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第5章频率特性法频域分析法是一种图解分析法，可以根据系统的开环频率特性去判断闭环系统的性能，并能较方便地分析系统参量对系统性能的影响，从而指出改善系统性能的途径，已经发展成为一种实用的工程方法，其主要内容是：1）频率特性是线性定常系统在正弦函数作用下，稳态输出与输入的复数之比对频率的函数关系。
频率特性是传递函数的一种特殊形式，也是频域中的数学模型。
频率特性既可以根据系统的工作原理，应用机理分析法建立起来，也可以由系统的其它数学模型（传递函数、微分方程等）转换得到，或用实验法来确定。
2）在工程分析和设计中，通常把频率特性画成一些曲线。
频率特性图形因其采用的坐标不同而分为幅相特性(Nyquist图)、对数频率特性(Bode图)和对数幅相特性(Nichols图)等形式。
各种形式之间是互通的，每种形式有其特定的适用场合。
开环幅相特性在分析闭环系统的稳定性时比较直观，理论分析时经常采用；波德图可用渐近线近似地绘制，计算简单，绘图容易，在分析典型环节参数变化对系统性能的影响时最方便；由开环频率特性获取闭环频率指标时，则用对数幅相特性最直接。
3）开环对数频率特性曲线(波德图)是控制系统分析和设计的主要工具。
开环对数幅频特性L(ω)低频段的斜率表征了系统的型别(v)，其高度则表征了开环传递系数的大小，因而低频段表征系统稳态性能；L(ω)中频段的斜率、宽度以及幅值穿越频率，表征着系统的动态性能；高频段则表征了系统抗高频干扰的能力。
对于最小相位系统，幅频特性和相频特性之间存在着唯一的对应关系，根据对数幅频特性，可以唯一地确定相应的相频特性和传递函数。
4）奈奎斯特稳定性判据是利用系统的开环幅相频率特性G(jω)H(jω)曲线，又称奈氏曲线，是否包围GH平面中的(－l，j0)点来判断闭环系统的稳定性。
利用奈奎斯特稳定判据，可根据系统的开环频率特性来判断闭环系统的稳定性，并可定量地反映系统的相对稳定性，即稳定裕度。
稳定裕度通常用相角裕量和幅值裕量来表示。
一、 实验名称：典型环节的时域分析和频域分析二、实验目的：(1) 理解、掌握matlab 模拟典型环节的根本方法，包括：比例环节、积分环节、一阶微分环节、惯性环节和振荡环节等。
(2) 熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线和频域响应曲线 (3) 理解参数变化对动态特性的影响三、 实验要求：(1) 一人一机，独立完成实验内容 。
(2) 根据实验结果完成实验报告，并用A4纸打印后上交。
四、 时间：2022年11月21日 五、 地点：信自楼234实验报告：一、比例环节的时域分析和频域分析 比例环节的传递函数：()G s k(1) 当k=1:3:10时，绘制系统的阶跃响应曲线，分析ｋ值的影响情况。
程序：for k=1:3:10;num=k;den=1;G=tf(num,den);figure(1);step(G); hold on; %翻开第1个图形窗口，绘制系统的阶跃响应曲线 endfigure(1); legend('k=1','k=4','k=7','k=10'); 曲线：结果分析：时域响应的结果就是把输入信号放大k 倍。
如图，输入信号为幅值为1的阶跃信号，因此，输出是幅值为k 的阶跃信号。
程序：for k=1:3:10;num=k;den=1;G=tf(num,den);figure(1);bode(G);hold on; %翻开第1个图形窗口，绘制系统的阶跃响应曲线 endfigure(1); legend('k=1','k=4','k=7','k=10');曲线：结果分析：比例环节对幅频有影响，输出信号的幅值为输入信号的20*lgk倍。
比例环节对相位没有影响，如图显示，相位特性为一条0度的程度线。
二、积分环节的时域分析和频域分析积分环节的传递函数：1 ()G ss=(1) 当k=1:3:10时，绘制系统()kG ss=的阶跃响应曲线，分析曲线特点。
