自动控制原理课程实验

自动控制原理实验报告一、实验目的。

本实验旨在通过实际操作，加深对自动控制原理的理解，掌握PID控制器的调节方法，并验证PID控制器的性能。

二、实验原理。

PID控制器是一种常见的控制器，它由比例环节（P）、积分环节（I）和微分环节（D）三部分组成。

比例环节的作用是根据偏差的大小来调节控制量的大小；积分环节的作用是根据偏差的累积值来调节控制量的大小；微分环节的作用是根据偏差的变化率来调节控制量的大小。

PID控制器通过这三个环节的协同作用，可以实现对被控对象的精确控制。

三、实验装置。

本次实验所使用的实验装置包括PID控制器、被控对象、传感器、执行机构等。

四、实验步骤。

1. 将PID控制器与被控对象连接好，并接通电源。

2. 调节PID控制器的参数，使其逐渐接近理想状态。

3. 对被控对象施加不同的输入信号，观察PID控制器对输出信号的调节情况。

4. 根据实验结果，对PID控制器的参数进行调整，以达到最佳控制效果。

五、实验结果与分析。

经过实验，我们发现当PID控制器的比例系数较大时，控制效果会更为迅速，但会引起超调；当积分系数较大时，可以有效消除稳态误差，但会引起响应速度变慢；当微分系数较大时，可以有效抑制超调，但会引起控制系统的抖动。

因此，在实际应用中，需要根据被控对象的特性和控制要求，合理调节PID控制器的参数。

六、实验总结。

通过本次实验，我们深刻理解了PID控制器的工作原理和调节方法，加深了对自动控制原理的认识。

同时，我们也意识到在实际应用中，需要根据具体情况对PID控制器的参数进行调整，以实现最佳的控制效果。

七、实验心得。

本次实验不仅让我们在理论知识的基础上得到了实践锻炼，更重要的是让我们意识到掌握自动控制原理是非常重要的。

只有通过实际操作，我们才能更好地理解和掌握知识，提高自己的实际动手能力和解决问题的能力。

八、参考文献。

[1] 《自动控制原理》，XXX，XXX出版社，2010年。

[2] 《PID控制器调节方法》，XXX，XXX期刊，2008年。

自动控制原理实验专业班级姓名学号实验时间：2010.10—2010.11一、实验目的和要求：通过自动控制原理实验牢固地掌握《自动控制原理》课的基本分析方法和实验测试手段。

能应用运算放大器建立各种控制系统的数学模型，掌握系统校正的常用方法，掌握系统性能指标同系统结构和参数之间的基本关系。

通过大量实验，提高动手、动脑、理论结合实际的能力，提高从事数据采集与调试的能力，为构建系统打下坚实的基础。

二、实验仪器、设备（软、硬件）及仪器使用说明自动控制实验系统一套计算机（已安装虚拟测量软件---LABACT）一台椎体连接线 18根典型环节实验（一）、实验目的：1、了解相似性原理的基本概念。

2、掌握用运算放大器构成各种常用的典型环节的方法。

3、掌握各类典型环节的输入和输出时域关系及相应传递函数的表达形式，熟悉各典型环节的参数（K、T）。

4、学会时域法测量典型环节参数的方法。

（二）、实验内容：1、用运算放大器构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节和比例积分微分环节。

2、在阶跃输入信号作用下，记录各环节的输出波形，写出输入输出之间的时域数学关系。

3、在运算放大器上实现各环节的参数变化。

（三）、实验要求：1、仔细阅读自动控制实验装置布局图和计算机虚拟测量软件的使用说明书。

2、做好预习，根据实验内容中的原理图及相应参数，写出其传递函数的表达式，并计算各典型环节的时域输出响应和相应参数（K、T）。

3、分别画出各典型环节的理论波形。

5、输入阶跃信号，测量各典型环节的输入和输出波形及相关参数。

（四）、实验原理实验原理及实验设计：1．比例环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时域输出响应：2．惯性环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时常数：时域输出响应：3．积分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：时常数：时域输出响应：4．比例积分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时常数：时域输出响应：5．比例微分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时常数：时域输出响应：6．比例积分微分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：比例系数：时常数：时域输出响应：(五)、实验方法与步骤2、测量输入和输出波形图。

