自动控制原理实验指导书(2017-2018-1)

⾃动控制原理实验指导书⽬录第⼀章⾃动控制原理实验 (1)实验⼀典型环节模拟⽅法及动态特性 (1)实验⼆典型⼆阶系统的动态特性 (4)实验三典型调节规律的模拟电路设计及动态特性测试 (6)实验四调节系统的稳态误差分析 (8)实验五三阶系统模拟电路设计及动态特性和稳定性分析 (11)实验六单回路系统中的PI调节器参数改变对系统稳定性影响 (13)实验七典型⾮线性环节的模拟⽅法 (15)实验⼋线性系统的相平⾯分析 (17)第⼆章控制理论实验箱及DS3042M（40M）⽰波器简介 (19)第⼀节⾃动控制理论实验箱的简介 (19)第⼆节数字存储⽰波器简介 (20)第⼀章⾃动控制原理实验实验⼀典型环节模拟⽅法及动态特性⼀、实验⽬的1、掌握⽐例、积分、实际微分及惯性环节的模拟⽅法。

2、通过实验熟悉各种典型环节的传递函数和动态特性。

⼆、实验设备及器材配置1、⾃动控制理论实验系统。

2、数字存储⽰波器。

3、数字万⽤表。

4、各种长度联接导线。

三、实验内容分别模拟⽐例环节、积分环节、实际微分环节、惯性环节，输⼊阶跃信号，观察变化情况。

1、⽐例环节实验模拟电路见图1-1所⽰传递函数：K R R V V I -=-=120阶跃输⼊信号：2V实验参数：（1） R 1=100K R 2=100K（2） R 1=100K R 2=200K2、积分环节实验模拟电路见图1-2所⽰传递函数：ST V V I I O 1-= ，其中T I阶跃输⼊信号：2V 实验参数：（1） R=100K C=1µf（2） R=100K C=2µf 3、实际微分环节实验模拟电路见图1-3所⽰传递函数：K ST S T V V D D I O +-=1 其中 T D =R 1C K=12R R 阶跃输⼊信号：2V实验参数：（1） R 1=100K R 2=100K （2）R 1=100K R 2=200K C=1µf4、惯性环节实验模拟电路见图1-4所⽰传递函数：1+-=TS K V V I O 其中 T=R 2C K=12R R 阶跃输⼊：2V 实验参数：（1） R 1=100K R 2=100K C=1µf（2） R=100K R 2=100K C=2µfR四、实验步骤1、熟悉实验设备并在实验设备上分别联接各种典型环节。

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（实验指导书）⽬录实验⼀典型环节的模拟研究（验证型）（2）实验⼆典型系统的瞬态响应和稳定性（设计型）（9）实验三动态系统的数值模拟（验证型）（15）实验三动态系统的频率特性研究（综合型）（16）实验四动态系统的校正研究（设计型）（18）附录XMN—2学习机使⽤⽅法简介（20）实验⼀典型环节的模拟研究⼀、实验⽬的:1、了解并掌握XMN-2型《⾃动控制原理》学习机的使⽤⽅法，掌握典型环节模拟电路的构成⽅法，培养学⽣实验技能。

2、熟悉各种典型线性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、实验设备Uo(S)=（K+TS 1）S1?)1()()(21210210CS R R RR R R R S U S U i +++≈（1-19）⽐较式(1-17)和(1-19)得K=21R R R +T=C R R R R ?+2121 （1-20）当输⼊为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(S)=1/S 。

则由式（1-17）得到111)()(23111022100210++?+++=S C R S C R C R C R S C R R R R S U S U i (1-24) 考虑到R 1》R 2》R 3，则式（1-24）可近似为S C R R R S C R R R S U S U i 2021100101)()(++≈（1-25）⽐较式(1-23)和(1-25)得K P =1R R ， T 1=R 0C 1T D =2021C R R R ? （1-26）当输⼊为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(S)=1/S 。

则由式（1-23）得到U o (S)=（K P +ST 11+T D S ）S 1?五、实验报告要求：1、实验前计算确定典型环节模拟电路的元件参数各⼀组，并推导环节传递函数参数与模拟电路电阻、电容值的关系以及画出理想阶跃响应曲线。

2、实验观测记录。

软件安装及使用一、软件安装1．将实验仪器自带的光盘放入计算机光驱，进入软件安装目录[光盘驱动器：\自动控制\winat。

2．启动软件安装程序setup.exe，如下图1：图1 进入安装界面图2 选择安装路径3．按照软件提示，一步一步完成安装，如图：图3 显示安装进程图4 安装完毕界面4．软件安装完毕后，会在桌面和“开始－程序”中自动生成“自动控制实验系统”快捷方式。

