最新版MATLAB 自动控制原理标准实验报告册 修改.docx

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最新版MATLAB自动控制原理标准实验报告册修改

攀枝花学院

电工电子实验中心

自动控制原理实验报告册

学期

班级

平均成绩

学号

学生

实验项目

成绩

实验一典型环节的模拟研究

实验二二阶系统特征参数对系统性能的影响

实验三典型系统的动态特性与稳定性测试

实验四开环增益与零极点对系统性能的影响

实验五典型系统的频率特性测试

实验六线性系统的串联校正

实验七A/D与D/A转换及零界阶保持器

实验八离散控制系统动态性能和稳定性的混合仿真研究

实验九非线性系统的相平面法分析

实验十非线性系统的描述函数法分析

实验指导教师（签字）：

日期

实验报告须知

实验的最后一个环节是实验总结与报告，即对实验数据进行整理，绘制波形和图表，分析实验现象，撰写实验报告。

每次实验，都要独立完成实验报告。

撰写实验报告应持严肃认真、实事求是的科学态度。

实验结果与理论有较大出入时，不得随意修改实验数据结果，不得用凑数据的方法来向理论靠拢，而要重新进行一次实验，找出引起较大误差的原因，同时用理论知识来解释这种现象。

实验报告包括：

实验目的、实验仪器和设备、实验原理、实验内容与步骤、实验数据处理、实验总结

实验报告具体要求如下：

1. 认真完成实验报告，报告要用攀枝花学院标准实验报告册，作图要用坐标纸。

2. 报告中的电路图、表格必须用直尺画。

绘制电路图要工整、选取合适比例，元件参数标注要准确、完整。

3. 应在理解的基础上简单扼要的书写实验原理，不提倡大段抄书。

4. 计算要有计算步骤、解题过程，要代具体数据进行计算，不能只写得数。

5. 绘制的曲线图要和实验数据吻合，坐标系要标明单位，各种特性曲线等要经过实验教师检查，曲线图必须经剪裁大小合适，粘附在实验报告相应位置上。

6. 应结合具体的实验现象和问题进行讨论，不提倡纯理论的讨论，更不要从其它参考资料中大量抄录。

7. 思考题要有自己理解实验原理后较为详尽的语言表述，可以发挥，有的要画图说明，不能过于简单，不能照抄。

8. 实验报告的分数与报告的篇幅无关。

9. 实验报告页眉上项目如实验时间、实验台号、指导教师、同组学生等不要漏填。

实验一典型环节的模拟研究

一．实验目的

1．通过搭建典型环节模拟电路，熟悉并掌握控制元部件的电路实现方法。

2．熟悉各种典型环节的的阶跃响应。

3．研究参数变化对典型环节阶跃响应的影响。

4．掌握Multisim软件和Matlab软件的使用方法。

二．实验内容及步骤

1．观察比例环节的阶跃响应曲线

比例环节的传递函数为：

比例环节

仿真程序

阶跃响应曲线

K=1

Matlab

1-1-1

K=2

Matlab

1-1-2

K=5

Matlab

1-1-3

图1-1-1

图1-1-2

图1-1-3

2．观察积分环节的阶跃响应曲线

积分环节的传递函数为：

积分环节

仿真程序

阶跃响应曲线

T=1

Matlab

1-2-1

T=0.2

Matlab

1-2-2

T=0.1

Matlab

1-2-3

图1-2-1

图1-2-2

图1-2-3

3．观察比例积分环节的阶跃响应曲线

比例积分环节的传递函数为：

比例积分环节

仿真程序

阶跃响应曲线

K=1；T=1

Matlab

1-3-1

K=1；T=0.2

Matlab

1-3-2

K=1；T=0.1

Matlab

1-3-3

图1-3-1

图1-3-2

图1-3-3

4．观察微分环节的阶跃响应曲线

微分环节的传递函数为：

微分环节

仿真程序

阶跃响应曲线

T=1

Matlab

1-4-1

T=0.2

Matlab

1-4-2

T=0.1

Matlab

1-4-3

图1-4-1

图1-4-2

图1-4-3

5．观察比例微分环节的阶跃响应曲线

比例微分环节的传递函数为：

