自控原理实验(平台课)
实验一 控制系统的初步认识
过程控制CS4000系统介绍
过程控制是针对工业生产过程中液位、流量、温度、压力等参数的控制。 一、
CS4000系统组成 1、 双管路流量系统
系统包括两个独立的水路动力系统，一路由
水泵、电动调节阀、电磁流量计组成（主管路），
由电动调节阀调节流量，电磁流量计检测流量；
另一路由变频器、水泵、涡轮流量计组成（副管路），由变频器调节流量，涡轮流量计检测流量。如右图：
双管路流量系统可以完成多种方式下的流量控制实验：a.单回路流量控制实验b.流量比值控制实验
2、 四容水箱液位系统
系统提供一组有机玻璃四容水箱，每个水箱装有
液位变送器；通过阀门切换，任何两组动力的水流可以到达任何一个水箱。因此系统可以完成多种方式下的液位、流量及其组合实验。如右图：
3、 热水箱-纯滞后水箱温度系统
系统提供了一个加热水箱和一个温度纯滞后水箱，加热水箱及纯滞后水箱不同时间常数位置装有Pt100热电阻检测温度，由可控硅控制电加热管提供可调热源，系统可以完成多种温度实验
二、 执行机构
1、可控硅移相调压装置
通过4-20mA 电流控制信号控制单相220V 交流电源在0-220V 之间实现连续变化，从而调节电加热管的功率。
2、调节阀 电动调节阀
电动调节阀通过改变管路的流通面积来改变控制通过的流量，由电动执行机构和调节阀两部分组成。调节阀部分主要由阀杆、阀体、阀芯、及阀座等部件组成。当阀芯在阀体内上
下移动时，可改变阀芯阀座间的流通面积。
电动执行机构一般采用随动系统的方案组成，如上图所示。从调节器来的信号通过伺服放大器驱动电动机，经减速器带动调节阀，同时经位置发生器将阀杆行程反馈给伺服放大器，组成位置随动系统。依靠位置负反馈，保证输入信号准确地转换为阀杆的行程。
为了简单，电动执行器中常使用两位式放大器和交流鼠笼式电机组成交流继电器式随动系统。执行器中的电机常处于频繁的启动制动过程中，在调节器输出过载或其他原因使阀卡住时，电机还可能长期处于堵转状态。为了保证电机在这种情况下不至因过热而烧毁，电动执行器都使用专门的异步电机，以增大转子电阻的办法，减小启动电流，增加启动力矩，使电机在长期堵转时温升也不超出允许范围。这样做虽使电机效率降低，但大大提高了执行器的工作可靠性。
三、检测机构
1、扩散硅式压力传感器
2、涡轮流量计
3、电磁流量计
4、Pt100热电阻温度传感器
四、控制系统
1、智能调节仪控制系统
智能调节仪型号为上海万迅仪表有限公司AI818A，系统中有两块AI818A，以便可以实现串级等复杂控制。AI818A与电脑通过串口通讯。上位机软件采用MCGS。AI818A 与MCGS的使用参照相关手册。
2、DDC计算机直接控制系统
采用集智达R-8000系列RemoDAQ- R-8017模拟量输入模块, RemoDAQ-R-8024模拟量输出模块。与电脑串口通讯。上位机DDC实验软件是厂家面向过程控制实验特点，结合本过程控制实验对象，开发的一套DDC实验软件。运行电脑桌面的“中控教仪过程控制实验软件”图标即可打开实验软件。实验内容参照相应的实验指导书。
3、PLC可编程控制器控制系统
采用西门子s7-300PLC，电脑上安装了一块CP5621西门子通讯卡（PCI-E插槽），通讯线将卡接口连到PLC的cpu的MPI端口，实现通讯。PLC中运行的程序采用西门子STEP7设计并下载到PLC中、上位机程序采用西门子Wincc设计，存放在电脑C盘基础性/总线型目录的PLC子目录下，运行电脑桌面的WINCC图标可打开该实验软件，再参照相应的实验指导书完成实验。
4、C3000过程控制器
C3000 是国产的一种采用32 位微处理器和5.6 英寸TFT彩色液晶显示屏的可编程多回路控制器。C3000 过程控制器主要有控制、记录、分析等功能。可通过串口、以太网和CF卡实现与上位机的数据交换。本装置中采用串口与上位机通讯。C3000内部有3个程序控制模块、4 个单回路PID控制模块、6 个ON/OFF 控制模块，可实现串级、分程、三冲量、比值控制及用户定制等多种复杂的控制方案。
倒立摆系统
一、基本原理介绍
倒立摆系统是一个非线性复杂的自然不稳定系统, 是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。许多抽象的控制概念，如控制系统的非线性问题、稳定性问题、鲁棒性问题、可控性问题、镇定问题、随动问题、跟踪问题、以及系统收敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆系统直观的表现出来。除教学用途外，倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合等特性使得许多现代控制理论的研究人员一直将它视为研究对象。他们不断从研究倒立摆控制方法中发掘出新的控制方法，并将其应用于军工、航天科技和机器人学等各种高新科技领域。
倒立摆系统按摆杆数量的不同，可以分成一级、二级、三级倒立摆等，多级摆的摆杆之间属于自由连接（即无电机或其它驱动设备），控制系非线性与复杂系统实验室提供实验的倒立摆系统包括英国Feedback设备有限公司的一级倒立摆系统（如图1所示）和固高科技有限公司二级倒立摆系统（如图2所示）。
图1 Feedback一级倒立摆实物图与结构示意图
图2 固高二级倒立摆实物图与结构示意图
二、控制方法
倒立摆系统的输入为小车位移（即位置）和摆杆倾斜角度期望值，计算机在每一个采样周期中采集来自于传感器的小车与摆杆实际位置信号，与期望值进行比较后，通过一种控制算法得到控制量，再经数/模转换驱动直流电机实现倒立摆系统的实时控制。控制问题就是使摆杆尽快地达到平衡位置，小车跟踪给定的位置输入，并且系统能克服随机扰动而保持稳定。其控制结构如图3所示。二级倒立摆因为由两根摆杆自由连接，因此需要同时分别采集两根摆杆的实时倾角。
倒立摆
小车位移
X1
X2
摆杆角度
图3
倒立摆的控制原理和结构示意图
由控制效果的不同，又可以分为：起重机（CRANE ）模式，此模式的控制目标是使小车跟踪给定的位置输入，同时摆杆保持竖直向下的状态；摆动（Swing-Up ）模式，此模式的控制目标是使小车跟踪给定的位置输入，而使摆杆在摆动区域内等频率的摆动；自垂直（Self-erecting ）模式，此模式是用的最多的一种倒立摆控制模式，其控制目标是使小车跟踪给定的位置输入，而使摆杆始终保持在竖直向上状态。
倒立摆系统适用的课程包括自动控制原理、现代控制理论，现代控制工程、线性控制系统、非线性控制系统、计算机控制系统、智能控制，模糊控制和神经网络控制等等。
对于倒立摆的研究主要集中在两个方面：
1、倒立摆系统稳定及特定位置的定位问题研究。
（1）状态反馈H ∞控制方法：如极点配置调节器的方法、LQR 最优调节器的方法和LQY 最优调节器的方法等；
（2）智能控制理论的方法：如模糊控制理论方法、神经网络控制理论方法、模糊控制与神经网络控制相结合的控制方法、神经网络与遗传算法结合的控制方法、拟人智能控制的方法、云模型控制方法等；
（3）鲁棒控制方法：如鲁棒LQ 最优控制方法等。 2、倒立摆自动起摆问题研究。 针对于倒立摆系统通常可设计以下实验：
1、系统建模与辨识：常用建模方法有牛顿-欧拉方法、拉格朗日方法以及常用辨识方法有神经元网络辨识等；
2、控制器设计：包括PID 控制器、根轨迹法控制器和频域响应法控制器等；
3、最优控制器设计：如LQR 和LQY 状态反馈控制器。
三、评价方式
由于倒立摆本身包含有较强的非线性和不稳定性，因此对于倒立摆的控制是十分复杂的，一般衡量倒立摆系统的性能主要以稳态性能为主，即使得倒立摆摆杆稳定在垂直位置状态下的稳定性和抗扰动能力。而主要的衡量指标为摆杆的倾斜角度和小车的位移量。对于倒立摆的动态性（即倒立摆自动起摆问题）的研究，是倒立摆系统研究更高层次。
智能移动机器人系统
一、 基本原理
智能移动机器人系统是一类典型的非线性复杂控制系统。移动机器人的研究根据数量的不同分成单机器人控制技术和多机器人群集控制技术。根据使用环境的不同可以分为室内型移动机器人和室外性移动机器人。移动机器人技术在某种程度上已经代表当今信息技术、自动化技术、系统集成等技术的最新发展。
控制系非线性与复杂系统实验室从美国ActivMedia 公司引进6台PioneerII 系列智能移动机
器人，其中包括4台PXe 室内型机器人与At 室外型机器人（如图1所示）。