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，1，2时，输入幅值为的正向阶跃信号，理论上依次输出幅值为，，的反向阶跃信号。
实验中，输出信号依次为幅值为，，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：与实验测得波形比较可知，实际与理论值较为吻合，理论上时的波形斜率近似为时的三倍，实际上为，在误差允许范围内可认为满足理论条件。
3、 惯性环节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，观测秒，秒〔既R 1 = 100K,C = 1μf ，μf 〕时的输出波形。
利用matlab 仿真得到理论波形如下：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，相对误差为〔〕/2.28=7%与理论值较为接近。
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，相对误差为〔〕/2.28=7%与理论值较为接近（2） 保持T = R f s 不变，分别观测K = 1，2时的输出波形。
K=1时波形即为〔1〕中时波形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， 相对误差为〔〕/2=5.7%if i o R RU U -=1TS K)s (R )s (C +-=与理论值较为接近。
典型环节时域特性的仿真实验1、通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，熟悉各种典型环节的响应曲线。
2 、定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。
3、初步了解Matlab中Simulink的使用方法。
研究典型环节(比例、积分、微分、惯性、二阶)在阶跃输入信号及白噪声干扰信号输入的响应。
1.1 运行Matlab，在命令窗口“Command Window”下键入“Simulink”后回车，则打开相应的系统模型库；或者点击菜单上的“Simulink”图标，进入系统仿真模型库。
然后点击左上角“创建新文件图标”，打开模型编辑窗口。
1.2 调出模块在系统仿真模型库中，把要求的模块都放置在模型编辑窗口里面。
从信号源模块包(Sources)中拖出1个阶跃信号(step)和1个白噪声信号发生器 (band-limited white noise) ；从输出模块包(Sinks)中拖出1个示波器(Scope)；从连续系统典型环节模块包(Continuous) 中拖出1个微分环节(Derivative)和3个传函环节(Transfer Fcn)；从数学运算模块包(Math Operations)中拖出1个比例环节(Gain)和1个加法器 (Sum) ；从信号与系统模块包(Signals Routing) 拖出1个汇流排(Mux)；所有模块都放置在模型编辑窗口里面。
1.3 模块参数设置双击打开3个传函环节(Transfer Fcn)，通过设定参数 (参照图1的数据)，分别构成积分、惯性和二阶环节；打开比例环节，设定比例增益为2；打开白噪声信号发生器，设定功率(Noise power)为0.0001，采样时间(Sample time) 为0.05。
1.4 模块连接将各模块连接成如图1所示的仿真模型系统。
图1仿真模型系统22.1 双击Scope打开示波器，点击按钮“”启动仿真，画出输入信号波形图。
2.2 将比例环节的输出端接到汇流排(如图1所示)，打开示波器, 点击按钮“”启动仿真，观察比例环节的阶跃响应及对白噪声信号是否敏感，然后画出波形图。
实验一 一阶系统及二阶系统时域特性MatLab 仿真实验一、实验目的1、使学生通过实验中的系统设计及理论分析方法，帮助学生进一步理解自动控制系统的设计与分析方法。
2、熟悉仿真分析软件。
3、利用Matlab 对一、二阶系统进行时域分析。
4、掌握一阶系统的时域特性，理解常数T 对系统性能的影响。
5、掌握二阶系统的时域特性，理解二阶系统重要参数对系统性能的影响。
