据或结果进行必要的分析、整理或计算，从而得出本实验最后的结论。

六、讨论分析实验中出现误差、偏差、异常现象甚至实验失败的原因，实验中自己发现了什么问题，产生了哪些疑问或想法，有什么心得或建议等等。

七、参考文献列举自己在本次准备实验、进行实验和撰写实验报告过程中用到的参考文献资料。

格式如下:作者，书名（篇名），出版社（期刊名），出版日期（刊期），页码实验一 控制系统典型环节的模拟一、实验目的1、掌握比例、积分、实际微分及惯性环节的模拟方法；2、通过实验熟悉各种典型环节的传递函数和动态特性；3、了解典型环节中参数的变化对输出动态特性的影响。

二、实验仪器1、控制理论电子模拟实验箱一台；2、超低频慢扫描数字存储示波器一台；3、数字万用表一只；4、各种长度联接导线。

三、实验原理以运算放大器为核心元件，由其不同的R-C 输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图1-1所示。

图中Z1和Z2为复数阻抗，它们都是R 、C 构成。

图1-1 运放反馈连接基于图中A 点为电位虚地，略去流入运放的电流，则由图1-1得：21()o i u ZG s u Z ==-（1-1） 由上式可以求得下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应。

1、比例环节实验模拟电路见图1-2所示图1-2 比例环节传递函数：21()R G s K R =-=- 阶跃输入信号：-2V 实验参数：（1） R 1=100K R 2=100K （2） R 1=100K R 2=200K 2、 惯性环节实验模拟电路见图1-3所示图1-3 惯性环节传递函数：2212211211()11R CS R Z R K CS G s Z R R R CS TS +=-=-=-=-++阶跃输入：-2V 实验参数：（1） R 1=100K R 2=100K C=1µ f23、积分环节实验模拟电路见图1-4所示图1-4 积分环节传递函数：21111()Z CS G s Z R RCS TS=-=-=-= 阶跃输入信号：-2V 实验参数：（1） R=100K C=1µ f （2） R=100K C=2µ f 4、比例微分环节实验模拟电路见图1-5所示图1-5 比例微分环节传递函数：22211111()(1)(1)1D Z R R G S R CS K T S R Z R CS R CS =-=-=-+=-++ 其中 T D =R 1C K=12R R 阶跃输入信号：-2V 实验参数：12（2）R1=100K R2=200K C=1µ f四、实验内容与步骤1、分别画出比例、惯性、积分、比例微分环节的电子电路；2、熟悉实验设备并在实验设备上分别联接各种典型环节；3、按照给定的实验参数，利用实验设备完成各种典型环节的阶跃特性测试，观察并记录其单位阶跃响应波形。

《控制工程基础》MATLAB仿真实验报告姓名：____________学号：________（实验报告提交时实验原理部分只需要留标题，内容可不打印,打印时删除）湖北民族学院理学院2011年8月目录实验一控制系统应用软件学习使用及典型控制系统建模分析 (1)实验二一、二阶系统时域特性分析 (13)实验三控制系统频域特性分析 (8)实验四控制系统稳定性仿真 (11)实验一控制系统应用软件学习使用及典型控制系统建模分析一、实验目的1.掌握MATLAB软件使用的基本方法；2.熟悉MATLAB的数据表示、基本运算和程序控制语句；3.熟悉MATLAB程序设计的基本方法。

4.学习用MATLAB创建控制系统模型。

二、实验原理1.MATLAB的基本知识MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）之意。

MATLAB具有卓越的数值计算能力，具有专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,与工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。

当MATLAB 程序启动时，一个叫做MATLAB 桌面的窗口出现了。

默认的MATLAB 桌面结构如下图所示。

在MATLAB 集成开发环境下，它集成了管理文件、变量和用程序的许多编程工具。

在MATLAB 桌面上可以得到和访问的窗口主要有：命令窗口（The Command Window）:在命令窗口中，用户可以在命令行提示符(>>)后输入一系列的命令，回车之后执行这些命令，执行的命令也是在这个窗口中实现的。

