北航自动控制原理实验

自动控制原理实验报告实验一二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试实验二频率响应测试实验三控制系统串联校正实验四控制系统数字仿真：学号：单位：仪器科学与光电工程学院日期：2013年12月27日实验一二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试一、实验目的1. 了解一、二阶系统阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系。

2. 学习在电子模拟机上建立典型环节系统模型的方法。

3. 学习阶跃响应的测试方法。

二、实验容1. 建立一阶系统的电子模型,观测并记录在不同时间常数T时的跃响应曲线,并测定其过渡过程时间TS。

2. 建立二阶系统的电子模型,观测并记录在不同阻尼比ζ时的跃响应曲线,并测定其超调量σ%及过渡过程时间TS。

三、实验原理1．一阶系统：系统传递函数为：模拟运算电路如图1- 1所示：图1- 1由图1-1得在实验当中始终取R2= R1，则K=1，T= R2C取不同的时间常数T分别为：0.25、0.5、12．二阶系统:其传递函数为：令=1弧度/秒，则系统结构如图1-2所示：图1-2根据结构图，建立的二阶系统模拟线路如图1-3所示：图1-3取R2C1=1 ，R3C2 =1，则及ζ取不同的值ζ=0.25 , ζ=0.5 , ζ=1四、实验步骤1. 确定已断开电子模拟机的电源，按照实验说明书的条件和要求，根据计算的电阻电容值，搭接模拟线路；2. 将系统输入端与D/A1相连，将系统输出端与A/D1相；3. 检查线路正确后，模拟机可通电；4. 双击桌面的“自控原理实验”图标后进入实验软件系统。

5. 在系统菜单中选择“项目”——“典型环节实验”；在弹出的对话框中阶跃信号幅值选1伏，单击按钮“硬件参数设置”，弹出“典型环节参数设置”对话框，采用默认值即可。

6. 单击“确定”，进行实验。

完成后检查实验结果，填表记录实验数据，抓图记录实验曲线。

五、实验设备HHMN-1电子模拟机一台、PC机一台、数字式万用表一块六、实验数据T 0.25 0.5 1R2 250K 500K 1MC 1μF 1μF 1μFTs理论0.75s 1.5s 3.0sTs实测0.763s 1.543s 3.072sTs误差 1.73% 2.87% 2.40%响应图形图1 图2 图3图2图3ζ0.25 0.5 1 R4 2M 1M 500K C2 1μF 1μF 1μF σ%理论33.08% 16.48% 0 σ%实测33.89% 16.79% 0 σ%误差 2.45% 1.88% 0 Ts理论8.643s 5.307s 4.724s Ts实测8.752s 5.398s 4.808s Ts误差 1.26% 1.71% 1.78% 响应曲线图4 图5 图6图5图6七、误差分析1. 电阻的标称值和实际值有误差。

自动控制原理实验报告实验七非线性环节对系统动态过程的响应2012/5/23实验七非线性环节对系统动态过程的响应一、实验目的：（1）了解非线性环节特性；（2）了解非线性环节对系统动态过程的响应；（3）学会应用描述函数法研究非线性系统的稳定性。

二、实验原理：（1）非线性系统和线性系统存在本质差别：A）线性系统可采用传递函数、频率特性、脉冲过渡函数等概念，同时由于线性系统的运动形式和输入幅值、初始状态无关，通常是在典型输入函数和零初始条件下进行研究。

B）非线性系统由于叠加原理不成立，线性系统的上述方法不适用，所以常采用相平面方法和描述函数方法进行研究。

（2）实验从两方面观察非线性：相轨迹和动态响应A）相轨迹：相平面上的点随时间变化描绘出来的曲线叫相轨迹。

相平面的相坐标为和，实验软件当中给出的就是在此坐标下自动描绘的相轨迹。

初始条件不同，系统的运动趋势不同，所描绘的相轨迹也会有所不同。

B）动态响应：对比有无非线性环节时系统动态响应过程。

三、实验结果：由计算机产生非线性环节，结果如下：（1）摩擦特性：M=1Figure 1摩擦特性相轨迹*利用采集到的数据作图获得。

Figure 2摩擦特性动态响应（2）饱和特性：K=1，S=0.5；Figure 4饱和特性S=0.5动态响应（3）饱和特性：K=1，S=2；Figure 6饱和特性S=2动态响应（4）继电特性：M=1，h=0.5；Figure 7继电特性相轨迹Figure 8继电特性动态响应四、数据处理及分析：（1） 负倒相对描述函数及()G jw 曲线图：系统线性部分传递函数为：10()(1)G s s s =+，对于不同的非线性环节，其非线性特性描述函数各不相同，结果如下：摩擦特性，非线性描述函数为：4()MN s Xπ=将其负倒相对描述函数及()G jw 曲线画于一幅图中，结果如下图所示：由图可见，负倒相对描述函数没有被()G jw 曲线包围，系统是稳定的，随着t 增长，系统将逐步趋于稳态值。

