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自动控制原理实验报告(必)

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自动控制原理实验报告课程编号： ME3121023专业班级姓名学号实验时间：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根实验一线性典型环节实验（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1、根据原理图构造实验电路。

2、测量输入和输出波形图。

3、将所测得的数据填入实验数据表中。

（六）、讨论与思考1、写出各典型环节的微分方程（建立数学模型）。

2、根据所描述的各典型环节的微分方程，你能否用电学、力学、热力学和机械学等学科中的知识设计出相应的系统？请举例说明，并画出原理图。

3、利用MATLAB仿真，与实验中实测数据和波形相比较，分析其误差及产生的原因。

实验二二阶系统的性能研究（一）、实验目的：通过实验加深理解二阶系统的性能指标同系统参数的关系。

（二）、实验内容：1、二阶系统的时域动态性能研究；（三）、实验要求：1、做好预习，根据实验原理图所示相应参数，写出系统的开环，闭环传递函数。

计算ξ、ωn、t r、t s、t p、σ%、等理论值，并绘制单位阶跃信号下的输出响应理论波形。

2、自己设计实验参数。

（四）、实验原理：实验原理及实验设计：预习内容：(1) 二阶系统时域实验参数计算：（五）、实验方法与步骤1、根据原理图构造实验电路。

2、测量时域响应波形和数据。

3、将所测得的数据填入实验数据表中。

（八）、思考题：1、在本实验中，系统能否出现不稳定的情况，此时电阻值R的取值范围？2、在系统不稳定的情况，你能否通过改变其它元器件参数，使系统变得稳定？改哪些参数？如何改？请分别列出，并加以分析。

3、利用MATLAB仿真，与实验中实测数据和波形相比较，分析其误差及产生的原因。

实验三系统时域分析实验（一）、实验目的：1、深入掌握二阶系统的性能指标同系统闭环极点位置的关系。

2、掌握高阶系统性能指标的估算方法及开环零、极点同闭环零、极点的关系。

3、能运用根轨迹分析法由开环零极点的位置确定闭环零极点的位置。

（二）、实验内容：1、运用根轨迹法对控制系统进行分析；明确闭环零、极点的分布和系统阶跃响应的定性关系。

（三）、实验要求：1、做好预习，根据原理图所示相应参数，计算理论值并绘制根轨图，用试探法确定主导极点的大致位置。

2、用Routh稳定判据，求出系统稳定、临界稳定和不稳定时的K值范围和R的取值。

3、画出输入输出的理论波形(单位阶跃信号作用下)。

（四）、实验原理：1、根轨迹：当K由0→∞变化时，闭环特征根在S平面上移动的轨迹城根轨迹，不仅直观的表示了K 变化时间闭环特征根的变化，还给出了参数时闭环特征根在S平面上分布的影响。

可判定系统的稳定性，确定系统的品质。

稳定性：根轨迹若越过虚轴进入s右半平面，与虚轴交点的k即为临界增益。

稳态性能：根据坐标原点的根数，确定系统的型别，同时可以确定对应的静态误差系数。

预习内容：(1) 三阶系统时域实验参数计算和根轨迹图：（五）、实验方法与步骤1、根据原理图构造实验电路。

2、测量时域响应波形和相应参数。

3、将所测得的数据填入实验数据表中。

（八）、思考题：1、系统的性能指标不理想时，如何改变系统零、极点的位置使系统性能指标得到改善？在实际中是否可以无限制地改变系统零、极点的位置？请说明理由。

2、在本实验中，系统不稳定的情况下，不增加零点，而是通过改变其它零、极点的位置，能否使系统稳定？如果可以，如何改变？如果不能，为什么？3、利用MATLAB仿真，与实验中实测数据和波形相比较，分析其误差及产生的原因。