命令历史窗口（The Command History Window）:用于记录用户在命令窗口(The Command Windows)，其顺序是按逆序排列的。

即最早的命令在排在最下面，最后的命令排在最上面。

这些命令会一直存在下去，直到它被人为删除。

昆 明 理 工 大 学《控制工程基础》实验指导书编 者：郑华文 王 娴 刘 畅机 电 工 程 学 院2010年 10 月注意事项1实验前，必须认真作好实验准备，根据实验要求，设计实验方案并且进行必要的理论分析，方案经教师审核通过后才能进实验室实验。

2熟悉相关实验仪器、实验板的使用方法。

3不允许在带电的情况下插拔实验板上相关的电子元件、接线，插拔电子元件和接线等操作时必须在确认实验板断电后进行，当实验电路连接完毕并检查无误后，才可对实验板通电。

实验仪器开机预热5~10 分钟，在接入实验板前应将量程选择到合适的档位。

实验评分标准实验成绩按在实验室学生的实际操作情况和实验报告情况综合评分1）实验实作成绩评分以学生在实验室中完成实验内容、实验要求和试验结果等给出评定成绩，评定按：不及格、及格、良好、优秀2）实验报告成绩按照学生完成实验报告的要求，实验结果的分析等情况评定成绩，不及格（60以下）、及格（70）、良好（80）、优秀(90)。

实验内容实验一、主要控制环节的计算机仿真实验二、典型环节的实验分析实验三、一阶系统、二阶系统的时域和频域特性分析实验一、典型控制系统的计算机仿真一、实验目的利用Matlab软件的控制系统仿真工具包SIMULINK组成简单连续系统，构建常见典型控制环节，并进行计算机的动态仿真，观察当参数发生改变时系统在阶跃响应的时域波形。

本实验针对机械工程控制理论的实验教学要求，对典型控制环节（比例、积分、比例积分、惯性）、一阶、二阶系统在不同输入下的响应，重点是系统的阶跃响应，观察在系统参数发生改变时的阶跃响应信号的变化，得到典型环节的时域特性曲线，观察相应曲线的特征参数以便于后续实验的理论分析和实验结果对比。

二、实验要求利用MATLAB中的SIMULINK工具包对典型环节进行模拟。

使用该软件包构建的系统模块可以直观地描述系统的典型环节，用于对系统进行可视化、动态仿真，适用于连续系统和离散系统，也可用于线性系统和非线性系统。

控制工程基础实验指导Experiment Guidebook to Control Engineering西北工业大学2012年10月试验一．MATLAB 仿真实验一、实验目的1.掌握使用MATLAB工具进行控制系统仿真分析；2.掌握使用MATLAB工具进行控制系统综合与校正。

二、实验装置及用具CAD 实验室的PC 计算机已经安装了MATLAB 6.5，在计算机上进行控制系统仿真实验。

三、实验内容3.1 一阶系统的仿真图1 一阶系统(1)推导并写出图1所示的一阶系统的传递函数U c(s)/U r(s), 图中，R4 = R5=20KΩ，R3 =1MΩ，C =1μF，R1 = 20KΩ，而R2有三种选择，即①R2 = 20KΩ；②R2 = 200KΩ；③R2 = 2KΩ。

(2)利用MATLAB 仿真，画出Ur 为单位阶跃输入时，输出U C的时域响应曲线，系统的频率特性（BODE 图和乃氏图），说明物理系统的线性区（运算放大器电源电压为±15V ）。

3.2 二阶系统的仿真(1) 推导并写出图2所示的二阶系统的传递函数U c(s)/U r(s)，说明选取不同的R5会有不同的阻尼比ξ。

图中，R1 =1MΩ，C = 0.1μF，R3 =100KΩ，R4 =100KΩ，而R5有三种选择，即①R5 = 40KΩ；②R5 =100KΩ；③R5 =140KΩ。

