《自动控制原理》实验指导书

1、自动控制原理实验指导书池州学院机械与电子工程系目 录实验一、典型线性环节的模拟1实验二、二阶系统的阶跃响应5实验三、根轨迹实验8实验四、频率特性实验11实验五、控制系统设计与校正实验16实验六、控制系统设计与校正计算机仿真实验18实验七、采样控制系统实验20实验八、典型非线性环节模拟22实验九、非线性控制系统分析25实验十、非线性系统的相平面法28实验一、典型线性环节的模拟一、实验目的：1、学习典型线性环节的模拟方法。2、研究电阻、电容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。二、实验设备：1、XMN-2型实验箱；2、LZ2系列函数记录仪；3、万用表。三、实验内容：1、比例环节： 方块图 模拟电路图中

2、：分别求取Ri=1M，Rf=510K，（KP=0.5）；Ri=1M，Rf=1M，（KP=1）；Ri=510K，Rf=1M，（KP=2）；时的阶跃响应曲线。2、积分环节： 方块图 模拟电路图中：Ti=RiCf分别求取Ri=1M，Cf=1m，（Ti=1s）；Ri=1M，Cf=4.7m，（Ti=4.7s）；）；Ri=1M，Cf=10m，（Ti=10.0s）；时的阶跃响应曲线。3、比例积分环节： 方块图 模拟电路图中：；Ti=RfCf分别求取Ri=Rf=1M，Cf=4.7m，（KP=1，Ti=4.7s）；Ri=Rf=1M，Cf=10m，（KP=1，Ti=10s）；Ri=2M， Rf=1M，Cf=4.7

3、m，（KP=0.5，Ti=4.7s）；时的阶跃响应曲线。4、比例微分环节： 方块图 模拟电路图中：；Tf=R2C分别求取Ri=Rf=R1=R2=1M，C=2m，（KP=2，Td=3.0s）；Ri=2M，Rf=R1=R2=1M，Cf=2m，（KP=1，Td=3.0s）；Ri=2M， Rf=R1=R2=1M，Cf=4.7m，（KP=1，Td=7.05s）；时的阶跃响应曲线。5、比例积分微分环节： 方块图 模拟电路图中：+；Ti=(Rf+R1)Cf+(R1+R2)C；Tf=R2C求取Ri=4M，Rf=R1=R2=1M，C=Cf=4.7m，（KP=1，Ti=18.8s，Td=3.525s）时的阶跃响应

4、曲线。6、一阶惯性环节： 方块图 模拟电路图中：；T=RfCf分别求取Ri=Rf=1M，Cf=1m，（K=1，T=1s）；Ri=Rf=1M，Cf=4.7m，（K=1，T=4.7s）；Ri=510K，Rf=1M，Cf=4.7m，（K=2，T=4.7s）；时的阶跃响应曲线。四、实验结果记录上述实验曲线。五、实验结果分析1、对给定的电路结构和参数计算阶跃响应；2、将实验结果与计算结果对照，对实验的满意度进行分析；3、根据电路参数分析计算系统响应，与实验数据对照分析测试误差原因；4、提高精度的方法和措施（或建议）； 5、实验体会。六、思考题1、设计一个能满足e1+e2+e3=e运算关系的实用加法器；2

5、、一阶惯性环节在什么条件下可视为积分环节；在什么条件可视为比例环节？3、如何设置必要的约束条件，使比例微分环节、比例积分微分环节的参数计算工作得以简化？实验二、二阶系统的阶跃响应一、实验目的：1、学习二阶系统阶跃响应曲线的实验测试方法。2、研究二阶系统的两个重要参数x、wn对阶跃瞬态响应指标的影响。二、实验设备：1、XMN-2型实验箱；2、LZ2系列函数记录仪；3、万用表。三、实验内容：典型二阶系统方块图 典型二阶系统方块图其闭环传递函数wn无阻尼自然频率；x阻尼比；T=时间常数模拟电路运算放大器的运算功能：（op1）积分；（op2）积分；（op9）反相（-1）；（op6）反相比例；（rad/

6、s）；1、调整Rf=40K，使K=0.4（x=0.2）；取R=1M，C=0.47m，使T=0.47秒（wn=1/0.47），加入单位阶跃扰动r(t)=1(t)V，记录响应曲线c(t)，记作。2、保持x=0.2不变，阶跃扰动r(t)=1(t)V不变，取R=1M，C=1.47m，使T=1.47秒（wn=1/1.47），加入单位阶跃扰动r(t)=1(t)V，记录响应曲线c(t)，记作。3、保持x=0.2不变，阶跃扰动r(t)=1(t)V不变，取R=1M，C=1.0m，使T=1.0秒（wn=1/1.0），加入单位阶跃扰动r(t)=1(t)V，记录响应曲线c(t)，记作。4、保持wn=1/1.0不变，阶

7、跃扰动r(t)=1(t)V不变，调整Rf=80K，使K=0.8秒（x=0.4），记录响应曲线c(t)，记作。5、保持wn=1/1.0不变，阶跃扰动r(t)=1(t)V不变，调整Rf=200K，使K=2.0秒（x=1.0），记录响应曲线c(t)，记作。四、实验结果记录上述实验曲线。五、实验结果分析1、根据电路的结构和参数计算阶跃响应；2、将实验结果与计算结果对照，对实验的满意度进行分析；3、根据电路参数分析计算系统响应，与实验数据对照分析测试误差原因；4、提高精度的方法和措施（或建议）； 5、实验体会。六、思考题1、设计一个能满足e1+e2+e3=e运算关系的实用加法器；2、一阶惯性环节在什么条