4、利用MATLAB绘制根轨迹图。

实验四二阶系统的性能频域研究（一）、实验目的：1、通过实验加深理解二阶系统的性能指标同系统参数的关系。

2、掌握系统频率特性测试方法。

3、研究二阶系统频率特性与系统动态性能之间的关系。

（二）、实验内容：二阶系统的频域动态性能研究；（三）、实验要求：1、自己设计实验参数。

2、根据原理图所示相应参数，计算理论值M P、ωp、ωB等理论值，并绘制幅频、相频和幅相特性图.（四）、实验原理：实验原理及实验设计：预习内容：(1)、二阶系统的频域实验参数计算：（五）、实验方法与步骤1、根据原理图构造实验电路。

2、测量频域伯德图和奈奎斯特图。

3、将所测得的数据填入实验数据表中。

（七）、记录实验实测图形：（八）、思考题：1、通过实验你有何心得体会，发现了什么问题，有何改进意见？2、利用MATLAB仿真，与实验中实测数据和波形相比较，分析其误差及产生的原因。

3、利用MATLAB绘制波德图。

实验五 校正实验（一）、实验目的：1、掌握系统校正的两种基本方法的原理。

2、深入理解开环零、极点对闭环系统性能的影响关系。

3、加深理解串联校正（微分、积分、复合校正）和并联校正的特点，学会正确选择校正装置。

（二）、实验内容：1、对与一个不稳定系统，分别储存加入导前网络、滞后网络、滞后-导前网络进行校正，然后比较其优劣性。

（三）、实验要求：1、做好预习，根据原理图所示相应参数，写出原系统及校正后开环传递函数。

2、分析讨论三种串联校正网络使用场合和优缺点。

（四）、实验原理：1、 导前网络 ： ()()()()S C R R S C R R R R R R R S G 4132324321*1)(+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++++=2、 滞后网络：()()()()S C R R S C R R R R R R S G 313232321*1)(+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++=3、滞后-导前网络：)1)(1()1)(1()(2132ST ST S S Ks G ++++=ττ其中：1532R R R R K ++=131C R T = 642542R R CR R T +=5323522)(R R R R R R +++=τ 253C R =τ（五）、实验方法与步骤：1、 根据原理图构造实验电路（六）、讨论与思考1、 比较相角超前校正网络与相角滞后校正网络（从目的、效果、优点、缺点、适用场合、不适用场合等几方面进行比较）？2、 自行设计用作校正控制器的实用放大电路（PD 、 PI 、PID ）。

实验六非线性典型环节实验（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。

4、学会时域法测量典型环节参数的方法。

（二）、实验内容：1、用运算放大器构成饱和、继电器、死区、空回（可选做）非线性典型环节。

2、输入在+ 5 ~ - 5伏之间可连续变化的电压信号，测量各典型环节的输入和输出波形及相关参数。

（三）、实验要求：1、做好预习，根据实验内容中的原理图及相应参数，写出其数学表达式，并计算相关参数。

2、、分别画出各典型环节的理论波形。

（四）、实验原理：实验原理及实验设计：1、继电器特性Ui-Uo的时域响应理论波形：输出Uo2、饱和特性Ui-Uo的时域响应理论波形：比例系数（斜率）：输出Uo3、死区特性Ui-Uo的时域响应理论波形：死区值：输出Uo4、空回（磁滞回线）特性Ui-Uo的时域响应理论波形：输出Uo（八）、思考题：1、根据所描述的各非线性典型环节，你能否用电学、力学、热力学和机械学等学科中的知识设计出相应的系统？请举例说明，并画出原理图。