自动控制原理实验自动控制原理实验是自动控制原理课程的重要组成部分，通过实验可以帮助学生深入理解自动控制原理的相关知识，并且掌握实际操作的能力。

本实验旨在通过具体的实验操作，让学生对自动控制原理的理论知识有更深入的了解，同时培养学生的实际动手能力和解决问题的能力。

一、实验目的。

本实验旨在通过具体的实验操作，让学生对自动控制原理的理论知识有更深入的了解，同时培养学生的实际动手能力和解决问题的能力。

二、实验原理。

自动控制原理是一门研究控制系统的设计与分析的学科，它主要研究用于自动控制的原理、方法和技术。

自动控制原理实验是通过实验来验证自动控制原理的理论知识，包括传递函数、控制器设计、系统响应等内容。

三、实验内容。

1. 搭建控制系统模型，根据所学的自动控制原理知识，搭建相应的控制系统模型，包括传感器、执行器、控制器等组成部分。

2. 系统参数测量，对搭建好的控制系统模型进行参数测量，包括系统的传递函数、阶跃响应等参数。

3. 控制器设计与调试，根据实验要求，设计相应的控制器，并进行调试，观察系统的响应情况。

4. 系统性能分析，对设计好的控制系统进行性能分析，包括稳定性、灵敏度、鲁棒性等指标的评估。

四、实验步骤。

1. 按照实验要求，搭建控制系统模型，包括传感器、执行器、控制器等组成部分。

2. 进行系统参数测量，包括系统的传递函数、阶跃响应等参数的测量。

3. 根据实验要求，设计相应的控制器，并进行调试，观察系统的响应情况。

4. 对设计好的控制系统进行性能分析，包括稳定性、灵敏度、鲁棒性等指标的评估。

五、实验结果与分析。

通过实验操作，我们得到了控制系统的传递函数、阶跃响应等参数，并设计了相应的控制器进行了调试。

通过对系统的性能分析，我们可以得出系统的稳定性较好，对外界干扰具有一定的抵抗能力。

六、实验总结。

通过本次实验，我们深入理解了自动控制原理的相关知识，掌握了实际操作的能力。

同时，我们也发现了一些问题，比如在控制器设计与调试过程中遇到了一些困难，需要进一步加强相关知识的学习和实践能力的培养。

实验一 典型环节的模拟研究一、实验目的：1． 了解并掌握XG2003自控理论教学实验系统模拟电路的使用方法，掌握典型环节模拟电路的构成方法，培养学生实验技能。

2． 熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。

3． 了解参数变化对典型环节动态特性的影响。

二、实验要求：1． 观测各种典型环节的阶跃响应曲线。

2． 观测参数变化对典型环节阶跃响应的影响。

三、实验仪器：1． XG2003教学实验板 一台 2． 示波器一台 3． 万用表一块四、实验原理和电路：本实验是利用运算放大器的基本特性（开环增益高、输入阻抗大、输出阻抗小等），设置不同的反馈网络来模拟各种典型环节。

典型环节块图及其模拟电路如下：1．比例（P ）环节。

其方块图如图1-1A 所示。

图1-1B 比例环节模拟电路比例环节的模拟电路如图1—1B 所示，其传递函数为1)()(R R s Ui s Uo = (1-2)比较式(1-1)和(1-2)得 K = R1/R0 (1-3)当输入为单位阶跃信号时，即)()(t l t U i = 时，SS U i 1)(=则由式(1-1)得 SKS U 1)(0= ， 所以输出响应为 K t U =)(0 (t ≥0) (1-4) 其输出方波如图1-1C 。

2．积输分（I ）环节。

其方块图如图1—2A 所示。

图1-1C 比例环节输出波形图 图1-2A 积分环节方块图 其传递函数为TSs Ui s Uo 1)()(=(1-5) 积分环节的模拟电路如图1—2B 所示。

图1-2B 积分环节模拟电路 积分环节模拟电路的传递函数为RoCSs Ui s Uo 1)()(=(1-6) 比较式(1-5)和(1-6)得C R T 0= 当输入为单位阶跃信号，即)()(t l t U i =时，S S U i 1)(=，则由式(1-5)得到TS S U 1)(0=·S 1=21TS 所以输出响应为：t T t U 1)(0=其输出波形如图1-2C 所示。

一、实验目的1. 理解并掌握自动控制原理的基本概念和基本分析方法。

2. 掌握典型环节的数学模型及其在控制系统中的应用。

3. 熟悉控制系统的时间响应和频率响应分析方法。

4. 培养实验操作技能和数据处理能力。

二、实验原理自动控制原理是研究控制系统动态性能和稳定性的一门学科。

本实验主要涉及以下几个方面：1. 典型环节：比例环节、积分环节、微分环节、惯性环节等。

2. 控制系统：开环控制系统和闭环控制系统。

3. 时间响应：阶跃响应、斜坡响应、正弦响应等。

4. 频率响应：幅频特性、相频特性等。

三、实验内容1. 典型环节的阶跃响应- 比例环节- 积分环节- 比例积分环节- 比例微分环节- 比例积分微分环节2. 典型环节的频率响应- 幅频特性- 相频特性3. 二阶系统的阶跃响应- 上升时间- 调节时间- 超调量- 峰值时间4. 线性系统的稳态误差分析- 偶然误差- 稳态误差四、实验步骤1. 典型环节的阶跃响应- 搭建比例环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节、比例积分微分环节的实验电路。

- 使用示波器观察并记录各个环节的阶跃响应曲线。

- 分析并比较各个环节的阶跃响应曲线，得出结论。

2. 典型环节的频率响应- 搭建比例环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节、比例积分微分环节的实验电路。

