《自动控制原理》实验教案

自动控制原理电子教案第一章：绪论1.1 自动控制的概念解释自动控制的定义强调自动控制在现代工业和日常生活中的重要性1.2 自动控制系统的分类介绍开环控制系统和闭环控制系统解释数字控制系统和模拟控制系统的区别1.3 自动控制系统的性能指标介绍稳定性、线性、收敛性和鲁棒性等性能指标解释这些指标对系统性能的影响第二章：反馈控制系统2.1 反馈控制系统的组成介绍控制器、执行器和传感器的功能和作用2.2 反馈控制系统的类型解释正反馈和负反馈的区别和应用场景2.3 控制器的设计方法介绍PID控制器和模糊控制器的原理和方法第三章：线性系统的状态空间分析3.1 状态空间表示法介绍状态空间的概念和数学表示方法3.2 状态方程和输出方程推导状态方程和输出方程的求解方法3.3 线性系统的可控性和可观测性解释可控性和可观测性的概念和判断方法第四章：非线性控制系统分析4.1 非线性系统的分类介绍线性与非线性的区别和常见的非线性特性4.2 非线性方程的求解方法解释求解非线性方程的数值方法和解析方法4.3 非线性控制系统的稳定性分析介绍李雅普诺夫理论和Lyapunov 函数的应用第五章：现代控制理论5.1 现代控制理论的概念解释现代控制理论的背景和发展5.2 鲁棒控制理论介绍鲁棒控制的概念和设计方法5.3 自适应控制理论解释自适应控制的概念和应用场景第六章：控制系统的设计方法6.1 系统设计的基本原则介绍控制系统设计中的稳定性、准确性和快速性原则6.2 控制器设计方法详细讲解PID控制器、模糊控制器、自适应控制器的设计步骤和注意事项6.3 系统仿真与实验介绍使用MATLAB等工具进行控制系统仿真的方法强调实验在控制系统教学和工程应用中的重要性第七章：线性调节器的设计7.1 调节器的作用与分类解释调节器的作用以及比例、积分、微分调节器的特点7.2 调节器的设计方法介绍Ziegler-Nichols方法等经典调节器设计方法7.3 调节器的参数整定讲解如何通过观察系统响应来整定调节器参数第八章：系统辩识8.1 系统辩识的基本概念解释系统辩识的目的和方法8.2 输入输出数据采集介绍如何采集系统的输入输出数据8.3 系统模型的建立与参数估计讲解如何根据采集到的数据建立数学模型并进行参数估计第九章：数字控制系统9.1 数字控制系统的组成介绍数字控制系统的硬件和软件组成部分9.2 数字控制算法详细讲解离散PID控制、模糊控制等数字控制算法9.3 数字控制器的实现介绍如何实现数字控制器，包括硬件实现和软件实现第十章：自动控制系统的应用10.1 工业自动化讲解自动控制系统在工业生产中的应用案例10.2 家居自动化介绍自动控制系统在智能家居中的应用案例10.3 汽车自动化探讨自动控制系统在现代汽车工业中的应用案例重点和难点解析重点环节：1. 自动控制的概念和分类2. 反馈控制系统的组成和类型3. 状态空间分析方法4. 非线性控制系统分析5. 现代控制理论6. 控制系统的设计方法和步骤7. 调节器的设计和参数整定8. 系统辩识的方法和模型建立9. 数字控制系统的组成和算法实现10. 自动控制系统的应用案例难点解析：1. 自动控制的概念和分类：理解自动控制的基本原理和不同类型控制系统的特点。

实验一、控制系统典型环节的模拟
教学目标：
1、掌握传递函数的涵义；熟悉常见环节传递函数及单位阶跃响应特性。

2、验证常见环节的单位阶跃响应特性。

教学重点：
1、分析实验结果。

教学难点：
1、正确接线
2、示波器的调试。

教具、教学素材准备：
1、 实验仪器。

2、 教案
教学方法：
采用传统的教学方法与实验演示相结合的方法。

教学时数：
2学时
教学过程：（教师授课思路、设问及讲解要点）
一、典型环节的介绍。

1．比例环节
微分方程： C(t) = Kr(t)
其中：K ——比例环节系数
拉氏变换：C(s)=KR(s)
比例环节的传递函数：
C (s )
G(s) K
R (s ) 比例环节的方框图如下：
特点：输出不失真，不延迟，成比例地复现输入信号的变化。

