下载文档原格式
实验一典型系统的时域响应和稳定性分析一、实验目的1．研究二阶系统的特征参量(ξ、ωn) 对过渡过程的影响。
2．研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。
3．熟悉Routh判据，用Routh判据对三阶系统进行稳定性分析。
二、实验设备PC机一台，TD-ACC+教学实验系统一套。
三、实验原理及内容1．典型的二阶系统稳定性分析(1) 结构框图：如图1-1所示。
图1-1(2)图1-2(3) 理论分析系统开环传递函数为：G(s)=K1T0⁄s(T1s+1)开环增益：K= K1T0⁄先算出临界阻尼、欠阻尼、过阻尼时电阻R的理论值，再将理论值应用于模拟电路中，观察二阶系统的动态性能及稳定性，应与理论分析基本吻合。
在此实验中由图1-2，可以确地1-1中的参数。
T0= 1s , T1= 0.1s ,K1= 200R , K= 200R系统闭环传递函数为：W(s)=5Ks2+5s+5K其中自然振荡角频率：?n ω= 10√10R；阻尼比：?ζ= √10R402．典型的三阶系统稳定性分析(1) 结构框图：如图1-3所示。
图1-3(2) 模拟电路图：如图1-4所示。
图1-4(3) 理论分析系统的开环传函为: G(s)H(s)=20K s 3+12s 2+20s系统的特征方程为:1()()0G s H s += : s 3+12s 2+20s+20K=0 (4) 实验内容实验前由Routh 判断得Routh 行列式为：S 3 1 20 S 2 12 20K S 1 20-5/3*K 0 S 0 20K为了保证系统稳定，第一列各值应为正数，因此可以确定系统稳定 K 值的范围 : 0<K <12 R >41.7k系统临界稳定K: K=12 R =41.7k 系统不稳定K 值的范围: K >12 R <41.7k四、实验步骤1）将信号源单元的“ST ”端插针与“S ”端插针用“短路块”短接。
《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。
实验一 典型环节的模拟研究一、实验目的：1． 了解并掌握XG2003自控理论教学实验系统模拟电路的使用方法，掌握典型环节模拟电路的构成方法，培养学生实验技能。
2． 熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。
3． 了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验要求：1． 观测各种典型环节的阶跃响应曲线。
2． 观测参数变化对典型环节阶跃响应的影响。
三、实验仪器：1． XG2003教学实验板 一台 2． 示波器一台 3． 万用表一块四、实验原理和电路：本实验是利用运算放大器的基本特性（开环增益高、输入阻抗大、输出阻抗小等），设置不同的反馈网络来模拟各种典型环节。
典型环节块图及其模拟电路如下：1．比例（P ）环节。
其方块图如图1-1A 所示。
图1-1B 比例环节模拟电路比例环节的模拟电路如图1—1B 所示，其传递函数为1)()(R R s Ui s Uo = (1-2)比较式(1-1)和(1-2)得 K = R1/R0 (1-3)当输入为单位阶跃信号时，即)()(t l t U i = 时，SS U i 1)(=则由式(1-1)得 SKS U 1)(0= ， 所以输出响应为 K t U =)(0 (t ≥0) (1-4) 其输出方波如图1-1C 。
2．积输分（I ）环节。
其方块图如图1—2A 所示。
图1-1C 比例环节输出波形图 图1-2A 积分环节方块图 其传递函数为TSs Ui s Uo 1)()(=(1-5) 积分环节的模拟电路如图1—2B 所示。
图1-2B 积分环节模拟电路 积分环节模拟电路的传递函数为RoCSs Ui s Uo 1)()(=(1-6) 比较式(1-5)和(1-6)得C R T 0= 当输入为单位阶跃信号，即)()(t l t U i =时，S S U i 1)(=，则由式(1-5)得到TS S U 1)(0=·S 1=21TS 所以输出响应为：t T t U 1)(0=其输出波形如图1-2C 所示。
《自动控制原理Ⅰ》实验指导书2013年9月修订实验一 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。
2．熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
3．学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。
4．掌握仿真分析软件multisim的使用。
二． 物理模拟说明用电子线性运算放大器和各种反馈电路能够模拟线性系统典型环节。
同时，模拟典型环节是有条件的，即是将运算放大器视为满足以下条件的理想放大器：(1)输入阻抗为∞，进入运算放大器的电流为零，同时输出阻抗为零；(2)电压增益为∞；(3)通频带为∞；(4)输入与输出间呈线性特性．可是，实际运算放大器毕竟不是理想的；电子元件和电路仍然有惯性（尽管非常小）其通频带有限，并非达到∞，输入输出功率也是有限的；一般的运算放大器，在开环使用时，其通频带仅为10-100Hz，当将其接成K=1的比例器，其通频带也不过MHz左右。