- 使用频率响应分析仪测量各个环节的幅频特性和相频特性。

- 分析并比较各个环节的频率响应特性，得出结论。

3. 二阶系统的阶跃响应- 搭建二阶系统的实验电路。

- 使用示波器观察并记录二阶系统的阶跃响应曲线。

- 计算并分析二阶系统的上升时间、调节时间、超调量、峰值时间等性能指标。

4. 线性系统的稳态误差分析- 搭建线性系统的实验电路。

- 使用示波器观察并记录系统的稳态响应曲线。

- 计算并分析系统的稳态误差。

五、实验数据记录与分析1. 典型环节的阶跃响应- 比例环节：K=1，阶跃响应曲线如图1所示。

- 积分环节：K=1，阶跃响应曲线如图2所示。

自动控制原理实验实验一 典型环节的电模拟及其阶跃响应分析一、实验目的⑴ 熟悉典型环节的电模拟方法。

⑵ 掌握参数变化对动态性能的影响。

二、实验设备⑴ CAE2000系统（主要使用模拟机，模/数转换，微机，打印机等）。

⑵ 数字万用表。

三、实验内容１．比例环节的模拟及其阶跃响应微分方程 )()(t Kr t c -= 传递函数 =)(s G )()(s R s C K -= 负号表示比例器的反相作用。

模拟机排题图如图9-1所示，分别求取K=1，K=2时的阶跃响应曲线，并打印曲线。

图9-1 比例环节排题图 图9-2 积分环节排题图 ２．积分环节的模拟及其阶跃响应微分方程 )()(t r dtt dc T= 传递函数 sKTs s G ==1)(模拟机排题图如图9-2所示，分别求取K=1，K=0.5时的阶跃响应曲线，并打印曲线。

３．一阶惯性环节的模拟及其阶跃响应微分方程 )()()(t Kr t c dtt dc T=+ 传递函数 1)(+=TS KS G模拟机排题图如图３所示，分别求取K=1, T=1; K=1, T=2; K=2, T=2 时的阶跃响应曲线，并打印曲线。

４．二阶系统的模拟及其阶跃响应微分方程 )()()(2)(222t r t c dt t dc T dt t c d T =++ξ传递函数 121)(22++=Ts s T s G ξ2222nn n s s ωξωω++= 画出二阶环节模拟机排题图，并分别求取打印： ⑴ T=1，ξ=0.1、0.5、1时的阶跃响应曲线。

⑵ T=2，ξ=0.5 时的阶跃响应曲线。

四、实验步骤⑴ 接通电源，用万用表将输入阶跃信号调整为2V 。

⑵ 调整相应系数器；按排题图接线，不用的放大器切勿断开反馈回路（接线时，阶跃开关处于关断状态）；将输出信号接至数/模转换通道。

⑶ 检查接线无误后，开启微机、打印机电源；进入CAE2000软件，组态A/D ，运行实时仿真；开启阶跃输入信号开关，显示、打印曲线。

一、实验目的1. 理解并掌握自动控制原理的基本概念和基本分析方法。

2. 熟悉自动控制系统的典型环节，包括比例环节、积分环节、比例积分环节、惯性环节、比例微分环节和比例积分微分环节。

3. 通过实验，验证自动控制理论在实践中的应用，提高分析问题和解决问题的能力。

二、实验原理自动控制原理是研究自动控制系统动态和稳态性能的学科。

本实验主要围绕以下几个方面展开：1. 典型环节：通过搭建模拟电路，研究典型环节的阶跃响应、频率响应等特性。

2. 系统校正：通过在系统中加入校正环节，改善系统的性能，使其满足设计要求。

3. 系统仿真：利用MATLAB等仿真软件，对自动控制系统进行建模和仿真，分析系统的动态和稳态性能。

三、实验内容1. 典型环节实验（1）比例环节：搭建比例环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数对系统性能的影响。

（2）积分环节：搭建积分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析积分时间常数对系统性能的影响。

（3）比例积分环节：搭建比例积分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数和积分时间常数对系统性能的影响。

（4）惯性环节：搭建惯性环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析时间常数对系统性能的影响。

（5）比例微分环节：搭建比例微分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数和微分时间常数对系统性能的影响。

