自动控制原理实验指导书.docx

1、自动控制原理实验指导书目 录实验一典型环节的电模拟及阶跃响应分析-1实验二二、三阶系统动态分析-12实验三频率特性测试-12实验四三阶系统串联校正-12实验五采样系统分析-12实验六非线性典型环节与系统-12实验七控制系统数字仿真-12实验八控制系统综合设计-12实验一 典型环节的电模拟及阶跃响应分析一实验目的：1学习典型环节的电模拟方法及参数测试方法。2观察典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对动态特性的影响。3学习虚拟仪器(抵频示波器)的使用方法。4学习使用MATLAB中SIMULINK的使用，进行时域法分析.5了解虚拟实验的使用方法.二实验设备及仪器1模拟实验箱2低频信号发生器3虚拟仪器

2、(低频示波器)4计算机5MATLABL仿真软件三实验内容1比例环节 G(s)=K K=R2/R1从输入端加入阶跃信号，观察不同的比例系数K时的输出波形，并作记录。MATLAB仿真：如图所示连接系统；在simulation/Simulation parameters中将仿真时间(Stop Time )设置为10秒；单击Simulation/Start开始仿真，打开示波器Scope显示仿真结果；改变比例系数K（Gain），观察仿真结果的变化。2积分环节 G(s)=1/TS T=R1*C从输入端加入阶跃信号，观察T=0.1秒、0.5秒时的输出波形，并作记录。MATLAB仿真：如图所示连接系统；与比例

3、环节的步骤（2）相同； 与比例环节的步骤（3）相同；改变时间常数T，观察仿真结果的变化。3惯性环节（一阶系统）G(s)=K/(TS+1) K=R2/R1 T=R2*C 从输入端加入阶跃信号。1 保持K不变，分别观察T=1、2、秒时的输出波形，并作记录；2保持T不变，分别观察K=1、2时的输出波形，并作记录。MATLAB仿真：如图所示连接系统；与比例环节的步骤（2）相同； 与比例环节的步骤（3）相同；保持K不变，分别观察T=1、2、秒时仿真结果的变化。保持T不变，分别观察K=1、2时的仿真结果的变化4震荡环节 G(s)=1/(Ts2S2+2TsS+1) =R1/2R2 其中从输入端加入阶跃信号,

4、 分别观察T=0.1S =0.1, 0.5 0.7 1时的输出波形，并作记录。MATLAB仿真：如图所示连接系统；与比例环节的步骤（2）相同； 与比例环节的步骤（3）相同；观察T=0.1S, =0.1、0.5 、0.7、1时的仿真结果。四实验方法及步骤1, 根据摸拟电路图的要求,在摸拟实验箱上选择实验单元,认真接线.2, 被测信号接到虚拟仪器(抵频示波器)输入端,调试3, 在被测系统输入端加入阶跃信号,观测并记录系统输出波形和有关数据.五实验报告要求实验线路及原始数据，测试数据及波形图。对实验中出现的现象进行讨论，对实验内容3，从绘制的阶跃响应曲线上求出K、T、ts，并将ts与理论计算值进行比

5、较。简单叙述MATLAB仿真软件进行时域法分析的步骤。将两种测算结果进行误差分析。虚拟实验的感受及希望改进的地方。思考题根据实验结果，分析一阶系统Ts与T、K之间的关系。认真思考一般环节的电路摸拟图构成,并找出规律,学会设计简单的环节摸拟图.附：一阶滞后惯性环节的虚拟实验演示进入MATLAB运行环境，将当前工作路径设置为“虚拟实验/炉温系统”；运行main.m程序，出现主窗体（图（a），单击“系统分析”按钮，进入“系统分析”窗体（图（b）；单击“输入系统参数“按钮，进入”系统参数设计“窗体（图（c）；单击“给定参数”按钮，进行系统缺省参数的设置；或在“参数输入”的各文本框中进行系统参数的设置；

6、单击“查看原始系统”，可显示当前系统的SIMULINK模型；单击“退出”，返回“系统分析”窗体。在“系统分析”窗体中，单击各功能按钮，观察当前参数作用下，系统的单位阶跃响应曲线、根轨迹、Bode图、幅值裕量和相角裕量和Nyquist图。改变系统的增益K、时间常数T、延迟时间常数，重复步骤（3）、（4）（5），观察不同的参数作用下，系统的时域、频域响应变化。单击“退出”，返回主窗体。 图(a) 图(b)图(c)实验二二、三阶系统动态分析一实验目的：1学习二、三阶系统的电模拟方法及参数测试方法；2观察二、三阶系统的阶跃响应曲线，了解参数变化对动态特性的影响；3学习虚拟仪器(超抵频示波器)的使用方法