DXe 系列室内机器人与At 系列室外机器人由于其使用范围的区别，在结构存在很大的不同，首先，室内机器人在拥有良好的场地条件，因此室内机器人采用两个前驱动轮和单个自由转动的后轮的设计，而室外机器人由于受到地形的限制，则采用四轮驱动的设计，提高机器人稳定性减小轮胎打滑影响；第二，室内机器人由于环境空间有限，因此可以通过激光传感器实现环境建模、自定位和目标的精确探测，而室外机器人处于非结构化环境中且环境空间理论上为无穷大，因此室外型机器人没有配置激光传感器；第三，室外机器人配置了全球定为系统GPS ，室内机器人没有。
全球定位系统GPS
无线数字天线
驱动轮
单目视觉
声纳环
机器人主机/微控制器/数字光码盘
图1
Pioneer II 系列智能移动机器人
二、 控制方法
Pioneer 系列移动机器人基本控制原理如图2所示，机器人主体（上位机/Server ）通过无线局域网与PC 机（下位机/Client ）之间传递数据，形成一个封闭的信息流；此外机器人本身PC 机与机器人的嵌入式控制平台之间直接形成一个控制闭环对机器人直接控制，使机器人本身具有一定的“智能”。
图2
机器人控制结构图
智能移动机器人的控制综合了多门学科，其中单机器人的研究集中在机器人的智能化和拟人化开发，主要的控制技术包括：无线通信技术、仿人智能控制、运动控制技术、传感器技术、
DXe 型室内机器人
At 型室外器人
机器视觉技术、多传感器信息融合技术、模式识别技术等，其中室外型机器人的研究又包括GPS 研究、全距离信号传送研究和遥操作研究等；多机器人的研究则主要集中为多机器人的协调控制和群集控制，主要的控制技术包括：多机器人刚/柔性编队技术、多机器人无线通信技术、多智能体技术及其扩展的机器人足球和传感器网络技术等。
三、评价方式
智能移动机器人在不同的应用环境下的评价方式不同，一般而言基本评价方式包括：实时性和准确性，对机器人控制常常采用C-S模式，因此下位PC机与机器人之间往往通过无线网络进行通讯，所以机器人控制的实时性常常无法满足，提高实时性的方法通常由预测控制算法。而在多机器人控制或群集控制系统中，除了机器人之间通讯的实时性外，多机器人系统的稳定性和容错能力对整个系统的性能影响更大。
双选翼多输入多输出系统
双旋翼多输入多输出系统（Twin Rotor Multi-input Multi-output System，简称TRMS或双旋翼系统）是一种从英国的Feedback公司引进的控制实验设备。TRMS是一个运动方式类似于直升机的系统，对它的控制研究有助于对直升机空中姿态控制系统的设计。它还将控制理论的相关学科：数学、力学、计算机等有机地结合在一起，为我们提供了一个理论与应用相结合的典型实例。该系统具有一定交叉耦合、高阶非线性等特性，通过对该系统的建模、设计和仿真可以加深对控制理论和技术在非线性复杂控制系统中的应用和研究。
1 TRMS系统简介
TRMS是为复杂控制实验设计的系统。它的运动方式类似于直升飞机空中姿态的定位。TRMS主要构成部件是底座、支撑杆、两个旋翼（主旋翼和尾旋翼）、横梁、平衡锤、位置传感器、旋翼的直流电机和测速电机、电源控制开关盒以及用三条带状数据线连接的带PCL-812PG 接口卡的PC机等。实验装置的示意图如图1所示。
图1 实验装置示意图
横梁的支点处安装了曲轴，这样横梁就可以在水平和垂直面自由旋转。横梁的支点处安装了位置传感器，用来测量横梁的位置。在横梁的两端安装了旋翼，两个旋翼都带有直流电机和测速电机，直流电机用来驱动旋翼旋转，测速电机用来测量旋翼的角速度。尾端带有重物的平衡锤臂被固定在横梁的曲轴处。
2 TRMS控制方法
对TRMS的控制过程可描述为：用传感器测量TRMS的输出信号，即横梁的位置，经过A/D 转换后送入计算机，计算机根据事先设计的控制算法得出控制量并输出控制信号，经D/A转换，成为直流电机的输入电压，驱动旋翼旋转，电压值的改变引起旋翼转速的改变，从而改变旋翼周
围的空气动力，引起横梁位置的变化，继而使得横梁处于期望的位置。
TRMS可以用多种理论和方法来实现其控制，如PID、智能控制及其它一些非线性控制方法。
1）常规PID控制
PID控制是极其经典和普遍的控制方法，比例、积分、微分环节的综合作用使PID控制具有结构简单、物理意义明确、鲁棒性强及稳态无静差等优点。但是由于该系统的强交叉耦合性，使得控制响应不能满足高性能指标的要求。
2）解耦PID控制
解耦PID控制是对常规PID控制方法的加强，通过解耦控制可以将多输入多输出系统转变为多个单输入单输出系统，解决了系统的强交叉耦合所带来的控制难题，因此可以满足相对较高的控制指标。
3）智能控制
由于TRMS的复杂性，所以很难建立相应的数学模型，而一般情况下智能控制对模型的要求不是很严格。所以针对系统的复杂非线性特性采用智能控制相对优于其他的方法。
3 TRMS控制要求
除了满足单输入单输出系统的控制要求（如稳定性，抗干扰能力等）外，针对双旋翼多输入多输出系统，由于其非线性和耦合性，还要满足以下性能指标。
1）关联性
对于多变量耦合控制系统来说，总是要求闭环系统具有弱关联性，才能提高系统的控制指标。因此在系统设计时通常需要考虑系统相互之间的关联性，针对具体问题选择最简单有效的方法来减少闭环系统的关联性。
2）整体性
整体性是指闭环系统当中某些部件发生了故障，致使若干回路断开时仍保持稳定性的一种性能。由于部件故障源较多，各种故障模式的组合情况相当复杂，因此很难保证系统对所有故障情况都具有整体性，实际上也并无必要达到这种面面俱到的整体性。针对具体的控制问题，一般只需考虑最容易发生的部件故障，保证系统具有良好的整体性即可。
实验二 控制系统的电子模拟实验
一、 实验目的
1、 熟悉教学模拟机的工作原理及组成，掌握示波器的使用方法；
2、 掌握典型环节模拟电路的构成方法；
3、 观察和记录典型环节的阶跃响应，分析其动态性能；
4、 了解参数变化对典型环节动态性能的影响，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的
传递函数。
二、 实验仪器及设备
1、 labACT 教学模拟机
2、 数字示波器 三．实验内容及步骤
1、 首先关闭电源，进行各环节接线，并拔去不用的导线；
2、 闭合电源后，检查供电是否正常，分别将各运算放大器调零（时间不允许可以暂时不调），
并用示波器观察调整好信号源；
信号调整方法：用短路套短接S-ST ，使函数发生器（B5）产生的周期性矩形波信号（OUT ），该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。
1> 在显示与功能选择(D1)单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯
亮）；
2> 量程选择开关S2置上档，调节‘设定电位器’，使之矩形波宽度为1秒左右（D1
单元左边边显示）；
3> 调节B5单元的‘矩形波幅值’电位器，使矩形波输出电压＝1V （D1单元右边显
示）；
3、 断开电源，依次按图2-3（a~f ）所示典型环节的模拟电路接线，并将信号源连接到环节
的输入端，将示波器分别接到环节的输入、输出端观察记录得出的波形。
4、 经仔细检查，确认接线无误后，接通电源，按记录表给定的参数进行测试，观察记录节
约响应波形。 （1） 比例环节（a ）
（2） 积分环节（b ）
Rf
（3） 惯性环节（c ）
（4） 比例微分环节（d ）
（5） 比例积分环节（e ）
（6） 振荡环节（f ）
R C
180K
R使用元件库A11只读式可变电阻（0～999.9K）
四、实验报告要求
1、画出各个典型环节的模拟电路，求出其传递函数；
2、整理实验记录，说明各环节的参考变化对其输出响应的影响；
3、解释实验中出现的现象，将实验结果与理论结果进行比较分析。
五、思考题
1、实验中阶跃信号的幅值应如何考虑为宜？
2、积分环节和惯性环节的主要差别是什么？在什么条件下惯性环节可视为积分环节？能
否通过实验来验证？
3、如何通过实验测定惯性环节的时间常数？将测定的结果与理论值进行比较。
实验三系统的动态性能与稳态的研究（需要预习）
一、实验目的
1、掌握二阶系统性能指标的测试技术；
2、研究二阶系统的阻尼比ζ和无阻尼自振荡频率ω对系统动态性能的影响；
3、分析系统在不同输入信号作用下的稳态误差；
4、观察系统稳定和不稳定的运行状态，研究开环放大系数及时间常数对系统稳定性的
影响。
二、实验仪器及设备
3、labACT教学模拟机
4、数字示波器
三、实验内容及步骤
预习计算表格中的参数的理论值。
1、断开电源，按图3-1的模拟电路组成二阶系统。
图1 二阶系统模拟电路