二、软件启动与使用说明1．软件启动在Windows桌面上或“开始－程序”中双击“自动控制实验原理”快捷方式，便可启动软件如图5。

图5 软件启动界面2．实验前计算机与实验箱的通讯设置和测试用实验箱自带的串口线将实验箱后面的串口与计算机的串口连接，启动“自动控制实验原理”软件。

1）实验前通讯口的设置设置方法：点击[系统设置－串口设置]如图6，在对话框内填入与计算机相连的串口值。

图6 串口设置对话框2）实验前通讯口的测试测试方法：接通电源点击[系统设置－通信串口测试]如图7，点击通信串口测试按钮，控制测试区内将出现0－255个数据，如图8，如果数据没有或不全，则说明通讯有故障，应检查计算机串口与实验箱的连接。

3．软件使用说明图7 串口测试窗口 图8 控制测试区本套软件界面共分为四个区域如图9：A. 菜单工具栏区域；B. 实验课题区域；C. 采集结果显示区域；D. 数据测量区域；图9 软件界面分配下面介绍软件的各个区域功能：A.菜单工具栏1）实验课题(ALT+T)在该菜单下选择所做的实验课题项目。

鼠标单击实验课题名称即可进入相应的实验。

2）系统设置(ALT+M)串口设置：设置实验中所使用的串口。

所设定的串口标号应与计算机实际所使用的一致。

通信串口测试：测试实验系统与计算机的通信是否正常。

在实验之前必须进行串口通信测试，在确认串口通信正常后才可以进行实验。

测试方法是鼠标单击对话框中的通信串口测试按钮，如果通信正常所示的空白区内将有信息返回，如果通信不正常则无返回信息。

自动控制原理实验指导书施金鸿编孙炳达审核广东技术师范学院自动化系前言本书是根据高等学校电气工程及其自动化、测控技术等专业“自动控制原理”教学大纲要求，并结合我院具体情况而编写的。

自动控制原理实验是自动控制原理课程的重要组成部分，是该门课程的辅助教材。

由于理论教材中各电路原理已阐述详尽，故在实验教材中主要侧重介绍实验方法，通过实验使学生能运用所学理论知识来分析研究实验中所出现的问题，得出相应的结论，从而培养学生具备分析问题和解决问题的能力。

通过实验这个重要的实践环节来验证所学理论，使学生掌握实验的基本技能和方法，培养学生严肃认真和实事求是的科学作风。

本书由广东技术师范学院自动化系施金鸿编孙炳达审核。

限于编者的水平和经验，疏漏及错误之处在所难免，欢迎读者批评指正。

编者2006年6月目录前言实验一控制系统典型环节的模拟实验 (3)实验二线性定常系统的瞬态响应和稳定性分析 (10)实验三自动控制系统的校正 (17)实验四控制系统的频率特性 (21)实验五典型非线性环节静特性的测试 (25)实验六非线性系统的描述函数分析法 (30)实验七采样控制系统的分析 (34)实验八采样控制系统的动态校正 (39)实验九控制系统极点的任意配置 (42)附录：TKKL-4型控制理论/计算机控制技术实验箱使用说明 (46)实验一控制系统典型环节的模拟实验一、实验目的1、掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。

2、测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。

二、实验原理1、对表1-1所示各典型环节的传递函数设计相应的模拟电路(参见表1-2)表1-1：典型环节的方块图及传递函数表1-2：典型环节的模拟电路图2、测试各典型环节在单位阶跃信号作用下的输出响应。

3、改变各典型环节的相关参数，观测对输出响应的影响。

三、实验设备1、TKKL-4型控制理论实验箱 1台2、双踪示波器 1台3、数字万用表 1块四、实验内容及步骤1、观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶跃响应曲线。

《自动控制原理》实验指导书梅雪罗益民袁启昌许必熙南京工业大学自动化学院目录实验一典型环节的模拟研究--------------------------1 实验二典型系统时域响应和稳定性-------------------10 实验三应用MATLAB进行控制系统根轨迹分析----------15 实验四应用MATLAB进行控制系统频域分析------------17 实验五控制系统校正装置设计与仿真-----------------19 实验六线性系统校正-------------------------------22 实验七线性系统的频率响应分析---------------------26 附录：TDN—ACP自动控制原理教学实验箱简介----------31实验一 典型环节的模拟研究一． 实验目的1．熟悉并掌握TD-ACC +设备的使用方法及各典型环节模拟电路的构成方法。