比例环节实例：
K R(s) C(s)
（a ） 由运算放大器构成的比例环节 R
R 1
2. 惯性环节
惯性环节的微分方程：
dc (t )
T c (t ) K r (t )
d (t )
K
——比例系数其中：
T ——时间常数
拉氏变换： TsC(s) C(s) K R (s ) 惯性环节的传递函数：
C (s ) K G(s) R (s ) Ts
1
惯性环节方框图
单位阶跃信号作用下的响应： 1
R(s)
s
K 1
C (s )
11 Ts 2 K。

一、教案基本信息自动控制原理电子教案课时安排：45分钟教学目标：1. 理解自动控制的基本概念和原理。

2. 掌握自动控制系统的分类和特点。

3. 了解常用自动控制器的原理和应用。

教学方法：1. 讲授：讲解自动控制的基本概念、原理和特点。

2. 互动：提问和回答，让学生积极参与课堂讨论。

3. 案例分析：分析实际应用中的自动控制系统，加深学生对知识的理解。

教学工具：1. 投影仪：用于展示PPT和视频资料。

2. 计算机：用于播放教学视频和演示软件。

二、教学内容和步骤1. 自动控制的基本概念（5分钟）讲解自动控制系统的定义、作用和基本组成。

通过举例说明自动控制系统在实际中的应用，如温度控制、速度控制等。

2. 自动控制系统的分类和特点（10分钟）讲解自动控制系统的分类，包括线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、开环系统和闭环系统等。

介绍各种系统的特点和应用场景。

3. 常用自动控制器原理和应用（15分钟）介绍常用的自动控制器，如PID控制器、模糊控制器、神经网络控制器等。

讲解其原理和结构，并通过实际案例分析其应用。

4. 课堂互动（5分钟）提问和回答环节，让学生积极参与课堂讨论，巩固所学知识。

可以设置一些选择题或简答题，检查学生对自动控制原理的理解。

三、教学评价1. 课堂表现：观察学生在课堂上的参与程度、提问和回答问题的积极性等。

2. 作业完成情况：检查学生作业的完成质量，包括答案的正确性、解题思路的清晰性等。

3. 课程测试：在课程结束后进行一次测试，检验学生对自动控制原理的掌握程度。

四、教学资源1.PPT：制作精美的PPT，用于展示教学内容和实例。

2. 视频资料：收集相关自动控制原理的教学视频，用于辅助讲解和演示。

3. 案例分析：挑选一些实际应用中的自动控制系统案例，用于分析和学习。

五、教学拓展1. 开展课后讨论：鼓励学生在课后组成学习小组，针对课堂所学内容进行讨论和交流。

2. 参观实验室：组织学生参观自动控制实验室，实地了解自动控制系统的原理和应用。

自动控制原理实验目录实验一二阶系统阶跃响应（验证性实验） (1)实验三控制系统的稳定性分析（验证性实验） (9)实验三系统稳态误差分析（综合性实验） (15)预备实验典型环节及其阶跃响应一、实验目的1.学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性的影响。

2.学习典型环节阶跃响应测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节传递函数。

二、实验内容搭建下述典型环节的模拟电路，并测量其阶跃响应。

1.比例(P)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-1。

2.惯性(T)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-2。

3.积分(I)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-3。

4. 比例积分(PI)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-4。

5.比例微分(PD)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-5。

6.比例积分微分(PID)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-6。

三、实验报告1.画出惯性环节、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模拟电路图，用坐标纸画出所记录的各环节的阶跃响应曲线。