2、利用MATLAB仿真，与实验中实测数据和波形相比较，分析其误差及产生的原因。

实验七非线性系统实验（一）、实验目的：1、熟悉非线性系统的分析方法(相平面法)。

2、了解控制系统存在非线性环节对系统性能的影响。

（二）、实验内容：用相平面法分析继电型非线性系统的阶跃响应和稳态误差。

（三）、实验要求：1、做好预习，根据实验内容中的原理图及结构图的相应参数计算在阶跃信号作用下误差e(t)的相轨迹。

2、画出相平面图及在不同阶跃信号输入下的相轨迹和输出波形。

（四）、实验原理非线性系统的相平面分析法是状态空间分析法在二维空间特殊情况下的应用。

它是一种不用求解方程，而用图解法给出X1 = e, X2 =的相平面图。

由相平面图就能清楚地知道系统的动态性能和稳态程度。

（五）、实验方法与步骤1、根据原理图构造实验电路。

2、测量时域响应波形和相应参数。

3、将所测得的数据填入实验数据表中。

（六）、记录实测波形：（七）、思考题：利用MATLAB仿真，与实验中实测数据和波形相比较，分析其误差及产生的原因。

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《自动控制原理》自动控制PID实验报告

《自动控制原理》自动控制PID实验报告

《自动控制原理》自动控制PID实验报告课程名称自动控制原理实验类型：实验项目名称：自动控制PID一、实验目的和要求1、学习并掌握利用MATLAB 编程平台进行控制系统复数域和频率域仿真的方法。

2、通过仿真实验研究并总结PID 控制规律及参数对系统特性影响的规律。

3、实验研究并总结PID 控制规律及参数对系统根轨迹、频率特性影响的规律，并总结系统特定性能指标下根据根轨迹图、频率响应图选择PID 控制规律和参数的规则。

二、实验内容和原理一）任务设计如图所示系统，进行实验及仿真程序，研究在控制器分别采用比例（P）、比例积分（PI）、比例微分（PD）及比例积分微分（PID）控制规律和控制器参数（Kp、Ki、Kd）不同取值时，控制系统根轨迹和阶跃响应的变化，总结pid 控制规律及参数变化对系统性能、系统根轨迹、系统阶跃响应影响的规律。

具体实验容如下：1、比例（P）控制，设计参数Kp 使得系统处于过阻尼、临界阻尼、欠阻尼三种状态，并在根轨迹图上选择三种阻尼情况的Kp 值，同时绘制对应的阶跃响应曲线，确定三种情况下系统性能指标随参数Kp 的变化情况。

总结比例（P）控制的规律。

2、比例积分（PI）控制，设计参数Kp、Ki 使得由控制器引入的开环零点分别处于：1）被控对象两个极点的左侧；2）被控对象两个极点之间；3）被控对象两个极点的右侧（不进入右半平面）。

分别绘制三种情况下的根轨迹图，在根轨迹图上确定主导极点及控制器的相应参数；通过绘制对应的系统阶跃响应曲线，确定三种情况下系统性能指标随参数Kp 和Ki 的变化情况。

总结比例积分（PI）控制的规律。

3、比例微分（PD）控制，设计参数Kp、Kd 使得由控制器引入的开环零点分别处于：1）被控对象两个极点的左侧；2）被控对象两个极点之间；66 3）被控对象两个极点的右侧（不进入右半平面）。

分别绘制三种情况下的根轨迹图，在根轨迹图上确定控制器的相应参数；通过绘制对应的系统阶跃响应曲线，确定三种情况下系统性能指标随参数Kp 和Kd 的变化情况。

自动控制原理实验报告

自动控制原理实验报告

《自动控制原理》实验报告学院：专业：班级：姓名：学号：实验报告实验一实验名称：典型环节响应实验姓名：实验组别：实验日期：年月日成绩：一、实验目的1、学习设计构成典型环节的模拟电路，掌握典型环节的特性以及电路参数对特性的影响。