2．熟悉各种典型环节的理想阶跃响应曲线和实际阶跃响应曲线。

对比差异、分析原因。

3．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。

二．实验内容下面列出各典型环节的方框图、传递函数、模拟电路图、阶跃响应，实验前应熟悉了解。

1．比例环节 (P)A 方框图：如图1.1-1所示。

图1.1-1B 传递函数：K S Ui S Uo =)()( C 阶跃响应：)0()(≥=t Kt U O 其中 01/R R K =D 模拟电路图：如图1.1-2所示。

图1.1-2注意：图中运算放大器的正相输入端已经对地接了100K 的电阻，实验中不需要再接。

以后的实验中用到的运放也如此。

E 理想与实际阶跃响应对照曲线：① 取R0 = 200K ；R1 = 100K 。

② 取R0 = 200K ；R1 = 200K 。

2．积分环节(I)A ．方框图：如右图1.1-3所示。

图1.1-3B ．传递函数：TSS Ui S Uo 1)()(=C ．阶跃响应： )0(1)(≥=t t Tt Uo 其中 C R T 0=D ．模拟电路图：如图1.1-4所示。

《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。

目录第一章自动控制原理实验 (3)1.1线性系统的时域分析 (3)1.1.1典型环节的模拟研究 (3)1.1.1.1比例环节 (3)1.1.1.2惯性环节 (3)1.1.1.3积分环节 (4)1.1.1.4比例积分环节 (4)1.1.1.5比例微分环节 (5)1.1.1.6 PID（比例积分微分）环节 (5)1.1.2二阶系统瞬态响应和稳定性 (6)1.1.3三阶系统的瞬态响应和稳定性 (7)1.2线性系统的频域分析 (8)1.2.1一阶惯性环节的频率特性曲线 (8)1.2.2二阶闭环系统的频率特性曲线 (8)1.2.3二阶开环系统的频率特性曲线 (9)1.3线性系统的校正与状态反馈 (10)1.3.1频域法串联超前校正 (10)1.3.2频域法串联迟后校正 (13)1.3.3时域法串联比例微分校正 (16)1.3.4时域法局部比例反馈校正 (18)1.3.5时域法微分反馈校正 (19)1.3.6线性系统的状态反馈及极点配置 (21)1.4非线性系统的相平面分析 (22)1.4.1典型非线性环节 (22)1.4.1.1 测量继电特性 (22)1.4.1.2 测量饱和特性 (23)1.4.1.3 测量死区特性 (23)1.4.1.4 测量间隙特性 (24)1.4.2二阶非线性控制系统 (24)1.4.2.1 继电型非线性控制系统 (24)1.4.2.2 饱和型非线性控制系统 (25)1.4.2.3 间隙型非线性控制系统 (25)1.4.3三阶非线性控制系统 (26)1.4.3.1 继电型非线性三阶控制系统 (26)1.4.3.2 饱和型非线性三阶控制系统 (27)第二章计算机控制技术实验 (28)2.1采样与保持 (28)2.1.1采样实验 (28)2.1.2采样控制 (28)2.2微分与数字滤波 (29)2.2.1一阶微分反馈控制 (29)2.2.2四点微分均值反馈控制 (30)2.2.3模拟一阶惯性数字滤波 (30)2.2.4四点加权平均数字滤波 (31)2.3数字PID控制 (31)2.3.1被控对象辨识 (34)2.3.1.1 对象开环辨识 (34)2.3.1.2 对象闭环辨识 (34)2.3.2二阶PID控制 (35)2.3.2.1 位置型PID控制 (35)2.3.2.2 增量型PID控制 (35)2.3.2.3 积分分离PID控制 (36)2.3.2.4 带死区PID控制 (37)2.3.2.5 Ⅰ型位置型PID控制 (37)2.3.2.6 Ⅰ型增量型PID控制 (38)2.3.2.7 带有延迟对象PID控制 (38)2.3.3三阶PID控制 (39)2.3.3.1 位置型PID控制 (39)2.3.3.2 Ⅰ型位置型PID控制 (40)2.3.3.3 Ⅰ型增量型PID控制 (40)2.3.4串级控制 (41)2.3.4.1 二阶串级PID控制 (42)2.3.4.2 三阶串级PID控制 (43)2.3.5比值控制 (43)2.3.5.1 单闭环比值PID控制 (44)2.3.5.2 双闭环比值PID控制 (45)2.3.6前馈-反馈控制 (45)2.3.6.1 静态前馈-反馈PID控制 (46)2.3.6.2 动态前馈-反馈PID控制 (47)2.3.7解耦控制 (47)2.3.7.1 静态前馈补偿解耦PID控制 (48)2.3.7.2 动态前馈补偿解耦PID控制 (51)2.4二阶位式控制 (51)2.5直接数字控制实验 (52)2.5.1大林算法控制 (52)2.5.1.1 大林算法控制（L=2） (53)2.5.1.2 消除振铃大林算法控制（L=2） (54)2.5.2最少拍控制 (54)2.5.2.1最少拍有纹波控制系统 (55)2.5.2.2最少拍无纹波控制系统 (56)第三章控制系统应用实验 (57)3.1直流电机PID控制 (57)3.2温度PID控制 (58)3.3温度PWM方式PID控制 (58)3.4温度位式控制 (59)3.5烤箱PWM方式PID控制 (60)3.6步进电机控制 (61)附录：验机与随机附件清单 (62)第一章 自动控制原理实验1.1 线性系统的时域分析1.1.1典型环节的模拟研究1.1.1.1比例环节典型比例环节模拟电路如图1-1-1所示。