二、实验设备计算机和Matlab 仿真软件。
三、实验内容1、一阶系统时域特性 一阶系统11)(+=Ts s G ，影响系统特性的参数是其时间常数T ，T 越大，系统的惯性越大，系统响应越慢。
Matlab 编程仿真T=0.4，1.2，2.0，2.8，3.6，4.4系统单位阶跃响应。
2、二阶系统时域特性a 、二阶线性系统 16416)(2++=s s s G 单位脉冲响应、单位阶跃响应、单位正弦输入响应的 Matlab 仿真。
b 、下图为具有一微分负反馈的位置随动系统框图，求出系统的闭环传递函数，根据系统瞬态性能指标的定义利用Matlab 分别计算微分反馈时间常数τ为0，0.0125，0.025时系统的上升时间、峰值时间、最大超调量和调整时间。
C 、二阶线性系统3612362++s s ξ，当ξ为0.1，0.2，0.5，0.7，1.0，2.0时，完成单位阶跃响应的Matlab 仿真，分析ξ值对系统响应性能指标的影响。
四、实验要求1、进入机房，学生要严格遵守实验室规定。
2、学生独立完成上述实验，出现问题，教师引导学生独立分析和解决问题。
3、完成相关实验内容，记录程序，观察记录响应曲线，响应曲线及性能指标进行比较，进行实验分析4、分析系统的动态特性。
5、并撰写实验报告，按时提交实验报告。
五、Matlab 编程仿真并进行实验分析1、一阶系统时域特性实验代码：运行曲线：实验分析：由上图分析可知，一阶系统时间常数越大，图像图线越晚达到常值输出，即时间常数T影响系统参数，时间常数越大，系统的惯性越大，系统响应越慢。
基于MATLAB 的自动控制原理实验仿真系统的设计基于MATLAB 的自动控制原理实验仿真系统的设计基于MATLAB 的自动控制原理实验仿真系统的设计田晴，张茁（河北联合大学电气工程学院，河北唐山063000）摘要：MATLAB的图形用户界面（GUI）为基于对象的可视化编程，本文以此为基础，进行了自动控制原理实验仿真系统的软件设计，仿真实验系统囊括了控制理论的大部分要点，较实验室传统性实验更全面、具体。
应用GUIDE的设计，该系统操作简单，知识点表现清晰明了，学生能够在轻松的环境下，且不受地域时域的限制，掌握控制理论知识。
关键词：自动控制原理；实验仿真系统；MATLAB；GUIDE基金项目：河北联合大学教育教学改革项目，项目编号：Y1340-10一、引言《自动控制原理》是自动化专业的基础课程，是控制科学与工程学科的一门方法论课程，主要培养学生掌握控制系统的分析和设计方法，其内容之多，理论性之强，决定了课程学习的难度。
而实验课作为课堂教学的辅助内容，是培养学生自主性和创新性的重要环节。
目前实验室的实验教学采用模拟电路实验台，将集成电路模块进行连线，形成典型系统，通过示波器观察响应曲线。
传统性实验训练了学生对以传递函数为核心的控制系统与模拟电路系统之间的联系的认识和实践能力，但也存在其局限性：（1）价格昂贵，占地很大，因为实验台有限，只能几个同学共用一个实验台，难以满足几百学生实验教学的需要；（2 ）同一个实验，教师要对学生分拨讲解，重复进行，浪费人力、物力；（3 ）由于实验设备的长期工作，造成电容积分饱和，致使出现实验误差；（4 ）实验设备高度集成，操作性复杂，参数变化有限，局限了综合性设计性实验的开展；（5 ）实验室难以做到全开放性，学生实验受地域和时域的限制。
因此，研制实验仿真系统是解决上述问题的有效措施。
二、软件的总体结构设计MATLAB的图形用户界面（GUI）可实现可视化编程，不仅形象生动、互动友善、操作灵活，而且为人们提供了定性定量结合、局域全域结合、时域频域结合、模拟数字结合的数据探索、科学分析的仿真平台。
河南机电高等专科学校《自动控制原理》实验指导书专业：电气自动化技术、计算机控制技术生产过程自动化技术等吴君晓编2008年9月目录实验一 (2)实验二 (4)实验三 (6)实验四 (8)实验五 (10)实验六 (12)实验七 (14)实验八 (15)实验九 (17)实验一建立MATLAB环境下控制系统数学模型一. 实验目的1.熟悉MATLAB实验环境，掌握MATLAB命令窗口的基本操作。