图2 二阶系统（2）利用MATLAB 仿真，画出U r 为单位阶跃输入时，输出U C的时域响应曲线；利用MATLAB 仿真，画出不同阻尼比的ξ系统的频率特性（Bode 图和乃氏图），根据这个Bode 图，分析二阶系统的主要动态特性（M P ,t s）。

3.3 三阶系统的稳定性研究（1）图3是由三个时间常数一致的惯性环节组成的三阶系统，试推导其闭环传递函数U c(s)/U r(s)，说明开环增益K 为8 时系统处于临界稳定；图中，R3 = 200K，C = 0.1μF，R1 = 50KΩ，R X 是470KΩ的电位计，可调节第二个运算放大器的放大倍数，从0.38 变化到4。

机械控制工程基础实验指导书机械工程系路连编2006年1月实验一MATLAB初步及时域分析一、实验目的1、熟悉MATLAB实验环境，练习MATLAB常见命令、学会建立.m文件等基本操作。

2、学会利用MATLAB建立系统的基本数学模型并进行基本模型转换和合并。

3、学会利用MATLAB分析时间响应。

二、实验设备1．MATLAB软件一套2．电脑一台三、实验原理MATLAB环境是一种为数值计算、数据分析和图形显示服务的交互式的环境。

MATLAB 有3种窗口，即：命令窗口（The Command Window）、m文件编辑窗口（The Edit Window）和图形窗口（The Figure Window），而Simulink另外又有Simulink模型编辑窗口。

1．命令窗口（The Command Window）当MA TLAB启动后，出现的最大的窗口就是命令窗口。

用户可以在提示符“>>”后面输入交互的命令，这些命令就立即被执行。

在MATLAB中，一连串命令可以放置在一个文件中，不必把它们直接在命令窗口内输入。

在命令窗口中输入该文件名，这一连串命令就被执行了。

因为这样的文件都是以“.m”为后缀，所以称为.m文件。

2．.m文件编辑窗口（The Edit Window）我们可以用.m文件编辑窗口来产生新的.m文件，或者编辑已经存在的.m文件。

在MATLAB主界面上选择菜单“File/New/M-file”就打开了一个新的.m文件编辑窗口；选择菜单“File/Open”就可以打开一个已经存在的.m文件，并且可以在这个窗口中编辑这个.m 文件。

3．图形窗口（The Figure Window）图形窗口用来显示MATLAB程序产生的图形。

图形可以是2维的、3维的数据图形，也可以是照片等。

Simulink是MA TLAB的一个部件，它为MATLAB用户提供了一种有效的对反馈控制系统进行建模、仿真和分析的方式。

控制工程基础综合实验指导书武汉理工大学机电工程学院2006年11月控制系统设计及PID控制和调节一、实验目的1、学习利用实验探索研究控制系统的方法；2、学会控制系统数学模型的建立及仿真；3、熟悉并掌握控制系统频域特性的分析；4、采用PID算法设计磁悬浮小球控制系统；5、了解PID控制规律和P、I、D参数对控制系统性能的影响；6、学会用Simulink来构造控制系统模型。

二、实验仪器1、计算机1台2、MATLAB 6.5 1套三、实验内容在Matlab中Simulink环境下，建立控制系统的方框图，进行仿真，调整PID参数，观察系统瞬态响应和稳态响应的变化，并记录几组PID参数作为实际系统控制参数。

四、实验原理首先从理论上对磁悬浮小球系统进行数学建模，采用PID算法设计调节器，在MA TLAB平台仿真获得适当的PID参数范围，并进行频域分析，观察并记录实验仿真结果。

1、系统建模及仿真（利用课外时间完成，参考材料：物理力学、电磁学）磁悬浮小球系统简介：它主要由铁芯、线圈、位置传感器、放大器、控制器和控制对象小球组成，系统开环结构如图所示。