目录实验一典型环节的电路模拟 (1)实验二典型二阶系统动态性能和稳定性分析 (3)实验三典型环节（或系统）的频率特性测量 (5)实验四线性系统串联校正 (7)实验五MATLAB控制系统数学模型仿真 (11)实验六SIMULINK环境下典型环节阶跃响应仿真及分析 (14)附录1 ACT-I控制理论实验箱说明 (16)附录2 实验一模拟电路参考及分析 (18)附录3 实验三参考电路及分析 (22)实验一典型环节的电路模拟(设计性)一．实验目的1．通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。

2．通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。

二．实验内容1．设计各种典型环节的模拟电路。

2．完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。

3．在上位机界面上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。

三．实验步骤1．熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录设计并连接各种典型环节（包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。

注意实验接线前必须先将实验箱上电，以对运放仔细调零。

然后断电，再接线。

接线时要注意不同环节、不同测试信号对运放锁零的要求。

在输入阶跃信号时，除比例环节运放可不锁零（G可接-15V）也可锁零外，其余环节都需要考虑运放锁零。

2．利用实验设备完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。

无上位机时，利用实验箱上的信号源单元U2所输出的周期阶跃信号作为环节输入，即连接箱上U2的“阶跃”与环节的输入端（例如对比例环节即图1.1.2的Ui），同时连接U2的“锁零（G）”与运放的锁零G。

然后用示波器观测该环节的输入与输出（例如对比例环节即测试图1.1.2的Ui和Uo）。

注意调节U2的周期阶跃信号的“频率”电位器RP5与“幅值”电位器RP2，以保证观测到完整的阶跃响应过程。

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。

《自动控制原理》实验指导书目录实验一典型环节的模拟研究及动态系统的时域分析（验证型）（2）实验二线性控制系统根轨迹分析（验证型）（2）实验三频率响应和频率特性曲线的绘制（综合型）（2）实验一典型环节的模拟研究及动态系统的时域分析一、实验目的1. 熟悉各种典型环节的理想阶跃响应曲线和实际阶跃响应曲线。

2.了解参数变化对典型环节动态特性的影响。

3. 观察和分析二阶闭环系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼的瞬态响应曲线。

4.研究二阶闭环系统的结构参数（无阻尼振荡频率和阻尼比）对过渡过程的影响。

5.在阶跃信号输入时，掌握欠阻尼二阶闭环系统的动态性能指标的计算。

6.了解参数对系统瞬态性能及稳定性的影响。

二、实验设备PC机及MATLAB平台三、实验原理及方法典型环节的方块图及传递函数如表1-1 所示。

表1-1 典型环节的方块图及传递函数图2-1 是典型二阶系统的方块图，本实验以Ⅰ型二阶系统为例，观察和分析二阶系统的瞬态响应。

四、实验内容及步骤1.观测比例、积分、惯性、微分和振荡环节的阶跃响应曲线，用Matlab 进行二阶系统建模。

2.二阶系统的阶跃响应；五、实验报告要求：1.实验前按给定参数算出二阶系统的性能指标,,p s r t t 的理论值。

2.实验观测记录。

3.实验结果分析、体会和建议。

附表实验二线性控制系统根轨迹分析一．实验目的1. 掌握用计算机绘制根轨迹的方法。

2. 通过仿真结果和理论计算的对比，加深对根轨迹绘图规则的理解。

3. 通过计算机绘制的根轨迹图，分析系统的稳定性。

二．实验仪器设备PC机及MATLAB平台三．实验原理及方法1. 实验原理控制系统的稳定性，由其闭环极点唯一确定，而系统过渡过程的基本特性，则与闭环零极点在s 平面的位置有关。

