实验二-二阶系统的动态特性与稳定性分析

实验题目 二阶系统瞬态响应和稳定性一 实验要求1 了解和掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法及二阶闭环系统的传递函数标准式；2 研究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；3 观察和分析欠阻尼，临界阻尼和过阻尼二阶闭环系统在阶跃信号输入时的瞬态阶跃响应曲线，并记录欠阻尼二阶闭环系统的动态性能指标Mp 、tp 、ts 值，并与理论计算做对比。

二 实验原理1 二阶闭环系统模拟电路2 实验电路的系统框图3 理论计算开环传递函数：)1()(+=TS TiS K S G 闭环传递函数标准式：2222)(1)()(nn n S S S G S G s ωξωωφ++=+= 自然频率（无阻尼振荡频率）：TiTK=n ω ； 阻尼比：KT Ti 21=ξsT i 1 TsK+1 R(s) C(s)超调量 ：%10021⨯=--eP M ξξπ； 峰值时间： 21ξωπ-=n pt积分环节（A2单元）的积分时间常数 11*1i T R C S == 惯性环节（A3单元）的惯性时间常数 22*0.1T R C S == 可变电阻R=4k 时, K=100/4=25, 81.15=n ω , 316.0=ξ(欠阻尼)%12.35=P M , S n pt 21.012=-=ξωπ;R=40k 时,K=100/25=4, 5=n ω , 1=ξ(临界阻尼) R=100k 时,K=100/100=1, 16.3=n ω , 58.1=ξ(过阻尼)三 实验步骤1 用信号发生器（B1）的‘阶跃信号输出’ 和‘幅度控制电位器’构造输入信号（Ui ）2 构造模拟电路：按实验指导书图3-1-7安置短路套及测孔联线，3 联接虚拟示波器（B3）的：示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT ，CH1选×1’。

（4）运行、观察、记录：① 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二阶典型系统瞬态响应和稳定性实验项目，再选择开始实验.② 分别将（A7）中的直读式可变电阻调整到4K 、40K 、100K ，按下B1按钮，用示波器观察在三种增益K 下，A6输出端C(t)的系统阶跃响应.。

二阶响应实验报告二阶响应实验报告引言：在控制系统中，二阶响应是一种常见的动态特性。

通过研究二阶响应的实验，我们可以更好地理解控制系统的动态行为，并且能够对系统进行更精确的调节。

本次实验旨在通过实际操作和数据分析，探索二阶响应的特性并得出相关结论。

实验目的：1. 了解二阶响应的特点和表现形式；2. 掌握二阶系统的参数调节方法；3. 分析实验数据，验证理论模型。

实验步骤：1. 准备实验装置：搭建一个简单的二阶控制系统，包括一个电机、一个位置传感器、一个控制器和一个计算机；2. 设计实验方案：确定实验所需的参数，包括控制器增益、位置传感器灵敏度等；3. 进行实验：根据实验方案进行实验操作，记录数据；4. 数据分析：利用实验数据，绘制二阶响应曲线，并进行参数拟合；5. 结果讨论：根据实验结果，分析二阶响应的特性，并与理论模型进行对比。

实验结果与分析：通过实验，我们得到了二阶响应曲线，并进行了参数拟合。

根据实验数据和拟合结果，我们可以得出以下结论：1. 二阶响应的特点：在初始阶段，系统的响应会有一个较大的超调量，随后逐渐趋于稳定。

此外，二阶响应还具有一定的振荡频率和阻尼比。

2. 参数调节方法：根据实验结果，我们可以通过调节控制器增益和位置传感器灵敏度来改变二阶系统的动态特性。

增大控制器增益可以减小超调量，但会增加系统的振荡频率；增大位置传感器灵敏度可以提高系统的稳定性。

3. 理论模型验证：通过与理论模型进行对比，我们可以验证实验结果的准确性。

如果实验数据与理论模型吻合良好，则说明实验操作和参数拟合的准确性较高。

结论：通过本次实验，我们深入了解了二阶响应的特性和参数调节方法，并通过实际操作和数据分析验证了理论模型的准确性。

掌握了二阶响应的相关知识后，我们能够更好地设计和调节控制系统，提高系统的稳定性和性能。

进一步研究：在实验过程中，我们发现二阶响应的特性受到多种因素的影响，如系统的惯性、控制器的类型等。

因此，可以进一步研究这些因素对二阶响应的影响，并探索更精确的参数调节方法，以提高控制系统的性能。

实验一基于MATLAB的二阶系统动态性能分析二阶系统是控制系统中常见的一类系统，在工程实践中有广泛的应用。

为了对二阶系统的动态性能进行分析，可以使用MATLAB进行模拟实验。

首先，我们需要定义一个二阶系统的数学模型。

一个典型的二阶系统可以用如下的常微分方程表示：$$m\ddot{x} + b\dot{x} + kx = u(t)$$其中，$m$是系统的质量，$b$是系统的阻尼系数，$k$是系统的刚度，$u(t)$是控制输入。