控制要求：调节电流，使小球的位置x 始终保持在平衡位置。

下面来建立其控制系统传递函数。

忽略小球受到的其它干扰力，则受控对象小球在此系统中只受电磁吸力F 和自身重力mg 。

球在竖直方向的动力学方程可以如下描述：()()()1,22x i F mg dt t x d m -=式中：x ——磁极到小球的气隙，单位m ；m ——小球的质量，单位Kg ；F(i,x)——电磁吸力，单位N ；g ——重力加速度，单位m/s 2。

由磁路的基尔霍夫定律、毕奥-萨格尔定律和能量守恒定律，可得电磁吸力为：()()22,220⎪⎭⎫⎝⎛-=x i AN x i F μ式中：μ0——空气磁导率，4πX10-7H/m ；A ——铁芯的极面积，单位m 2；N ——电磁铁线圈匝数；x ——小球质心到电磁铁磁极表面的瞬时气隙，单位m ；i ——电磁铁绕组中的瞬时电流，单位A 。

控制工程基础实验指导书目录实验一典型环节的电路模拟┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈3 实验二二阶系统动态性能和稳定性分析┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈6 实验三控制系统根轨迹分析┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈9 实验四控制系统的频率特性测量┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈10 实验五控制系统串联校正┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈14 附录一 ACCT-III自动控制原理实验箱简介┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈18 附录二软件界面及实验参考设置┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈21 附录三 MATLAB语言┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈25实验一 二阶系统动态性能和稳定性分析一、实验目的1．学习和掌握时域性能指标的测试方法。

2．研究二阶系统参数（ξ、ωn ）对系统动态性能和稳定性的影响。

二、实验设备1．ACCT-Ⅲ型自动控制理论实验箱 一台 2．方正电脑 一套 3．螺丝刀 一把三、实验原理及线路线性二阶系统的方块结构图如图1所示：其开环传递函数为1()(1)K G S S T S =+，10KK T =其闭环传递函数标准型为222()2n n nW s S S ωξωω=++,取如下二阶系统的模拟电路，图2中参数关系 图1 方块图图2 二阶系统模拟电路102,1R R C R n ==ξω，R0=100K 。

改变图2系统元件参数R1和电容C 大小，即可改变系统的ξ、ωn ， 由此来研究不同参数特征下的时域响应。

图3a 、图3b 、图3c 分别对应二阶系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼三种情况下的阶跃响应曲线：图3a 图3c图3b四、实验内容及步骤1．按图2电路图接线五、预习要求1．求出各种参数下系统的阶跃响应曲线及其动态品质指标。

2．拟定测量系统动态品质指标的方法。

3．如何保证系统为负反馈系统？（注意各运算放大器均使用反相输入端）若将负反馈改为正反馈或开断反馈回路，将是什么结果？4．如果运算放大器饱和，对实验结果会产生什么影响？如何保证和检查各运算放大器均工作在线性范围内？5．深入研究二阶系统有何意义？六、实验报告要求1．测量数据及曲线整理并与理论值比较。

《控制工程基础》实验指导书常熟理工学院机械工程系目录1.MATLAB时域分析实验 (2)2.MATLAB频域分析实验 (4)3. Matlab校正环节仿真实验 (8)4.附录：Matlab基础知识 (14)实验1 MATLAB 时域分析实验一、实验目的1． 利用MATLAB 进行时域分析。

要求：(1)计算连续系统的时域响应（单位脉冲输入，单位阶跃输入，任意输入）。

(2)根据系统的极点分析系统的稳定性。

2．掌握Matlab 系统分析函数impulse 、step 、lsim 、roots 、pzmap 的应用。

二、实验内容1．已知某高阶系统的传递函数为()265432220501584223309240100s s G s s s s s s s ++=++++++，试求该系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应、单位速度响应和单位加速度响应。