2、检查连线，确诊无误后闭合电源，按以下步骤进行实验记录。
1>使K3=10（第三级放大器的放大系数），并保持输入矩形波幅值不变，依下表所列的变化值逐次改变（α＝R/100K），记录表内所列各项数据（见下表）
2>使K3=10，α=0.33，记录数据并根据数据画出系统的阶跃响应曲线
3. 断开电源依次按图所示的模拟电路组成0型，I型系统，按实验内容进行实验观察R 变化情况下的稳态误差变化。（R≥100K?）
0型系统
I型系统
5. 改变0型和I型系统的放大系数（即改变电位器的衰减系数的值，R值），观察系统在方形信号和斜坡输入时的稳态误差有何变化，并记录于下表。
?实验报告要求：
?1>认真整理实验数据，记录实验曲线和实验现象
?2>将实验结果与理论分析结果进行比较，分析产生误差的原因
?3>分析二阶系统的ζ和ωn对稳态误差的影响
?4>分析系统的结构和参数对稳态误差的影响
?5>讨论实验中出现的有关现象
?6>提出实验中出现的问题，体会和建议。
‘
实验四频率特性法的计算机研究
一.实验目的
?学习应用计算机绘制系统的频率特性图（Bode图和Nyqiust图）的方法；
?通过频率特性图分析系统的性能，熟悉频率特性图在设计中的应用；
?了解系统参数的变化对系统特性的影响。
二.实验设备
计算机一套
三、频率法实验步骤
?运行Matlab 7.1；
?在命令框中输入rltool；
?File —>Import —>编辑一下G、H、F、C则OK按钮可用，单击OK；
?在菜单中compensators —> edit C —>Format 选Zero/Pole Location —>编辑Gain、Zeros和Poles；
?在菜单中View选中Open Loop Bode，则显示Bode图；
?在菜单中Analysis下选Open Loop Nyquist，则显示整个奈氏曲线。选Response to Step Command则显示单位阶跃响应曲线。选Rejection of Step Disturbance 则显示单位阶跃输入的误差变化情况。
三、频率法实验内容
?考察最小相位系统幅相曲线与Bode图的特点：
?幅相曲线起点与积分环节个数的关系、终点与分子分母阶次数的关系。
?Bode图中对数幅频与对数相频变化的关系。
?考察非最小相位系统以上关系是否成立。
?检查作业题。
?记录实验结果，包括实验中用到的开环传递函数和对应的频率特性。
实验五 PID的参数调整
一、实验的目的、意义
PID调节器是反馈控制系统中最重要单元。在控制系统组成后，唯一的是可通过整定调节器参数Kp、Ti和Td来改善系统动态过程的品质。通过实验加深对Kp、Ti和Td物理意义的理解，以及改变这些参数对调节器输出特性的影响。
二、实验要求
在Matlab的Simulink环境下，对给定的被控对象进行PID参数的整定。掌握调节器结构和工作原理，熟悉PID参数整定的经验公式以及微调方法，确定Kp、Ti和Td以保证系统超调量小于10％的前提下，调节时间尽量缩短。
三、实验内容
按照实验指导书上仿真对象只做每组的第一题（每个学生以自己学号尾数作为选题组号。）四、实验步骤
1、准备建模
运行Matlab 。
File—>New —>model
view —>Library Browser
要用到的环节包括：
输入信号选择Simulink —> Source —> Step单位阶跃信号。
Simulink —>Math Operations —>sum和Gain。注意负反馈在Sum中应使用负号。
Simulink —>Continuous—>Integrator积分器，Derivative微分器和Transfer Fcn传函。
输出选择Simulink —> Sinks —> Scope。
2、建立模型
注意负反馈在Sum中应使用负号。
PID控制器不使用Simulink自带的，因为Simulink自带的PID控制器传函是P+I/s+Ds，三参数跟设计中使用的参数不同。所设计的PID控制器传函是K p(1+ 1/ T i s+T d s)。
因此利用Integrator积分器和Derivative微分器自己搭建PID控制器。
3、临界增益法
编辑Transfer Fcn。根据需要，可以将被控对象传函分解为多个的串联。Numerator分子和Denominator分母输入的是多项式形式的系数。例如[1 2 3]表示s2+2s+3。
编辑PID controller的Proportional比例、Integral积分、Derivative微分系数。开始时，设置积分1/Ti、微分系数Td为0。
设置仿真参数（也可以不设置，使用缺省参数）：Simulation —>configuration parameters —>stop time —>100，initial step size 可用auto。但可设置Max step size为0.001，
以免出现报警告信息。
调整比例系数Kp ，双击Scope ， Simulation —>run 观察Scope 曲线；反复调整比例系数Kp ，使得响应曲线出现等幅震荡。记下此时的比例系数Kps 和振荡周期Ts 。查表5-2获得PID 控制器的参数。 4、微调
将查表5-2获得的PID 控制器参数输入所建立的模型的各个Gain 。最好采用PID 全控制，因为仅采用比例作用容易有稳态误差存在。加入积分作用可消除稳态误差，而加入微分作用可以通过微调满足系统的动态性能。
运行该系统，得到的响应曲线超调量不符合实验要求。
根据PID 控制器的参数与系统性能之间的关系，利用积分作用改善稳态性能，利用微分作用改善动态性能。为了减小超调量，可以适当增大微分作用而减小积分作用。在减小超调量的同时，调整时间也会降低。
记录实验结果，包括所用的传递函数和得到的PID 控制参数，分析参数对控制系统性能的影响。 1、122()(1)(1)G s s s s =
+++， 2、12
1
()(0.81)(1)G s s s s =+++， 3、122()(1)(0.81)G s s s s =
+++， 4、1
22
()(1)( 1.21)
G s s s s =+++， 5、122()(1.21)(1)G s s s s =
+++， 6、12
2
()(21)(1)G s s s s =+++， 7、122()(1)(21)G s s s s =
+++， 8、1
22
()(0.61)( 1.21)
G s s s s =+++， 9、122()(51)(1)G s s s s =
+++， 10、12
2
()(41)(0.751)
G s s s s =+++，
自动控制原理实验
自动控制原理实验 实验报告 实验三闭环电压控制系统研究 学号姓名 时间2014年10月21日 评定成绩审阅教师
实验三闭环电压控制系统研究 一、实验目的： （1）通过实例展示，认识自动控制系统的组成、功能及自动控制原理课程所要解决的问题。 （2）会正确实现闭环负反馈。 （3）通过开、闭环实验数据说明闭环控制效果。 二、预习与回答： （1）在实际控制系统调试时，如何正确实现负反馈闭环？ 答：负反馈闭环，不是单纯的加减问题，它是通过增量法实现的，具体如下： 1.系统开环； 2.输入一个增或减的变化量； 3.相应的，反馈变化量会有增减； 4.若增大，也增大，则需用减法器； 5.若增大，减小，则需用加法器，即。 （2）你认为表格中加1KΩ载后，开环的电压值与闭环的电压值，哪个更接近2V？ 答：闭环更接近。因为在开环系统下出现扰动时，系统前部分不会产生变化。故而系统不具有调节能力，对扰动的反应很大，也就会与2V相去甚远。 但在闭环系统下出现扰动时，由于有反馈的存在，扰动产生的影响会被反馈到输入端，系统就从输入部分产生了调整，经过调整后的电压值会与2V相差更小些。 因此，闭环的电压值更接近2V。 （3）学自动控制原理课程，在控制系统设计中主要设计哪一部份？ 答：应当是系统的整体框架及误差调节部分。对于一个系统，功能部分是“被控对象”部分，这部分可由对应专业设计，反馈部分大多是传感器，因此可由传感器的专业设计，而自控原理关注的是系统整体的稳定性，因此，控制系统设计中心就要集中在整个系统的协调和误差调节环节。 二、实验原理： （1）利用各种实际物理装置（如电子装置、机械装置、化工装置等）在数学上的“相似性”，将各种实际物理装置从感兴趣的角度经过简化、并抽象成相同的数学形式。我们在设计控制系统时，不必研究每一种实际装置，而用几种“等价”的数学形式来表达、研究和设计。又由于人本身的自然属性，人对数学而言，不能直接感受它的自然物理属性，这给我们分析和设计带来了困难。所以，我们又用替代、模拟、仿真的形式把数学形式再变成“模拟实物”来研究。这样，就可以“秀才不出门，遍知天下事”。实际上，在后面的课程里，不同专业的学生将面对不同的实际物理对象，而“模拟实物”的实验方式可以做到举一反三，我们就是用下列“模拟实物”——电路系统，替代各种实际物理对象。