概 述北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院自动控制与测试教学实验中心是国家211工程建设项目、校级实验教学示范中心，其中的自动控制理论教学实验室面向全校开放，承担全校自动控制原理的本科生实验课教学。

本实验说明书所涉及的自动控制原理实验采取半实物仿真方式实现。

半实物仿真一般是把数学模型、实体模型和系统的实际设备联系在一起进行运行，组成仿真系统。

而在对此系统进行仿真时，因有实物介入仿真回路，要求仿真是实时进行的，仿真机必须在与真实系统同步的条件下，获取动态的输入信号，并实时地产生动态的输出响应。

半实物仿真已经成为国防、工程领域内一种应用广泛的仿真技术，从某种程度上讲半实物仿真技术已经成为其整体科学技术水平的体现和代表。

半实物仿真技术在一般的工业控制中更为常见，其控制器可以由计算机实现，将控制对象作为实物直接放置在仿真回路中，构造起半实物仿真系统。

实验系统硬件部分包括计算机、数据采集板和电子模拟机。

电子模拟机用来实现系统模型（实物部分），数据采集板用来完成数字量及模拟量的转换以及信号的产生和数据的采集和处理，计算机用来实现综合的实验软件管理以及算法。

实验系统软件部分借助MATLAB软件实现，包括信号源的产生、数据的采集、控制算法和系统模型。

自动控制教学实验中心自行开发了PCI数据采集板在MATLAB下的驱动程序，可实现在MATLAB下实时的数据输出和采集，该驱动程序是整个实验系统的核心。

基于半实物仿真技术的自动控制原理实验，倡导的是自主性和研究性的实验方法，实验分为基本实验内容和研究性实验内容两种。

基本实验内容可以完成设定的实验包括：典型环节实验、频率特性测试、控制系统串联校正、PID控制器、状态反馈与观测器、采样系统研究实验、非线性环节实验等多种控制理论实验。

研究性实验则非常灵活，借助硬件驱动可实现基本的数据的输入输出，MATLAB可实现控制算法和系统模型的构建，两者的结合可实现任何的实验系统，达到实验者进行相应控制理论研究的目的。

自动控制原理实验报告实验名称：线性系统的时域分析实验日期：2017.9.29，2017.11.14小组成员：目录一、典型环节的模拟研究 (3)1.实验目的 (3)2.实验原理及说明 (3)3.实验内容及实验结果 (3)3.1观察比例环节的阶跃响应曲线 (4)3.2观察惯性环节的阶跃响应曲线 (7)3.3观察积分环节的阶跃响应曲线 (10)3.4观察比例环节的阶跃响应曲线 (13)3.5观察比例微分环节的阶跃响应曲线 (16)3.6观察PID（比例积分微分）环节的阶跃响应曲线 (17)4.结果分析 (20)二、二阶系统瞬态响应和稳定性 (21)1.实验目的 (21)2.实验原理及说明 (21)3.实验内容及实验结果 (23)4.结果分析 (29)一、典型环节的模拟研究1.实验目的①了解和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观察和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。

2.实验原理及说明①控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。

②再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。

③若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。

④典型环节的结构图及传递函数3.实验内容与实验结果3.1观察比例环节的阶跃响应曲线 典型比例环节模拟电路如下图所示。

传递函数：1(S)(S)(S)R R K K U U G i O === 单位阶跃响应：K )t (U =1)实验步骤（1）构造模拟电路：安置短路套及测孔联线，表如下。

（a ）安置短路套 （b ）测孔联线（2）将A/D-D/A 转换（B2）DAOUT （矩形波）作为系统输入信号Ui,运行SACT 程序，选择线性系统时域分析项，点击启动实验项目弹出实验界面后，在“波形控制区”设置矩形波参数，设置矩形波“幅度”为4V ，“正脉宽”为1秒。