所以，以线性运算放大器和各种反馈电路去模拟系统的各种线性和非线环节也不是无条件的，它仍然是在一定条件下，在一定程度上模拟出线性典型环节的特性，超出条件的范围和要求过份精确都是办不到的。
因此，需要说明以下几点事项：(1)用实际的运算放大器模拟线性系统各种典型环节都是有条件的近似关系，不可能得到理想化典型环节的特性。
其主要原因是：1实际运算放大器输出幅值受其电源所限，根本不可能达到∞，此即非线性影响；2实际运算放大器不是无惯性的。
尽管惯性很小，但通频带不会达到∞。
(2)实际运算放大器输出幅值受限的非线性因素对所有各种模拟环节都有影响，但情况迥异。
对比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节和振荡环节，只要控制了输入量的大小或是输入量施加的时间长短(对于积分或比例积分环节），不使其输出在工作期间内达到最高饱和度，则非线性因素对上述环节特性的影响可以避免；但是非线性因素对模拟比例微分环节和微分环节的影响却无法避免。
自动控制原理实验实验一 典型环节的电模拟及其阶跃响应分析一、实验目的⑴ 熟悉典型环节的电模拟方法。
⑵ 掌握参数变化对动态性能的影响。
二、实验设备⑴ CAE2000系统（主要使用模拟机，模/数转换，微机，打印机等）。
⑵ 数字万用表。
三、实验内容１．比例环节的模拟及其阶跃响应微分方程 )()(t Kr t c -= 传递函数 =)(s G )()(s R s C K -= 负号表示比例器的反相作用。
模拟机排题图如图9-1所示，分别求取K=1，K=2时的阶跃响应曲线，并打印曲线。
图9-1 比例环节排题图 图9-2 积分环节排题图 ２．积分环节的模拟及其阶跃响应微分方程 )()(t r dtt dc T= 传递函数 sKTs s G ==1)(模拟机排题图如图9-2所示，分别求取K=1，K=0.5时的阶跃响应曲线，并打印曲线。
３．一阶惯性环节的模拟及其阶跃响应微分方程 )()()(t Kr t c dtt dc T=+ 传递函数 1)(+=TS KS G模拟机排题图如图３所示，分别求取K=1, T=1; K=1, T=2; K=2, T=2 时的阶跃响应曲线，并打印曲线。
４．二阶系统的模拟及其阶跃响应微分方程 )()()(2)(222t r t c dt t dc T dt t c d T =++ξ传递函数 121)(22++=Ts s T s G ξ2222nn n s s ωξωω++= 画出二阶环节模拟机排题图，并分别求取打印： ⑴ T=1，ξ=0.1、0.5、1时的阶跃响应曲线。
⑵ T=2，ξ=0.5 时的阶跃响应曲线。
四、实验步骤⑴ 接通电源，用万用表将输入阶跃信号调整为2V 。
⑵ 调整相应系数器；按排题图接线，不用的放大器切勿断开反馈回路（接线时，阶跃开关处于关断状态）；将输出信号接至数/模转换通道。
⑶ 检查接线无误后，开启微机、打印机电源；进入CAE2000软件，组态A/D ，运行实时仿真；开启阶跃输入信号开关，显示、打印曲线。
实验一 典型环节的电路模拟一、实验目的1．熟悉THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱及“THKKL-5”软件的使用； 2．熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。
二、实验设备1．THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱；2．PC 机一台(含“THKKL-5”软件)、USB 数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB 接口线。
三、实验内容1．设计并组建各典型环节的模拟电路；2．测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响。
四、实验原理自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。
熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分有益。
本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图 如图1-1所示。
图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。
1．比例（P ）环节比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。
图1-1 它的传递函数与方框图分别为：KS U S U S G i O ==)()()(当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K 时的响应曲线如图1-2所示。