自动控制原理实验五利用matlab绘制系统根轨迹
实验五利用MATLAB绘制系统根轨迹 一、实验目的 （1）熟练掌握使用MATLAB绘制控制系统零极点图和根轨迹图的方法； （2）熟练使用根轨迹设计工具SISO； （2）学会分析控制系统根轨迹的一般规律； （3）利用根轨迹图进行系统性能分析； （4）研究闭环零、极点对系统性能的影响。 二、实验原理及内容 1、根轨迹与稳定性 当系统开环增益从变化时，若根轨迹不会越过虚轴进入s右半平面，那么系统对所有的K值都是稳定的；若根轨迹越过虚轴进入s右半平面，那么根轨迹与虚轴交点处的K值，就是临界开环增益。应用根轨迹法，可以迅速确定系统在某一开环增益或某一参数下的闭环零、极点位置，从而得到相应的闭环传递函数。 2、根轨迹与系统性能的定性分析 1）稳定性。如果闭环极点全部位于s左半平面，则系统一定是稳定的，即稳定性只与闭环极点的位置有关，而与闭环零点位置无关。 2）运动形式。如果闭环系统无零点，且闭环极点为实数极点，则时间响应一定是单调的；如果闭环极点均为复数极点，则时间响应一般是振荡的。 3）超调量。超调量主要取决于闭环复数主导极点的衰减率，并与其它闭环零、极点接近坐标原点的程度有关。 4）调节时间。调节时间主要取决于最靠近虚轴的闭环复数极点的实部绝对值；如果实数极点距虚轴最近，并且它附近没有实数零点，则调节时间主要取决于该实数极点的模值。 5）实数零、极点影响。零点减小闭环系统的阻尼，从而使系统的峰值时间提前，超调量增大；极点增大闭环系统的阻尼，使系统的峰值时间滞后，超调量减小。而且这种影响将其接近坐标原点的程度而加强。 【自我实践5-1】 在实验内容（2）中控制系统的根轨迹上分区段取点，构造闭环系统传递函数，分别绘制其对应系统的阶跃响应曲线，并比较分析。 1：阻尼比=，k=
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 R Z Z s G 200,1002)(211 212==-=-=- = 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1 5.01 )(2+=s s G ③ 积分环节s s G 1)(1= ④ 微分环节s s G =)(1 ⑤ 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 图1-3 比例环节的模拟电路及SIMULINK 图形
① 仿真模型及波形图1)(1=s G 和2)(1=s G ② 仿真模型及波形图11)(1+= s s G 和1 5.01)(2+=s s G 11)(1+= s s G 1 5.01 )(2+=s s G ③ 积分环节s s G 1)(1= ④ 微分环节
自动控制原理学生实验：二阶开环系统的频率特性曲线
实验三 二阶开环系统的频率特性曲线 一．实验要求 1．研究表征系统稳定程度的相位裕度γ和幅值穿越频率c ω对系统的影响。 2．了解和掌握欠阻尼二阶开环系统中的相位裕度γ和幅值穿越频率c ω的计算。 3．观察和分析欠阻尼二阶开环系统波德图中的相位裕度γ和幅值穿越频率ωc ，与计算值作比对。 二．实验内容及步骤 本实验用于观察和分析二阶开环系统的频率特性曲线。 由于Ⅰ型系统含有一个积分环节，它在开环时响应曲线是发散的，因此欲获得其开环频率特性时，还是需构建成闭环系统，测试其闭环频率特性，然后通过公式换算，获得其开环频率特性。 自然频率：T iT K = n ω 阻尼比：KT Ti 2 1= ξ （3-2-1） 谐振频率： 2 21ξωω-=n r 谐振峰值：2 121lg 20)(ξ ξω-=r L （3-2-2） 计算欠阻尼二阶闭环系统中的幅值穿越频率ωc 、相位裕度γ： 幅值穿越频率： 24241ξξωω-+? =n c （3-2-3） 相位裕度： 4 24122arctan )(180ξξξω?γ++-=+=c （3-2-4） γ值越小，Mp%越大，振荡越厉害；γ值越大，Mp%小，调节时间ts 越长，因此为使 二阶闭环系统不致于振荡太厉害及调节时间太长，一般希望： 30°≤γ≤70° （3-2-5） 本实验所构成的二阶系统符合式（3-2-5）要求。 被测系统模拟电路图的构成如图1所示。 图1 实验电路 本实验将数/模转换器（B2）单元作为信号发生器，自动产生的超低频正弦信号的频率从低到高变化（0.5Hz~16Hz ），OUT2输出施加于被测系统的输入端r (t)，然后分别测量被测系统的输出信号的开环对数幅值和相位，数据经相关运算后在虚拟示波器中显示。 实验步骤： （1）将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入。 （2）构造模拟电路：安置短路套及测孔联线表同笫3.2.2 节《二阶闭环系统的频率特性曲线测试》。 （3）运行、观察、记录： ① 将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入，运行LABACT 程序，在界面 的自动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析-实验项目，选择二阶系统，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始，实验开始后，实验机将自动产生0.5Hz~16H 等多种频率信号，等待将近十分钟，测试结束后，观察闭环对数幅频、相频曲线和幅相曲线。 ② 待实验机把闭环频率特性测试结束后，再在示波器界面左上角的红色‘开环’或‘闭
自动控制原理实验报告73809
-150-100 -50 50 实验一 典型环节的模拟研究及阶跃响应分析 1、比例环节 可知比例环节的传递函数为一个常数： 当Kp 分别为0.5，1，2时，输入幅值为1.84的正向阶跃信号，理论上依次输出幅值为0.92，1.84，3.68的反向阶跃信号。实验中，输出信号依次为幅值为0.94，1.88，3.70的反向阶跃信号， 相对误差分别为1.8%,2.2%,0.2%. 在误差允许范围内可认为实际输出满足理论值。 2、 积分环节 积分环节传递函数为： （1）T=0.1(0.033)时，C=1μf (0.33μf )，利用MATLAB ，模拟阶跃信号输入下的输出信号如图： T=0.1 T=0.033 与实验测得波形比较可知，实际与理论值较为吻合，理论上T=0.033时的波形斜率近似为T=0.1时的三倍，实际上为8/2.6=3.08，在误差允许范围内可认为满足理论条件。 3、 惯性环节 i f i o R R U U -=TS 1 CS R 1Z Z U U i i f i 0-=-=-=15 20
惯性环节传递函数为： K = R f /R 1,T = R f C, （1） 保持K = R f /R 1 = 1不变，观测T = 0.1秒，0.01秒（既R 1 = 100K,C = 1μf ， 0.1μf ）时的输出波形。利用matlab 仿真得到理论波形如下： T=0.1时 t s （5%）理论值为300ms,实际测得t s =400ms 相对误差为：（400-300）/300=33.3%,读数误差较大。 K 理论值为1，实验值2.12/2.28， 相对误差为（2.28-2.12）/2.28=7%与理论值 较为接近。 T=0.01时 t s （5%）理论值为30ms,实际测得t s =40ms 相对误差为：（40-30）/30=33.3% 由于ts 较小，所以读数时误差较大。 K 理论值为1，实验值2.12/2.28， 相对误差为（2.28-2.12）/2.28=7%与理论值较为接近 （2） 保持T = R f C = 0.1s 不变，分别观测K = 1，2时的输出波形。 K=1时波形即为（1）中T0.1时波形 K=2时，利用matlab 仿真得到如下结果： t s （5%）理论值为300ms,实际测得t s =400ms 相对误差为：（400-300）/300=33.3% 读数误差较大 K 理论值为2，实验值4.30/2.28， 1 TS K )s (R )s (C +-=