在MATLAB中，我们可以使用StateSpace模型来表示二阶系统。

具体实现时，需要指定系统的状态空间矩阵，并将其转换为StateSpace模型对象。

例如：```matlabm=1;b=0.5;k=2;A=[01;-k/m-b/m];B=[0;1/m];C=[10;01];D=[0;0];sys = ss(A, B, C, D);```接下来，我们可以利用MATLAB的Simulink工具来模拟系统的响应。

Simulink提供了一个直观的图形界面，可以快速搭建系统的模型，并进行动态模拟。

我们需要使用一个输入信号来激励系统，并观察系统的响应。

例如，我们可以设计一个阶跃输入的信号，并将其作为系统的输入，然后观察系统的输出。

在Simulink中，可以使用Step函数来生成阶跃输入。

同时，我们可以添加一个Scope模块来实时显示系统的输出信号。

以下是一个简单的Simulink模型的示例：在Simulink模拟中，可以调整系统的参数，如质量、阻尼系数和刚度，以观察它们对系统动态性能的影响。

通过修改输入信号的类型和参数，还可以研究系统在不同激励下的响应特性。

另外，MATLAB还提供了一些工具和函数来评估二阶系统的动态性能。

例如，可以使用step函数来计算系统的阶跃响应，并获取一些性能指标，如峰值时间、上升时间和超调量。

通过比较不同系统的性能指标，可以选择最优的系统配置。

此外，MATLAB还提供了频域分析工具，如Bode图和Nyquist图，用于分析系统的频率响应和稳定性。

求二阶系统的稳态输出[5篇]以下是网友分享的关于求二阶系统的稳态输出的资料5篇，希望对您有所帮助，就爱阅读感谢您的支持。

第1篇实验十二二阶系统的稳态性能研究实验原理1. 对实验所使用的系统进行分析为系统建模时，需要考虑各个环节的时间常数，应远小于输入正负方波的周期，只有在响应已经非常近稳定的时候才能将此时的值认为是稳态值。

N(s)E ss当r(t)=1(t)、n(t)=0时，单位阶跃响应的误差为：1110 0.01s +1 210=lim (s∙∙) =lim =s →0s →01+随开环增益的增大，稳态误差渐渐变小。

当r(t)=0、n(t)=1(t)时，单位阶跃响应的误差为：E ss1111=lim (s∙∙) ==s →01+1+随开环增益的增大，稳态误差渐渐变小。

当r(t)=0、n(t)=1(t)时，扰动位于开环增益之前的时候，单位阶跃响应的误差为：10+R 10+R110+R E ss =lim (s∙∙) ==s →01+1+随开环增益的增大，稳态误差渐渐增大。

当r(t)=1(t)、n(t)=0，A 3(s)为积分环节时，单位阶跃响应的误差为：11E ss =lim (s∙∙s →01+10 0.01s +1 ×0.01s=lim =0 s →0实验目的1、进一步通过实验了解稳态误差与系统结构、参数及输入信号的关系：（1）了解不同典型输入信号对于同一个系统所产生的稳态误差；（2）了解一个典型输入信号对不同类型系统所产生的稳态误差；（3）研究系统的开环增益K 对稳态误差的影响。

2、了解扰动信号对系统类型和稳态误差的影响。

3、研究减小直至消除稳态误差的措施。

实验步骤阶跃响应的稳态误差：（1）当r(t)=1(t)、n(t)=0时，A 1(s)，A 3(s)为惯性环节，A 2(s)为比例环节，观察系统的输出C(t)和稳态误差e ss ，并记录开环放大系数Ｋ的变化对二阶系统输出和稳态误差的影响。

实验室二二阶系统的阶跃响应及稳定性分析实验一．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等几种状态下的阶跃响应。

3.学习掌握动态性能指标的测试方法，研究典型系统参数对系统动态性能和稳定性的影响。

二，实验内容1.ZY17AutoC12BB自动控制原理实验箱。

2.双踪低频慢扫示波器。

四．实验原理典型二阶系统的方法块结构图如图2.1所示：图2.1其开环传递函数为，为开环增益。

其闭环传递函数为，其中取二阶系统的模拟电路如图2.2所示：该电路中该二阶系统的阶跃响应如图所示：图2.3.1，2.3.2，2.3.3，2.3.4和2.3.5分别对应二阶系统在过阻尼，临界阻尼，欠阻尼，不等幅阻尼振荡（接近于0）和零阻尼（=0）几种状态下的阶跃响应曲线。

改变元件参数Rx大小，可研究不同参数特征下的时域响应。

当Rx为50k时，二阶系统工作在临界阻尼状态;当Rx<50K时，二阶系统工作在过阻尼状态;当Rx>50K时，二阶系统工作在欠阻尼状态;当Rx继续增大时，趋近于零，二阶系统输出表现为不等幅阻尼振荡；当=0时，二阶系统的阻尼为零，输出表现为等幅振荡（因导线均有电阻值，各种损耗总是存在的，实际系统的阻尼比不可能为零）。