根轨迹法就是在已知控制系统开环传递函数零极点分布的基础上，研究某些参数变化时控制系统闭环传递函数零极点分布影响的一种图解方法。

利用根轨迹法，能够分析系统的瞬态响应特性以及参数变化对瞬态响应特性的影响。

自动控制原理实验指导书王娜编写电气工程与自动化学院自动化系2017年11月实验一 控制系统的时域分析[实验目的]1、熟悉并掌握Matlab 操作环境和基本方法，如数据表示、绘图等命令；2、掌握控制信号的拉氏变换与反变换laplace 和ilaplace ，控制系统生成模型的常用函数命令sys=tf(num,den)，会绘制单位阶跃、脉冲响应曲线；3、会构造控制系统的传递函数、会利用matlab 函数求取系统闭环特征根；4、会分析控制系统中n ζω， 对系统阶跃、脉冲响应的影响。

[实验内容及步骤] 1、矩阵运算a) 构建矩阵：A=[1 2;3 4]; B=[5 5;7 8]; 解：>> A=[1 2;3 4] A =1 2 3 4 >>B=[5 5;7 8] B =5 5 7 8b) 已知A=[1.2 3 5 0.9;5 1.7 5 6;3 9 0 1;1 2 3 4] ，求矩阵A 的特征值、特征多项式和特征向量.解：>> A=[1.2 3 5 0.9;5 1.7 5 6;3 9 0 1;1 2 3 4]; >> [V,D]=eig(A) V =0.4181 -0.4579 - 0.3096i -0.4579 + 0.3096i -0.6044 0.6211 -0.1757 + 0.2740i -0.1757 - 0.2740i 0.0504 0.5524 0.7474 0.7474 -0.2826 0.3665 -0.1592 - 0.0675i -0.1592 + 0.0675i 0.7432 D =13.0527 0 0 0 0 -4.1671 + 1.9663i 0 0 0 0 -4.1671 - 1.9663i 0 0 0 0 2.1815 >> p=poly(A) p =-6.9000 -77.2600 -86.1300 604.5500 2. 基本绘图命令a) 绘制余弦曲线y=cos(x)，x ∈[0，2π] 解：>> x=linspace(0,2*pi); >> y=cos(x);>> plot(x,y)b)线形为点划线、颜色为红色、数据点标记为加号；解：>>hold on;>>plot(x,y,'r-.+')c)加网格线解：>>grid ond)标注控制：x 、y坐标轴名称和标题“y=cos(t)”；解：>>xlabel(‘x’);>> ylabel('y');>> title('y=cos(x)')xy3. 常用拉氏变换和反变换的命令F=laplace(f)：f(t)的拉氏变换，结果为F(s)，默认变量为s ； f=ilaplace(F) ：F(s)的拉氏反变换，结果为f(t)，变量为t ；例1-1试求函数(t)Asin(wt b)f =+的拉氏变换式，并用拉氏反变换观察变换结果。

实验装置简介............................... (3-40实验一控制系统典型环节的模拟......... (5-6)实验二一阶系统的时域响应及参数测定••…(6-7)实验三二阶系统的瞬态响应分析......... (8-9)实验四频率特性的测试................. (9-13)实验五PID控制器的动态特性 ............. (13-15)实验六典型非线性环节................. (15-18)实验七控制系统的动态校正(设计性实验)・・(19)备注：本实验指导书适用于自动化、电子、机设等专业，各专业可以根据实验大纲选做实验。

THZK-1型控制理论电子模拟实验箱自动控制技术广泛应用于工农业生产、交通运输和国防建设，因此一个国家口动控制的水平是衡量该国家的生产技术与科学水平先进与否的一项重要标志。