（6）比例积分微分环节：搭建比例积分微分环节模拟电路，观察其阶跃响应，分析比例系数、积分时间常数和微分时间常数对系统性能的影响。

2. 系统校正实验（1）串联校正：在系统中加入串联校正环节，改善系统的性能，使其满足设计要求。

（2）反馈校正：在系统中加入反馈校正环节，改善系统的性能，使其满足设计要求。

3. 系统仿真实验（1）利用MATLAB等仿真软件，对自动控制系统进行建模和仿真，分析系统的动态和稳态性能。

（2）根据仿真结果，优化系统参数，提高系统性能。

四、实验步骤1. 搭建模拟电路：根据实验内容，搭建相应的模拟电路，并连接好测试设备。

实验三 典型环节（或系统）的频率特性测量一、实验目的1．学习和掌握测量典型环节（或系统）频率特性曲线的方法和技能。

2．学习根据实验所得频率特性曲线求取传递函数的方法。

二、实验内容1．用实验方法完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。

2．用实验方法完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。

3．根据测得的频率特性曲线求取各自的传递函数。

4．用软件仿真方法求取一阶惯性环节频率特性和典型二阶系统开环频率特性，并与实验所得结果比较。

三、实验步骤1．利用实验设备完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。

在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。

为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能，接线方式将不同于上述无上位机情况。

仍以一阶惯性环节为例，此时将Ui 连到实验箱 U3单元的O1（D/A 通道的输出端），将Uo 连到实验箱 U3单元的I1（A/D 通道的输入端），并连好U3单元至上位机的并口通信线。

接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。

界面上的操作步骤如下：①按通道接线情况完成“通道设置”:在界面左下方“通道设置”框内，“信号发生通道”选择“通道O1＃”，“采样通道X ”选择“通道I1＃”，“采样通道Y ”选择“不采集”。

②进行“系统连接”（见界面左下角），如连接正常即可按动态状态框内的提示（在界面正下方）“进入实验模式”；如连接失败，检查并口连线和实验箱电源后再连接，如再失败则请求指导教师帮助。

③进入实验模式后，先对显示进行设置：选择“显示模式”（在主界面左上角）为“Bode”。

④完成实验设置，先选择“实验类别”（在主界面右上角）为“频域”，然后点击“实验参数设置”，在弹出的“频率特性测试频率点设置”框内，确定实验要测试的频率点。

注意设置必须满足ω<30Rad/sec 。

⑤以上设置完成后，按“实验启动”启动实验。

界面中下方的动态提示框将显示实验测试的进展情况，从开始测试直至结束的过程大约需要2分钟。

自动控制原理实验报告姓 名班 级学 号指导教师1自动控制原理实验报告（一）一．实验目的1.了解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。

3.了解掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法及Ⅰ型二阶闭环系统的传递函数标准式。

4.研究Ⅰ型二阶闭环系统的结构参数--无阻尼振荡频率ωn 、阻尼比ξ对过渡过程的影响。

5.掌握欠阻尼Ⅰ型二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标σ%、t p 、t s 的计算。

6.观察和分析Ⅰ型二阶闭环系统在欠阻尼、临界阻尼、过阻尼的瞬态响应曲线，及在阶跃信号输入时的动态性能指标σ%、t p 值，并与理论计算值作比对。

二．实验过程与结果1.观察比例环节的阶跃响应曲线1.1模拟电路图1.2传递函数(s)G(s)()o i U K U s == 10R K R =1.3单位阶跃响应U(t)K 1.4实验结果1.5实验截图2342.观察惯性环节的阶跃响应曲线2.1模拟电路图2.2传递函数(s)G(s)()1o i U KU s TS ==+10R K R =1T R C =2.3单位阶跃响应0(t)K(1e)tTU-=-2.4实验结果2.5 实验截图5673.观察积分环节的阶跃响应曲线3.1模拟电路图3.2传递函数(s)1G(s)()TS o i U U s ==i 0T =R C3.3单位阶跃响应01(t)i U t T =3.4 实验结果3.5 实验截图89104.观察比例积分环节的阶跃响应曲线4.1模拟电路图4.2传递函数0(s)1(s)(1)(s)i i U G K U T S ==+10K R R =1i T R C=4.3单位阶跃响应1 (t)(1)U K tT=+ 4.4实验结果4.5实验截图1112135.观察比例微分环节的阶跃响应曲线5.1模拟电路图5.2传递函数0(s)1(s)()(s)1i U TSG K U S τ+==+12312(R )D R R T CR R =++3R C τ=120R R K R +=141233(R //R )R D K R +=0.06D D T K sτ=⨯=5.3单位阶跃响应0(t)()U KT t Kδ=+5.4实验结果截图6.观察比例积分微分（PID ）环节的响应曲线6.1模拟电路图156.2传递函数0(s)(s)(s)p p p d i i K U G K K T S U T S ==++123212(R )C d R R T R R =++i 121(R R )C T =+120p R R K R +=1233(R //R )R D K R +=32R C τ= D D T K τ=⨯6.3单位阶跃响应0(t)()p p D p K U K T t K tTδ=++6.4实验观察结果截图16三．实验心得这个实验，收获最多的一点：就是合作。