五. 实验步骤1.利用实验仪器，按照实验原理设计并连接由一个积分环节和一个惯性环节组成的二阶闭环系统的模拟电路。

此实验可使用运放单元（一），（二），（三），（五）及元器件单元中的可调电阻。

（1）同时按下电源单元中的按键开关S001，S002，再按下S003，调节可调电位器W001,使T006（-12V—+12V）输出电压为+1V，形成单位阶跃信号电路，然后将S001,S002再次按下关闭电源。

（2）按照图2.2连接好电路，按下电路中所用到运放单元的按键开关。

（3）用导线将连接好的模拟电路的输入端于T006相连接，电路的输出端与示波器相连接。

（4）同时按下按键开关S001,S002时，利用示波器观测该二阶系统模拟电路的阶跃特性曲线，并由实验测出响应的超调量和调节时间，将结果记录下来。

自动控制原理实验二阶系统的阶跃响应一、实验目的通过实验观察和分析阶跃响应曲线，了解二阶系统的动态特性，掌握用MATLAB仿真二阶系统阶跃响应曲线的绘制方法，提高对二阶系统动态性能指标的计算与分析能力。

二、实验原理1.二阶系统的传递函数形式为：G(s)=K/[(s+a)(s+b)]其中，K为系统增益，a、b为系统的两个特征根。

特征根的实部决定了系统的稳定性，实部小于零时系统稳定。

2.阶跃响应的拉氏变换表达式为：Y(s)=G(s)/s3.阶跃响应的逆拉氏变换表达式为：y(t)=L^-1{Y(s)}其中，L^-1表示拉氏逆变换。

三、实验内容1.搭建二阶系统，调整增益和特征根，使系统稳定，并记录实际的参数数值。

2.使用MATLAB绘制二阶系统的阶跃响应曲线，并与实际曲线进行对比分析。

四、实验步骤1.搭建二阶系统，调整增益和特征根，使系统稳定。

根据实验要求，选择适当的数字电路元件组合，如电容、电感、电阻等，在实际电路中搭建二阶系统。

2.连接模拟输入信号。

在搭建的二阶系统的输入端接入一个阶跃信号发生器。

3.连接模拟输出信号。

在搭建的二阶系统的输出端接入一个示波器，用于实时观察系统的输出信号。

4.调整增益和特征根。

通过适当调整二阶系统的增益和特征根，使系统达到稳定状态。

记录实际调整参数的数值。

5.使用MATLAB进行仿真绘制。

根据实际搭建的二阶系统参数，利用MATLAB软件进行仿真，绘制出二阶系统的阶跃响应曲线。

6.对比分析实际曲线与仿真曲线。

通过对比分析实际曲线与仿真曲线的差异，分析二阶系统的动态特性。

五、实验结果与分析1.实际曲线的绘制结果。

根据实际参数的输入，记录实际曲线的绘制结果，并描述其特点。

2.仿真曲线的绘制结果。

利用MATLAB软件进行仿真，绘制出仿真曲线，并与实际曲线进行对比分析。

3.实际曲线与仿真曲线的对比分析。

通过对比实际曲线与仿真曲线的差异，分析二阶系统的动态特性，并讨论影响因素。

六、实验讨论与结论1.实验过程中遇到的问题。

实验二二阶系统的动态过程分析一、 实验目的1. 掌握二阶控制系统的电路模拟方法及其动态性能指标的测试技术。

2. 定量分析二阶系统的阻尼比ξ和无阻尼自然频率n ω对系统动态性能的影响。

3. 加深理解“线性系统的稳定性只与其结构和参数有关，而与外作用无关”的性质。

4. 了解和学习二阶控制系统及其阶跃响应的Matlab 仿真和Simulink 实现方法。

二、 实验内容1. 分析典型二阶系统()G s 的ξ和n ω变化时，对系统的阶跃响应的影响。

2. 用实验的方法求解以下问题：设控制系统结构图如图2.1所示，若要求系统具有性能：%20%,1,p p t s σσ===试确定系统参数K 和τ，并计算单位阶跃响应的特征量d t ，r t 和s t 。

图2.1 控制系统的结构图3. 用实验的方法求解以下问题：设控制系统结构图如图2.2所示。

图中，输入信号()r t t θ=，放大器增益AK 分别取13.5，200和1500。

试分别写出系统的误差响应表达式，并估算其性能指标。

图2.2 控制系统的结构图三、实验原理任何一个给定的线性控制系统，都可以分解为若干个典型环节的组合。

将每个典型环节的模拟电路按系统的方块图连接起来，就得到控制系统的模拟电路图。

通常，二阶控制系统222()2nn nG ssωξωω=++可以分解为一个比例环节、一个惯性环节和一个积分环节，其结构原理如图 2.3所示，对应的模拟电路图如图2.4所示。

图2.3 二阶系统的结构原理图图2.4 二阶系统的模拟电路原理图图2.4中：()(),()()r cu t r t u t c t==-。

比例常数（增益系数）21RKR=，惯性时间常数131T R C=，积分时间常数242T R C=。

其闭环传递函数为：12221112()1()(1)crKU s TTKKU s T s T s K s sT TT==++++(0.1) 又：二阶控制系统的特性由两个参数来描述，即系统的阻尼比ξ和无阻尼自然频率n ω。

