控制工程基础实验指导书(更新版4.17)

控制工程基础实验指导书编写：韩秀英菜海潮审核：杨建玺班级：姓名：河南科技大学机电工程学院测控教研室前言<<控制工程基础>>是机械工程类专业的一门技术基础课。

本课程包括机械工程控制论的基本概念、系统的数学模型、时间响应分析、频率特性分析、系统的稳定性和机械工程控制系统的校正与设计，是机械工程类专业的重要理论基础之一。

而实验在本书中占有很重要地位，是使学生深入理解掌握控制理论的有效手段。

本指导书共编写了三个实验，任课教师可根据教学大纲和不同专业的特点选择实验内容。

目录实验一典型环节时间响应分析---------------------------------------------------------------------1 实验二频率特性实验---------------------------------------------------------------------------------6 实验三系统分析与校正实验-------------------------------------------------------------------------8实验一典型环节时间响应分析一、实验目的1、了解TND－AC/ACS教学实验系统的特性及使用方法。

2、掌握各典型环节的电路结构及线路搭接。

3、掌握各典型环节对阶跃信号的时间响应特性。

二、实验设备TND－AC/ACS教学实验系统、微机。

三、实验原理（详见表1-1各环节的方框图和传递函数，表1-2各典型环节的电路图）表1-1各典型环节的方框图及传递函数表1-2各典型环节的模拟电路图及输出响应函数（R、C参数详见实验）四、实验方法及步骤1、阶跃信号的准备：将U1信号源单元的ST插针与S插针用“短路块”短接，S11波段开关置于“阶跃信号”档，“OUT“端的输出电压（方波信号）作为阶跃信号电压，信号周期由波段开关S12和电位器W12调节，信号幅值由电位器W11调节。

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。

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。

实验一传递函数的测定一、实验准备知识1.一阶系统传递函数及其特征参数对其性能的影响；2.一阶系统的阶跃响应；3.直流电动机工作原理；4.直流发电机的工作原理。

二、实验目的1.掌握直流电动机系统工作框图，并推导其传递函数；2.掌握一阶系统（以直流电动机为例）传递函数的测试方法；3.学会相关实验仪器的使用方法，包括：低频示波器、光电测速仪、稳压电源等。

三、实验仪器1.直流电动机-测速发电机组一套；2.低频示波器一台；3.光电测速仪一套；4.三路稳压电源一台；5.连接导线若干。

四、实验原理1.直流电机工作原理2.电枢控制式直流电机传递函数的建立(1) 电网络平衡方程1 - 0 -- 1 -aa d a di LRi e u dt++= 式中，a i 为电动机的电枢电流；R——电动机的电阻；L ——电动机的电感；d e ——电枢绕组的感应电动势。

工作原理图：(2) 电动势平衡方程d de k ω=式中，d k 为电动势常数，由电动机的结构参数确定。

(3) 机械平衡方程L d JM M dtω=- 式中，J ——电动机转子的转动惯量；M ——电动机的电磁转矩；L M ——折合阻力矩。

(4) 转矩平衡方程am i K M =式中，m K 表示电磁力矩常数，由电动机的结构参数确定。

将上述四个方程联立，因为空载下的阻力矩很小，略去L M ，并消去中间变量a i 、d e 、2M ，得到关于输入输出的微分方程式：22d a m m JL d JR d k u K dt K dtωωω++= 这是一个二阶线性微分方程，因为电枢绕组的电感一般很小，若略去L ，则可以得到简化的一阶线性微分方程为：d a m JR d K u K dtωω+= 则转速n 与输入电压a u 之间的一阶线性微分方程为：226060d a m JR dn K n u K dt ππ+=令初始条件为零，两边拉氏变换，求得传递函数为：3011/()()()d a m dK N s KG s JR U s TS S K K π===++ 五、实验测试方法1.测试原理直流电动机当输入给定电枢电压信号而输出为转速时,其其传递函数为：()()()1N s KG s U s Ts ==+ 2.测试方法实验测定出T 和K 值，则系统的传递函数即可取定。

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 。

《控制工程理论》实验指导书课程编号：02000310课程名称：控制工程理论“控制工程理论”是机械设计制造及其自动化专业的一门专业必修课程，其实验的目的是理论联系实际，加深对控制工程理论基本原理、基本规律的理解，掌握系统分析和系统设计的基本方法，通过学生自己动手进行实验，获得基本实验技能的训练, 培养学生分析、操作和解决实际问题的能力，为后续课程和专业课程设计、毕业设计以及今后从事生产技术工作打下良好的基础。

实验一至实验四的实验内容主要在AEDK LabACT 自控/计控原理教学实验系统装置上进行，它利用教学实验系统的接口电路把模拟信号经转换传送到计算机，再由计算机对数据进行分析、处理。

实验一典型环节的模拟研究一、实验目的：掌握各典型环节的传递函数及模拟电路图，通过对典型环节阶跃响应曲线的观测和分析，加深对典型环节的理解，掌握基本知识。

二、实验的主要内容：1、根据表1-1所示的各典型环节的模拟电路图，观测其阶跃响应曲线。

表1-1 各典型环节的模拟电路图典型环模拟电路图节名称比例（P）积分（I）比例积分（PI）比例微分（PD）惯性环节（T）比例积分微分（PID）三、实验设备及工具：AEDK LabACT自控/计控原理教学实验系统、PC机、万用表，连接线及工具若干；四、实验原理分析各典型环节的方块图和模拟电路图的对应关系，写出传递函数，填入表1－2中。

表1－2典型环节名称方块图传递函数比例（P）积分（I）比例积分（PI）比例微分（PD）惯性环节（T）比例积分微分（PID）五、实验方法和步骤运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。

1)．观察比例环节的阶跃响应曲线典型比例环节模拟电路参考表1-1。

该环节在A1单元中分别选取反馈电阻R1=100K、200K来改变比例参数。

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。