一、实验目的1. 理解自动控制原理的基本概念，掌握自动控制系统的组成和基本工作原理。

2. 熟悉自动控制实验设备，学会使用相关仪器进行实验操作。

3. 通过实验验证自动控制理论在实际系统中的应用，加深对理论知识的理解。

二、实验原理自动控制原理是研究自动控制系统动态过程及其控制规律的科学。

实验主要验证以下原理：1. 线性时不变系统：系统在任意时刻的输入与输出之间关系可用线性方程表示，且系统参数不随时间变化。

2. 稳定性：系统在受到扰动后，能够逐渐恢复到稳定状态。

3. 控制器设计：通过控制器的设计，使系统满足预定的性能指标。

三、实验设备1. 自动控制实验台2. 计算机及控制软件3. 测量仪器（如示波器、信号发生器、数据采集器等）四、实验内容1. 线性时不变系统阶跃响应实验2. 线性时不变系统频率响应实验3. 控制器设计实验五、实验步骤1. 线性时不变系统阶跃响应实验（1）搭建实验电路，连接好相关仪器；（2）设置输入信号为阶跃信号，观察并记录输出信号；（3）分析阶跃响应曲线，计算系统动态性能指标。

2. 线性时不变系统频率响应实验（1）搭建实验电路，连接好相关仪器；（2）设置输入信号为正弦信号，改变频率，观察并记录输出信号；（3）分析频率响应曲线，计算系统频率特性指标。

3. 控制器设计实验（1）根据系统性能指标，选择合适的控制器类型；（2）搭建实验电路，连接好相关仪器；（3）调整控制器参数，观察并记录输出信号；（4）分析控制器效果，验证系统性能指标。

六、实验结果与分析1. 线性时不变系统阶跃响应实验（1）实验结果：绘制阶跃响应曲线，计算系统动态性能指标；（2）分析：与理论值进行对比，验证系统动态性能。

2. 线性时不变系统频率响应实验（1）实验结果：绘制频率响应曲线，计算系统频率特性指标；（2）分析：与理论值进行对比，验证系统频率特性。

3. 控制器设计实验（1）实验结果：调整控制器参数，观察并记录输出信号；（2）分析：验证系统性能指标，评估控制器效果。

实验六Simulink建模及动态仿真
一、实验目的
1、熟悉MATLAB的Simulink工作界面和模型基本结构
2、熟悉MATLAB的Simulink窗口仿真和命令仿真环境
3、掌握用MA TLAB的Simulink分析离散系统
二、实验内容
1、Simulink对双闭环调速系统进行仿真并分析PI调节器对系统的影响。

如：例9-34
2、用Simulink完成例9-19，并分析比例调节器对系统的影响
Kc=0.11时
Kc=6时
结论：当Kc>1是稳定性下降且Kc越大系统趋于不稳定。

3、用Simulink分析离散系统，如例9-35，并完成例9-32
三、实验报告要求
1、将实验内容1、
2、3的simulink仿真图和波形图均写入实验报告中。

2、实验过程中遇到的问题分析及方法解决。

自动控制原理课程设计实验报告一、 实验目的1、了解自动控制原理的数学和系统稳定验证的方法。

2、了解自动控制系统的放大系数对系统的稳态误差和稳定性的影响。

3、 熟悉MABLAB 系统仿真的应用，加强对MABLAB 软件应用的认识。

二、 实验内容1、设单位反馈控制系统的开环传递函数如下，试用MATLAB 绘制闭环根轨迹图。

33*)2()1()(++=s s K s G2、两个系统的传递函数分别为：)65)(1)(254()144)(3(50)()()1(2232++-++++-=s s s s s s s s s s H s G )1)(2)(6())(133(3)()()2(2222323+++-+++++=s s s s s s s s s s s s H s G 计算上述所给系统在2=ω和20=ω时的幅频特性)(ωA ，对数幅频特性)(ωL 以及相频特性)(ωϕ。

（用MATLAB 验证） 3、设单位反馈的开环传递函数为)15.0)(1()(0++=s s s Ks G要求设计一串联校正网络，使校正后系统的开环增益K=5，相角裕度不低于40°，幅值裕度不小于10dB.(用MATLAB 验证)三、实验步骤及MATLAB 验证仿真1、设单位反馈控制系统的开环传递函数如下，试用MATLAB 绘制闭环根轨迹图。