7、；4使用MATLAB仿真软件进行时域法分析；5了解虚拟实验的使用方法。二实验设备及仪器1模拟实验箱；2低频信号发生器；3虚拟仪器(低频示波器)；4计算机；5MATLABL仿真软件。三实验内容1二阶系统 G(s)=k1k2/(T1s+1)(T2s+1) 其中：K1分别为1, 5, 7, 10 K2=1 T1=T2=0.1SK1=K2=1 T1分别为0.01S, 0.1S, 1S 2三阶系统 G(S)=K/(S(0.1S+1)(S+1)其中：K分别为1, 5, 7, 103自行设计系统的模拟电路，并根据时间常数，放大倍数要求选择合适的电阻和电容；4用模拟实验箱，虚拟仪器(低频示波器)组成测试系统；

8、5纪录和观察每个频率点对应的系统输入和输出信号的变化。四实验方法及步骤1请同学根据传函自行设计摸拟电路，参数变动可采用改变电阻或电容方式实现；2在摸拟实验箱上按设计摸拟电路自行接线，并组成测试系统；3输入信号采用阶跃信号，注意记录输出波形和有关数据 (%,k,ts,N,tp)；4使用MATLAB仿真软件，重复上述过程并注意记录输出波形和有关数据。五实验报告要求1请将自己设计的摸拟电路和系统组成图绘出；2请将参数组成的电阻 电容以表格形式列出；3请将记录的波形绘出,测试数据以表格形式列出；4比较两种仿真的结果进行误差分析。附1： MATLAB仿真已知一个二阶系统的传递函数为： 试绘制该系统的单位

9、阶跃响应曲线，并计算系统的性能指标MATLAB程序如下所示：%计算单位阶跃响应的超调量、峰值时间、调节时间（可以选择5%或者2%的误差带）Gc=tf(1.25,1,1,1.25); %系统的传递函数模型step(Gc);y,t=step(Gc);mp,tf=max(y); %系统的最大峰值输出cs=length(t);tm=max(t); %仿真最大时间yss=y(cs); % 系统的稳态输出sigma=100*(mp-yss)/yss %超调量tstp=t(tf); %峰值时间tp%计算调节时间tsi=cs+1;n=0;while n=0 i=i-1; if i=1 n=1; elseif

10、y(i)1.05*yss %选择5%的误差带 n=1; endend;t1=t(i);cs=length(t);j=cs+1;n=0;while n=0 j=j-1; if j=1 n=1; elseif y(j)0.95*yss %选择5%的误差带 n=1; end;endt2=t(j);if t2t2 ts=t1 endelseif t2tp if t2t1 ts=t2 else ts=t1 endend附2：电动机速度/位置控制系统的虚拟实验演示进入MATLAB运行环境，将当前工作路径设置为“虚拟实验/电动机系统”；运行main.m程序，出现主窗体（图（a），单击各按钮进入相应的控制窗体

11、，若单击“闭环速度控制”按钮，进入图（b）所示窗体；单击“电动机参数“部分的“修改”按钮，在文本框中进行电动机参数的重新设置；在“输入信号”或“干扰信号”的列表框中，选择信号类型以及参数最大值的设置，调节滑动条可改变参数大小；保持PID控制参数的缺省设置P=1、I=0、D=0；单击“运行”按钮，在三维虚拟场景和示波器中观察电机转速方向和大小的改变；改变电机参数，输入信号和干扰信号的类型与大小，观察电机转速方向和大小的改变。单击“退出”，返回主窗体。实验三频率特性测试一实验目的1掌握一种频率特性测试方法2根据测试的数据和计算结果绘制波特图3掌握使用MATLAB仿真软件绘制波特图4进一步熟悉仪器使

12、用二实验设备及仪器1模拟实验箱2低频信号发生器3虚拟仪器(低频示波器)4计算机5MATLABL仿真软件三实验内容1被测三阶系统传递函数G(s)= 2请同学自行设计三阶系统(一个惯性环节与一个震荡环节串联)的模拟电路,其中(T1=0.1S T2=0.01S K=5 =0.5.)3请同学用低频信号发生器, 模拟实验箱,虚拟仪器(低频示波器)组成频率特性测试系统(其中低频信号发生器输出为A1,(A1也是三阶系统的输入) 三阶系统输出为A2).4纪录和观察每个频率点对应的系统输入和输出信号的变化.四实验方法及步骤1用低频信号发生器, 模拟实验箱,虚拟仪器(低频示波器)组成频率特性测试系统2低频信号发生

