北航自动控制原理实验报告

班级：学号：姓名：

自 动 控 制 原 理 实 验 报 告 册

2010年1月2日

1

目 录

实验一 一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试 . 3

实验二 实验三 频率响应测试 ............................... 8

控制系统串联校正 .......................... 18

2

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时的阶跃响应曲线，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

比时的阶跃响应曲线，并测定其超调量及过渡过程时间。

三、实验原理

1．一阶系统： 系统传递函数为：φ(s)=

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Ts 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Ts

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 R2 C TS 实测 TS 理论 阶跃响应曲线

0.25 0.25MΩ 1μ 0.7930 0.7473 图1.1

0.50 0.5MΩ 1μ 1.5160 1.4962 图1.2

1.00 1MΩ 1μ 3.1050 2.9927 图1.3

图1.1

图1.2 图1.3

误差计算与分析 （1）当T=0.25时，误差=（2）当T=0.5时，误差=（3）当T=1时，误差=

=6.12%； =1.32%； =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

自动控制原理实验报告

成绩

北 京 航 空 航 天 大 学

自动控制原理实验报告

实验六 状态反馈与状态观测器

实验时间2015.6.2实验编号11同组同学无 一、 实验目的

1.掌握用状态反馈进行极点配置的方法。 2.了解带有状态观测器的状态反馈系统。

二、 实验原理

1.闭环系统的动态性能与系统的特征根密切相关，在状态空间的分析中可利用状态反馈来配置系统的闭环极点。这种校正手段能提供更多的校正信息，在形成最优控制率、抑制或消除扰动影响、实现系统解耦等方面获得广泛应用。在改善与提高系统性能时不增加系统零、极点，所以不改变系统阶数，实现方便。

2.已知线形定常系统的状态方程为

自动控制原理实验报告

??Ax?Buxy?cx

为了实现状态反馈，需要状态变量的测量值，而在工程中，并不是状态变量

都能测量到，而一般只有输出可测，因此希望利用系统的输入输出量构成对系统状态变量的估计。解决的方法是用计算机构成一个与实际系统具有同样动态方程

?(t)作为系统状态向量x(t)的估值。 的模拟系统，用模拟系统的状态向量x状态观测器的状态和原系统的状态之间存在着误差，而引起误差的原因之一

?(t)?y(t)的反馈是无法使状态观测器的初态等于原系统的初态。引进输出误差

自动控制原理实验报告

成绩

北 京 航 空 航 天 大 学

自动控制原理实验报告

实验六 状态反馈与状态观测器

实验时间2015.6.2实验编号11同组同学无 一、 实验目的

1.掌握用状态反馈进行极点配置的方法。 2.了解带有状态观测器的状态反馈系统。

二、 实验原理

1.闭环系统的动态性能与系统的特征根密切相关，在状态空间的分析中可利用状态反馈来配置系统的闭环极点。这种校正手段能提供更多的校正信息，在形成最优控制率、抑制或消除扰动影响、实现系统解耦等方面获得广泛应用。在改善与提高系统性能时不增加系统零、极点，所以不改变系统阶数，实现方便。