33*)2()1()(++=s s K s G 解：33*)2()1()(++=s s K s G用MATLAB 绘制闭环根轨迹图如下：程序：num=conv([1 1],conv([1 1],[1 1])); den=conv([1 2],conv([1 2],[1 2])); sys=tf(num,den); rlocus(sys); grid on其闭环根轨迹图如下：2、两个系统的传递函数分别为：)65)(1)(254()144)(3(50)()()1(2232++-++++-=s s s s s s s s s s H s G )1)(2)(6())(133(3)()()2(2222323+++-+++++=s s s s s s s s s s s s H s G(1) 解：)(lg 20)(3462541)14(5094116)25()14(950)()()()3)(2)(1)(425()12)(3(50))H(j ()3)(2)(1)(254()12)(3(50)()(42222222222222222ωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωA L j H j G A j j j j j j j j G s s s s s s s s s H s G =+-+++=++++-++==++-+-+-=+--+++-=当ω<5时,o2o2o o 90)2arctan()arctan()254arctan()2arctan(2)32arctan(-)3arctan()2arctan())arctan(180(254arctan90)2arctan(2)3arctan(-180)(--+--+-=---+----++=ωωωωωωωωωωωωωωϕ当ω>5时,o2o2o o 270)2arctan()arctan()254arctan()2arctan(2)32arctan(-)3arctan()2arctan())arctan(180(254arctan90)2arctan(2)3arctan(-180)(--+--+-=---+----++=ωωωωωωωωωωωωωωϕ当ω=2时,87.7904543.6385.2093.15138.6790)22arctan()2arctan()22524arctan()42arctan()322arctan()2(513.999.2lg 20)2lgA(20)2L(99.224346254414214450)2(o o24-=--+-+-=--+-⨯-+-=≈==≈+⨯-+++⨯⨯=ϕ）（A当ω=20时,9. 24027029.8414.8704.1214.17793. 162270)220arctan()20arctan()2025204arctan()402arctan()3202arctan( )20(7.31026.0lg20)20lgA(20)20L(026.0204003462544001400 201400450) 20 (o o2 4-=--+++-=--+-⨯-+-=-≈==≈+⨯-+++⨯⨯=ϕ）（A用MATLAB验证如下：程序：num=conv(50,conv([1 -3],[4 4 1]));den=conv([1 4 25 0],conv([1 -1],[1 5 6]));sys=tf(num,den);margin(sys);grid on其MABLAB验证图如下：由计算值和MATLAB 验证可知，当ω=2时，()()%032.0%100)2()2()2(:16.8251.92L ,87.7)2(513.9)2(99.2)2()2(≈⨯'-=-='='-===L L L L A L δϕϕ故其误差值分别为，，仿真值：，，理论值：%68.3%100)22()2()2(-≈⨯'-=（）ϕϕϕδϕ当时20=ω理论值：()()，）（，， 9.240207.3120L 026.020A -=-≈≈ϕ仿真值：()()，， 241207.3120L -='-='ϕ故其误差值分别为：()()()()()()%04.0%1002020200%10020L 20L 20L 2020L -≈⨯'-==⨯'-=ϕϕϕδδϕ）（）（（2）解：)1)(2)(2)(3()1(3)1)(2)(6())(133(3)()(242222323+++-++=+++-+++++=s s s s s s s s s s s s s s s s s s s H s G )1)(2)(2)(3()1(3)()(24ωωωωωωωωωj j j j j j j H j G +-+-++=422222222222221)4(9)1(3)1(449)1(3|)()(|)(ωωωωωωωωωωωωωωωω+-+++=+-++++==j H j G A )(lg 20)(ωβωA L =()()()()()05.027087.247.8155.34827020120arctan 320arctan 20arctan 42077.908.3lg 2020lg 202008.320201420920120203)20(,2026.162702arctan 4270212arctan 32arctan 2arctan 4)2(18.35275lg 20)2(lg 20)2(44.1221)42(92)12(23)2(,22701arctan3arctan arctan 4)1arctan 180(2arctan )]7arctan(180[3arctan arctan 490)(,1242222242222222-=-+-≈----=≈==≈+-+++⨯⨯==-≈-=----====≈+-+++⨯⨯==----=-+---+--+=>ϕωϕωωωωωωωωωωωωϕωA L A A L A 时当时当时当用MATLAB 验证如下：程序：num=conv(3,conv([1 3 3 1],[1 1 0 0])); den=conv([1 1 -6],conv([1 2 0],[1 1 1])); sys=tf(num,den); margin(sys)； grid on其MATLAB 验证图如下：(下一页)由计算值和MATLAB 验证可知; 当时，2=ω理论值：()()() 26.162,18.32,44.12-≈=≈ϕL A 验证值：()() 2.162,17.32-='='ϕL 故其误差值分别为：()%14.3%100)2()2(2)2(≈⨯'-=L L L L δ%37.0%100)2()2()2()2(≈⨯'-=ϕϕϕδϕ当时，20=ω理论值：()()() 05.02077.920L 08.320A -=≈≈ϕ，， 验证值：()() 0512.02041.920L -='='ϕ， 故其误差值分别为：()()()()%68.3%10020L 20L 2020L ≈⨯'-=L δ()()()%4.2%10020202020-=⨯'-=ϕϕϕδϕ）（3、设单位反馈的开环传递函数为)15.0)(1()(0++=s s s Ks G要求设计一串联校正网络，使校正后系统的开环增益K=5，相角裕度不低于40°，幅值裕度不小于10dB.(用MATLAB 验证)解：设校正后c ω截止频率为r c ''",ω为指标求值，通过串联滞后校正，设滞后校正传递函数为()sss G c 71671++=()()())12)(1(1015.01++=++=s s s s s s s s G()()()12110++=ωωωωj j j j G()2110lg2022++=ωωωωL() 902arctanarctan ---=ωωωψ由()()c c c r r ωψω''+''''='' ,且()c c ωψ''取为 14- ,得()() 541440=+=''-''=''''c r c r ωψω由()()c c r ''+=''''ωψω 180得 () 126180540-=-=''x ωψ通过Bode 图得 442.0="c ω程序： num=[10]; den=[1,3,2,0]; G=tf(num,den); margin(G); grid on其MATLAB 伯德图如下：则()1.202442.01442.0442.010log20442.02≈++='=⎪⎭⎫ ⎝⎛"'L L c ω所以有：()()()()()ss s s s s s s s s s G s G s G c 266.30449.45383.1501083.15083.1501083.15115.0152340++++=++⋅++=⋅=程序：num1=[10];den1=[1,3,2,0]; num2=[150.83,10];den2=[150.83,453.49,304.66,2,0]; G1=tf(num1,den1); margin(G1); hold onG2=tf(num2,den2); margin(G2); bode(G1,':'); grid on其MATLAB 验证图如下()sss G T b bTl b c cc 83.1501083.15183.1501.015.010lg 20++=⎩⎨⎧==⎪⎩⎪⎨⎧''==⎪⎭⎫ ⎝⎛"'+得ωω校正前系统阶跃响应如下：程序：num=[10];den=[1,3,2,0];G=tf(num,den);figure(1);step(feedback(G,1,-1));grid on其MATLAB验证图如下校正后系统阶跃响应如下：程序：num=[150.83,10];den=[150.83,453.49,304.66,2,0]; G=tf(num,den);figure(1);step(feedback(G,1,-1));grid on其MATLAB验证图如下校正方法分析：ω附近很窄的频率范围内在此题中，采用相位超前校正是不怎么有效的，此例在c对数幅频和相频特性衰减很快，若采用相位超前校正，虽然校正环节可提供超前相角，ω右移，又将使系统的相位产生较大的滞后量，而使系统的相位裕量不会有但又会使c明显的改善。

