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自动控制原理实验报告

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1 自动控制原理 实验报告

2

实验一 典型系统的时域响应和稳定性分析 ................................................................................. 3 一、 实验目的 ........................................................................................................................ 3 二、 实验原理及内容 ............................................................................................................ 3 三、 实验现象分析 .................................................................................................................. 5 方法一：matlab程序 ......................................................................................................... 5 方法二：multism仿真 .................................................................................................... 13 方法三：simulink仿真.................................................................................................... 18 实验二 线性系统的根轨迹分析 .................................................................................................. 22 一、确定图3系统的根轨迹的全部特征点和特征线，并绘出根轨迹 ............................... 22 二、根据根轨迹图分析系统的闭环稳定性 ........................................................................... 23 三、如何通过改造根轨迹来改善系统的品质？ ................................................................... 26 实验三 线性系统的频率响应分析............................................................................................... 34 一、绘制图1. 图3系统的奈氏图和伯德图 ......................................................................... 34 二、分别根据奈氏图和伯德图分析系统的稳定性 ............................................................... 38 三、在图4中，任取一可使系统稳定的R值，通过实验法得到对应的伯德图，并据此导出系统的传递函数 .................................................................................................................. 39 实验四、磁盘驱动器的读取控制 .................................................................................................. 42 一、实验原理 .......................................................................................................................... 42 二、实验内容及步骤 .............................................................................................................. 42 （一）系统的阶跃响应................................................................................................... 42 （二) 系统动态响应、稳态误差以及扰动能力讨论 ................................................... 46 1、动态响应 .................................................................................................................... 47 2、稳态误差和扰动能力................................................................................................. 49 （三）引入速度传感器................................................................................................... 52 1. 未加速度传感器时系统性能分析 .............................................................................. 52 2、加入速度传感器后的系统性能分析 ......................................................................... 60 五、实验总结 .................................................................................................................................. 65 3

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、 实验原理及内容

1．典型的二阶系统稳定性分析 (1) 结构框图：见图1

T S+1R(S)C(S)K1+_T S110E(S)

图1 (2) 对应的模拟电路图

r(t) _200K200K_R200K－C(t)_500K2uF

1uF

200K_10K10KC (t)输出测量端

输出输入

图2 (3) 理论分析

导出系统开环传递函数，开环增益01TKK。 (4) 实验内容 4

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(图2)，

s1T0， sT2.01，R200K1 R200K

系统闭环传递函数为：KSSKSSSWnnn5552)(2222 其中自然振荡角频率：R1010TK1n；阻尼比：40R1025n 2．典型的三阶系统稳定性分析 (1) 结构框图

T S+1R(S)K2+_T S120E(S)T S+1C(S)K11

图3 (2) 模拟电路图

r(t) _200K200K_

R

100K

C(t)_100K1uF1uF200K_10K10K测量端输入_500K2uF

输出500K

图4 (3) 理论分析

系统的开环传函为:)1S5.0)(1S1.0(SR500)S(H)S(G(其中R500K)， 系统的特征方程为:0K20S20S12S0)S(H)S(G123。 (4) 实验内容 5

从Routh判据出发，为了保证系统稳定，K和R如何取值，可使系统稳定，系统临界稳定，系统不稳定 由Routh判断得，Routh行列式为： S3 1 20 S2 12 20K S1 (-5K/3)+20 0 S0 20K 0

为了保证系统稳定，第一列各值应为正数，所以有 0K20020K35 得： 0 < K < 12  R > 41.7KΩ 系统稳定; K = 12  R = 41.7KΩ 系统临界稳定; K > 12  R < 41.7KΩ 系统不稳定;

三、实验现象分析 方法一：matlab程序 1．典型二阶系统瞬态性能指标 表1

参数 项目 R (KΩ) K ωn ξ C (tp) C (∞)

Mp (%) tp (s) ts (s) 阶跃 响应 情况

理 论 值 测 量 值 理 论 值 测 量 值 理 论 值 测

量 值

0

欠阻尼 10 20 10 0.25 1.4443 1 44.43 0.444 0.3245 0.32 1.6000 1.41 衰减振荡 50 4 4.4721 0.5590 1.1203 1 12.03 0.12 0.8472 0.85 1.60