MATLAB 计算程序 num=[2 20 50];den=[1 15 84 223 309 240 100]; t= (0: 0.1: 20); figure (1);impulse (num,den,t); %Impulse Response figure (2);step(num,den,t);%Step Response figure (3);u1=(t); %Ramp.Input hold on; plot(t,u1);lsim(num,den,u1,t); %Ramp. Response gtext(‘t’); igure (4);u2=(t*t/2);%Acce.Input hold on; plot(t,u2);lsim(num,den,u2,t);%Acce. Responsegtext(‘t*t/2’);2．已知某高阶系统的传递函数为()3287654327242423456789s s s G s s s s s s s s s +++=++++++++，试求该系统的极点并判断系统的稳定性。

控制工程基础课程实验指导书电子科技大学机械电子工程学院目录实验一二阶系统时频域分析实验 (1)实验二频域法串联超前校正 (10)实验三直流电机PID控制 (19)1.自控/计控原理实验机介绍信号源模块如图1所示，斜坡、阶跃、正弦和矩形波由插孔OUT1输出，非线性、微分脉冲和正弦波由插孔OUT2输出，该模块可同时发生两种不同类型信号，信号源参数（如幅度、频率、宽度、斜率、扰动等）在电脑上模拟示波器软件界面上由用户设置（每个实验范例都有其默认值），如图6中红框所示。

图1 信号源模块图2 基准电源模块和数据采集模块图2中是实验箱的基准电源模块和数据采集模块。

数据采集模块为虚拟示波器采集信号，虚拟示波器有四个信号输入通道，可将需要观察的波形接入任意一个输入口，就可通过软件观察到波形。

需要特别注意的地方是：虚拟示波器会限幅，只能显示+5V～-5V之间的波形，超出该范围的信号则对应输出为+5V或-5V。

图3 频率特性测试模块图4 控制器模块图5 运算放大器模块图3中式频率特性测试模块，插孔ADIN为测试信号输入，将系统的输出信号接入该插孔。

图4中是控制器模块，插孔AOUT1和AOUT2为信号输出孔，输出的是采样控制或PID控制信号。

图5是运算放大器模块，该模块有多个电阻可选。

插孔H1、H2和IN为运放的输入端。

插孔IN直接接入运放反相输入端，未接任何电阻；插孔H2通过固定电阻后接入运放反相输入端；插孔H1有多个电阻可选，白色的连线相当于电路线，两个连在一起的黑色排针是断开的；确定使用哪一个阻值的电阻后，用短解套连接该电阻左边的排针即可。

通过短解套可选用不同阻值的电阻，不同电容值的电容，就可控制增益和时间常数。

双击桌面图标打开软件，出现实验机实验项目选择界面如图6所示，点击蓝色框中串口右边的下拉按钮，如右图所示，若出现其他串口，则选择其中的任一串口（如果没有其他串口，则不用修改），则会出现通讯成功的界面，如图7所示。

控制工程基础实验指导书自控原理实验室编印（内部教材）实验项目名称：（所属课程：）院 系： 专业班级： 姓 名： 学 号：实验日期： 实验地点： 合作者： 指导教师：本实验项目成绩： 教师签字： 日期：（以下为实验报告正文）一、实验目的简述本实验要达到的目的。

目的要明确，要注明属哪一类实验（验证型、设计型、综合型、创新型）。

二、实验仪器设备列出本实验要用到的主要仪器、仪表、实验材料等。

三、实验内容简述要本实验主要内容，包括实验的方案、依据的原理、采用的方法等。

四、实验步骤简述实验操作的步骤以及操作中特别注意事项。

五、实验结果给出实验过程中得到的原始实验数据或结果，并根据需要对原始实验数据或结果进行必要的分析、整理或计算，从而得出本实验最后的结论。

六、讨论分析实验中出现误差、偏差、异常现象甚至实验失败的原因，实验中自己发现了什么问题，产生了哪些疑问或想法，有什么心得或建议等等。

七、参考文献列举自己在本次准备实验、进行实验和撰写实验报告过程中用到的参考文献资料。

格式如下作者，书名（篇名），出版社（期刊名），出版日期（刊期），页码实验一 控制系统典型环节的模拟一、实验目的、掌握比例、积分、实际微分及惯性环节的模拟方法； 、通过实验熟悉各种典型环节的传递函数和动态特性； 、了解典型环节中参数的变化对输出动态特性的影响。