自动控制原理实验报告
实验报告 课程名称：自动控制原理 实验项目：典型环节的时域相应 实验地点：自动控制实验室 实验日期：2017 年 3 月22 日 指导教师：乔学工 实验一典型环节的时域特性 一、实验目的 1.熟悉并掌握TDN-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相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、实验设备 PC 机一台，TD-ACC+(或TD-ACS)实验系统一套。 三、实验原理及内容 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) (1)方框图 (2)传递函数： K S Ui S Uo =) () ( (3)阶跃响应：) 0()(≥=t K t U O 其中 01/R R K = (4)模拟电路图： (5) 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) (1)方框图 (2)传递函数： TS S Ui S Uo 1 )()(= (3)阶跃响应： ) 0(1)(≥= t t T t Uo 其中 C R T 0= (4)模拟电路图 (5) 理想与实际阶跃响应曲线对照： ① 取R0 = 200K ；C = 1uF 。 ② 取R0 = 200K ；C = 2uF 。
1 Uo 0t Ui(t) Uo(t) 理想阶跃响应曲线 0.4s 1 Uo 0t Ui(t) Uo(t) 实测阶跃响应曲线 0.4s 10V 无穷 3．比例积分环节 (PI) (1)方框图： (2)传递函数： (3)阶跃响应： (4)模拟电路图： (5)理想与实际阶跃响应曲线对照： ①取 R0 = R1 = 200K；C = 1uF。 理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线 ②取 R0=R1=200K；C=2uF。 K 1 + U i(S)+ U o(S) + Uo 10V U o(t) 2 U i(t ) 0 0 .2s t Uo 无穷 U o(t) 2 U i(t ) 0 0 .2s t
北航自动控制原理实验报告(完整版)
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 s 2、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, 1 T 0.25 0.50 1.00 R2 0.25MΩ0.5M Ω1MΩ C 1μ1μ1μ T S 实测0.7930 1.5160 3.1050 T S 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 图1.1 图1.2 图1.3
系统传递函数： 令 二阶系统模拟线路 0.25 0.50 1.00 R4 210.5 C2 111 实测45.8% 16.9% 0.6% 理论44.5% 16.3% 0% T S实测13.9860 5.4895 4.8480 T 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。 误差计算及分析 1）当ξ=0.25时，超调量的相对误差= 调节时间的相对误差= 2）当ξ=0.5时，超调量的相对误差==3.7% 调节时间的相对误差==3.4% 4）当ξ=1时，超调量的绝对误差= 调节时间的相对误差==3.46% 误差分析：由于本试验中，用的参量比较多，有R1,R2,R3,R4;C1,C2;在它们的取值的实际调节中不免出现一些误差，误差再累加，导致最终结果出现了比较大的误差，另外，此实验用的导线要多一点，干扰和导线的传到误差也给实验结果造成了一定误差。但是在观察响应曲线方面，这些误差并不影响，这些曲线仍旧体现了它们本身应具有的特点，通过比较它们完全能够了解阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系，不影响预期的效果。 实验结果说明 由本实验可以看出，当ωn一定时，超调量随着ξ的增加而减小，直到ξ达到某个值时没有了超调；而调节时间随ξ的增大，先减小，直到ξ达到某个值后又增大了。 经理论计算可知，当ξ=0.707时，调节时间最短，而此时的超调量也小于5%，此时的ξ为最佳阻尼比。此实验的ξ分布在0.707两侧，体现了超调量和调节时间随ξ的变化而变化的过程，达到了预期的效果。 图2.2 图2.1 图2.3
东南大学自控实验报告实验三闭环电压控制系统研究
东南大学自控实验报告实验三闭环电压控制系统研究
东南大学 《自动控制原理》 实验报告 实验名称：实验三闭环电压控制系统研究 院（系）：专业： 姓名：学号： 实验室： 416 实验组别： 同组人员：实验时间：年 11月 24日评定成绩：审阅教师：
实验三闭环电压控制系统研究 一、实验目的： （1）经过实例展示，认识自动控制系统的组成、功能及自动控制原理课程所要解决的问题。 （2）会正确实现闭环负反馈。 （3）经过开、闭环实验数据说明闭环控制效果。 二、实验原理： （1）利用各种实际物理装置（如电子装置、机械装置、化工装置等）在数学上的“相似性”，将各种实际物理装置从感兴趣的角度经过简化、并抽象成相同的数学形式。我们在设计控制系统时，不必研究每一种实际装置，而用几种“等价”的数学形式来表示、研究和设计。又由于人本身的自然属性，人对数学而言，不能直接感受它的自然物理属性，这给我们分析和设计带来了困难。因此，我们又用替代、模拟、仿真的形式把数学形式再变成“模拟实物”来研究。这样，就能够“秀才不出门，遍知天下事”。实际上，在后面的课程里，不同专业的学生将面对不同的实际物理对象，而“模拟实物”的实验方式能够做到举一反三，我们就是用下列“模拟实物”——电路系统，替代各种实际物理对象。 （2）自动控制的根本是闭环，尽管有的系统不能直接感受到它的
闭环形式，如步进电机控制，专家系统等，从大局看，还是闭环。闭环控制能够带来想象不到的好处，本实验就是用开环和闭环在负载扰动下的实验数据，说明闭环控制效果。自动控制系统性能的优劣，其原因之一就是取决调节器的结构和算法的设计（本课程主要用串联调节、状态反馈），本实验为了简洁，采用单闭环、比例调节器K。经过实验证明：不同的K，对系性能产生不同的影响，以说明正确设计调节器算法的重要性。 （3）为了使实验有代表性，本实验采用三阶（高阶）系统。这样，当调节器K值过大时，控制系统会产生典型的现象——振荡。本实验也能够认为是一个真实的电压控制系统。 三、实验设备： THBDC-1实验平台 四、实验线路图： 五、实验步骤： （1）如图接线，建议使用运算放大器U8、U10、U9、U11、U13。
自动控制原理MATLAB仿真实验报告
实验一 MATLAB 及仿真实验（控制系统的时域分析） 一、实验目的 学习利用MATLAB 进行控制系统时域分析，包括典型响应、判断系统稳定性和分析系统的动态特性； 二、预习要点 1、 系统的典型响应有哪些？ 2、 如何判断系统稳定性？ 3、 系统的动态性能指标有哪些？ 三、实验方法 （一） 四种典型响应 1、 阶跃响应： 阶跃响应常用格式： 1、)(sys step ；其中sys 可以为连续系统，也可为离散系统。 2、),(Tn sys step ；表示时间范围0---Tn 。 3、),(T sys step ；表示时间范围向量T 指定。 4、),(T sys step Y =；可详细了解某段时间的输入、输出情况。 2、 脉冲响应： 脉冲函数在数学上的精确定义：0 ,0)(1)(0 ?==?∞ t x f dx x f 其拉氏变换为：) ()()()(1)(s G s f s G s Y s f === 所以脉冲响应即为传函的反拉氏变换。 脉冲响应函数常用格式： ① )(sys impulse ； ② ); ,();,(T sys impulse Tn sys impulse ③ ),(T sys impulse Y = （二） 分析系统稳定性 有以下三种方法： 1、 利用pzmap 绘制连续系统的零极点图； 2、 利用tf2zp 求出系统零极点； 3、 利用roots 求分母多项式的根来确定系统的极点 （三） 系统的动态特性分析 Matlab 提供了求取连续系统的单位阶跃响应函数step 、单位脉冲响应函数impulse 、零输入响应函数initial 以及任意输入下的仿真函数lsim.