00 1.31

ξ＝1

临界 阻尼 160 1.2500 2.5000 1 1 1 0 无穷 1.9000 2.33 单调指数 ξ> 1 过阻尼 200 1 2.2361 1.1180 1.7374 + 0.67551 0.7374 + 0.6755i - 2.8099i 2.6000 3.18 单调

指数

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《自动控制原理》典型环节的时域响应实验报告

《自动控制原理》典型环节的时域响应实验报告

Td脉冲函数，脉冲宽度为零，幅值为无穷大，在实际中是得不到的。
(4)模拟电路图：如图1.1-10所示。
图1.1-10
6.比例积分微分环节(PID)
(1)方框图：如图1.1-11所示。
图1.1-11
(2)传递函数：0(()) =+ 1+
(3)阶跃响应：() =+ 1+()，
其中=01,=01，=1220，()为单位脉冲函数。
(4)模拟电路图：如图1.1-12所示。
图1.1-12
三、主要仪器设备
计算机1台，MATLAB软件
四、操作方法与实验步骤
1、在Simulink中分别按照各典型环节的框图构建各环节，观察仿真波形，对于同一个典型环节：改变s的系数，比较仿真波形，分析波形特点；对于不同的典型环节：对比s具有相同系数时的仿真波形。
4、了解参数变化对典型环节动态特性的影响，掌握各典型环节的工作特点。
二、实验内容和原理
典型环节分别有比例、积分、微分、惯性、比例积分、比例微分、比例积分微分等环节，在不同输入信号下将会有不同的输出响应，呈现出不同的工作特点，其方框图、传递函数、模拟电路等如下所示：
1、比例环节(P)
(1)方框图：如图1.1-1所示。
2、检查搭接电路，确保电路无误；将信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。由于每个运放单元均设置了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。开启设备电源；将开关设在“方波”档，分别调节调幅和调频旋钮，使得“OUT”端输出的方波幅值为1V，周期为10s左右。
3、将调整好的方波信号（替代阶跃信号）加至典型环节的输入端Ui，用示波器的“CH1”和“CH2”分别测量模拟电路的输入Ui端和输出U0端，观测输出端的实际响应曲线U0(t)，记录实验波形及结果。
《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(一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试等三个实验)

自动控制原理实验报告(一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试等三个实验)

自动控制原理实验报告作者姓名学科专业机械工程及自动化班级学号X X年10月27日实验一一、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、一阶系统阶跃响应性能指标的测试系统的传递函数为:()s()1C s KR s Ts φ=+（）=模拟运算电路如下图:其中21R K R =,2T R C =;在实验中，始终保持21,R R =即1K =，通过调节2R 和C 的不同取值，使得T 的值分别为0.25,0.5,1。

记录实验数据，测量过度过程的性能指标，其中按照经验公式取3s t T=2、二阶系统阶跃响应性能指标的测试系统传递函数为：令ωn=1弧度/秒，则系统结构如下图：二阶系统的模拟电路图如下：在实验过程中，取22321,1R C R C ==，则442312R R C R ζ==，即4212R C ζ=；在实验当中取123121,1R R R M C C F μ===Ω==，通过调整4R 取不同的值，使得ζ分别为0.25,0.5,1；记录所测得的实验数据以及其性能指标，其中经验公式为3.5%100%,s net σζω=⨯=.四、试验设备：1、HHMN-1型电子模拟机一台。

2、PC机一台。

3、数字万用表一块。

4、导线若干。

五、实验步骤：1、熟悉电子模拟机的使用，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/A输出端与系统输入端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)。

实验报告-自动控制原理

实验报告-自动控制原理

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〖分析பைடு நூலகம்：______________________________________________________________________
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说明：特征参数为比例增益K和微分时间常数T。
1)R2=R1=100KΩ, C2=0.01µF，C1=1µF；特征参数实际值：K=______，T=________。
波形如下所示：
2)R2=R1=100KΩ, C2=0.01µF，C1=0.1µF；特征参数实际值：K= 1，T=0.01。
波形如下所示：
四、实验心得体会
实验报告
班级
姓名
学号
所属课程
《自动控制原理》
课时
2
实践环节
实验3控制系统的稳定性分析
地点
实字4#318
所需设备
电脑、工具箱
一、实验目的
1.观察系统的不稳定现象。
2.研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响
3.学习用MATLAB仿真软件对实验内容中的电路进行仿真。
2、实验步骤
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