自控实验—二三阶系统动态分析在自控实验中，二、三阶系统动态分析是非常重要的一部分。

通过对系统的动态性能进行分析，可以评估系统的稳定性、响应速度和稳态误差等方面的性能。

本次实验将使用PID控制器对二、三阶系统进行实时控制，并通过实验数据对系统进行动态分析。

首先，我们先了解什么是二、三阶系统。

在控制系统中，系统的阶数表示系统传递函数的阶数，也可以理解为系统动态特性的复杂程度。

二阶系统由两个极点和一个零点组成，三阶系统由三个极点和一个零点组成。

二、三阶系统的动态响应特性与极点位置有关，不同的极点位置对系统的稳定性、响应速度和稳态误差等性能有着不同的影响。

在实验中，我们将使用PID控制器对二、三阶系统进行控制。

PID控制器是一种经典的比例-积分-微分控制器，可以根据误差信号进行调节，通过调整比例系数、积分时间和微分时间来控制系统的响应特性。

实验中，我们将根据二、三阶系统的实时数据进行PID参数调整，以达到控制系统的稳定和快速响应的目的。

在进行实验前，我们首先需要对二、三阶系统进行建模。

二、三阶系统的传递函数通常表示为：二阶系统：G(s) = K / (s^2 + 2ξω_ns + ω_n^2)三阶系统：G(s) = K / (s^3 + 3ξω_ns^2 + 3ω_n^2s + ω_n^3)其中，K表示系统的增益，ξ表示系统的阻尼比，ω_n表示系统的自然频率。

通过实验数据的统计和分析，我们可以估计出系统的K、ξ和ω_n的值，并据此进行PID参数的调整。

接下来，我们进行实验。

我们首先将PID控制器的参数设为初始值，然后对系统进行实时控制，并记录系统输出的数据。

通过对这些数据进行分析，我们可以得到系统的稳态误差、响应时间和超调量等性能指标。

对于二阶系统，我们将分析以下几个方面的性能：1.稳态误差：通过比较实际输出值与目标值之间的差异，可以得到系统的稳态误差。

常见的稳态误差有零稳态误差、常数稳态误差和比例稳态误差等。

实验二．二、三阶系统动态分析一．实验目的：1．学习二、三阶系统的电模拟方法及参数测试方法；2．观察二、三阶系统的阶跃响应曲线，了解参数变化对动态特性的影响； 3．学习虚拟仪器（超抵频示波器）的使用方法； 4．使用MATLAB 仿真软件进行时域法分析； 5．了解虚拟实验的使用方法。

二．实验设备及仪器1．模拟实验箱； 2．低频信号发生器；3．虚拟仪器(低频示波器)； 4．计算机；5．MATLABL 仿真软件。

三．实验原理及内容实验原理：1、二阶系统的数学模型系统开环传递函数为系统闭环传递函数为2、 二阶系统暂态性能(a) 延迟时间t d : 系统响应从 0 上升到稳态值的 50% 所需的时间。

)2s (s n 2nςω+ω为阻尼比（，为无阻尼自然振荡频率其中：ςωω+ςω+ω==n 2nn 22ns 2s )s (G )s (R )s (C(b) 上升时间t r : 对于欠阻尼系统是指 , 系统响应从 0 上升到稳态值所需的时间 ; 对于过阻尼系统则指 , 响应从稳态值的 10% 上升到 90% 所需的时间。

(c) 峰值时间t p : 系统响应到达第一个峰值所需的时间。

(d) 最大超调量σp ( 简称超调量 ) : 系统在暂态过程中输出响应超过稳态值的最大偏离量。

通常以单位阶跃响应稳态值的百分数来表示 , 即%100e e esin 1e)t sin(1e1)y(t )y()y()y(t σ22pn pn pn 11t 2t p d 2t p p p ⨯===-=+--=-=∞∞-=-------ζπζζπζζωζωζωϕζϕωζ超调量)t sin(1e 1)t (y d 2tn ϕωζζω+--=- 2n d p d 1ωπωπt 0)t sin()t (y ζω-==∴= 峰值时间求导可得对dr t t ωπt 1y(t)rϕ-=== 可令2n21n πϕωξ-=-t ≈n2d n d 2.06.01t 7.01ως+ς+ως+≈或n2d n d2.06.01t 7.01t ως+ς+≈ως+≈或(e) 调节时间t s : 系统响应到达并不再越出稳态值的容许误差带±Δ所需的最短时间 , 即通常取Δ为稳态值的 5% 或 2% 。

自动控制原理实验报告实验名称：二阶系统的动态特性与稳定性分析班级：姓名：学号：实验二 二阶系统的动态特性与稳定性分析一、实验目的1、 掌握二阶系统的电路模拟方法及其动态性能指标的测试技术过阻尼、临界阻尼、欠阻尼状态2、 分析二阶系统特征参量（ξω，n ）对系统动态性能的影响；3、 分析系统参数变化对系统稳定性的影响，加深理解“线性系统稳定性至于其结构和参数有关，与外作用无关”的性质；4、 了解掌握典型三阶系统的稳定状态、临界稳定、不稳定状态；5、 学习二阶控制系统及其阶跃响应的Matlab 仿真和simulink 实现方法。