13、器输出频率由低到高,每调整一次记录一次测试数据,特别是两个转折频率点的附近 (低频端, 转折频率点可根据传函确定).3测试数据方法,幅频特性上db可由AI与A2的比求出db=20Lg A1/A2 相频特性的相位点相位值=(T1/T2)*1804测试数据范围可先确定低频端,其次再根据两个转折频率点的位置,选择十到十二个点即可.5使用MATLAB软件仿真记录图形,和上述测试数据点的db和,6用计算方法和实测方法,确定WC和相对应的相位值.五实验报告要求1完整的将自己设计的模拟电路图和频率特性测试系统接线图画出,2将自己测试的数据和计算结果以表格形式列出,并根据计算结果绘制波特图3将自己测试的数据和

14、计算结果和用MATLAB仿真的结果进行比较,误差分析4了解用李蕯育图形频率特性测试法的原理和方法.(使用频率特性测试仪)附：连续系统Bode图的函数bode( )函数命令调用格式：(1) mag,phase,w=bode(num,den)：绘制出以连续时间多项式传递函数表示的系统的Bode图,其中频率范围由函数自动选取，输入变量：num是系统的分子多项式；den是系统的分母多项式。输出变量：mag是系统Bode图的振幅值，可转换为分贝单位：magdb=20log10(mag)；phase是系统Bode图的相位值，单位为度；w是系统Bode图的频率点。(2) mag,pha,w =bode(a,

15、b,c,d)：绘制出连续状态空间系统表示的系统的Bode图。输入变量：连续状态空间系统的a,b,c,d矩阵；输出变量：同上。系统幅值裕量与相位裕量的函数margin( )函数命令调用格式：(1) Gm,Pm,Wcp,Wcg=margin(num,den) ：计算出连续系统传递函数表示的幅值裕度和相角裕度。输入变量：num是系统的分子多项式；den是系统的分母多项式。输出变量：Gm是系统的幅值裕度；Pm是系统的相角裕度；Wcp是Gm对应的角频率；Wcg是Pm对应的角频率；(2)Gm,Pm,Wcp,Wcg=margin(a,b,c,d):计算出连续状态空间系统表示的幅值裕度和相角裕度。输入变量：连

16、续状态空间系统的a,b,c,d矩阵输出变量：同上。（3）Gm,Pm,Wcp,Wcg=margin(amag,phase,w): 由幅值mag、相角phase及角频率w矢量计算出系统幅值裕度和相角裕度。 输入变量：mag是由bode求出的幅值；phase是由bode求出的相位；w是角频率。输出变量：同上。已知一个三阶系统传递函数为：G(s)= 试绘制Bode图并计算系统的幅值裕度和相角裕度。MATLAB程序如下所示：num=10; %系统分子多项式；den1=0.2,1; %惯性环节;den2=0.012,0.014,1; %震荡环节;den=conv(den1,den2); %运用多项式乘积函

17、数conv( ),求出系统的分母多项式;mag,phase,w=bode(num,den); %求出系统在各角频率点w的幅值mag与相位phase;bode(num,den); %绘制Bode图grid on; %绘制网格线 Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(num,den) %计算系统的幅值裕度和相角裕度。实验四三阶系统串联校正一实验目的知道系统开环放大倍数对系统稳定性的影响。根据要求,设计串联矫正环节.并适当地调整控制系统参数。通过对控制系统参数的调整，熟悉控制系统中校正装置的作用二实验设备及仪器1模拟实验箱2虚拟仪器(低频示波器)3计算机4 MATLAB仿真软件三实验内容设一单位

18、反馈系统的结构图如下图所示：其中 k是开环放大倍数，Gc(S)为串联校正环节。当该系统出现近似等幅震荡现象时（既系统出现不稳定现象），试采用下列三种校正方案时，分别以串联的形式加入系统，再测试系统的时域性能指标，是否稳定并加以比较。（要求%T2滞后校正方案（摸拟电路图）用MATLAB仿真软件完成，T2T1滞后超前校正方案（摸拟电路图），用MATLAB仿真软件完成。 ，T1T2 ，T3T4四实验方法及步骤1, Gc(s)=1 观测并记录该系统K=5时的阶跃响应是否稳定,记录波形和有关数据.2, 逐渐增大K值,直到系统出现近似等幅震荡为止,记录Km值.3, 将设计的超前校正环节加入, 观测并记录该