自控原理实验一(一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试)
成绩 北京航空航天大学 自动控制原理实验报告 学院 专业方向 班级 学号 学生姓名 指导教师 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 实验时间 实验编号 同组同学 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T S 。 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T S 。 三、实验原理 1.一阶系统 系统传递函数为：(s)(s)(s)1 C K R Ts Φ= =+ 模拟运算电路如图1-1所示： 由图1-1得 2 12(s)(s)11 o i R U R K U R Cs Ts == ++ 在实验当中始终取R 2=R 1，则K=1,T=R 2 C U i U o 图1-1 一阶系统模拟电
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，测量并纪录其过渡过程时间T S ，将参数及指标填在表1-1内。 表 1-1一阶系统参数指标 S S 2.二阶系统 系统传递函数为：22 2 (s) (s)(s)2n n n C R s s ωζωωΦ==++。令n ω=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R 2C 1=1，R 3C 2=1则 442312R R C R ζ==，42 1 2R C ζ= R(s) C(s) 图1-2 二阶系统结构图 U o U i 图1-3 二阶系统模拟电路图
自动控制原理实验(全面)
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 dt t dc T = 传递函数 s K Ts 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 dt t dc T =+ 传递函数 1 )(+=TS K S 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)(2 22 t r t c dt t dc T dt t c d T =++ξ 传递函数 121 )(22++=Ts s T s G ξ2 2 2 2n n 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。 五．实验预习 ⑴ 一、二阶系统的瞬态响应分析；模拟机的原理及使用方法（见本章附录）。 ⑵ 写出预习报告；画出二阶系统的模拟机排题图；在理论上估计各响应曲线。 六．实验报告 ⑴ 将每个环节的实验曲线分别整理在一个坐标系上，曲线起点在坐标原点上。分析各参数变化对其阶跃响应的影响，与估计的理论曲线进行比较，不符请分析原因。 ⑵ 由二阶环节的实验曲线求得σ﹪、t s 、t p ，与理论值进行比较，并分析σ﹪、t s 、t p 等和T 、ξ的关系。 实验二 随动系统的开环控制、闭环控制及稳定性 一．实验目的 了解开环控制系统、闭环控制系统的实际结构及工作状态；控制系统稳定的概念以及系统开环比例系数与系统稳定性的关系。 二．实验要求 能按实验内容正确连接实验线路，正确使用实验所用测试仪器，在教师指导下独立
自动控制原理实验1-6
实验一MATLAB 仿真基础 一、实验目的： （1）熟悉MATLAB 实验环境，掌握MATLAB 命令窗口的基本操作。 （2）掌握MATLAB 建立控制系统数学模型的命令及模型相互转换的方法。 （3）掌握使用MATLAB 命令化简模型基本连接的方法。 （4）学会使用Simulink 模型结构图化简复杂控制系统模型的方法。 二、实验设备和仪器 1．计算机；2. MATLAB 软件 三、实验原理 函数tf ( ) 来建立控制系统的传递函数模型，用函数printsys ( ) 来输出控制系统的函数，用函数命令zpk ( ) 来建立系统的零极点增益模型，其函数调用格式为：sys = zpk ( z, p, k )零极点模型转换为多项式模型[num , den] = zp2tf ( z, p, k ) 多项式模型转化为零极点模型 [z , p , k] = tf2zp ( num, den ) 两个环节反馈连接后，其等效传递函数可用feedback ( ) 函数求得。 则feedback （）函数调用格式为： sys = feedback （sys1, sys2, sign ） 其中sign 是反馈极性，sign 缺省时，默认为负反馈，sign ＝-1；正反馈时，sign ＝1；单位反馈时，sys2＝1，且不能省略。 四、实验内容： 1.已知系统传递函数，建立传递函数模型 2.已知系统传递函数，建立零极点增益模型 3．将多项式模型转化为零极点模型 1 2s 2s s 3s (s)23++++=G )12()1()76()2(5)(332 2++++++= s s s s s s s s G 12s 2s s 3s (s)23++++= G )12()1()76()2(5)(3322++++++=s s s s s s s s G
自控原理实验
实验八典型非线性环节的静态特性 一、实验目的 1. 了解典型非线性环节输出—输入的静态特性及其相关的特征参数； 2. 掌握典型非线性环节用模拟电路实现的方法。 二、实验内容 1. 继电器型非线性环节静特性的电路模拟； 2. 饱和型非线性环节静特性的电路模拟； 3. 具有死区特性非线性环节静特性的电路模拟； 4. 具有间隙特性非线性环节静特性的电路模拟。 三、实验原理 控制系统中的非线性环节有很多种，最常见的有饱和特性、死区特性、继电器特性和间隙特性。基于这些特性对系统的影响是各不相同的，因而了解它们输出－输入的静态特性将有助于对非线性系统的分析研究。 1. 继电型非线性环节 图7-1为继电器型非线性特性的模拟电路和静态特性。 图8-1 继电器型非线性环节模拟电路及其静态特性 继电器特性参数M是由双向稳压管的稳压值(4.9～6V)和后级运放的放大倍数(R X/R1)决定的，调节可变电位器R X的阻值，就能很方便的改变M值的大小。输入u i信号用正弦信号或周期性的斜坡信号（频率一般均小于10Hz）作为测试信号。实验时，用示波器的X-Y显示模式进行观测。 2. 饱和型非线性环节 图7-2为饱和型非线性环节的模拟电路及其静态特性。 图8-2 饱和型非线性环节模拟电路及其静态特性 图中饱和型非线性特性的饱和值M等于稳压管的稳压值(4.9～6V)与后一级放大倍数的乘积。线性部分斜率k等于两级运放增益之积。在实验时若改变前一级运放中电位器的阻值
可改变k 值的大小，而改变后一级运放中电位器的阻值则可同时改变M 和k 值的大小。 实验时，可以用周期性的斜坡或正弦信号作为测试信号，注意信号频率的选择应足够低（一般小于10Hz ）。实验时，用示波器的X-Y 显示模式进行观测。 3. 具有死区特性的非线性环节 图7-3为死区特性非线性环节的模拟电路及其静态特性。 图8-3 死区特性非线性环节的模拟电路及其静态特性 图中后一运放为反相器。由图中输入端的限幅电路可知，当二极管D 1（或D 2）导通时的临界电压U io 为 E 1E R R u 2 1io α α -±=±=(在临界状态时: E R R R u R R R 2 11 0i 212+±=+) (7-1) 其中，2 11 R R R +=α。当0i i u u >时，二极管D 1（或D 2）导通，此时电路的输出电压 为 ))(1()(2 12 io i io i o u u u u R R R u --±=-+± =α 令)1(α-=k ，则上式变为 )(io i o u u k u -±= (7-2) 反之，当0i i u u ≤时，二极管D 1（或D 2）均不导通，电路的输出电压o u 为零。显然，该非 线性电路的特征参数为k 和io u 。只要调节α，就能实现改变k 和io u 的大小。 实验时，可以用周期性的斜坡或正弦信号作为测试信号，注意信号频率的选择应足够低（一般小于10Hz ）。实验时，用示波器的X-Y 显示模式进行观测。 4. 具有间隙特性的非线性环节 间隙特性非线性环节的模拟电路图及静态特性如图7-4所示。 由图7-4可知，当E u i α α -< 1时，二极管D 1和D 2均不导通，电容C 1上没有电压，即U C （C 1两端的电压）=0，u 0=0；当E u i α α->1时，二极管D 2导通，u i 向C 1充电，其电压为 ))(1(io i o u u u --±=α 令)1(α-=k ，则上式变为 )(io i o u u k u -±=