二、实验内容1、 构成各二阶控制系统模拟电路，计算传递函数，明确各参数物理意义。

2、 用Matlab 和simulink 仿真，分析其阶跃响应动态性能，得出性能指标。

3、 搭建典型二阶系统，观测各个参数下的阶跃响应曲线，并记录阶跃响应曲线的超调量%σ、峰值时间tp 以及调节时间ts ，研究其参数变化对典型二阶系统动态性能和稳定性的影响；4、 搭建典型三阶系统，观测各个参数下的阶跃响应曲线，并记录阶跃响应曲线的超调量%σ、峰值时间tp 以及调节时间ts ，研究其参数变化对典型三阶系统动态性能和稳定性的影响；5、 将软件仿真结果与模拟电路观测的结果做比较。

三、实验步骤1、 二阶系统的模拟电路实现原理 将二阶系统：ωωξω22)(22nn s G s s n++=可分解为一个比例环节，一个惯性环节和一个积分环节ωωξω)()()()(2C C C C s C C 22262154232154232154215426316320nn s s s s s G s s s C R R R R R R R R R R R R C R R R R R R R R R U U n i ++=++=++== 2、 研究特征参量ξ对二阶系统性能的影响将二阶系统固有频率5.12n =ω保持不变，测试阻尼系数ξ不同时系统的特性，搭建模拟电路，改变电阻R6可改变ξ的值当R6=50K 时，二阶系统阻尼系数ξ=0.8 当R6=100K 时，二阶系统阻尼系数ξ=0.4 当R6=200K 时，二阶系统阻尼系数ξ=0.2（1）用Matlab 软件仿真实现二阶系统的阶跃响应，计算超调量%σ、峰值时间tp 以及调节时间ts 。

一、实验目的1. 研究二阶系统的特征参数（阻尼比和无阻尼自然频率）对系统动态性能的影响。

2. 定量分析最大超调量（Mp）和调节时间（t）之间的关系。

3. 掌握二阶控制系统的电路模拟方法及其动态性能指标的测试技术。

4. 加深对线性系统稳定性的理解，即稳定性只与其结构和参数有关，而与外作用无关。

5. 学习利用MATLAB仿真分析二阶控制系统的阶跃响应。

二、实验原理二阶系统是控制系统中常见的一种类型，其动态性能主要取决于阻尼比（ζ）和无阻尼自然频率（ωn）。

阶跃响应是指系统在输入端突然施加一个阶跃信号时，系统输出信号随时间变化的规律。

通过分析阶跃响应，可以评估系统的动态性能，如超调量、调节时间等。

三、实验设备1. 自动控制系统实验箱一台2. 计算机一台3. Matlab 6.5编程软件四、实验步骤1. 搭建实验电路：根据实验要求，搭建一个二阶系统的模拟电路，并连接好实验设备。