木模拟实验装置能完成高校《自动控制原理》课程的主要实验内容。

它可以模拟控制工程中的各种典型环节和控制系统，并对控制系统进行仿真研究，使学生通过实验对自动控制理论冇更深一步地理解，并捉高分析与综合系统的能力。

本模拟实验箱可分为信号源与频率计，电源和典型环节实验三大部分：一、信号源与频率计1信号源部分信号源部分包括阶跃信号发生器，函数信号发生器，扫频电源。

（1）阶跃信号发生器当按下按钮时，输出一负的阶跃信号，其幅值约（-0.9V〜-2.45V）之间可调。

（2）函数信号发生器函数信号发生器主要是为本实验装置屮所需的超低频信号而专门设计的能输出三种函数信号，每一种函数信号有三个频段可供选择，三种信号分别为正弦波信号，三角波信号和方波信号。

正弦波信号：正弦波信号电压的有效值在（0〜7.5V）可调，频率在（0. 25Hz〜1. 55KHz）可调，其中低频段（0. 25Hz〜14Hz）,中频段（2. 7Hz〜155Hz）可调，高频段（26Hz〜1.55KHZ）可调。

自动控制原理实验指导书王娜编写电气工程与自动化学院自动化系2017年11月实验一 控制系统的时域分析[实验目的]1、熟悉并掌握Matlab 操作环境和基本方法，如数据表示、绘图等命令；2、掌握控制信号的拉氏变换与反变换laplace 和ilaplace ，控制系统生成模型的常用函数命令sys=tf(num,den)，会绘制单位阶跃、脉冲响应曲线；3、会构造控制系统的传递函数、会利用matlab 函数求取系统闭环特征根；4、会分析控制系统中n ζω， 对系统阶跃、脉冲响应的影响。

[实验内容及步骤] 1、矩阵运算a) 构建矩阵：A=[1 2;3 4]; B=[5 5;7 8]; 解：>> A=[1 2;3 4] A =1 2 3 4 >>B=[5 5;7 8] B =5 5 7 8b) 已知A=[1.2 3 5 0.9;5 1.7 5 6;3 9 0 1;1 2 3 4] ，求矩阵A 的特征值、特征多项式和特征向量.解：>> A=[1.2 3 5 0.9;5 1.7 5 6;3 9 0 1;1 2 3 4]; >> [V,D]=eig(A) V =0.4181 -0.4579 - 0.3096i -0.4579 + 0.3096i -0.6044 0.6211 -0.1757 + 0.2740i -0.1757 - 0.2740i 0.0504 0.5524 0.7474 0.7474 -0.2826 0.3665 -0.1592 - 0.0675i -0.1592 + 0.0675i 0.7432 D =13.0527 0 0 0 0 -4.1671 + 1.9663i 0 0 0 0 -4.1671 - 1.9663i 0 0 0 0 2.1815 >> p=poly(A) p =-6.9000 -77.2600 -86.1300 604.5500 2. 基本绘图命令a) 绘制余弦曲线y=cos(x)，x ∈[0，2π] 解：>> x=linspace(0,2*pi); >> y=cos(x);>> plot(x,y)b)线形为点划线、颜色为红色、数据点标记为加号；解：>>hold on;>>plot(x,y,'r-.+')c)加网格线解：>>grid ond)标注控制：x 、y坐标轴名称和标题“y=cos(t)”；解：>>xlabel(‘x’);>> ylabel('y');>> title('y=cos(x)')xy3. 常用拉氏变换和反变换的命令F=laplace(f)：f(t)的拉氏变换，结果为F(s)，默认变量为s ； f=ilaplace(F) ：F(s)的拉氏反变换，结果为f(t)，变量为t ；例1-1试求函数(t)Asin(wt b)f =+的拉氏变换式，并用拉氏反变换观察变换结果。

自动控制原理实验指导书自动控制原理实验指导书实验一控制系统典型环节的模拟及一阶系统的特性分析第一部分：典型环节的模拟一、实验目的1、熟悉超低频扫描示波器的使用方法2、掌握用运放组成控制系统典型环节的电子模拟电路3、测量典型环节的阶跃响应曲线4、通过本实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响二、实验仪器1、控制理论模拟实验箱一台2、超低频慢扫描示波器一台3、万用表一只三、实验原理以运算放大器为核心组件，由其不同的输入R-C 网络和反馈R-C 网络构成控制系统的各种典型环节。

