第一篇：工商自控原理實(shí)驗(yàn)考試題

工商自控原理實(shí)驗(yàn)考試題

要求：寫出每個題目的程序清單和運(yùn)行結(jié)果，按照題目要求分析結(jié)果。1 已知系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：?(s)?3s?2，將此傳遞函數(shù)在Matlab中(s?5)(s?3)(s?1)

表示成零極點(diǎn)的形式和一般形式、部分分式形式。

2已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

Gk(s)?Kg

ss?22

繪制系統(tǒng)開環(huán)零、極圖和根軌跡圖，并分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G0(s)?4s?1 2s(s?1)(2s?1)

繪制系統(tǒng)的Nyquist圖，利用Nyquist穩(wěn)定判據(jù)判斷該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4在Matlab中畫出在不同阻尼系數(shù)?（0，0.2，0.4，0.6，0.8，1）下，典型二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，分析系統(tǒng)參數(shù)對階躍響應(yīng)的影響。

第二篇：自控原理實(shí)驗(yàn)教案

自動控制原理實(shí)驗(yàn)教案

王曉明

遼寧科技大學(xué)電信學(xué)院

實(shí) 驗(yàn) 要 求

1.實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)： 實(shí)驗(yàn)前必須認(rèn)真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書及其相關(guān)的理論知識，作好充分準(zhǔn)備。對于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生必須在實(shí)驗(yàn)前拿出設(shè)計(jì)方案，以其達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，寫出預(yù)習(xí)報告。讓指導(dǎo)老師檢查合格的方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2.實(shí)驗(yàn)進(jìn)行： 學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，要保持室內(nèi)整潔安靜。按照預(yù)習(xí)報告進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中需要改接線的，應(yīng)關(guān)掉電源后才能拆、接線。實(shí)驗(yàn)時應(yīng)注意觀察，若發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象，應(yīng)立即關(guān)掉電源，保持現(xiàn)場并報告指導(dǎo)老師處理。

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)： 實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，認(rèn)真記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果、數(shù)據(jù)、波形。所記錄的實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)指導(dǎo)老師審閱后再拆除實(shí)驗(yàn)線路。

4.實(shí)驗(yàn)報告： 要求學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報告，不許抄襲或請人代勞。報告內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)電路圖、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及仿真曲線、實(shí)驗(yàn)思考題等。要求文字書寫整齊清潔。

5.未盡事項(xiàng)由實(shí)驗(yàn)教師和認(rèn)課教師協(xié)商決定。

目 錄

實(shí)驗(yàn)一 線性定常系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)?????????????????3 實(shí)驗(yàn)二 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析???????????????????6 實(shí)驗(yàn)三 根軌跡法????????????????????????10 實(shí)驗(yàn)四 典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)頻率特性的測量??????????????13 實(shí)驗(yàn)五 串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)???????????????????16 實(shí)驗(yàn)六 離散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)???????????????????24 實(shí)驗(yàn)七 典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性????????????????27 實(shí)驗(yàn)八 PID的控制作用?????????????????????31 附 錄 硬件的組成及原理????????????????????33

實(shí)驗(yàn)一 線性定常系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1、掌握線性定常系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的測試方法；

2、研究線性定常系統(tǒng)的參數(shù)對其動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1、THBCC-1型 信號與系統(tǒng)·控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺

2、PC機(jī)1臺(含上位機(jī)軟件)USB通信線1根

3、MATLAB軟件

4、萬用表1只

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1、觀測一階、二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，并測出（或計(jì)算出）其上升時間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間；

2、改變一階系統(tǒng)的時間常數(shù)，測出（或計(jì)算出）其上升時間和調(diào)節(jié)時間；

13、調(diào)節(jié)二階系統(tǒng)的開環(huán)增益K，使系統(tǒng)的阻尼比ζ=，測出（或計(jì)算出）

2此時系統(tǒng)的上升時間、超調(diào)量和調(diào)整時間；

4、二階系統(tǒng)的開環(huán)增益K固定，調(diào)節(jié)二階系統(tǒng)的時間常數(shù)，分別使二階系統(tǒng)的ζ=0，0<ζ<1，ζ＝1和ζ>1，測出（或計(jì)算出）此時系統(tǒng)的上升時間、超調(diào)量和調(diào)整時間。

四、實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)是研究一階、二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。

一階系統(tǒng)（閉環(huán)）的傳遞函數(shù)為： G(s)?Ts?