2.掌握MATLAB建立控制系统数学模型的命令及模型相互转换的方法。
3.掌握使用MATLAB命令化简模型基本连接的方法。
二、实验设备和仪器1．计算机2. MATLAB软件三、实验原理控制系统常用的数学模型有四种：传递函数模型（tf对象）、零极点增益模型（zpk对象）、结构框图模型和状态空间模型（ss对象）。
经典控制理论中数学模型一般使用前三种模型，状态空间模型属于现代控制理论范畴。
1.传递函数模型（也称为多项式模型）连续系统的传递函数模型为：在MATLAB中用分子、分母多项式系数按s的降幂次序构成两个向量：num = [ b0 , b1 ,…, bm ] ，den = [ a0 , a1 ,…, an]。
用函数tf ( )来建立控制系统的传递函数模型，其命令调用格式为：G = tf ( num , den )注意：对于已知的多项式模型传递函数，其分子、分母多项式系数两个向量可分别用G.num{1}与G.den{1}命令求出。
2.零极点增益模型零极点模型是是分别对原传递函数的分子、分母进行因式分解，以获得系统的零点和极点的表示形式。
式中，K为系统增益，z1，z2，…，z m为系统零点，p1，p2，…，p n为系统极点。
在MATLAB 中，用向量z，p，k构成矢量组[ z, p, k ]表示系统。
即z = [ z1, z2 ,…,z m ]，p = [ p1, p2,…, p n ]，k = [ k ],用函数命令zpk ( )来建立系统的零极点增益模型，其函数调用格式为：G = zpk ( z, p, k )3.控制系统模型间的相互转换零极点模型转换为多项式模型: G＝zpk(G)多项式模型转化为零极点模型: G＝tf(G)4.系统反馈连接之后的等效传递函数两个环节反馈连接后，其等效传递函数可用feedback ( )函数求得。
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KRKRRRZZsG200,1002)(211212==-=-=-=其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1所示。
2．惯性环节的传递函数为ufCKRKRsCRRRZZsG1,200,10012.021)(121121212===+-=+-=-=其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图2所示。
图1 比例环节的模拟电路及SIMULINK图形图2惯性环节的模拟电路及SIMULINK图形3．积分环节(I)的传递函数为ufCKRssCRZZsG1,1001.011)(111112==-=-=-=其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图3所示。
4．微分环节(D)的传递函数为ufCKRssCRZZsG10,100)(111112==-=-=-=ufCC01.012=<<其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图4所示。
5．比例+微分环节（PD）的传递函数为)11.0()1()(111212+-=+-=-=ssCRRRZZsGufCCufCKRR01.010,10012121=<<===其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图5所示。
图3 积分环节的模拟电路及及SIMULINK图形图4 微分环节的模拟电路及及SIMULINK图形6．比例+积分环节（PI）的传递函数为)11(1)(11212sRsCRZZsG+-=+-=-=ufCKRR10,100121===其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图6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。
综合性实验：二阶系统的单位阶跃响应综合实验一、实验目的：1.在给定系统的内部结构、系统的阶跃响应性能指标，掌握系统的电路模拟方法。