各典型环节的模拟电路及结构图如下： 1.比例环节1.1比例环节电路图：G （S ）＝-K其中K ＝R2／R11.2比例环节结构图：2. 惯性环节2.1惯性环节电路图： G(S)＝1KTs -+ K ＝R 2／R 1 T ＝R 2C2.2惯性环节结构图：图1－1图1－2图1－3图1－43积分环节3.1积分环节电路图G(S)=1TST=R 1C图1－5 积分环节电路图3.2积分环节结构图图1－64微分环节4.1微分环节电路图图1－74.2微分环节结构图图1－85. 比例微分环节5.1比例微分环节电路图：图1－9比例微分环节电路图根据以上环节得：G(S)=31221[()1]1R R R Cs R R Cs +++ 此时：R 1C=51K×1u=0.051<<1故1R Cs 项可忽略不计,得传递函数为:G(S)=3122[()1]R R R Cs R ++ 5.2比例微分环节结构图图1－10其中:K=R3/R2 T=R1+R2 四、实验内容1、在模拟实验箱连线实现下列典型环节，观察并记录它们的阶跃响应波形。

1）比例环节 2）积分环节 3）微分环节 4）惯性环节 5) 比例微分环节五、实验报告要求1、画出五种典型环节的实验电路图，并注明参数。

2、测量并记录各种典型环节的单位阶跃响应，并注明时间坐标轴。

第二部分：一阶系统的特性分析一、实验目的K(TS+1)1、观察一阶系统在阶跃和斜坡输入信号作用下的瞬态响应。

自动控制原理实验实验一典型环节的模拟研究1.各典型环节的方块图及传函2.各典型环节的模拟电路图及输入响应，其中，3.实验内容及步骤（1）观测比例，积分,比例积分,比例微分和惯性环节的阶响应曲线①准备：使运放处于工作状态。

将信号源单元（U1SG）的ST端（插针）与+5V端（插针）用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管（3DJ6）夹断，这时运放处于工作状态。

②阶路信号的产生：电路可采用图1-1所示电路，它由“单脉冲单元”（U13SP）及“电位器单元”（U14 P）组成。

图1-1具体线路形成：在U13单元中，将H1与+5V插针用“短路块”短接，H2插针用排线接至U14P单元的X插针；在U14P单元中，将Z插针和GND插针用“短路块”短接，最后由插座的Y端输出信号。

以后实验若再用到阶跃信号时，方法同上，不再述。

实验步骤①按2中的各典型环节的模拟电路图将线接好（先按比例）。

（PID先不接）②将模拟电路输入端（U1）与阶跃信号的输出端Y相联接；模拟电路的输出端（U0）接至示波器。

③按下按钮（或松开按钮）H时，用示波器观测输出端的实际响应曲线U0（t），且将结果记下。

改变比例参数，重新观测结果。

④同理得出积分、比例积分、比例微分和惯性环节的实际响应曲线，它们的理想曲线和实际响应曲线见表1-1。

表1-1续表1-1=（2）观察PID环节的响应曲线实验步骤：①此时U1采用U1，SG单元的周期性方波信号（U1单元的ST的插针改为与S插针用“短路块”短接，S11波段开关置于“阶跃信号”档，“OUT”端的输出电压即为阶跃信号电压，信号周期由波段开关S12和电位器W11调节，信号幅值由电位器W12调节。

以信号幅值小\信号周期较长为比较适宜）。

②参照2中的PID模拟电路图，将PID环节搭接好。

③将①中产生的周期性方波信号加到PID环节的输入端（U1），用示波器观测PID输出端（U0），改变电路参数，重新观察并记录。

实验二典型系统瞬态响应和稳定性1.典型二阶系统①典型二阶系统的方块图及传函图2-1图是典型二阶系统原理方块图，其中T0=1S，T1=0.1S,K1分别为10、5、2.5、1。

自动控制原理实验指导书1自动控制原理实验指导书信息工程学院自动化教研室《自动控制原理》实验指导书目录目录...................................................... 错误！未定义书签。

第一章虚拟示波器........................................... 错误！未定义书签。

第一节虚拟示波器的类型 ................................. 错误！未定义书签。

第二节虚拟示波器的使用 ................................. 错误！未定义书签。

第二章自动控制原理实验 ..................................... 错误！未定义书签。

实验一典型环节的模拟研究 ............................... 错误！未定义书签。

实验二典型二阶系统瞬态响应和稳定性 ..................................... 12 实验三控制系统的频率特性 ............................................... 15 实验四系统校正 ...................................................... ... 20 实验五典型非线性环节 (24)附录一 LCAACT集成调试环境 (31)第一节 LCAACT软件界面介绍 .............................................. 31 第二节第二节 88串行监控命令 ........................................... 43 第三节LCAACT软件调试 (46)第四节快速入门 ...................................................... (48)- 1 -《自动控制原理》实验指导书第一章虚拟示波器第一节虚拟示波器的类型虚拟示波器的类型为了满足自动控制不同实验的要求我们提供了示波器的三种使用方法。