2. 设置参数：利用Matlab软件设置二阶系统的阻尼比和无阻尼自然频率，并观察阶跃响应曲线。

3. 分析动态性能指标：根据阶跃响应曲线，计算最大超调量（Mp）和调节时间（t）。

4. 改变参数，观察影响：逐步改变阻尼比和无阻尼自然频率，观察系统动态性能的变化，并记录实验数据。

五、实验结果与分析1. 阻尼比对动态性能的影响：当阻尼比ζ=0时，系统处于过冲状态，超调量较大；随着阻尼比的增大，超调量逐渐减小，系统趋于稳定。

当ζ=1时，系统处于临界稳定状态，超调量为0。

当ζ>1时，系统处于欠阻尼状态，超调量减小，但调节时间增加。

2. 无阻尼自然频率对动态性能的影响：当无阻尼自然频率ωn增大时，系统的响应速度加快，超调量减小，调节时间缩短。

3. 最大超调量与调节时间的关系：随着阻尼比的增大，最大超调量逐渐减小，调节时间逐渐增加。

两者之间存在一定的平衡关系。

六、结论通过本次实验，我们掌握了二阶系统的阶跃响应特性，以及阻尼比和无阻尼自然频率对系统动态性能的影响。

阶跃响应实验报告阶跃响应实验报告引言：阶跃响应实验是一种常见的控制系统实验，通过对系统施加一个阶跃输入信号，观察系统的输出响应，以了解系统的动态特性和稳定性。

本实验旨在通过对一个二阶惯性系统的阶跃响应进行分析，探讨系统的阶跃响应特性。

实验原理：阶跃响应是指系统在输入信号发生突变时，输出信号的响应情况。

在本实验中，我们将通过施加一个单位阶跃信号作为输入，观察系统的输出响应。

实验装置：本实验采用了一个二阶惯性系统，系统由一个质量为m的物体和一个弹簧-阻尼器系统组成。

输入信号通过一个电子信号发生器施加给系统，输出信号经过一个传感器进行测量，并通过示波器进行显示。

实验步骤：1. 将实验装置搭建好并连接好电源。

2. 调节电子信号发生器的参数，使其输出一个单位阶跃信号。

3. 将传感器连接到系统的输出端，并将示波器与传感器连接。

4. 开始记录示波器上的波形，并观察系统的响应情况。

5. 根据实验结果，分析系统的阶跃响应特性。

实验结果：在实验过程中，我们观察到系统的输出信号在单位阶跃信号施加后瞬间发生变化，并逐渐趋于稳定。

通过示波器上的波形图，我们可以看到系统的阶跃响应曲线呈现出一定的延迟和超调现象。

延迟是指系统响应的时间滞后于输入信号的变化，而超调则是指系统响应的幅度超过了输入信号的幅度。

实验分析：根据实验结果，我们可以得出以下结论：1. 系统的延迟时间是系统响应时间和输入信号变化时间之间的差值。

延迟时间的大小与系统的惯性和动态特性有关。

在本实验中，由于系统是一个二阶惯性系统，所以延迟时间相对较小。

2. 系统的超调量是系统响应的最大幅度与输入信号幅度之间的差值。

超调量的大小取决于系统的阻尼比和共振频率。

在本实验中，由于系统的阻尼比较小，所以超调现象较为明显。

3. 系统的稳定性是指系统在输入信号发生变化后，输出信号是否能够趋于稳定。

通过观察实验结果，我们可以得出系统是稳定的，因为输出信号在一段时间后趋于稳定。

实验总结：通过本次阶跃响应实验，我们对控制系统的动态特性和稳定性有了一定的了解。

二阶瞬态响应特性与稳定性分析二阶系统是一种常见的动态系统，常用于描述机械、电子、控制等领域的系统。

对于二阶系统，我们通常关心它的瞬态响应特性和稳定性。

首先，我们来看瞬态响应特性。

瞬态响应特性描述了系统对输入信号的快速响应能力。

对于二阶系统，它的瞬态响应特性可以由其传递函数决定。

二阶系统的传递函数一般可以写为：\[G(s) = \frac{K}{s^2 + 2ζ\omega_ns + \omega_n^2}\]其中，K为系统的增益，ζ为阻尼比，反映系统的阻尼程度，\(\omega_n\)为系统的自然频率。

根据阻尼比ζ的值，我们可以将二阶系统分为三种情况：ζ<1时，为欠阻尼系统；ζ=1时，为临界阻尼系统；ζ>1时，为过阻尼系统。

不同的阻尼比会导致系统的瞬态响应表现出不同的特性。

当ζ<1时，系统为欠阻尼系统。

这种情况下，系统的瞬态响应表现为振荡过渡。

振荡的频率由系统的自然频率\(\omega_n\)决定，振荡的幅度由初始条件和输入信号决定。

通常我们会关心欠阻尼系统的过渡时间和最大超调量。

过渡时间是系统从初始状态到达稳定状态所需要的时间，而最大超调量则是指系统响应过程中达到的最大偏差。

当ζ=1时，系统为临界阻尼系统。

此时，系统的过渡过程最快但不会出现振荡。

临界阻尼系统的瞬态响应会试图在最短时间内快速达到稳定状态。

与欠阻尼系统相比，临界阻尼系统的响应速度更快，但是会牺牲一部分稳定性能。

当ζ>1时，系统为过阻尼系统。

过阻尼系统的瞬态响应表现为没有振荡的快速过渡。

过阻尼系统的响应速度比欠阻尼系统和临界阻尼系统更快，但是没有振荡会导致稳定性能稍差。

除了瞬态响应特性，稳定性也是我们关心的一个重要指标。

对于二阶系统，我们可以通过判断其传递函数的极点位置来确定系统的稳定性。

极点位置为实部均小于零的情况下，系统是稳定的。

在二阶系统的传递函数中，极点的位置由\(\omega_n\)和ζ决定。

当\(\omega_n>0\)且ζ>0时，系统是稳定的。

二阶系统的动态过程分析二阶系统是指具有两个自由度的动态系统，常见的有二阶低通滤波器、二阶惯性系统等。

在工程和控制领域中，对二阶系统的动态过程进行分析有助于了解系统的响应特性、设计控制器以及优化系统性能。

一、二阶系统的数学模型一般来说，二阶系统可以用以下微分方程来描述：$M(s)Y(s)=S(s)X(s)$其中，$M(s)$表示系统的传递函数，$X(s)$和$Y(s)$分别表示输入和输出信号的拉普拉斯变换，$s$表示复频域变量。

对于线性、时不变的二阶系统，传递函数$M(s)$可以表示为：$M(s) = \frac{K}{(s+a)(s+b)}$其中，$K$表示系统的增益，$a$和$b$分别表示系统的两个极点。