自动控制原理实验报告一、实验名称：一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试 二、实验目的1、了解一、二阶系统阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系2、学习在电子模拟机上建立典型环节系统模型的方法3、学习阶跃响应的测试方法三、实验内容1、建立一阶系统的电子模型，观测并记录在不同时间常数T 时的响应曲线，测定过渡过程时间T s2、建立二阶系统电子模型，观测并记录不同阻尼比的响应曲线，并测定超调量及过渡过程时间T s四、实验原理及实验数据 一阶系统系统传递函数：由电路图可得，取则K=1， T 分别取：0.25, 0.5, 1T 0.25 0.501.00 R 2 0.25M Ω 0.5M Ω 1M Ω C1μ1μ1μT S 实测 0.7930 1.5160 3.1050 TS 理论 0.7473 1.4962 2.9927 阶跃响应曲线图1.1图1.2图1.3误差计算与分析（1）当T=0.25时，误差==6.12%；（2）当T=0.5时，误差==1.32%；（3）当T=1时，误差==3.58%误差分析：由于T 决定响应参数，而,在实验中R 、C 的取值上可能存在一定误差，另外，导线的连接上图1.1图1.2图1.3也存在一些误差以及干扰，使实验结果与理论值之间存在一定误差。

但是本实验误差在较小范围内，响应曲线也反映了预期要求，所以本实验基本得到了预期结果。

实验结果说明由本实验结果可看出，一阶系统阶跃响应是单调上升的指数曲线，特征有T 确定，T 越小，过度过程进行得越快，系统的快速性越好。

二阶系统系统传递函数：令二阶系统模拟线路0.25 0.50 1.00 R 4210.5C 2111实测 45.8% 16.9% 0.6% 理论 44.5% 16.3% 0% T S 实测13.98605.48954.8480T S 理论 14.0065 5.3066 4.8243 阶跃响应曲线图2.1图2.2图2.3注：T s 理论根据matlab 命令[os,ts,tr]=stepspecs(time,output,output(end),5)得出，否则误差较大。

北航自控原理实验五采样系统研究
采样系统是指从被测系统采集信号、将其转换为数字信号、利用数字
信号进行信号处理和反馈等。

本次实验要求设计和实现一个采样系统，用
以采集模拟信号，进行数字采样、处理，最后发出控制信号，实施反馈控制。

本次实验使用的采样系统是由工控机、采样卡、示波器、模拟信号源、四路输出模拟量信号和调试软件组成。

工控机用于数据采集与处理，采样
卡用于连接工控机，完成对模拟电压的采样与数据处理；示波器可以用来
监视实验过程中模拟电压和调制调整量的变化；模拟信号源模拟和产生各
种信号，提供给采样系统进行实验；四路输出模拟量信号模块可以输出四
种不同的信号，用于实验测试。

实验步骤：
一、查看实验目的，了解实验中用到的仪器状态
二、设置采样条件，检查模拟源输出的信号
三、用示波器检查采样系统和信号源的连接情况
四、使用调试软件，进行采样，编写采样程序
五、实验验证，随机改变被控对象，检查采样系统反馈控制的效果
六、实验报告，书写实验详细过程，以及采样系统的参数和调试软件的运行结果。

北航自控实验报告北航自控实验报告自控实验是北航自动化专业学生的重要课程之一，通过实验，学生能够巩固和应用所学的自动控制理论知识，提高实践能力。

本文将从实验目的、实验内容、实验结果和实验总结等方面，对北航自控实验进行详细介绍。

实验目的自控实验的目的是通过实际的控制系统，让学生了解自动控制的基本原理和方法，培养学生的实际操作能力和问题解决能力。

通过实验，学生能够掌握控制系统的建模、仿真和实际控制过程中的参数调整方法，提高自己的工程实践能力。

实验内容北航自控实验包括多个实验项目，其中包括PID控制器的设计与调整、系统建模与仿真、状态空间控制等。

在PID控制器的设计与调整实验中，学生需要根据给定的控制要求，设计出合适的PID控制器，并通过调整PID参数来实现系统的稳定性和性能要求。

在系统建模与仿真实验中，学生需要根据给定的系统动力学方程，建立系统的数学模型，并通过仿真软件进行系统的动态仿真。

在状态空间控制实验中，学生需要学习和应用状态空间法进行系统的控制设计。

实验结果通过实验，学生能够得到实验结果，并进行分析和总结。

实验结果包括系统的响应曲线、参数调整结果等。

学生需要根据实验结果，评估系统的控制性能，并对控制器的参数进行调整。

通过实验结果的分析，学生能够深入理解自动控制的原理和方法，并提高自己的问题解决能力。

实验总结自控实验是北航自动化专业学生的重要课程之一，通过实验，学生能够将理论知识应用到实践中，并提高自己的实际操作能力和问题解决能力。

在实验过程中，学生需要仔细操作实验设备，准确记录实验数据，并进行数据分析和总结。

通过实验总结，学生能够发现实验中存在的问题，并提出改进措施，提高自己的实验技巧和创新能力。

总之，北航自控实验是自动化专业学生不可或缺的一部分，通过实验，学生能够巩固和应用所学的自动控制理论知识，提高实践能力。

通过实验目的、实验内容、实验结果和实验总结等方面的介绍，相信读者对北航自控实验有了更加深入的了解。

成绩北京航空航天大学自动控制原理实验报告班级学号学生姓名自动控制与测试教学实验中心实验一一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试一、实验目的1.了解一、二阶系统阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系。