2.由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由模拟电路计算的结果相比较。

附1：预备实验典型环节及其阶跃响应效果参考图比例环节阶跃响应惯性环节阶跃响应积分环节阶跃响应比例积分环节阶跃响应比例微分环节阶跃响应比例积分微分环节阶跃响应附2：由模拟电路推导传递函数的参考方法1． 惯性环节令输入信号为U 1(s) 输出信号为U 2(s) 根据模电中虚短和虚断的概念列出公式：整理得进一步简化可以得到如果令R 2/R 1=K ，R 2C=T ，则系统的传递函数可写成下面的形式：()1KG s TS =-+当输入r(t)为单位脉冲函数时 则有输入U 1(s)=1输出U 2(s)=G(s)U 1(s)= 1KTS-+由拉氏反变换可得到单位脉冲响应如下：/(),0t TK k t e t T-=-≥ 当输入r(t)为单位阶跃函数时 则有输入U 1(s)=1/s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)= 11K TS s-+由拉氏反变换可得到单位阶跃响应如下：/()(1),0t T h t K e t -=--≥当输入r(t)为单位斜坡函数时 则有输入U 1(s)=21s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)=2323R R C T R R =+2Cs12Cs-(s)U R10-(s)U 21R R +-=12212)Cs (Cs 1(s)U (s)U )(G R R R s +-==12212)Cs 1((s)U (s)U )(G R R R s +-==由拉氏反变换可得到单位斜坡响应如下：/()(1),0t T c t Kt KT e t -=--≥2． 比例微分环节令输入信号为U 1(s) 输出信号为U 2(s) 根据模电中虚短和虚断的概念列出公式：(s)(s)(s)(s)(s)U100-U U 0U 2=1R1R23(4)CSU R R '''---=++由前一个等式得到 ()1()2/1U s U s R R '=- 带入方程组中消去()U s '可得1()1()2/11()2/12()1134U s U s R R U s R R U s R R R CS+=--+由于14R C〈〈，则可将R4忽略，则可将两边化简得到传递函数如下： 2()23232323()(1)1()11123U s R R R R R R R R G s CS CS U s R R R R R ++==--=-++如果令K=231R R R +， T=2323R R C R R +，则系统的传递函数可写成下面的形式：()(1)G s K TS =-+当输入r(t)为单位脉冲函数时，单位脉冲响应不稳定，讨论起来无意义 当输入r(t)为单位阶跃函数时 则有输入U 1(s)=1/s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)=(1)K TS S-+由拉氏反变换可得到单位阶跃响应如下：()(),0h t KT t K t δ=+≥当输入r(t)为单位斜坡函数时 则有输入U 1(s)=21s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)=2(1)K TS S -+由拉氏反变换可得到单位斜坡响应如下：(),0c t Kt KT t =+≥实验一 二阶系统阶跃响应（验证性实验）一、实验目的研究二阶系统的两个重要参数阻尼比ξ和无阻尼自然频率n ω对系统动态性能的影响。

自动控制原理教案一、教案概述本教案旨在介绍自动控制原理的基本概念、原理和应用。

通过本教案的学习，学生将能够理解自动控制的基本原理，掌握自动控制系统的设计和分析方法，并能够应用所学知识解决实际问题。

二、教学目标1. 理解自动控制原理的基本概念和术语；2. 掌握自动控制系统的基本原理和组成部分；3. 熟悉自动控制系统的数学模型和传递函数表示方法；4. 能够应用PID控制器进行系统设计和调节；5. 能够利用MATLAB等工具进行自动控制系统的仿真和分析。

三、教学内容和进度安排本教案按照以下内容进行教学，共分为10个单元。

单元一：自动控制原理概述- 自动控制的定义和分类- 自动控制系统的基本组成部分单元二：数学模型与传递函数- 控制系统的数学建模方法- 传递函数的定义和性质单元三：时域分析方法- 系统的单位脉冲响应和单位阶跃响应- 系统的稳态误差和稳定性分析单元四：频域分析方法- 系统的频率响应和频率特性- Bode图和Nyquist图的绘制和分析单元五：闭环控制系统- 闭环控制系统的基本概念和特性- 闭环控制系统的稳定性分析单元六：PID控制器- PID控制器的原理和调节方法- Ziegler-Nichols调参法和Chien-Hrones-Reswick调参法单元七：校正与补偿- 系统的校正和补偿方法- 前馈控制和后馈控制的比较单元八：系统的稳定性分析- 系统的稳定性判据和稳定裕度- 极点配置法和根轨迹法的应用单元九：多变量控制系统- 多变量控制系统的基本概念和结构- 多变量控制系统的设计方法单元十：自动控制系统的仿真与实验- 利用MATLAB进行自动控制系统的仿真- 实际系统的控制实验设计和实施四、教学方法和手段1. 理论讲授：通过讲解和示意图的展示，向学生介绍自动控制原理的基本概念和原理。

2. 实例分析：通过具体的案例分析，帮助学生理解自动控制原理的应用和实际意义。

3. 计算机仿真：利用MATLAB等工具进行自动控制系统的仿真，加深学生对理论知识的理解和应用能力。

自动控制原理教案一、教材分析《自动控制原理》是自动化专业的一门基础课程，主要介绍自动控制原理的基本概念、基本原理和基本方法。

通过学习本课程，学生能够掌握自动控制系统的基本知识，了解自动控制原理在工程实践中的应用，并具备设计和分析自动控制系统的能力。

本教材主要包括以下内容：一、自动控制系统的基本概念和基本原理；二、控制系统的数学模型；三、时域分析方法；四、频域分析方法；五、稳定性分析与设计；六、校正与补偿。

二、教学目标1. 理论目标：（1）了解自动控制系统的基本概念和基本原理；（2）掌握控制系统的数学模型表示方法；（3）掌握时域分析方法和频域分析方法；（4）掌握自动控制系统的稳定性分析与设计方法；（5）了解校正与补偿的基本方法。