2.已知线形定常系统的状态方程为

自动控制原理实验报告

??Ax?Buxy?cx

为了实现状态反馈，需要状态变量的测量值，而在工程中，并不是状态变量

都能测量到，而一般只有输出可测，因此希望利用系统的输入输出量构成对系统状态变量的估计。解决的方法是用计算机构成一个与实际系统具有同样动态方程

?(t)作为系统状态向量x(t)的估值。 的模拟系统，用模拟系统的状态向量x状态观测器的状态和原系统的状态之间存在着误差，而引起误差的原因之一

?(t)?y(t)的反馈是无法使状态观测器的初态等于原系统的初态。引进输出误差

《自控控制原理》实验报告

《自动控制原理》

实验报告

姓名：

学号： 班级： 11电气1班 专业： 电气工程及其自动化 学院： 电气与信息工程学院

2013年12月

1 / 50

《自控控制原理》实验报告

目 录

实验一、典型环节的模拟研究 实验二、二阶系统的阶跃响应分析 实验三、线性系统的稳态误差分析 实验四、线性系统的频率响应分析

2 / 50

《自控控制原理》实验报告

实验一 典型环节的模拟研究

1.1 实验目的

1、熟悉并掌握TD-ACS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曲线和实际阶跃响应曲

信 控 学 院 上 机 实 验

实 验 报 告

课程 自动控制原理 实验日期 年 月 日

专业班级 测控1201班 姓名 XXXX 学号 XXXXX同组人

实验名称系统的能控性与能观测性分析及状态反馈极点配置

批阅教师签字

一、实验目的

1、学习掌握MATLAB控制工具箱中的基本命令的操作方法； 2、加深理解能观测性、能控性等观念；

3、掌握状态反馈系统的极点配置方法，研究不同配置对系统

动态特性的影响。

二、实验内容

1、学习掌握MATLAB控制工具箱中的基本命令的操作方法，特别是数学模型的描述。（自选控制对象模型，应用以下命令，并写出结果） 1） step, damp, pzmap, rlocus, rlocfind, bode, margin,

nyquist；

2） tf2ss, ss2tf, tf2zp, zp2ss； 3） ss2ss, jordan, canon, eig。 2、能控性、能观测性分析

（a）了解以下命令的功能；自选对象模型，进行运算，并写出结果。

自动控制原理 实验报告

学院： 电子信息工程学院 班级：

自动化1305

肖书文 13212163

组员：

龚成贵 13212005

张丹 13212168

2015年1月3日

实验一典型环节及其阶跃响应

一、 实验目的

1. 掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。 2. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法。

二、实验仪器

1．自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台

三、实验原理

1．模拟实验的基本原理：

①控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。

②再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。

③若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影

1

响。

四、实验内容

构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：

1. 比例环节的模拟电路及其传递函数。

G(s)?R2R12. 惯性环节的模拟电路及其传递函数。 G(s)??KTs?1(K?R2

R,T?R2C)13. 积分环节的模拟电路及传递函数。

自动控制原理 实验报告

学院： 电子信息工程学院 班级：

自动化1305

肖书文 13212163

组员：

龚成贵 13212005

张丹 13212168

2015年1月3日

实验一典型环节及其阶跃响应

一、 实验目的

1. 掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。 2. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法。

二、实验仪器

1．自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台

三、实验原理

1．模拟实验的基本原理：

①控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。

②再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。

③若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影

1

响。

四、实验内容

构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：

1. 比例环节的模拟电路及其传递函数。

G(s)?R2R12. 惯性环节的模拟电路及其传递函数。 G(s)??KTs?1(K?R2

R,T?R2C)13. 积分环节的模拟电路及传递函数。

3.2 线性控制系统的频域分析实验报告

3.2.1 一阶惯性环节的频率特性曲线

一．实验要求

了解和掌握对数幅频曲线和相频曲线（波德图）、幅相曲线（奈奎斯特图）的构造及绘制方法。

二．实验内容及步骤

本实验用于观察和分析一阶惯性环节的频率特性曲线。

频域分析法是应用频率特性研究线性系统的一种经典方法。它以控制系统的频率特性作为数学模型，以波德图或其他图表作为分析工具，来研究和分析控制系统的动态性能与稳态性能。

本实验将数/模转换器（B2）单元作为信号发生器，实验开始后，将按‘频率特性扫描点设置’表规定的频率值，按序自动产生多种频率信号，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闭环对数幅值和相位，数据经相关运算后在虚拟示波器中显示。

惯性环节的频率特性测试电路见图3-2-1。

图3-2-1 惯性环节的频率特性测试电路

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：按图3-2-1安置短路套及测孔联线，表如下。 （a）安置短路套 （b）测孔联线

1 信号输入 B2（OUT2）→A3（H1） 模块号 跨

实验五 线性系统的时域分析

一、实验目的

1、学会使用MATLAB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 、 对系统阶跃响应的影响

3、掌握系统动态性能指标的获得方法及参数对系统动态性能的影响。

二、 实验设备

Pc机一台，MATLAB软件。

三、实验举例

已知二阶控制系统：C（s)/R(s）=10/[s2+2s+10]

求：系统的特征根? 、wn 系统的单位阶跃响应曲线

解：1、求该系统的特征根

若已知系统的特征多项式D()，利用roots()函数可以求其特征根。若已知系统的传递函数，可以利用eig()函数直接求出系统的特征根。

在MATLAB命令窗口提示符下键入： （符号 表示回车） num=[10] 分子多项式系数 den=[1 2 10] 分母多项式系数 sys=tf（num，den）； 建立控制系统的传递函数模型 eig（sys） 求出系统的特征根

屏幕显示得到系统的特征根为：

ans = -1.0000 + 3.000