2.掌握系统校正PID算法的实现和参数计算方法。
3.观察最优二阶系统的单位阶跃响应曲线，了解高阶系统的最优阶跃响应动、静态性能。
二、实验说明：1.本实验包括自控原理的线性定常系统分析的大部分内容，帮助学生复习、巩固书中的内容，提高学生的实验应用能力。
2.给定二阶系统的阶跃性能指标：o%=20% , t s=2s,设计一个电路模拟系统,计算电路的系统参数。
3.设计一个PID调节器，使系统具有二阶阶跃响应最优性能指标。
4.在实验平台上观察模拟系统的单位阶跃响应，观察系统校正前、后的输出响应。
说明最优二阶系统的动静态性能指标。
5.对模拟系统进行频域分析，计算其幅频和相频特性，在实验中观察系统的频率响应，对比计算和实验结果。
三、实验要求：按照实验过程作好实验前的准备工作＜包括安排布置软件、硬件设备，编写实验步骤，需要观察记录的数据准备）；记录好实验中的调试过程、数据变化，进行实验后的报告总结。
实验二二阶系统的阶跃响应实验二二阶系统的阶跃响应、实验目的1学习二阶系统阶跃响应曲线的实验测试方法2•研究二阶系统中无阻尼自然频率和阻尼比对阶跃瞬态响应指标的影响、实验设备1.XMN—2 型机；2.LZ3系列函数纪录仪或 CAE983.DT— 830数字万用表三、实验内容1对单一自然频率和阻尼比测量响应曲线2•保持阻尼比不变，改变自然频率记录响应曲线3•保持自然频率不变，改变阻尼比记录响应曲线四、实验步骤［步1］调整Rf和Ri使阻尼比为0.2，选择R，C使自然频率为1/0.47，假如幅度为1V的阶跃函数X(t＞，观察并记录响应曲线。
以下标称中电阻单位为千欧姆，电容为微法拉。
［步2］调整Rf和Ri使阻尼比为0.2，选择R，C使自然频率为1/1.47，假如幅度为1V的阶跃函数X(t＞，观察并记录响应曲线。
成绩：＿＿＿＿大连工业大学《自动控制原理》实验报告实验1 典型环节的阶跃响应专业名称：自动化班级学号：自动化10I－JK学生姓名：ABCD指导老师：EFGH实验日期：年月日一、实验目的1、熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线；2、了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验原理实验任务1、比例环节（K）从图0-2的图形库浏览器中拖曳Step（阶跃输入）、Gain（增益模块）、Scope（示波器）模块到图0-3仿真操作画面，连接成仿真框图。
改变增益模块的参数，从而改变比例环节的放大倍数K，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况。
可以同时显示三条响应曲线，仿真框图如图1-1所示。
2、积分环节（1Ts）将图1-1仿真框图中的Gain（增益模块）换成Transfer Fcn （传递函数）模块，设置Transfer Fcn（传递函数）模块的参数，使其传递函数变成1Ts型。
改变Transfer Fcn（传递函数）模块的参数，从而改变积分环节的T，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况。
仿真框图如图1-2所示。
3、一阶惯性环节（11 Ts+）将图1-2中Transfer Fcn（传递函数）模块的参数重新设置，使其传递函数变成11Ts+型，改变惯性环节的时间常数T，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况。
仿真框图如图1-3所示。
4、实际微分环节（1KsTs +） 将图1-2中Transfer Fcn （传递函数）模块的参数重新设置，使其传递函数变成1KsTs +型，（参数设置时应注意1T ）。
令K 不变，改变Transfer Fcn （传递函数）模块的参数，从而改变T ，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况。
仿真框图如图1-4所示。
5、二阶振荡环节（2222nn ns s ωξωω++） 将图1-2中Transfer Fcn （传递函数）模块的参数重新设置，使其传递函数变成2222nn ns s ωξωω++型（参数设置时应注意01ξ<<），仿真框图如图1-5所示。