极点的位置和系统的动态响应有密切关系。

二、二阶系统的零极点分布1.两个实根：当两个极点都为实数时，系统响应会表现出一种振荡的特点。

极点的距离越小，振荡的频率越高，振荡的衰减速度越快。

2.两个共轭复根：当极点为共轭复根时，系统响应不会出现振荡，而是呈现一种渐进衰减的特性。

共轭复根的实部决定了响应的衰减速度，虚部决定了振荡的频率。

3.一个实根和一个共轭复根：这种情况下，系统的响应既会出现振荡，又会呈现渐进衰减的特点。

实根决定了振荡的频率，共轭复根的实部决定了衰减速度，虚部决定了振荡的频率。

三、二阶系统的动态响应1.响应时间：表示系统从0到达稳定状态所需要的时间。

可通过单位阶跃响应来测量。

2.超调量：表示响应曲线最大值与稳定值之间的差值。

对于二阶系统，根据极点位置不同，超调量有不同的计算方式。

3.峰值时间：指的是响应曲线达到超调量的最大值所需要的时间。

四、二阶系统的稳定性分析对于二阶系统而言，稳定性的判断可以通过极点的位置来进行。

当且仅当所有的极点实部都小于零时，系统才是稳定的。

针对具体的二阶系统，可以通过极点的特征方程来进行分析。

如果特征方程有两个负实数根，系统就是稳定的；如果有一个或两个正实数根，系统就是不稳定的。

实验二利用MATLAB进行系统动态特性分析（任务）引言：系统动态特性分析是指通过研究系统的动态响应，来了解系统的性能和稳定性。

在工程领域中，对不同系统进行动态特性分析是非常重要的，可以帮助我们了解系统的稳定性、响应特性以及对外部输入的敏感度等，并且可以为系统设计和控制提供重要的依据。

实验目的：通过数据采集的方法，运用MATLAB工具对动态系统进行特性分析，掌握系统的稳态特性和暂态特性，并对系统性能进行评估。

实验器材和原理：实验器材：电脑、MATLAB软件实验步骤：1. 导入数据：将实验得到的数据导入MATLAB中，可以通过Excel等工具将数据保存为文本格式，然后使用MATLAB的读取函数导入数据。

2.绘制时域响应曲线：根据导入的数据，使用MATLAB中的绘图函数绘制出时域响应曲线。

根据实验需要，选择绘制的曲线类型，如步跃响应曲线、阶跃响应曲线等。

3.基本特性分析：-稳态误差：通过分析曲线的极限值和最终值，计算出系统的稳态误差。

-加载响应：通过观察曲线的上升时间、峰值时间、峰值以及超调量等指标，来评估系统的负载能力。

-过渡过程：观察曲线的上升时间、峰值时间以及超调量等指标，来评估系统的动态响应特性。

4.绘制频域响应曲线：通过数据采集得到的数据，使用MATLAB中的频域分析工具绘制频域响应曲线，观察系统的频域特性。

5.使用MATLAB进行数据处理和分析：根据实验需要，对导入的数据进行处理和分析，如计算系统的传递函数、计算系统的频域性能等。

6.实验结果分析：根据绘制的曲线和计算的数据，分析系统的稳态特性和暂态特性，并对系统的性能进行评估。

可以根据实验结果，进行系统设计改进或控制参数调整。

实验注意事项：1.数据采集过程中要注意信号的采样频率和采样精度，以保证数据的准确性。

2.在绘制曲线时要选择合适的曲线类型和参数，使得曲线能够准确表达系统的动态特性。

3.在数据处理和分析过程中要注意使用合适的算法和公式，确保结果的准确性。

《工程控制基础》课程基础实验指导书电子科技大学目录实验一典型环节动态特性分析 (3)实验二二阶系统阶跃响应分析 (7)实验三系统频率特性分析 (10)实验四控制系统校正 (14)实验一 典型环节动态特性分析一、实验目的本实验的目的是运用电子模拟线路构成比例、惯性、积分等典型环节，并研究这些环节及电路的动态特性。

即：1、掌握运用运算放大器构成各种典型环节的方法，观察比例、惯性、积分环节的阶跃响应，并分析其动态性能。

2、了解参数变化对典型环节动态特性的影响。

二、实验原理1、比例环节比例环节也称为放大环节，其方框图如图1-1(a)所示。

传递函数为：G(S) =)()(S Ur S Uc = K 比例环节模拟线路如图1-1(b)所示。

这种线路也称作比例或P 调节器。

其中：K =1R R = 2() (b )图1-1 比例环节的模拟图U rt t (a)输入波形 (b)输出波形图1-2 比例环节波形图改变R 1的值（U r 一定），观察其阶跃响应曲线。

若按图 (b)接线，设U r 为-5V ,则图(b)的输入U r 和输出U c 实验波形如图1-2所示。

2、一阶惯性环节一阶惯性环节的方框图如图1-3(a)所示。

传递函数为：G(S) =)()(S Ur S U c = 1TS K一阶惯性环节含有弹性或容性储能元件和阻性耗能元件，其输出落后于输入，与比例环节相比，此环节具有“惯性”，在阶跃输入时，输出不能立即（需经历一段时间）接近所要求的阶跃输出值，因此其输出不可能显现线形，而是一指数函数图象。