二、实验仪器、控制理论电子模拟实验箱一台；、超低频慢扫描数字存储示波器一台；、数字万用表一只；、各种长度联接导线。

三、实验原理以运算放大器为核心元件，由其不同的 输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图 所示。

图中 和 为复数阻抗，它们都是 、 构成。

图 运放反馈连接基于图中 点为电位虚地，略去流入运放的电流，则由图 得：21()o i u ZG s u Z ==-（ ） 由上式可以求得下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应。

、比例环节实验模拟电路见图 所示图 比例环节传递函数：21()R G s K R =-=- 阶跃输入信号： 实验参数：（ ） 1 2 （ ） 1 2 、 惯性环节实验模拟电路见图 所示图 惯性环节传递函数：2212211211()11R CS R Z R K CS G s Z R R R CS TS +=-=-=-=-++阶跃输入： 实验参数：（ ）12（ ）2、积分环节实验模拟电路见图 所示图 积分环节传递函数：21111()Z CSG sZ R RCS TS=-=-=-=阶跃输入信号：实验参数：（ ）（ ）、比例微分环节实验模拟电路见图 所示图 比例微分环节传递函数：22211111()(1)(1)1D Z R R G S R CS K T S R Z R CS R CS =-=-=-+=-++ 其中 D 112R R 阶跃输入信号： 实验参数：（ ） 1 2 （ ） 1 2 四、实验内容与步骤、分别画出比例、惯性、积分、比例微分环节的电子电路； 、熟悉实验设备并在实验设备上分别联接各种典型环节；、按照给定的实验参数，利用实验设备完成各种典型环节的阶跃特性测试，观察并记录其单位阶跃响应波形。

控制工程基础实验指导书自控原理实验室编印（内部教材）实验项目名称：（所属课程：）院系：专业班级：姓名：学号：实验日期：实验地点：合作者：指导教师：本实验项目成绩：教师签字：日期：（以下为实验报告正文）一、实验目的简述本实验要达到的目的。

目的要明确，要注明属哪一类实验（验证型、设计型、综合型、创新型）。

二、实验仪器设备列出本实验要用到的主要仪器、仪表、实验材料等。

三、实验内容简述要本实验主要内容，包括实验的方案、依据的原理、采用的方法等。

四、实验步骤简述实验操作的步骤以及操作中特别注意事项。

五、实验结果给出实验过程中得到的原始实验数据或结果，并根据需要对原始实验数据或结果进行必要的分析、整理或计算，从而得出本实验最后的结论。

六、讨论分析实验中出现误差、偏差、异常现象甚至实验失败的原因，实验中自己发现了什么问题，产生了哪些疑问或想法，有什么心得或建议等等。

七、参考文献列举自己在本次准备实验、进行实验和撰写实验报告过程中用到的参考文献资料。

格式如下:作者，书名（篇名），出版社（期刊名），出版日期（刊期），页码实验一 控制系统典型环节的模拟一、实验目的1、掌握比例、积分、实际微分及惯性环节的模拟方法；2、通过实验熟悉各种典型环节的传递函数和动态特性；3、了解典型环节中参数的变化对输出动态特性的影响。

二、实验仪器1、控制理论电子模拟实验箱一台；2、超低频慢扫描数字存储示波器一台；3、数字万用表一只；4、各种长度联接导线。

三、实验原理以运算放大器为核心元件，由其不同的R-C 输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图1-1所示。