自动控制原理实验自动控制原理实验是自动控制原理课程的重要组成部分，通过实验可以加深对自动控制原理的理解，提高实际操作能力。

本文将介绍自动控制原理实验的基本内容和实验步骤。

一、PID控制器实验。

PID控制器是自动控制中常用的一种控制器，它包括比例环节、积分环节和微分环节。

在PID控制器实验中，首先需要搭建一个控制系统模型，然后根据实验要求调节PID参数，观察系统的响应特性。

通过实验可以了解PID参数对系统稳定性和动态性能的影响，为工程实际应用提供参考。

二、系统辨识实验。

系统辨识是自动控制领域的重要内容，通过实验可以获取系统的数学模型，为控制器设计提供依据。

在系统辨识实验中，需要输入一定的信号，观察系统的输出响应，并利用系统辨识方法建立系统的数学模型。

实验过程中需要注意信号的选择和采样频率，以保证实验数据的准确性和可靠性。

三、闭环控制实验。

闭环控制是自动控制中常用的一种控制策略，通过实验可以验证闭环控制系统的性能。

在闭环控制实验中，需要搭建一个闭环控制系统，然后根据实验要求设计控制器参数，并观察系统的稳定性和跟踪性能。

实验过程中需要注意控制器参数的选择和调节，以保证系统的稳定性和性能。

四、数字控制实验。

数字控制是现代控制领域的重要内容，通过实验可以了解数字控制系统的特点和设计方法。

在数字控制实验中，需要搭建一个数字控制系统，然后根据实验要求设计数字控制器，并观察系统的响应特性。

实验过程中需要注意采样周期和数字控制器参数的选择，以保证系统的性能和稳定性。

通过以上实验，可以加深对自动控制原理的理解，提高实际操作能力，为将来的工程实际应用打下基础。

希望同学们能够认真对待自动控制原理实验，不断提高自己的实验能力和动手能力，为将来的工程实践做好准备。

自动控制原理实验实验1 控制系统典型环节的模拟利用运算放大器的基本特性，如：开环增益高，输入阻抗大、输出阻抗小等，通过设置不同的反馈网络，可以模拟各种典型环节。

一．实验目的● 掌握用运算放大器组成控制系统典型环节的电子电路原理。

●观察几种典型环节的阶跃响应曲线。

● 了解参数变化对典型环节输出动态性能（即阶跃响应）的影响。

二．实验仪器●THSCC-1实验箱一台。

● 示波器一台。

三．实验内容 1．比例环节比例（P ）环节的方框图如图1-1所示。

图1-1比例环节方框图K Z Z S u S u S G i o ==-=12)()()(当输入为单位阶跃信号，即u i =-1V 时，u i （s ）=s 1，则u o （s ）=K s1，所以输出响应为：u o （t ）=K （t ≥0）。