惯性大小由时间常数T 衡量。

一阶惯性环节模拟线路图如图1-3（b ）所示。

这种线路也称作惯性或T 调节器。

其中：K = 01R R T = R 1C分别改变R 1、C 的值（U r 一定），观察其阶跃响应曲线。

一阶惯性环节的模拟图(a)输入波形 (b)输出波形图1-4 一阶惯性环节波形图若按图 (b)接线，设U r 为-5V ,则图(b)的输入U r 和输出U c 实验波形如图1-4所示。

自动控制原理实验报告实验名称：二阶系统的动态特性与稳定性分析班级：姓名：学号：实验二 二阶系统的动态特性与稳定性分析一、实验目的1、 掌握二阶系统的电路模拟方法及其动态性能指标的测试技术过阻尼、临界阻尼、欠阻尼状态2、 分析二阶系统特征参量（ξω，n ）对系统动态性能的影响；3、 分析系统参数变化对系统稳定性的影响，加深理解“线性系统稳定性至于其结构和参数有关，与外作用无关”的性质；4、 了解掌握典型三阶系统的稳定状态、临界稳定、不稳定状态；5、 学习二阶控制系统及其阶跃响应的Matlab 仿真和simulink 实现方法。

二、实验内容1、 构成各二阶控制系统模拟电路，计算传递函数，明确各参数物理意义。

2、 用Matlab 和simulink 仿真，分析其阶跃响应动态性能，得出性能指标。

3、 搭建典型二阶系统，观测各个参数下的阶跃响应曲线，并记录阶跃响应曲线的超调量%σ、峰值时间tp 以及调节时间ts ，研究其参数变化对典型二阶系统动态性能和稳定性的影响；4、 搭建典型三阶系统，观测各个参数下的阶跃响应曲线，并记录阶跃响应曲线的超调量%σ、峰值时间tp 以及调节时间ts ，研究其参数变化对典型三阶系统动态性能和稳定性的影响；5、 将软件仿真结果与模拟电路观测的结果做比较。

三、实验步骤1、 二阶系统的模拟电路实现原理 将二阶系统：ωωξω22)(22nn s G s s n++=可分解为一个比例环节，一个惯性环节和一个积分环节ωωξω221)()()()(2C C C C s C C 222621542321542322154215426316320nn s s s s s G s s s C R R R R R R R R R R R R C R R R R R R R R R U U n i ++=++=++== 2、 研究特征参量ξ对二阶系统性能的影响将二阶系统固有频率5.12n =ω保持不变，测试阻尼系数ξ不同时系统的特性，搭建模拟电路，改变电阻R6可改变ξ的值 当R6=50K 时，二阶系统阻尼系数ξ=0.8 当R6=100K 时，二阶系统阻尼系数ξ=0.4 当R6=200K 时，二阶系统阻尼系数ξ=0.2（1）用Matlab 软件仿真实现二阶系统的阶跃响应，计算超调量%σ、峰值时间tp 以及调节时间ts 。

实验报告2--二阶系统瞬态响应和稳定性 (1)实验报告2--二阶系统瞬态响应和稳定性一、实验目的本实验旨在探究二阶系统的瞬态响应和稳定性，通过实验数据分析系统的性能，理解系统的动态特性。

二、实验原理二阶系统是一种常见的线性系统，其动态特性可以用二次方程表示。

通常情况下，二阶系统可以表示为：M * d²x/dt² + C * dx/dt + K * x = 0其中，M、C和K分别是系统的质量、阻尼和刚度系数。

对于二阶系统，其稳定性可以通过系统的特征根来判断。

特征根位于左半平面的系统是稳定的，而位于右半平面的系统是不稳定的。

此外，系统的瞬态响应也与系统的阻尼有关，阻尼越大，响应越快。

三、实验步骤1.准备实验器材：二阶系统模型、激振器、加速度计、数据采集器。

2.将激振器连接到二阶系统模型上，将加速度计固定在系统模型上。

3.将数据采集器连接到加速度计和激振器上，打开数据采集软件开始采集数据。

4.在实验过程中，逐渐增加激振器的频率，观察并记录系统的瞬态响应和稳定性。

5.实验结束后，关闭数据采集器，将数据导出到计算机中进行数据处理和分析。

四、实验数据分析1.数据处理：将采集到的数据导入到MATLAB中进行处理，绘制出系统的瞬态响应曲线和稳定性图。

2.数据分析：根据瞬态响应曲线和稳定性图，分析系统的性能。

观察在不同频率下系统的响应速度和阻尼情况。

同时，根据稳定性图判断系统的稳定性。

五、实验结论通过本次实验，我们发现该二阶系统在低频时具有良好的稳定性，系统响应迅速且无超调。

随着频率的增加，系统的阻尼减小，响应速度变慢，系统的稳定性逐渐降低。

当频率进一步增加时，系统的特征根将进入右半平面，导致系统失稳。

因此，该二阶系统存在一个临界频率，当工作频率超过该临界频率时，系统的稳定性将受到严重影响。

六、实验讨论与改进建议本次实验中，我们发现系统的阻尼对瞬态响应和稳定性具有重要影响。

在实际应用中，可以通过调整系统的阻尼来优化系统的性能。