学生实验报告（理工类）课程名称：自动控制原理专业班级： 14电气（2）学生学号：学生姓名：所属院部：机电工程学院指导教师：吴洪兵20 15 ——20 16 学年第二学期金陵科技学院教务处制实验项目名称：典型环节的电路模拟与软件仿真实验学时： 2 同组学生姓名： 实验地点： PAC 电气控制实验室 实验日期： 2016年5月26日 实验成绩： 批改教师： 吴洪兵 批改时间： 一、实验目的和要求1熟悉典型环节的电路模拟；2熟悉MA TLAB 中的simulink 仿真。
二、实验仪器和设备计算机一台三、实验过程（1）比例环节（又叫放大环节）定义:具有比例运算关系的元部件称为比例环节。
特点:输出量按一定比例复现输入量，无滞后、失真现象。
运动方程: c(t)=K r(t) K ——放大系数 传递函数：()K =s G放大电路其它一些比例环节：()r t ()c t 1r 2r ()R s ()C s 212r r r +()R s ()C s 21R R -K+-()r t ()c t 1R 2R 3R β+c E R()c i t ()b i t ()c I s ()b I s（2）惯性环节 (又叫非周期环节)定义:惯性环节的微分方程是一阶的,且输出响应需要一定的时间才能达到稳态值，故称为一阶惯性环节。
特点：此环节中含有一个独立的储能元件，以致对突变的输入来说，输出不能立即复现，存在时间上的延迟。
运动方程为：)()()(t r t c dtt dc T=+ 传递函数：()11+=Ts s G T ——惯性环节时间常数+-+-U r （t ）U c （t ）RCRC 电路其它一些惯性环节r(t)11L s R+()R s ()C s M()f t ()v t B()F s ()V s ()T t ()t ϕJB()T s ()s Ωc(t)RL11+s BJB 11+s BJB（3）积分环节定义:符合积分运算关系的环节称为积分环节。
实验题目：典型环节频域特性的仿真实验一、实验目的：1、加深了解系统频率特性的概念。
2、学习使用Matlab软件绘制Nyquist图、Bode图的基本方法。
3、掌握典型环节的频率特性。
二、实验设备：Matlab三、实验内容：用Matlab绘制典型环节（比例、积分、微分、惯性、二阶）的Nyquis图、Bode图，研究频率特性。
四、实验步骤：1.绘制比例环节传递函数g(s)=K的频率特性图。
运行Matlab，进入命令窗口，键入命令：num=[1];den=[0,0,2];G1=tf(num,den)nyquist(G1) (回车)则显示传递函数g(s)=2，及对应的Nyquist图曲线，观察并分析曲线，然后记录该曲线，并要求在曲线图上注明频率ω的变化情况。
再键入命令：gridbode(G1) (回车)则显示对应的Bode图曲线，观察并分析曲线，然后记录该曲线，并要求在曲线图上注明纵、横坐标。
2.绘制积分环节传递函数g(s)=1/Ts 的频率特性图。
运行Matlab，进入命令窗口，键入命令：num=[1];den=[0,3,0];G1=tf(num,den)nyquist(G1) (回车)则显示传递函数g(s)=1/4s ，及对应的Nyquist图曲线，观察并分析曲线，然后记录该曲线，并要求在曲线图上注明频率ω的变化情况。
再键入命令：gridbode(G1) (回车)则显示对应的Bode图曲线，观察并分析曲线，然后记录该曲线，并要求在曲线图上注明纵、横坐标。
3.绘制微分环节传递函数g(s)=Ts 的频率特性图。
运行Matlab，进入命令窗口，键入命令：gridbode(G1) (回车)则显示对应的Bode图曲线，观察并分析曲线，然后记录该曲线，并要求在曲线图上注明纵、横坐标。
五、仿真和实验结果记录比例环节Nyquist图曲线（K=2）比例环节Bode图曲线积分环节Nyquist图曲线（T=3）积分环节Bode图曲线微分环节Nyquist图曲线（T=3）微分环节Bode图曲线惯性环节Nyquist图曲线（T=5) 惯性环节Bode图曲线二阶环节Nyquist图曲线（ξ=0.9）二阶环节Bode图曲线六、实验结果分析。