图中Z1和Z2为复数阻抗，它们都是R 、C 构成。

图1-1 运放反馈连接基于图中A 点为电位虚地，略去流入运放的电流，则由图1-1得：21()o i u ZG s u Z ==-（1-1） 由上式可以求得下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应。

1、比例环节实验模拟电路见图1-2所示图1-2 比例环节传递函数：21()R G s K R =-=- 阶跃输入信号：-2V 实验参数：（1） R 1=100K R 2=100K （2） R 1=100K R 2=200K 2、 惯性环节实验模拟电路见图1-3所示图1-3 惯性环节传递函数：2212211211()11R CS R Z R K CS G s Z R R R CS TS +=-=-=-=-++阶跃输入：-2V实验参数：（1） R 1=100K R 2=100K C=1µf（2） R=100K R 2=100K C=2µf 3、积分环节实验模拟电路见图1-4所示图1-4 积分环节传递函数：21111()Z CS G s Z R RCS TS=-=-=-= 阶跃输入信号：-2V 实验参数：（1） R=100K C=1µf （2） R=100K C=2µf 4、比例微分环节实验模拟电路见图1-5所示图1-5 比例微分环节传递函数：22211111()(1)(1)1D Z R R G S R CS K T S R Z R CS R CS =-=-=-+=-++ 其中 T D =R 1C K=12R R 阶跃输入信号：-2V实验参数：（1）R1=100K R2=100K C=1µf（2）R1=100K R2=200K C=1µf四、实验内容与步骤1、分别画出比例、惯性、积分、比例微分环节的电子电路；2、熟悉实验设备并在实验设备上分别联接各种典型环节；3、按照给定的实验参数，利用实验设备完成各种典型环节的阶跃特性测试，观察并记录其单位阶跃响应波形。

控制工程基础实验指导书自控原理实验室编印（部教材）实验项目名称：（所属课程：）院系：专业班级：姓名：学号：实验日期：实验地点：合作者：指导教师：本实验项目成绩：教师签字：日期：（以下为实验报告正文）一、实验目的简述本实验要达到的目的。

目的要明确，要注明属哪一类实验（验证型、设计型、综合型、创新型）。

二、实验仪器设备列出本实验要用到的主要仪器、仪表、实验材料等。

三、实验容简述要本实验主要容，包括实验的案、依据的原理、采用的法等。

四、实验步骤简述实验操作的步骤以及操作中特别注意事项。

五、实验结果给出实验过程中得到的原始实验数据或结果，并根据需要对原始实验数据或结果进行必要的分析、整理或计算，从而得出本实验最后的结论。

六、讨论分析实验中出现误差、偏差、异常现象甚至实验失败的原因，实验中自己发现了什么问题，产生了哪些疑问或想法，有什么心得或建议等等。

七、参考文献列举自己在本次准备实验、进行实验和撰写实验报告过程中用到的参考文献资料。

格式如下:作者，书名（篇名），出版社（期刊名），出版日期（刊期），页码实验一控制系统典型环节的模拟一、实验目的1、掌握比例、积分、实际微分及惯性环节的模拟法；2、通过实验熟悉各种典型环节的传递函数和动态特性；3、了解典型环节中参数的变化对输出动态特性的影响。

二、实验仪器1、控制理论电子模拟实验箱一台；2、超低频慢扫描数字存储示波器一台；3、数字万用表一只；4、各种长度联接导线。

三、实验原理以运算放大器为核心元件，由其不同的R-C输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图1-1所示。

图中Z1和Z2为复数阻抗，它们都是R、C构成。

图1-1 运放反馈连接基于图中A 点为电位虚地，略去流入运放的电流，则由图1-1得：21()o i u ZG s u Z ==-（1-1） 由上式可以求得下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应。