2.学习在电子模拟机上建立典型环节系统模型的方法。

3.学习阶跃响应的测试方法。

二、实验内容1.建立一阶系统的电子模型，观测并记录不同时间常数T时的跃响应曲线，测定其过渡过程时间Ts。

2.建立二阶系统的电子模型，观测并记录不同阻尼比ζ时的跃响应曲线，测定其超调量σ%及过渡过程时间Ts。

三、实验原理1.一阶系统系统传递函数为：模拟运算电路如图1-1所示：由图1-1得在实验当中始终取R1=R2，则K=1，T=R2C取不同的时间常数T分别为：0.25、0.5、1.0。

记录不同时间常数下阶跃响应曲线，测量并记录其过渡过程时间T s，将参数及指标填在表1-1内。

2.二阶系统系统传递函数为：。

令ωn=1弧度/秒，则系统结构如图1-2所示：根据结构图，建立的二阶系统模拟线路如图1-3所示：取1,12312==C R C R 则24243421,21C R C R R R ===ζζ ζ取不同的值：0.25、0.5、0.707、1.0，观察并记录阶跃响应曲线，测量超调量σ%，计算过渡过程时间Ts ，将参数及各项指标填入表1-2内。

四、实验设备1.HHMN-1型电子模拟机一台。

2.PC 机一台。

3.数字式万用表一块。

五、实验步骤1.熟悉HHMN-1型电子模拟机的使用方法，将各运算放大器接成比例器，通电调零。

2.断开电源，按照实验说明书上的条件和要求，计算电阻和电容的取值，按照模拟线路图搭接线路，不用的运算放大器接成比例器。

3.将D/A1与系统输入端Ui 连接，将A/D1与系统输出端UO 连接（此处连接必须谨慎，不可接错）。

线路接好后，经教师检查后再通电。

4.在Windows XP 桌面用鼠标双击“MATLAB ”图标后进入，在命令行处键入“autolab ”进入实验软件系统。

北航自控实验报告北航自控实验报告自控是自动控制的简称，是一门涉及控制理论和控制工程的学科。

在工程领域中，自控技术的应用非常广泛，可以用于飞行器、机械设备、电力系统等各个领域。

为了更好地理解和应用自控技术，我参与了北航自控实验。

实验一：PID控制器的设计与调试PID控制器是自控领域中最常用的一种控制器，它由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个控制环节组成。

在这个实验中，我们需要设计和调试一个PID控制器，以实现对一个电机转速的控制。

首先，我们在实验室里搭建了一个小型的电机转速控制系统。

通过连接电机和传感器，我们可以测量电机的转速，并将其反馈给控制器。

接下来，我们使用Matlab/Simulink软件进行PID控制器的设计。

通过调整PID控制器的参数，我们可以实现对电机转速的精确控制。

在调试过程中，我们遇到了一些挑战。

初始时，电机的转速波动较大，无法稳定在我们期望的值。

通过分析，我们发现PID控制器的参数需要进行适当的调整。

通过多次试验和参数调整，我们最终成功实现了对电机转速的稳定控制。

实验二：状态空间控制系统的建模与分析状态空间方法是一种用于描述和分析控制系统的数学工具。

在这个实验中，我们需要建立一个状态空间控制系统的数学模型，并进行分析。

我们选择了一个简单的倒立摆系统作为研究对象。

通过将系统分解为多个状态变量，并建立它们之间的动态方程，我们得到了一个状态空间模型。

接下来，我们使用Matlab软件进行模型的仿真和分析。

在仿真过程中，我们改变了系统的初始条件和外部扰动，观察了系统的响应。

通过分析仿真结果，我们可以得出一些结论。

例如，当初始角度较大时，系统的稳定性会受到影响；当外部扰动较大时，系统的响应会变得不稳定。

这些结论对于设计和优化控制系统非常有价值。

实验三：模糊控制系统的设计与实现模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，它可以处理那些难以用精确数学模型描述的系统。

在这个实验中，我们需要设计和实现一个模糊控制系统，以实现对一个小型车辆的路径跟踪。