19、系统阶跃响应是否稳定,记录波形和有关数据。4，若系统测试指标不满足要求，则可通过控制参数修改适当调整，（基于频率法）4, 使用MATLAB仿真软件设计滞后校正环节, 滞后-超前校正环节.分别加入该系统观测并记录该系统阶跃响应是否稳定,记录波形和有关数据。重复第4步。五实验报告要求原系统及各校正环节的模拟线路图，（或传递函数），各测试数据及响应曲线。对实验结果加以讨论：3，在开环放大倍数K等于原系统的临界Km情况下，采取哪种校正方案使得系统的动态性能最好？4，在%=25%的情况下，采取哪种校正方案可使系统在斜坡信号作用时，稳态误差最小？实验五采样系统分析一实验目的了解采样开关，零阶保持器的原理及

20、过程。学会环采样系统特性分析。掌握学习用MATLAB仿真软件实现采样系统分析方法。二实验设备及仪器1模拟实验箱2低频信号发生器3虚拟仪器(低频示波器)4计算机5 MATLABL仿真软件三实验内容观察采样开关，零阶保持器工作过程（验证香农定理）。对二阶闭环连续系统和采样系统进行比较。分析无保持器时，二阶闭环采样系统的稳定性、稳态误差、瞬态响应分析。当采样开关位置不同时，分析其脉冲传递函数和瞬态响应的不同。加入零阶保持器以后，系统瞬态响应分析。用MATLAB仿真软件实现采样系统分析。四实验方法及步骤对低频正弦信号进行采样（采样频率应为原信号的两倍以上），观察其输出波形，再加入零阶保持器，观察其输出

21、波形。设计一个二阶闭环连续系统，分别观察加入采样开关前后的阶跃响应。进行分析。改变采样开关在系统内的位置，（输入端，输出端），重复上述内容。在二阶闭环采样系统输出端加入零阶保持器，重复上述内容五实验报告要求各种情况下的模拟线路图，各种测试波形，数据及响应曲线 简单描述香农定理验证情况。简单叙述零阶保持器加入前后系统动态特性变化。实验六典型非线性环节与非线性系统一实验目的了解和掌握典型非线性环节的原理观察和分析典型非线性环节的输出特性了解和掌握典型非线性系统的原理，学会用相轨迹分析非线性系统的瞬间响应和稳态误差了解和掌握相平面法，学会用相平面法分析非线性三阶系统二实验设备及仪器自动控制原理教学模

22、拟机一台双踪示波器或虚拟示波器一台计算机和数字万用表各一台三实验内容典型非线性环节的特性实验（包括继电型、饱和型、死区、间隙）继电型非线性系统实验（包括不带速度和带速度负反馈）继电型非线性三阶系统实验四实验方法及步骤1、典型非线性环节 此实验以运算放大器为基本元件，在输入端和反馈网络中设置相应元件（稳压管、二极管、电阻和电容）组成各种典型非线性的模拟电路。（1）、继电特性：实验电路如下图所示在自动控制原理教学模拟机上按上图搭接好电路，再把模拟电路中的输入Ui和输出U0接至示波器的X轴和Y轴的输入通道，经检查无误后接通电源，然后调节电位器W（即调节输入电压）就可在示波器上观察到继电特性曲线并记录

23、曲线及数据。理想继电特性如下图所示：图中M值等于双向稳压管的稳压值。（2）、饱和特性：模拟实验电路如下图所示在自动控制原理教学模拟机上按上图搭接好电路，再把模拟电路中的输入Ui和输出U0接至示波器的X轴和Y轴的输入通道，经检查无误后接通电源，然后调节电位器W（即调节输入电压）就可在示波器上观察到饱和特性曲线并记录曲线及数据。理想饱和特性如下图所示：在理想饱和特性图中特性饱和值等于稳压管的稳压值，斜率K前一级反馈电阻值与输入电阻值之比，即：K=Rf/R，在实验中可改变Rf的值，即可在示波器上观察到特性曲线的在变化。（3）、死区特性：模拟实验电路如下在模拟机上按上图搭接好电路，再把模拟电路中的输入