2．积分（I ）环节 图1-2积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。
它的传递函数与方框图分别为：设U i (S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T 时的响应曲线如图1-3所示。
TsS U S Us G i O1)()()(==图1-33．比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为：)11(11)()()(21211212CSR R R CSR R R CSR CS R S U S U s G i O +=+=+==其中T=R 2C ，K=R 2/R 1设U i (S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T 时的PI 输出响应曲线。
编号：自动控制原理Ⅰ实验课题：控制系统串联校正设计专业：智能科学与技术学生姓名：黎良贵学号：2008502112014 年 1 月 5 日一、 实验目的：1、了解控制系统中校正装置的作用;2、研究串联校正装置对系统的校正作用。
二、 实验基本原理：1、 滞后-超前校正超前校正的主要作用是增加相位稳定裕量，从而提高系统的稳定裕量，改善系统响应的动态特性。
滞后校正的主要作用则是改善系统的静态特性。
如果把这两种校正结合起来，就能同时改善系统的动态特性和静态特性。
滞后超前校正综合了滞后校正和超前校正的功能。
滞后-超前校正的线路由运算放大器及阻容网络组成。
2、 串联滞后校正串联滞后校正指的是校正装置的输出信号的相位角滞后于输入信号的相位角。
它的主要作用是降低中频段和高频段的开环增益，但同时使低频段的开环增益不受影响。
这样来兼顾静态性能与稳定性。
它的副作用是会在ωc 点产生一定的相角滞后。
三、 实验内容：设单位反馈系统的开环传递函数为设计串联校正装置，使系统满足下列要求静态速度误差系数1S K -≥250ν，相角裕量045≥γ，，并且要求系统校正后的截止频率s rad c /30≥ω。
四、 实验步骤：1、 用MATLAB 软件对原系统进行仿真，讨论校正方案；2、 对校正后的系统进行仿真，确定校正方案；)101.0)(11.0()(0++=s s s Ks G3、设计原系统和校正环节的电模拟电路及元器件有关参数；4、设计制作硬件电路，调试电路，观察原系统阶跃响应并记录系统的瞬态响应数据；5、加入校正装置，系统联调，观察并记录加入校正装置后系统的阶跃响应，记录系统的瞬态响应数据。
五、MATLAB仿真：程序：K=250;G=tf(K,[0.001 0.11 1 0]);[gm,pm,wcg,wcp]=margin(G);T1=10/wcp;b=7;Gc1=tf([T1 1],[b*T1 1])G1=G*Gc1;G10=feedback(G,1);step(G10)gridfigure[mag,pha,w]=bode(G1);Mag=20*log10(mag);[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(G1);phi=(45-pm1+20)*pi/180;alpha=(1+sin(phi))/(1-sin(phi));Mn=-10*log10(alpha);wcgn=spline(Mag,w,Mn);T=1/wcgn/sqrt(alpha);Tz=alpha*T;Gc2=tf([Tz 1],[T 1])G2=G1*Gc2;bode(G,'r',G2,'g')gridfiguregrid[gm2,pm2,wcg2,wcp2]=margin(G2)G11=feedback(G2,1);step(G11)grid结果：滞后校正网络传递函数：0.2126 s + 1------------1.488 s + 1超前校正网络传递函数：0.1039 s + 1--------------0.008316 s + 1校正之后的幅值裕量，相角裕量，相角交接频率，截止频率：gm2 =5.5355pm2 =49.2677wcg2 =105.9038wcp2 =34.0080其中相角裕量，截止频率分别为49.2677，34.0080均大于题目要求的45和30，仿真符合要求。
实验一 MATLAB 的环境熟悉
一、实验目的
1、熟悉MATLAB 的运行环境和帮助系统
2、熟悉MATLAB 的运算和简单编程
3、掌握MATLAB 的矩阵运算和二维绘图
4、掌握熟悉MATLAB 的多项式运算
5、掌握熟悉MATLAB 的微分方程和差分方程的求解
二、实验内容
1、MA TLAB 基本命令的例子操作
如：二维绘图plot 、hold 、text 、title 、xlabel 、ylabel 等命令；拉氏变换和拉氏反变换laplace 、ilaplace 等命令，z 变换和z 反变换ztrans 、iztrans 等命令；多项式运算函数root 、poly 、conv 、polyval 等函数；微分方程的求解函数dslove 和差分方程的求解函数maple 。