自动控制原理课程设计实验
上海电力学院 自动控制原理实践报告 课名：自动控制原理应用实践 题目：水翼船渡轮的纵倾角控制 船舶航向的自动操舵控制 班级： 姓名： 学号：
水翼船渡轮的纵倾角控制 一．系统背景简介 水翼船(Hydrofoil)是一种高速船。船身底部有支架，装上水翼。当船的速度逐渐增加，水翼提供的浮力会把船身抬离水面(称为水翼飞航或水翼航行，Foilborne)，从而大为减少水的阻力和增加航行速度。 水翼船的高速航行能力主要依靠一个自动稳定控制系统。通过主翼上的舵板和尾翼的调整完成稳定化操作。该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。因此，设计上要求系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。 航向自动操舵仪工作时存在包括舵机（舵角）、船舶本身（航向角）在内的两个反馈回路：舵角反馈和航向反馈。 当尾舵的角坐标偏转错误!未找到引用源。，会引起船只在参考方向上发生某一固定的偏转错误!未找到引用源。。传递函数中带有一个负号，这是因为尾舵的顺时针的转动会引起船只的逆时针转动。有此动力方程可以看出，船只的转动速率会逐渐趋向一个常数，因此如果船只以直线运动，而尾舵偏转一恒定值，那么船只就会以螺旋形的进入一圆形运动轨迹。 二．实际控制过程 某水翼船渡轮，自重670t，航速45节（海里/小时），可载900名乘客，可混装轿车、大客车和货卡，载重可达自重量。该渡轮可在浪高达8英尺的海中以航速40节航行的能力，全靠一个自动稳定控制系统。通过主翼上的舵板和尾翼的调整完成稳定化操作。该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。因此，设计上要求该系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。
上图：水翼船渡轮的纵倾角控制系统 已知，水翼船渡轮的纵倾角控制过程模型，执行器模型为F（s）=1/s。 三．控制设计要求 试设计一个控制器Gc（s），使水翼船渡轮的纵倾角控制系统在海浪扰动D （s）存在下也能达到优良的性能指标。假设海浪扰动D（s）的主频率为w=6rad/s。 本题要求了“优良的性能指标”，没有具体的量化指标，通过网络资料的查阅：响应超调量小于10%，调整时间小于4s。 四．分析系统时域 1.原系统稳定性分析 num=[50]; den=[1 80 2500 50]; g1=tf(num,den); [z,p,k]=zpkdata(g1,'v'); p1=pole(g1); pzmap(g1) 分析：上图闭环极点分布图，有一极点位于原点，另两极点位于虚轴左边，故处于临界稳定状态。但还是一种不稳定的情况，所以系统无稳态误差。 2.Simulink搭建未加控制器的原系统（不考虑扰动）。
自动控制原理_实验2(1)
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。为了研究控制系统的时域特性，经常采用瞬态响应（如阶跃响应、脉冲响应和斜坡响应）。本次实验从分析系统的性能指标出发，给出了在MATLAB 环境下获取系统时域响应和分析系统的动态性能和稳态性能的方法。 用MATLAB 求系统的瞬态响应时，将传递函数的分子、分母多项式的系数分 别以s 的降幂排列写为两个数组num 、den 。由于控制系统分子的阶次m 一般小于其分母的阶次n ，所以num 中的数组元素与分子多项式系数之间自右向左逐次对齐，不足部分用零补齐，缺项系数也用零补上。 1．用MATLAB 求控制系统的瞬态响应 1） 阶跃响应 求系统阶跃响应的指令有： step(num,den) 时间向量t 的范围由软件自动设定，阶跃响应曲线随 即绘出 step(num,den,t) 时间向量t 的范围可以由人工给定（例如t=0:0.1:10） [y ，x]=step(num,den) 返回变量y 为输出向量，x 为状态向量 在MATLAB 程序中，先定义num,den 数组，并调用上述指令，即可生成单位 阶跃输入信号下的阶跃响应曲线图。 考虑下列系统： 25 425)()(2++=s s s R s C 该系统可以表示为两个数组，每一个数组由相应的多项式系数组成，并且以s 的降幂排列。则MATLAB 的调用语句：
自动控制原理实验五
黄淮学院电子科学与工程系 自动控制原理课程验证性实验报告 实验名称用MATLAB绘制系统根轨迹实验时间2012年11月22日 学生姓名实验地点7#312 同组人员专业班级电技1001 1、实验目的: 1)学会使用MATLAB编程绘制控制系统的单位阶跃响应曲线 2)研究二阶控制系统中ζ，Wn对系统阶跃响应的影响 3)掌握准确读取动态特性指标的方法 4)分析二阶系统闭环极点和零点对系统动态性能的影响 2、实验主要仪器设备和材料： MATLAB软件 3、实验内容和原理： 已知二阶控制系统：Φ(s)=10/(s^2+2ｓ＋10) (1)求该系统的特征根 若已知系统的特征多项式D（S），利用roots()函数可以求其特征根。若已知系统的传 递函数，利用eig()函数可以直接求出其特征根。两函数计算的结果完全相同。 num=10;den=[1,2,10];roots(den) sys=tf(num,den);eig(sys) 可得到系统的特征根为 -1.0000+3.0000i -1.0000+3.0000i (2)求系统的闭环根、ζ，Wn。 函数damp()可以计算出系统的闭环根、ζ，Wn。 den=[1,2,10];damp(den) 结果显示Eigenvalue Damping Freq. (rad/s) -1.00e+000 + 3.00e+000i 3.16e-001 3.16e+000 -1.00e+000 - 3.00e+000i 3.16e-001 3.16e+000 即系统闭环根为一对共轭复根-1+j3,-1-j3,阻尼比ζ=0.316，Wn=3.16rad/s。
2018年自控原理实验报告 修改-范文模板 (18页)
本文部分内容来自网络整理，本司不为其真实性负责，如有异议或侵权请及时联系，本司将立即删除！ == 本文为word格式，下载后可方便编辑和修改！ == 自控原理实验报告修改 实验报告 课程自动控制原理实验报告专业学号 指导教师姓名 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{ EMBED Equation.3 |G1(s)?1和； ② 惯性环节和 ③ 积分环节 ④ 微分环节 ⑤ 比例+微分环节（PD）和 ⑥ 比例+积分环节（PI）和 三、实验结果及分析 实验过程