2、学习典型环节响应的测量方法，对比实验结果与理论分析。

二、实验设备1、计算机一台，实验软件一套。

2、实验箱一套。

3、面包板、导线、电阻、电容、运算放大器等器件若干。

三、实验原理设计构成下列典型环节的模拟电路，测量其阶跃响应1、比例环节：利用运算放大器、电阻、电容等元件设计一模拟电路，输入输出之间满足如下运动方程：C(t)=KR(t) 传递函数G(s)=K2、惯性环节利用运算放大器、电阻、电容等元件设计一模拟电路，输入输出之间满足如下运动方程：传递函数G(s)=K/(Ts+1)3、积分环节利用运算放大器、电阻、电容等元件设计一模拟电路，输入输出之间满足如下运动方程：传递函数G(s)=K/s4、微分环节利用运算放大器、电阻、电容等元件设计一模拟电路，输入输出之间满足如下运动方程：传递函数G(s)=Ks四、实验结果及分析K=R1/R2=1/2比例环节模拟电路图比例环节阶跃响应惯性环节模拟电路图K=R2/R1=2T=R2*C=200K*1uf=0.2惯性环节阶跃响应积分环节模拟电路图T=RC=100K*1uf=0.1积分环节阶跃响应微分环节模拟电路微分环节阶跃响应微分环节阶跃响应仿真实验报告实验 二 实验名称： 二阶系统及其阶跃响应实验 姓名： 实验组别： 实验日期： 年 月 日 成绩：一、实验目的1、学习设计构成二阶系统的模拟电路，掌握二阶系统的特性以及电路参数对特性的影响。

2、学习二阶系统阶跃响应的测量方法，对比实验结果与理论分析。

二、实验设备1、 计算机一台，实验软件一套。

2、 实验箱一套。

3、 面包板、导线、电阻、电容、运算放大器等器件若干。

三、实验原理设计构成二阶振荡环节的模拟电路，测量其阶跃响应利用运算放大器、电阻、电容等元件设计一模拟电路，输入输出之间满足如下运动方程：)()()(2121222t R K K K K dt t dC dt t C d =++τ传递函数212221)(K K s s K K s ++=τψ四、实验结果及分析二阶系统模拟电路图二阶系统模拟电路结构图R1=200K R2=200K R=100K C取1uf和0.1uf两个值W=1/T=1/RC=1/RCK/2=R2/2*R1二阶系统阶跃响应仿真结果实验报告实验三实验名称：系统频率特性的测量姓名：实验组别：实验日期：年月日成绩：一、实验目的1、加深了解系统及元件频率特性的物理意义。

自控原理实验报告

自控原理实验报告

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。

自动控制原理实验报告

自动控制原理实验报告

《自动控制原理》实验报告姓名：学号：专业：班级：时段：成绩：工学院自动化系实验一 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K R K R R RZ Z sG 200,1002)(211212==-=-=-=其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-3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。

① 比例环节1)(1=s G 和2)(1=s G ；② 惯性环节11)(1+=s s G 和15.01)(2+=s s G ③ 积分环节s s G 1)(1= ④ 微分环节s s G =)(1⑤ 比例+微分环节（PD ）2)(1+=s s G 和1)(2+=s s G ⑥ 比例+积分环节（PI ）s s G 11)(1+=和s s G 211)(2+=四、实验结果及分析① 仿真模型及波形图1)(1=s G 和2)(1=s G图1-3 比例环节的模拟电路及SIMULINK 图形② 仿真模型及波形图11)(1+=s s G 和15.01)(2+=s s G 11)(1+=s s G 15.01)(2+=s s G③ 积分环节ss G 1)(1=④ 微分环节⑤ 比例+微分环节（PD ）⑥比例+积分环节（PI）五、分析及心得体会实验二线性系统时域响应分析一、实验目的1．熟练掌握step( )函数和impulse( )函数的使用方法，研究线性系统在单位阶跃、单位脉冲及单位斜坡函数作用下的响应。

2．通过响应曲线观测特征参量ζ和n ω对二阶系统性能的影响。

3．熟练掌握系统的稳定性的判断方法。

二、基础知识及MATLAB 函数（一）基础知识时域分析法直接在时间域中对系统进行分析，可以提供系统时间响应的全部信息，具有直观、准确的特点。