2. 实践目标：（1）培养学生分析和设计自动控制系统的能力；（2）培养学生运用自动控制原理解决实际问题的能力；（3）培养学生团队协作和沟通能力。

三、教学重点与难点1. 教学重点：（1）自动控制系统的基本概念和基本原理；（2）控制系统的数学模型表示方法；（3）时域分析方法和频域分析方法。

2. 教学难点：（1）自动控制系统的稳定性分析与设计方法；（2）校正与补偿的基本方法。

四、教学内容与教学方法1. 教学内容：第一章自动控制系统基本概念1.1 自动控制系统的定义和分类1.2 自动控制系统的基本组成1.3 自动控制系统的特点第二章自动控制系统数学模型2.1 自动控制系统的数学模型表示2.2 控制系统的状态方程表示2.3 控制系统的传递函数表示第三章时域分析方法3.1 系统的时域响应3.2 时域性能指标3.3 时域分析的基本方法第四章频域分析方法4.1 复频域的基本概念4.2 频域性能指标4.3 常用频域分析方法第五章稳定性分析与设计5.1 稳定性的基本概念5.2 稳定性的判据5.3 稳定性的设计方法第六章校正与补偿6.1 校正与补偿的基本概念6.2 控制系统的传感器6.3 控制系统的执行器6.4 控制系统的校正与补偿方法2. 教学方法：（1）理论教学：讲授自动控制原理的基本概念、基本原理和基本方法；（2）案例分析：通过实例分析和讨论，加深学生对自动控制原理的理解；（3）实验设计：设计实际的控制系统，通过实验验证和巩固所学的知识；（4）讨论与互动：鼓励学生积极参与课堂讨论和互动，提高学生的思维能力和团队合作能力。

《自动控制原理》武汉工程大学电气信息学院2012年11月25日《自动控制原理》实验说明一、实验条件要求硬件：个人计算机；软件：MATLAB仿真软件(版本6.5或以上)。

带上课用教材和纸笔二、实验内容实验1 认识MATLAB实验2 基于MATLAB的控制系统建模实验3 基于MATLAB的控制系统时域及稳定性分析实验4 基于MATLAB的控制系统频域及根轨迹分析三、实验报告要求说明认真阅读教材，深刻理解和掌握自动控制原理的基本概念和原理，掌握利用MATLAB对控制系统进行仿真分析和设计。

针对每个命令，查看帮助文件，加强练习，认真完成实验报告。

实验1 认识MATLAB一、实验目的1.了解MA TLAB的发展过程及MATLAB在自动控制中的用途。

2.掌握MA TLAB的基本指令。

二、实验要求实验前复习教材中的相关内容，做好实验预习报告。

三、实验内容及步骤1.MA TLAB的基本操作(1) MATLAB命令窗口计算机安装好MATLAB之后，双击MA TLAB图标，即进入命令窗口，此时意味着系统处于准备接受命令的状态，可以在命令窗口中直接输入命令语句。