24、Ui和输出U0接至示波器的X轴和Y轴的输入通道，其中Ui输入电压电路采用继电特性的输入电压电路，经检查无误后接通电源，然后调节电位器W（即调节输入电压）和Rf的值就可在示波器上观察到不同的饱和特性曲线并记录曲线及数据。死区特性如下图所示：在死区特性图中斜率K的值为：K=Rf/R0 ，死区=R212/30=0.4R2(V)，实际还要考虑二极管的压降值。（4）、间隙特性：模拟实验电路如下在模拟机上按上图搭接好电路，再把模拟电路中的输入Ui和输出U0接至示波器的X轴和Y轴的输入通道，其中Ui输入电压电路采用继电特性的输入电压电路，经检查无误后接通电源，然后调节电位器W（即调节输入电压）和R1、R2、

25、Ci、Cf的值就可在示波器上观察到不同的饱和特性曲线并记录曲线及数据。 间隙特性如下图所示：在间隙特性图中：(OA)= R212/30=0.4R2(V),式中R2的单位为K，特性区线的斜率 tg=CiRf/CfR0,由此可知改变R2和R1可改变间隙特性的宽度，改变Rf/R0或Ci/Cf的比值可调节特性曲线的斜率。2、继电型非线性系统实验（包括不带速度和带速度负反馈）（1）、不带速度负反馈继电型非线性系统，其系统结构图和模拟电路图如下：在模拟机上按上图搭接好电路，再把模拟电路中的输入Ui和输出U0接至示波器的X轴和Y轴的输入通道，经检查无误后接通电源，然后调节电位器W（即调节输入电压），并分别施

26、加及撤去幅值为5V、4V、3V、2V、1V电压时，用示波器观察并记录系统在e-平面上的相轨迹。测量在5V阶跃信号下系统的超调量Mp及振荡次数。（2）、带速度负反馈继电型非线性系统，其系统结构图如下：其模拟电路图为：在模拟机上按上图搭接好电路，再把模拟电路中的输入Ui和输出U0接至示波器的X轴和Y轴的输入通道，经检查无误后接通电源，然后调节电位器W（即调节输入电压），并分别施加及撤去幅值为5V、4V、3V、2V、1V电压时，用示波器观察并记录系统在e-平面上的相轨迹。测量在5V阶跃信号下系统的超调量Mp及振荡次数。综合以上两项实验对实验结果进行分析可得，当继电型非线性系统加上速度负反馈可以减小超

27、调量，即平稳性加大，缩短调节时间，减小振荡次数，系统的快速性得到提高。3、继电型非线性三阶系统实验其系统结构图和模拟电路图如下：在模拟机上按上图搭接好电路，再把模拟电路中的输入Ui和输出U0接至示波器的X轴和Y轴的输入通道，经检查无误后接通电源，然后将信号接入r（t）端，用示波器观察并记录系统在e-平面上的相轨迹。测量自激振荡（极限环）的振幅和周期。根据实验测得的数据和理论算出的结果进行分析比较，并在示波器观察继电型三阶系统的自激振荡，可读出其周期T和振幅Em，也可在实验中适当减小线性部分的增益，就可使线性部分的曲线(G(jw)向右缩小，将与-1/N0(X)线不相交，则自振荡消失，由于线性部分

28、的曲线(G(jw)不再包围-1/N0(X)线，闭环系统能够稳定工作。从示波器上可以看出系统的输出为衰减振荡，自激振荡随着线性部分增益的减小而消失。实验七控制系统数字仿真实验八控制系统综合设计项目一步进电机综合控制一实验目的：1巩固开环控制系统的有关知识； 2加深对步进电机工作原理的理解； 3学习步进电机控制系统的硬件设计方法；4掌握步进电机的速度调节和方向控制等技术；5进一步加强控制软件设计能力。6了解和学习工程软件设计规范。二实验项目：1控制步进电机的运转速度；2控制步进电机的旋转方向；3控制步进电机的旋转角度；三预习要点：概念：开环控制系统，步进电机，错齿，步距角，驱动节拍，电机正反转方向。判断：步进电机由驱动脉冲按节拍驱动，速度由脉冲变化速率控制，方向由脉冲顺序控制，一个有效脉冲产生一个步距的移动。推理：需限制驱动脉冲的最高变化速率，步进电机转角可用步数确定。相关知识点：计算机控制技术基础；MASM编程方法；工程化程序设计规范。四实验说明：本实验中采用的步进电机为4相步进电机，此步进电机参数为：Pe=5W，Ue=12V，Ie=0.6A，aps=1.8o/step，max=0.5/s。控制脉冲可采用4相单4拍、4相双4拍、4相8拍方式，相应的脉冲分配表见附表13。步进电机的转速由脉冲变换速度控