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。

3、了解参数变化对典型环节动态特性的影响，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。

二、实验内容各典型环节的模拟电路及结构图如下：图1-1-1 比例环节电路图图1-2-1 惯性环节电路图图1-1-2 比例环节结构图2-2 惯性环节结构图图1-3-1 积分环节电路图图1-4-1 微分环节电路图图1-3-2 积分环节结构图图1-4-2 微分环节结构图三、实验步聚1、 将输入端ui 与数据通道接口板上的DAO 连接、输出端uo 与实验平台信号引出区的INO 孔连接。

（若无特别声明，其它实验中涉及运放电路板及ui 及uo 均按此连线，不再赘述）。

2、 启动计算机，运行“系统设置”菜单，选择串口。

（若无特别声明，其它实验中均同此，不再赘述。

如不选择，则设为默认值，选择COM1通讯端口）3、 打开“自动控制原理实验系统”，打开“实验选择”菜单，选择“典型环节及其阶跃响应”实验。

4、 选择“参数设置”命令，设置采样周期，采样点数和设定电压。

5、 选择“运行观测”命令，观察阶跃响应曲线，改变模拟电路参数后，再重新观察阶跃响应曲线的变化。

6、 为了更好的观察曲线，再“参数设置”命令中，设置“曲线放大”倍数，“运行观测”。

7、 记录波形及数据（保存结果、打印图象）。

8、 连接其它模拟电路，重复步骤3、4、5、6注：打印图像只有在曲线放大为“1”时打印（其它实验相同）四、实验报告1、 画出惯性环节、积分环节、比例微分环节的电路图和所记录的响应曲线。

2、 由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与值比较。

图1-5-1 比例微分环节电路图传递函数为：G(s) = (R3/R2) ((R1+R2)CS+1)图1-5-2 比例微分环节结构图实验二二阶系统阶跃响应一、实验目的1、研究二阶系统的阻尼比ξ和无阻尼自然频率ω对系统动态性能的影响。

注意事项一、自控原理实验室要求：1、上课器件须服从教师统一管理，对应学号入座。

2、实验器件，不准无辜旷课、迟到、早退，私自调换实验时间。

33、实验室内严禁吸烟、随地吐痰、乱扔废纸、带食物入内、带茶水入内的统一放置，不允许放在实验台上。

4、开始做实验后，应首先检查各台设备完好情况，如有问题，马上报告。

实验时不得带电接线，使用面板仪表时，正确选择量程。

实验期间不得随意走动、大声喧哗。

实验过程中不得对设备进行恶性操作。

5、如实填写实验记录本，实验完成后交予知道教师签字。

6、不允许私自在实验室电脑上使用U盘。

7、实验结束后，务必要切断电源，整理工作台，收拾面板及导线，凳子放回原处。

垃圾带出实验室。

二、自控实验要求1、实验前必须认真预习，凭实验预习报告做实验。

预习中明确实验目的，熟悉其原理，方法及步骤，认真完成预习思考题，了解仪器仪表的使用方法等。

预习报告须包括的内容有：实验目的，实验原理及原理图、实验仪器、实验步骤等。

2、认真测量与记录各项实验数据，数据用签字笔填写在原始数据记录纸上，曲线画在坐标纸上。

注意画图时要画好坐标，注明相应的名称、单位及相应参数。

3、实验结束后，应检查实验数据及曲线是否与理论值接近，如果相差太大应分析其原因，实验结果经老师检查无误后方可拆线，整理好实验器材后才能离开实验室。

4、认真及时完成实验报告。

实验报告在下一次实验时上交。

实验报告采用规定的报告纸填写，一般应包含以下几项：（1）实验目的（2）实验设备（3）实验原理及原理图（4）实验内容和步骤（5）实验数据与分析（6）实验结论、误差分析及心得体会（7）思考题实验报告处理须按以上要求完成，尤其是实验失败的学生务必客观阐述实验过程及实验现象，分析实验失败原因。

实验中出现波折的也务必写明遇到的问题及如何解决。

控制理论实验实验一 典型环节的电路模拟一、实验目的1．熟悉THBDC-1型 控制理论·计算机控制技术实验平台及“THBDC-1”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。