比例微分环节

仿真程序

阶跃响应曲线

K=1；T=1

Matlab

1-5-1

K=1；T=0.2

Matlab

1-5-2

K=2；T=0.1

Matlab

1-5-3

图1-5-1

图1-5-2

图1-5-3

6．观察比例微分积分环节的阶跃响应曲线

比例微分积分环节的传递函数为：

比例微分积分环节

仿真程序

阶跃响应曲线

Kp=1；Ti=1；Td=1

Matlab

1-6-1

Kp=1；Ti=0.2；Td=1

Matlab

1-6-2

Kp=1；Ti=0.1；Td=1

Matlab

1-6-3

图1-6-1

图1-6-2

图1-6-3

7．观察惯性环节的阶跃响应曲线

惯性环节的传递函数为：

惯性环节

仿真程序

阶跃响应曲线

K=1；T=1

Matlab

1-7-1

K=1；T=0.2

Matlab

1-7-2

K=1；T=0.1

Matlab

1-7-3

图1-7-1

图1-7-2

图1-7-3

三、思考题

1.在图1中比例放大器A1输入端加入阶跃信号，观测A1输出信号和输入信号相反，若想同方向观测比较输出信号和输入信号应采取什么措施？

答：

要想同方向观测比较输出信号和输入信号可以在输入端和输出端其中一个的端口上加上一个反向器。

2.惯性环节什么情况下近似为积分环节？

什么情况下近似为比例环节？

能否通过实验来验证。

答:

当T很大时，惯性环节近似积分环节；当T很小时，近似于比例环节，可以通过实验来验证，在此验证过程中只要将相应的电容和电阻的值改变就能做到。

3.用示波器观察时：

（1）如何调整所观察波形在显示屏上的位置？

根据什么原理？

答：

调节示波器的X轴与Y轴相对应的旋钮；根据的是平移和缩放原理。

（2）如何改变信号在Y轴的大小？

根据什么原理？

答：

在示波器的调节界面可以选中Y轴的缩放便可以Y值得大小，原理是Y值坐标轴的放大或缩小。

（3）如何在X轴方向展开或压缩所观察的信号？

根据什么原理？

答：

在示波器中点击X轴缩放后再点击想缩放的地方；是根据拉伸或压缩局部X轴的原理。

4.如何通过实验测定惯性环节的时间常数？

将测定结果与理论结果比较。

答：

将图连接好后便可以进行试验，在示波器中可以直接读出相应的值，根据相应的公式便可以计算出时间常数的值。

实验二二阶系统特征参数对系统性能的影响

一．实验目的

1．研究二阶系统特征参量（ωn,ξ）对系统性能的影响；

2．研究斜坡输入作用下二阶系统的静态误差。

3.掌握测试过渡过程的一种测试方法。

二．实验内容及步骤

1．观测特征参量ξ对二阶系统性能的影响

二阶振荡环节的传递函数为：

；

，调节R6=200K，100k，50K

固有频率ωn＝12.5；二阶系统阻尼系数ξ＝0.2；ξ＝0.4；ξ＝0.8

输入阶跃信号，观测不同特征参量ξ下输出阶跃响应曲线,并记录曲线的超调量σ%、峰值时间tp以及调节时间ts。

ωn＝12.5

实测阶跃响应曲线

超调量σ%

峰值时间tp

调节时间ts

理论值

实测值

理论值

实测值

理论值

实测值

ξ＝0.2

2-1-1

52.7

50.5

0.26

0.24

1.4

1.35

ξ＝0.4

2-1-2

25

24.5

0.27

0.26

0.7

0.75

ξ＝0.8

2-1-3

1.5

1.4

0.42

0.41

0.35

0.34

图2-1-1

图2-1-2

图2-1-3

2．观测特征参量ωn对二阶系统性能的影响

二阶振荡环节的传递函数为：

，阻尼系数ξ＝0.4：

二阶系统固有频率ωn＝6.25；R5=256K，R6=200K

ωn＝12.5；R5=64K，R6=100K

ωn＝25；R5=16K，R6=50K

输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测不同特征参量ωn下输出阶跃响应曲线,并记录曲线的超调量σ%、峰值时间tp以及调节时间ts。