基于Matlab/Simulink的二阶控制系统仿真研究作者：李云海邢纬林怀蔚来源：《现代电子技术》2013年第12期摘要：为了研究二阶控制系统的性能，讨论了二阶控制系统参数ζ和ωn与单位阶跃响应的关系，并介绍了基于Matlab/Simulink软件仿真环境，在单位阶跃信号作用下，利用仿真实例很好地实现了对二阶控制系统进行仿真研究。
该仿真具有直接观察和分析二阶控制系统输出性能变化，同时充分体现利用Matlab/Simulink进行仿真研究直观和方便的特点。
关键词： Matlab/Simulink；二阶控制系统；仿真实例；单位阶跃信号中图分类号： TN911⁃34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）12⁃0012⁃030 引言大部分实际控制工程都是复杂的高阶系统，通常可将其分解为若干个一阶惯性环节和二阶振荡环节的叠加。
在研究复杂控制系统的过程中，往往通过主导极点和偶极子相消的方法，将高阶系统简化为二阶等低阶系统的组合，再根据对二阶控制系统输出和性能的分析，对控制系统偏差进行校正，从而获得满足设计指标和使用要求的高阶系统性能[1]。
因此，掌握二阶控制系统动态特性理论，构建二阶控制系统动态特性的测试系统，可大大简化系统分析，对控制系统的分析和设计具有重要作用。
Simulink是一种以Matlab为基础的实现交互式动态系统建模、仿真与分析的软件包，可以针对控制系统等进行系统建模、仿真、分析等工作，被广泛应用于线性控制系统、非线性控制系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
本文介绍基于Matlab/Simulink仿真环境下，通过单位阶跃信号作用，利用仿真实例对二阶控制系统进行仿真研究，直接观察和分析二阶控制系统输出性能的变化，充分体现了Matlab/Simulink仿真直观和方便的特点[2]。
1 二阶控制系统模型2 二阶控制系统仿真设计与研究2.1 二阶控制系统仿真结构设计2.2 二阶控制系统单位阶跃响应与参数ζ的关系2.3 二阶控制系统单位阶跃响应与参数ωn的关系3 结语基于Matlab/Simulink环境的仿真分析方法，通过Simulink工具箱所提供的基本模块，不需任何硬件，在单位阶跃信号作用，利用仿真实例很好地实现了对二阶控制系统进行仿真研究，直接观察和分析二阶控制系统输出性能的变化，验证了二阶控制系统相关理论的正确性，在二阶控制系统实验教学和科研上有很大实用价值，充分体现了Matlab/Simulink仿真直观和方便的特点[6]。
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。
MATLAB仿真
一．典型环节的电模拟及阶跃响应分析
（一）惯性环节
在Simulink中连接系统如下所示：
（1）K=1，T=1，系统的单位阶跃响应的波形如下图所示：
（2）K=1，T=2，系统的单位阶跃响应的波形如下图所示：
（3）T=1，K=2，系统的单位阶跃响应的波形如下图所示：
（二）振荡环节
在Simulink中连接系统如下所示：
（1）T=0.1，ξ=0.1时的单位阶跃响应的波形如下图所示：
（2）T=0.1，ξ=0.5时的单位阶跃响应的波形如下图所示：
（3）T=0.1，ξ=1时的单位阶跃响应的波形如下图所示：
二．二、三阶系统动态分析
（一）二阶系统
在Simulink中连接系统如下图所示：
（1）K1=1，K2=1，T1 =T2=0.1s时系统的单位阶跃响应的波形如下图所示：
（2）K1=5，K2=1，T1 =T2=0.1s时系统的单位阶跃响应的波形如下图所示：
（3）K1=10，K2=1，T1 =T2=0.1s时系统的单位阶跃响应的波形如下图所示：
（二）三阶系统
在Simulink中连接系统如下图所示：
（1）K=1时系统的单位阶跃响应的波形如下图所示：
（2）K=5时系统的单位阶跃响应的波形如下图所示：
（3）K=10时系统的单位阶跃响应的波形如下图所示：。