① 比例环节 相应的SIMULINK仿真模型及其单位阶跃响应波形如图所示。相应的SIMULINK仿真模型及其单位阶跃响应波形如图所示。 分析知： 1、比例环节是一条平行于实轴的直线。 2、比例系数越大，越远离实轴。 ② 惯性环节 相应的SIMULINK仿真模型及其单位阶跃响应波形如图所示。 相应的SIMULINK仿真模型及其单位阶跃响应波形如图所示。 分析知： 惯性环节s因子系数越小，系统越快速趋于稳定。 ③ 积分环节 相应的SIMULINK仿真模型及其单位阶跃响应波形如图所示。 ④ 微分环节 相应的SIMULINK仿真模型及其单位阶跃响应波形如图所示。 分析知： 积分环节先趋于稳定，后开始开始不稳定。 微分环节开始稳定中间突变而后又趋于稳定。 ⑤ 比例+微分环节（PD）
西安交大自动控制原理实验报告
自动控制原理实验报告 学院： 班级： 姓名： 学号：
西安交通大学实验报告 课程自动控制原理实验日期2014 年12月22 日专业班号交报告日期 2014 年 12月27日姓名学号 实验五直流电机转速控制系统设计 一、实验设备 1.硬件平台——NI ELVIS 2.软件工具——LabVIEW 二、实验任务 1.使用NI ELVIS可变电源提供的电源能力，驱动直流马达旋转，并通过改变电压改变 其运行速度； 2.通过光电开关测量马达转速； 3.通过编程将可变电源所控制的马达和转速计整合在一起，基于计算机实现一个转速自 动控制系统。 三、实验步骤 任务一：通过可变电源控制马达旋转 任务二：通过光电开关测量马达转速 任务三：通过程序自动调整电源电压，从而逼近设定转速
编程思路：PID控制器输入SP为期望转速输出，PV为实际测量得到的电机转速，MV为PID输出控制电压。其中SP由前面板输入；PV通过光电开关测量马达转速得到；将PID 的输出控制电压接到“可变电源控制马达旋转”模块的电压输入控制端，控制可变电源产生所需的直流电机控制电压。通过不断地检测马达转速与期望值对比产生偏差，通过PID控制器产生控制信号，达到直流电机转速的负反馈控制。 PID参数：比例增益：0.0023 积分时间：0.010 微分时间：0.006 采样率和待读取采样：采样率：500kS/s 待读取采样：500 启动死区：电机刚上电时，速度为0，脉冲周期测量为0，脉冲频率测量为无限大。通过设定转速的“虚拟下限”解决。本实验电机转速最大为600r/min。故可将其上限值设为600r/min，超过上限时，转速的虚拟下限设为200r/min。 改进：利用LabVIEW中的移位寄存器对转速测量值取滑动平均。
自动控制原理实验系统超前校正实验报告
实验五系统超前校正（4学时） 本实验为设计性实验 一、实验目的 1 ? 了解和观测校正装置对系统稳定性尺动态特性的影响。 2.学习校正装置的设计和实现方法。 二、实验原理 工程上常用的校正方法通常是把一个髙阶系统近似地简化成低阶系统，并从中找出少数典型系统作为工程设计的基础，通常选用二阶、三阶典型系统作为预期典型系统。只要掌握典型系统与性能之间的关系，根据设计要求，就可以设计系统参数，进而把工程实践确认的参数推荐为“工程最佳参数”，相应的性能确定为典型系统的性能指标。根据典型系统选择控制器形式和工程最佳参数，据此进行系统电路参数计算。 在工程设计中，经常采用二阶典型系统来代替高阶系统（如采用主导极点、偶极于等槪念分析问题）其 动态结构图如图7-1所示。同时还经常采用“最优”的综合校正方法。 图7-1二阶典型系统动态结构图 二阶典型系统的开环传递函数为如=為= 闭环传递函数①G）= ----------- 二——r 式中? = 2/KT 或者K逡 R(s)十 ----- A
二阶系统的最优模型 (1)最优模型的条件 根据控制理论，当§ = 0.707 =寻时，其闭环频带最宽，动态品质最奸。把防宁 乙厶代心鳩得到’或“》这就是进行校正的条件。 (2)最优模型的动态指标为 O-% = X100% = 43% , G = — ^ 4.3T 5 三、实验仪器及耗材 1?EL—AT3自动控制原理实验箱一台; 2 . PC机一台； 3.数字万用表一块 4 ?配真实验软件一宾。 四.实验内容及要求 未校正系统的方框图如图7-2所示，图7-3是它的模拟电路。 图7?2未校正系统的方框图
自控原理实验(平台课)
实验一 控制系统的初步认识 过程控制CS4000系统介绍 过程控制是针对工业生产过程中液位、流量、温度、压力等参数的控制。 一、 CS4000系统组成 1、 双管路流量系统 系统包括两个独立的水路动力系统，一路由 水泵、电动调节阀、电磁流量计组成（主管路）， 由电动调节阀调节流量，电磁流量计检测流量； 另一路由变频器、水泵、涡轮流量计组成（副管路），由变频器调节流量，涡轮流量计检测流量。如右图： 双管路流量系统可以完成多种方式下的流量控制实验：a.单回路流量控制实验b.流量比值控制实验 2、 四容水箱液位系统 系统提供一组有机玻璃四容水箱，每个水箱装有 液位变送器；通过阀门切换，任何两组动力的水流可以到达任何一个水箱。因此系统可以完成多种方式下的液位、流量及其组合实验。如右图： 3、 热水箱-纯滞后水箱温度系统 系统提供了一个加热水箱和一个温度纯滞后水箱，加热水箱及纯滞后水箱不同时间常数位置装有Pt100热电阻检测温度，由可控硅控制电加热管提供可调热源，系统可以完成多种温度实验 二、 执行机构 1、可控硅移相调压装置 通过4-20mA 电流控制信号控制单相220V 交流电源在0-220V 之间实现连续变化，从而调节电加热管的功率。 2、调节阀 电动调节阀 电动调节阀通过改变管路的流通面积来改变控制通过的流量，由电动执行机构和调节阀两部分组成。调节阀部分主要由阀杆、阀体、阀芯、及阀座等部件组成。当阀芯在阀体内上
下移动时，可改变阀芯阀座间的流通面积。 电动执行机构一般采用随动系统的方案组成，如上图所示。从调节器来的信号通过伺服放大器驱动电动机，经减速器带动调节阀，同时经位置发生器将阀杆行程反馈给伺服放大器，组成位置随动系统。依靠位置负反馈，保证输入信号准确地转换为阀杆的行程。 为了简单，电动执行器中常使用两位式放大器和交流鼠笼式电机组成交流继电器式随动系统。执行器中的电机常处于频繁的启动制动过程中，在调节器输出过载或其他原因使阀卡住时，电机还可能长期处于堵转状态。为了保证电机在这种情况下不至因过热而烧毁，电动执行器都使用专门的异步电机，以增大转子电阻的办法，减小启动电流，增加启动力矩，使电机在长期堵转时温升也不超出允许范围。这样做虽使电机效率降低，但大大提高了执行器的工作可靠性。 三、检测机构 1、扩散硅式压力传感器 2、涡轮流量计 3、电磁流量计 4、Pt100热电阻温度传感器 四、控制系统 1、智能调节仪控制系统 智能调节仪型号为上海万迅仪表有限公司AI818A，系统中有两块AI818A，以便可以实现串级等复杂控制。AI818A与电脑通过串口通讯。上位机软件采用MCGS。AI818A 与MCGS的使用参照相关手册。 2、DDC计算机直接控制系统 采用集智达R-8000系列RemoDAQ- R-8017模拟量输入模块, RemoDAQ-R-8024模拟量输出模块。与电脑串口通讯。上位机DDC实验软件是厂家面向过程控制实验特点，结合本过程控制实验对象，开发的一套DDC实验软件。运行电脑桌面的“中控教仪过程控制实验软件”图标即可打开实验软件。实验内容参照相应的实验指导书。 3、PLC可编程控制器控制系统 采用西门子s7-300PLC，电脑上安装了一块CP5621西门子通讯卡（PCI-E插槽），通讯线将卡接口连到PLC的cpu的MPI端口，实现通讯。PLC中运行的程序采用西门子STEP7设计并下载到PLC中、上位机程序采用西门子Wincc设计，存放在电脑C盘基础性/总线型目录的PLC子目录下，运行电脑桌面的WINCC图标可打开该实验软件，再参照相应的实验指导书完成实验。 4、C3000过程控制器 C3000 是国产的一种采用32 位微处理器和5.6 英寸TFT彩色液晶显示屏的可编程多回路控制器。C3000 过程控制器主要有控制、记录、分析等功能。可通过串口、以太网和CF卡实现与上位机的数据交换。本装置中采用串口与上位机通讯。C3000内部有3个程序控制模块、4 个单回路PID控制模块、6 个ON/OFF 控制模块，可实现串级、分程、三冲量、比值控制及用户定制等多种复杂的控制方案。