2、绘制)1tan 1s in(11
12
22ζζζωζζω-+---=-ac t e y n t n 的曲线。
其中n ω=1，
t=[0:0.1:15]，要求同一图画四条线：ζ=0.001（实线），ζ=0.5（虚线），ζ=1.001（加号），
ζ=2（星号）
； 并要加图形标题和x,y 轴标记。
提示：ζ用a 表示，n ω用b 表示，函数表示：y=1-(1/sqrt(1-a^2)*exp(-a*b*t)).*(sin(b*sqrt(1-a^2)*t+atan(sqrt(1-a^2)/a)));
解：代码：
t=[0:0.1:15];
b=1;
a=0.001;
c=0.5;
d=1.001;
e=2;
y=1-(1/sqrt(1-a^2)*exp(-a*b*t)).*(sin(b*sqrt(1-a^2)*t+atan(sqrt(1-a^2)/a)));
y1=1-(1/sqrt(1-c^2)*exp(-c*b*t)).*(sin(b*sqrt(1-c^2)*t+atan(sqrt(1-c^2)/c)));
y2=1-(1/sqrt(1-d^2)*exp(-d*b*t)).*(sin(b*sqrt(1-d^2)*t+atan(sqrt(1-d^2)/d)));
y3=1-(1/sqrt(1-e^2)*exp(-e*b*t)).*(sin(b*sqrt(1-e^2)*t+atan(sqrt(1-e^2)/e)));
plot(t,y,'-',t,y1,'--',t,y2,'+',t,y3,'*');
xlabel('t');
ylabel('y');
title('曲线Y 的绘制');
grid;
绘图如图2
图2
3、参考p231例9-15完成二阶系统的响应曲线绘制，t， (zeta)的取值同2，并比较。
解：代码
t=[0:0.1:15];
num=[1];
zeta1=0.001;
den1=[1 2*zeta1 1];
zeta3=0.5;
den3=[1 2*zeta3 1];
zeta5=1.001;
den5=[1 2*zeta5 1];
zeta7=2;
den7=[1 2*zeta7 1];
[y1,x,t]=step(num,den1,t);
[y3,x,t]=step(num,den3,t);
[y5,x,t]=step(num,den5,t);
[y7,x,t]=step(num,den7,t);
plot(t,y1,t,y3,t,y5,t,y7);
grid on;
绘图如图3
图3
4、用微分方程的求解函数dslove求解p37习题2-5（2）和p256习题9-1的解，并分别画出相应的波形图。
其中t=[0,100]，取1000个点。
提示：求出c的表达式后要重新运行才能画。
解：代码
（1）y=dsolve('2*D2y+7*Dy+5*y=2','y(0)=0,Dy(0)=0')
t=[0:0.1:100];
y =4/15*exp(-5/2*t)-2/3*exp(-t)+2/5;
plot(t,y);
绘图如图4（1）
如图4（1）
代码：
（2）y=dsolve('D2y+5*Dy+6*y=6','y(0)=2,y(0)=2') y =-4*exp(-3*t)+5*exp(-2*t)+1;
plot(t,y);
绘图如图4（2）
如图4（2）
5、求多项式的根。
解：代码
p=[1 4 -7 -10];
r=roots(p)
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+-+=++-=++=++-5
2277
8638232432143214214
321x x x x x x x x x x x x x x x 6、求解方程组
提示：求解表达式为：[x1,x2,x3,x4]=solve('2*x1-3*x2+x3+2*x4-8', 'x1+3*x2+x4-6', 'x1-x2+x3+8*x4-7', '7*x1+x2-2*x3+2*x4-5', 'x1,x2,x3,x4')；
解：代码
syms x1 x2 x3 x4;
[x1,x2,x3,x4]=solve('2*x1-3*x2+x3+2*x4-8',
'x1+3*x2+x4-6', 'x1-x2+x3+8*x4-7',
'7*x1+x2-2*x3+2*x4-5', 'x1,x2,x3,x4')
7、求差分方程：p219页习题8-3和p256习题9-2
解：代码
（1）y=maple('rsolve({y(k+2)+2*y(k+1)+y(k)=k,y(0)=0,y(1)=0},y);')
（2）y=maple('rsolve({y(k+2)+3*y(k+1)+2*y(k)=1,y(0)=0,y(1)=1},y);')
三、遇到的问题及解决方法：
1、关于代码书写错误问题
解决：一定要在英文输入法半角字符下，输入代码。
2、关于求解微分方程并画图问题
解决：在求解完微分方程之后画图时，应该将求解出的表达式代码重新敲入MATLAB,进行画图。