ξ＝0.4

实测阶跃响应曲线

超调量σ%

峰值时间tp

调节时间ts

理论值

实测值

理论值

实测值

理论值

实测值

ωn＝6.25

2-2-1

25

24.5

0.55

0.57

1.4

1.45

ωn＝12.5

2-2-2

25

24.5

2.7

2.8

0.7

0.72

ωn＝25

2-2-3

25

24.5

1.4

1.5

0.35

0.36

图2-2-1

图2-2-2

图2-2-3

3．观测斜坡输入作用下二阶系统的静态误差

给定的二阶系统模拟电路如图2-3所示：

（1）设置输入信号为“斜波信号”，改变斜坡信号的斜率，观察实验结果。

（2）搭建二阶系统模拟电路：

R4=500K、R5＝64K、R6=500K、C1=2.0μF、C2=1.0μF

（3）输入斜坡信号，通过虚拟示波器观测响应曲线

A．保持斜坡斜率恒定，分别改变R4、R5、R6的阻值，并根据改变后的电路参数计算出相应的开环增益K值，绘制输出波形，观测并记录稳态误差结果。

开环增益K

实测响应曲线

稳态误差ess

斜坡斜率R（t）不变

5

2-3-1

0.23

10

2-3-2

0.12

20

2-3-3

0.06

结论：

斜率一定时，若K增大，则稳态误差减小

图2-3-1

图2-3-2

图2-3-3

B．保持阻值不变即保持开环增益K不变，改变斜波斜率由小增大，绘制不同斜率下输出的波形，观测并记录稳态误差结果。

斜坡斜率R（t）

实测响应曲线

稳态误差ess

开环增益K不变

1

2-4-1

0.04

2

2-4-2

0.11

4

2-4-3

0.21

结论：

开环增益一定时，若斜率减小，则稳态误差减小

图2-4-1

图2-4-2

图2-4-3

三、思考题

1.输入阶跃信号的幅值应如何考虑为最佳？

答：

能很好的读出各种数据，同时能很好的在示波器上观察图像。

2.为什么要同时观察输入阶跃信号和系统输出响应信号？

答：

因为输出响应信号受输入阶跃信号的影响，同时观察两个信号可以进行对比，这样有利于对系统更好的分析。

3.实验线路中如何确保系统是负反馈？

答：

观察系统加入反馈前后的图像，如果加入反馈后系统变得稳定则说明加入的是负反馈，因为只有负反馈才能使系统变得稳定，正反馈只会将系统变得发散。

4.图2-1中A1的输出“OUT1”和“OUT2”有哪些不同？

答：

OUT1是前置的，而OUT2则是输出信号，前面没有惯性环节，没有反馈环节，没有反相器，所以OUT2比OUT1的图像更加的平稳，同时它们的图像是相反的，还有就是OUT2会自己趋于稳定，OUT1的不会，因为二阶系统会自我调控。

5.二阶系统改变增益会发生不稳定现象吗？

答：

会，因为改变增益会改变稳态误差，当稳态误差达到一定值后此系统便失去了稳定的前提，变得不稳定

6.如何测量二阶系统的稳态误差？

答：

稳态误差的本质是理论值与实际值之间的误差，只要读出实际值在和计算出的理论值相比较就可以得出。

7.放大器A1的输入电阻R1设置为100K时有几种方法？