比例环节实验原理图如图1-2所示。

选择：K=R2/R1=2，例如选择R2=820k ，R1=410k ，或选择R2=100k ，R1=51k 。

R2图1-2 比例环节实验原理图和输出波形实验步骤： （1）调整示波器： ● 选择输入通道CH1或CH2。

● 逆时针调节示波器的时间旋钮“TIME/DIV ”到底，使光标为一点，并调节上下“位移”旋钮使光标位于0线上。

●调整示波器的输入幅度档位选择开关，选择合适的档位使信号幅度便于观察，例如选择档位为1V 档。

● 将输入幅度档位选择开关中心的微调旋钮顺时针旋到底。

● 将信号选择开关打到DC 档。

（2）顺时针调节实验箱的旋钮，使阶跃信号为负（绿灯亮）。

（3）阶跃信号接到示波器上，调节实验箱的幅度旋钮。

使负跳变幅度为一格（即Ui=-1V ）。

（4）接好实验线路，按下阶跃信号按钮，观察示波器的波形。

预习思考：输出幅度跳变应为……? 2.惯性环节惯性环节实验原理图如图1-3所示。

其传递函数为：11)()()(+==TS K s u s u S G i o ， K= R2/R1，T=R2*C 当输入为单位阶跃信号，即u i （t ）=-1V 时，u i （s ）=S 1，则u o （s ）=S11TS 1⋅+ 所以输出响应为u o （t ）=)e1(K Tt--。

一、实验目的1. 理解自动控制系统的基本概念和组成；2. 掌握典型环节的传递函数和响应特性；3. 熟悉PID控制器的原理和参数整定方法；4. 通过实验验证理论知识的正确性，提高实际操作能力。

二、实验设备1. 自动控制原理实验箱；2. 示波器；3. 数字多用表；4. 个人电脑；5. 实验指导书。

三、实验原理自动控制系统是一种根据给定输入信号自动调节输出信号的系统。

它主要由控制器、被控对象和反馈环节组成。

控制器根据被控对象的输出信号与给定信号的偏差，通过调节控制器的输出信号来改变被控对象的输入信号，从而实现对被控对象的控制。

1. 典型环节（1）比例环节：比例环节的传递函数为G(s) = K，其中K为比例系数。

比例环节的响应特性为输出信号与输入信号成线性关系。

（2）积分环节：积分环节的传递函数为G(s) = 1/s，其中s为复频域变量。

积分环节的响应特性为输出信号随时间逐渐逼近输入信号。

（3）比例积分环节：比例积分环节的传递函数为G(s) = K(1 + 1/s)，其中K为比例系数。

比例积分环节的响应特性为输出信号在比例环节的基础上，逐渐逼近输入信号。

2. PID控制器PID控制器是一种常用的控制器，其传递函数为G(s) = Kp + Ki/s + Kd(s/s^2)，其中Kp、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数和微分系数。

PID控制器可以实现对系统的快速、稳定和精确控制。

四、实验内容及步骤1. 实验一：典型环节的阶跃响应（1）搭建比例环节电路，观察并记录输出信号随时间的变化曲线；（2）搭建积分环节电路，观察并记录输出信号随时间的变化曲线；（3）搭建比例积分环节电路，观察并记录输出信号随时间的变化曲线。

2. 实验二：PID控制器参数整定（1）搭建PID控制器电路，观察并记录输出信号随时间的变化曲线；（2）通过改变PID控制器参数，观察并分析系统响应特性；（3）根据系统响应特性，整定PID控制器参数，使系统达到期望的响应特性。

自动控制原理实验报告实验报告：自动控制原理一、实验目的本次实验的目的是通过设计并搭建一个简单的自动控制系统，了解自动控制的基本原理和方法，并通过实际测试和数据分析来验证实验结果。

二、实验装置和仪器1. Arduino UNO开发板2.电机驱动模块3.直流电机4.旋转角度传感器5.杜邦线6.电源适配器三、实验原理四、实验步骤1. 将Arduino UNO开发板与电机驱动模块、旋转角度传感器和直流电机进行连接。

2. 编写Arduino代码，设置电机的控制逻辑和旋转角度的反馈机制。

3. 将编写好的代码上传至Arduino UNO开发板。

4.将电源适配器连接至系统，确保实验装置正常供电。

5.启动实验系统并观察电机的转动情况。

6.记录电机的转动角度和实际目标角度的差异，并进行数据分析。

五、实验结果和数据分析在实际操作中，我们设置了电机的目标转动角度为90度，待实验系统运行后，我们发现电机实际转动角度与目标角度存在一定的差异。

通过对数据的分析，我们发现该差异主要由以下几个方面导致：1.电机驱动模块的响应速度存在一定的延迟，导致电机在到达目标角度时出现一定的误差。

2.旋转角度传感器的精度有限，无法完全准确地测量电机的实际转动角度。

这也是导致实际转动角度与目标角度存在差异的一个重要原因。

3.电源适配器的稳定性对电机的转动精度也有一定的影响。

六、实验总结通过本次实验，我们了解了自动控制的基本原理和方法，并通过实际测试和数据分析了解了自动控制系统的运行情况。

同时，我们也发现了实际系统与理论预期之间存在的一些差异，这些差异主要由电机驱动模块和旋转角度传感器等因素引起。

为了提高自动控制系统的精度，我们需要不断优化和改进这些因素，并进行相应的校准和调试。

实验的结果也提醒我们，在实际应用中，需要考虑各种因素的影响，以确保自动控制系统的可靠性和准确性。