MATLAB语句形式为：》变量= 表达式但键入回车时，该语句被执行。

该语句执行之后，窗口自动显示出执行语句的结果。

如果不希望结果显示在命令窗口，只需要在该语句之后加一个分号“；”即可。

此时尽管没有显示结果，但它依然被赋值并在MATLAB的工作空间中分配了内存。

注意：a.用方向键和控制键可以编辑修改已输入的命令。

b.用命令窗口的分页输出“more off”表示不允许分页；“more on”表示允许分页；“more(n)”指定每页输出的页数。

c.多行命令为“…”。

(2)变量变量的名字必须以字母开头，之后可以是任意字母、数字或下划线；变量名称区分字母的大小写；变量中不能包含标点符号。

MATLAB规定了一些特殊的变量，如果没有特别定义，将其表示为默认值。

(3)数值显示格式任何MATLAB语句执行的结果都可以显示在屏幕上，同时赋值给指定的变量；没有指定变量时，赋值给一个特殊的变量“ans”。

《自动控制原理》实验指导书31000字实验一、开关量控制与监测实验目的：掌握开关量控制与监测的基本原理及方法。

实验器材：PC机、PLC编程软件、PLC编程器、PLC实验箱、直流电源、继电器、开关。

实验内容：1. 使用PLC编程软件进行PLC的程序编写。

2. 使用直流电源作为控制电源，将继电器与开关连接，利用PLC实现开关量控制和监测。

实验步骤：1. 利用PLC编程软件进行PLC的程序编写。

2. 将直流电源的正极与继电器的常闭端相连，继电器的常开端与开关相连。

3. 将开关的另一端与PLC的输入端相连，PLC的输出端与继电器的控制端相连。

4. 将直流电源的负极与PLC实验箱的接地端相连。

5. 将PLC编程器连接到PC机上，将编写好的程序下载到PLC实验箱中。

6. 按下开关，观察继电器的输出，检查程序的正确性。

实验结果：1. 开关按下，PLC输出信号，继电器吸合。

2. 开关松开，PLC输出信号，继电器断开。

实验二、模拟量采集和控制实验目的：掌握模拟量采集和控制的基本原理及方法。

实验器材：PC机、PLC编程软件、PLC编程器、PLC实验箱、直流电源、电位器、LED灯。

实验内容：1. 使用PLC编程软件进行PLC的程序编写。

2. 使用电位器作为模拟量输入信号源，利用PLC采集电位器的模拟量信号，并控制LED灯的亮度。

实验步骤：1. 利用PLC编程软件进行PLC的程序编写。

2. 将电位器的信号通过模拟量转换模块输入到PLC的模拟量输入端。

3. 利用PLC的模拟量比较指令，将电位器的模拟量信号转换成数字量信号。

4. 根据数字量输出信号的状态，控制LED灯的亮度。

5. 将直流电源的负极与PLC实验箱的接地端相连。

6. 将PLC编程器连接到PC机上，将编写好的程序下载到PLC实验箱中。

7. 调节电位器，观察LED灯的亮度变化。

实验结果：1. 电位器调整时，模拟量输入信号发生变化。

2. 根据模拟量输入信号的大小，PLC输出数字量信号，控制LED灯的亮度。

实验一基于MATLAB实验平台的系统被控对象的建立与转换[说明]一个控制系统主要由被控对象、检测测量装置、控制器和执行器四大部分构成。

用于自控原理实验方面的被控对象可以有①用于实际生产的实际系统的真实被控对象，如进行温度控制的锅炉、进行转速控制的电机等；②用于实验研究的真实被控对象，如进行温度控制的实验用锅炉、进行转速控制的电机等；③用运算放大器等电子器件搭建的电模拟被控对象（电路板形式），它们的数学模型与真实被控对象的数学模型基本一致，而且比真实被控对象更典型，更精准。

它们是实物型原理仿真被控对象。

④计算机仿真的被控对象，它们是非实物型原理仿真被控对象，是以各种形式展现的被控对象的数学模型。

它们通过计算机屏幕展示，或是公式形式的数学算式，或是数字形式的数表、矩阵，或是图形形式的结构框图，或是动画形式的真实被控对象实物的动态图形。

在自控原理实验中，①极少用；②用的不多；③用的较多；④在MATLAB软件广泛使用后，用的较多。

③、④各有其优缺点。

MATLAB软件的应用对提高控制系统的分析、设计和应用水平起着十分重要的作用。

我们的实验采用的是④：采用MATLAB软件平台的计算机仿真的被控对象。

这里“被控对象的建立”，指在MATLAB软件平台上怎样正确表示被控对象的数学模型。

[实验目的]1．了解MATLAB软件的基本特点和功能；2．掌握线性系统被控对象传递函数数学模型在MATLAB环境下的表示方法及转换；3．掌握多环节串联、并联、反馈连接时整体传递函数的求取方法；4．掌握在SIMULINK环境下系统结构图的形成及整体传递函数的求取方法。

[实验指导]一、被控对象模型的建立在线性系统理论中，一般常用的描述系统的数学模型形式有：（1）传递函数模型——有理多项式分式表达式（2）传递函数模型——零极点增益表达式（3）状态空间模型（系统的内部模型）这些模型之间都有着内在的联系，可以相互进行转换。

1、传递函数模型——有理多项式分式表达式设系统的传递函数模型为1110111......)()()(a s a s a s a b s b s b s b s R s C s G n n n n m m m m ++++++++==---- 对线性定常系统，式中s 的系数均为常数，且a n 不等于零。

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。