1、比例环节实验模拟电路见图1-2所示图1-2 比例环节传递函数：21()R G s K R =-=- 阶跃输入信号：-2V 实验参数：（1） R 1=100K R 2=100K （2） R 1=100K R 2=200K2、惯性环节实验模拟电路见图1-3所示图1-3 惯性环节传递函数：2212211211()11RCSRZ R KCSG sZ R R R CS TS+=-=-=-=-++阶跃输入：-2V 实验参数：（1）R1=100K R2=100K C=1µf（2）R=100K R2=100K C=2µf3、积分环节实验模拟电路见图1-4所示图1-4 积分环节传递函数：21111()Z CS G s Z R RCS TS=-=-=-= 阶跃输入信号：-2V 实验参数：（1） R=100K C=1µf （2） R=100K C=2µf 4、比例微分环节实验模拟电路见图1-5所示图1-5 比例微分环节传递函数：22211111()(1)(1)1D Z R R G S R CS K T S R Z R CS R CS =-=-=-+=-++ 其中 T D =R 1C K=12R R 阶跃输入信号：-2V 实验参数：（1） R 1=100K R 2=100K C=1µf （2）R 1=100K R 2=200K C=1µf 四、实验容与步骤1、分别画出比例、惯性、积分、比例微分环节的电子电路；2、熟悉实验设备并在实验设备上分别联接各种典型环节；3、按照给定的实验参数，利用实验设备完成各种典型环节的阶跃特性测试，观察并记录其单位阶跃响应波形。

控制工程基础实验指导书实验一典型环节的模拟研究一、实验目的：1.熟悉TDN-AC/ACS自控原理实验系统；2.对典型环节的模拟电路有直观的了解。

二、实验要求：1.根据要求，分析计算模拟实验系统图；2.观测和记录不同参数下比例、积分、比例积分和惯性环节的阶跃响应曲线。

三、实验前分析、计算和设计：1.各典型环节的方块图及传函：2.各典型环节的模拟电路图及输入响应：3.理想曲线：四、实验使用设备：1.TDN-AC/ ACS教学实验系统一台2.计算机一台3.数字万用表一只五、实验步骤：1.了解TDN-AC/ACS教学实验系统使用方法；2.按照各典型环节的模拟电路图接线；3.观测并记录在阶跃信号下实际响应曲线U0(t)，改变参数，再次记录曲线。

六、实验报告要求：1.实验目的及要求；2.实验前理论分析计算数据及实验线路图；3.实验观测并记录波形；4.根据理论计算和实验结果进行分析、讨论、体会和提出建议。

实验二典型系统动态性能分析一、实验目的：1.培养学生模拟设计、参数计算及元件选择的能力；2.培养学生测试动态性能指标的技能；3.深入掌握参数对系统性能的影响。

二、实验要求：1.根据要求，分析计算和设计模拟实验系统图及参数；2.观测并记录不同条件下二阶系统在阶跃信号作用下的性能指标，即超调量和稳态误差。

三、实验前分析、计算和设计：1.已知系统结构如下图所示。

G1(s)=K，在如下情况，分别计算超调量和误差：（1）K=2.5，T2=0.02s；（2）K=6，T2=0.02s；（3）K=6，T2=0.1s.2.按系统结构图，根据给定参数，应用运算放大器和阻容元件，设计模拟实验系统图，并分别选择适当阻容元件参数。

四、实验使用设备：1.TDN-AC/ ACS教学实验系统一台2.计算机一台3.数字万用表一只4.100k 电阻两只5.20k 电阻一只6.1μf电容两只7.10μf电容两只五、实验步骤：按系统结构图设计的模拟实验系统图，根据电阻电容计算值，先选好电阻及电容，然后按图连接线路：1.K=2.5，T2=0.02s时：用计算机代替示波器观测并记录系统在阶跃信号作用下的峰值、稳态值，计算超调量；用数字万用表测量输入电压和输出电压，计算误差。