8、件下可视为积分环节；在什么条件可视为比例环节？3、如何设置必要的约束条件，使比例微分环节、比例积分微分环节的参数计算工作得以简化？实验三、根轨迹实验一、实验目的：1、掌握根轨迹的意义；2、掌握控制系统根轨迹的绘制方法。二、实验设备：1、计算机；2、数据采集卡；3、MATLAB软件。三、实验内容：1、预备知识MATLAB绘制根轨迹命令；建立数学模型参数矩阵：numerator=b0,b1,b2,bm； denominator=a0,a1,a2,an；zeropoint=z1,z2,zm；poles=p1,p2,pn；k=k；系统传递函数：system=tf(numerator, denomina

9、tor)=zpk(z,p,k)；绘制开环系统的零极点图：z,p=pzmap(system)=pzmap(numerator, denominator)=pzmap(p,z)；绘制闭环根轨迹命令：r,k=rlocus(system)=rlocus(numerator, denominator)= rlocus(numerator, denominator,k)；确定给定一组根的根轨迹增益命令：k,poles=rlocfind(system)= rlocfind(system,p)=rlocfind(numerator, denominator)；2、根据实际物理系统建立数学模型；设数学模型为3、

10、改变系统参数绘制系统根轨迹；输入系统参数：w=wn=1；b=z=0.5；建立数学模型：numerator=wn；denominator=1,2*z*wn,1；G=tf(numerator, denominator)；则G(s)=4、绘制系统根轨迹，输入命令：rlocus(G)5、微分二阶系统的根轨迹输入系统参数：w=wn=2；b=z=0.5；建立数学模型：number=2，1；den=4，5，6；G=tf(number,den)；则输入命令：rlocus(G) ，制系统根轨迹；6、针对作业题绘制根轨迹7、记录根轨迹图例：绘制单位反馈控制系统的根轨迹。输入命令：a=2,1;b=4,5,6;g=t

11、f(a,b);rlocus(g);则绘制出的根轨迹如下图所示。试绘制如下系统的根轨迹。1、 2、3、4、四、实验结果记录上述实验曲线。五、实验结果分析1、根据数学模型和根轨迹绘制规则分析计算概略根轨迹，与计算机绘制的根轨迹对照，分析误差原因； 2、对实验结果的满意度进行分析；3、提高精度的方法和措施（或建议）； 4、实验体会。六、实验结果分析1、给定物理系统对象，即可建立数学模型；2、只要有系统数学模型，即可绘制系统根轨迹；3、根据系统根轨迹可分析系统的稳定性及系统性能指标。实验四、频率特性实验一、实验目的：1、学习频率特性的实验方测定法；2、掌握根据频率响应实验结果绘制bode图方法；3、根

12、据实验结果所绘制的Bode图，分析系统的主要动态特性（Mp，ts）。二、实验设备：1、XMN-2型自动控制原理实验箱；2、LZ3系列函数记录仪；3、DX5型超低频信号发生器；4、万用表。三、实验内容：典型二阶系统方块图 典型二阶系统方块图其闭环传递函数wn无阻尼自然频率；x阻尼比；T=时间常数闭环频率特性其中：（rad/s）模拟电路图运算放大器的运算功能：（op1）积分；（op2）积分；（op9）反相（-1）；（op6）反相比例；（rad/s）；1、选定R、C、Rf值，使wn =1；z=0.2；2、使用XD5型超低频信号发生器产生正弦波输入信号r(t)=Sinwt稳态时其响应c(t)=Ysin

13、(wt+j)；3、改变输入信号频率，使w=0.2，0.4，0.6，0.8，0.9，1.0，1.2，1.4，1.6，2.0，3.0rad/s；用函数记录仪测量输入r(t)和输出c(t)。记录曲线序号依次记作，记录曲线序号f(Hz)w(rad/s)A(w)L(w)(dB)j(w)(deg)4、根据上述表格所整理的实验数据，在半对数坐标纸上绘制bode图，标出Mr，wr。5、根据所绘制的bode图分析二阶系统的主要瞬态响应指标标出Mp，ts。6、改变二阶系统的wn值或z值，重复上述步骤3，4，5，6。四、绘制系统的频率特性在MATLAB环境下建立开环系统的数学模型，同系统根轨迹。在MATLAB环境下

14、绘制开环系统的频率特性。1、绘制连续系统的幅相(Nyquist曲线)频率特性曲线。re,im,w=nyquist(system)= nyquist(num,den)= nyquist(system,w)= nyquist(num,den,w)绘制坐标网格线命令：grid on去除坐标网格线命令：grid off2、绘制连续系统的对数(Bode图)频率特性曲线。mag,phrase,w=bode(system)=bode(num,den)= bode(system,w)= bode(num,den,w)绘制对数坐标网格线命令：grid on去除坐标网格线命令：grid off3、绘制连续系统的尼

15、柯尔斯(Nichols图)频率特性曲线。mag,phrase,w=nichols(system)= nichols(num,den)= nichols(system,w)= nichols(num,den,w)绘制Nichols曲线网格线命令：ngrid on4、在对数(Bode图)频率特性曲线上求增益裕量和相位裕量。 gm,pm,wcp,wcg=margin(system)= margin(num,den)= margin(mag,phrase,w)5、结合作业题绘制系统的频率特性。7、记录系统的频率特性（Nyquist曲线，Bode图）例：绘制单位反馈控制系统的开环幅相频率特性和对数频率特性。输入命令：a=2,1;b=4,5,6;g=tf(a,b);nyquist(g);则绘制出的开环幅相频率特性如下图所示。输入命令：a=2,1;b=4,5,6;g=tf(a,b);bode(g