1圖1-1一階系統(tǒng)模擬電路圖

K=R2=1 T=R2C R1=R2=100K C=10?f R0=200K R1 改變R2、R1、C的值就可改變K、T的值。二階系統(tǒng)（單位反饋）的開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)?Ks(Ts?1)

Wn2KC(S)1閉環(huán)傳遞函數(shù)：W（S）==2W== ?nT1T2RCR(S)S?2?WnS?Wn2??

12T2R? R=R1=R2=100K C=10?f K1K22Rx圖1-2 二階系統(tǒng)方框圖

圖1-3 二階系統(tǒng)模擬電路圖

(a)欠阻尼(0

五、實(shí)驗(yàn)步驟

根據(jù)上圖，選擇實(shí)驗(yàn)臺上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建模擬電路。

1.?n值一定時，圖1-3中取C=1uF，R=100K(此時?n?10)，Rx阻值可調(diào)范圍為0～470K。系統(tǒng)輸入一單位階躍信號，在下列幾種情況下，用上位軟件觀測并記錄不同?值時的實(shí)驗(yàn)曲線。

1.1當(dāng)可調(diào)電位器RX=250K時，?=0.2，系統(tǒng)處于欠阻尼狀態(tài)，其超調(diào)量 為53%左右；

1.2若可調(diào)電位器RX=70.7K時，?=0.707，系統(tǒng)處于欠阻尼狀態(tài)，其超調(diào)量為4.3%左右；

1.3若可調(diào)電位器RX=50K時，?=1，系統(tǒng)處于臨界阻尼狀態(tài);1.4若可調(diào)電位器RX=25K時，?=2，系統(tǒng)處于過阻尼狀態(tài)。

2.?值一定時，圖1-3中取R=100K，RX=250K(此時?=0.2)。系統(tǒng)輸入一單位階躍信號，在下列幾種情況下，用上位軟件觀測并記錄不同?n值時的實(shí)驗(yàn)曲線。

2.1若取C=10uF時，?n?1 2.2若取C=0.1uF時，?n?100

六、實(shí)驗(yàn)報告要求

1、根據(jù)題目要求，畫出一階、二階線性定常系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)電路圖，寫出它們的閉環(huán)傳遞函數(shù)，并標(biāo)明電路中的各參數(shù)。

2、根據(jù)測得的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線，分析開環(huán)增益K和時間常數(shù)T對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。

3、設(shè)計(jì)一個一階線性定常閉環(huán)系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)的階躍輸入響應(yīng)確定該系統(tǒng)的時間常數(shù)。

七、實(shí)驗(yàn)思考題

1、如果階躍輸入信號的幅值過大，會在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生什么后果？

2、在電路模擬系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋和單位負(fù)反饋？

3、為什么本實(shí)驗(yàn)中一階系統(tǒng)對階躍輸入信號的穩(wěn)態(tài)誤差不為零？二階系統(tǒng)對階躍輸入信號的穩(wěn)態(tài)誤差都為零？

注意：Ui輸入一個單位階躍信號，用電壓表調(diào)單位階躍；地與穩(wěn)壓電源的地短接。輸出可調(diào)電阻用面板上的可調(diào)電位器0-470K調(diào)節(jié)。點(diǎn)時間軸自動彈出時間軸放大?按住鼠標(biāo)左鍵向右移動可放大圖象示波器，波形復(fù)制→WORD文檔粘貼。

實(shí)驗(yàn)二

控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1、通過觀察三階系統(tǒng)在單位階躍信號作用下的動態(tài)特性，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并定量了解放大倍數(shù)和時間常數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

2、研究二階欠阻尼系統(tǒng)的暫態(tài)特性。

3、研究測速反饋二階系統(tǒng)的暫態(tài)特性。

4、掌握MATLAB中SIMULINK 的使用方法。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1、PC機(jī)及MATLAB平臺

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1、研究三階系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。連接系統(tǒng), 如圖所示:

2、研究二階欠阻尼加零點(diǎn)系統(tǒng)的動態(tài)特性

連接系統(tǒng)，如圖所示:

說明：在命令空間中plot(t,y)可實(shí)時記錄曲線圖，背景為白色。然后拷貝到word文檔粘貼。To work 改成陣列形式。

Math operations(數(shù)學(xué)運(yùn)算)：sources信號源clock時鐘step階躍sinks 接收器scope示波器gain增益sum 求和continuous連續(xù)transfer fan 分子分母形式的傳函。加時鐘t→y 表示點(diǎn)對點(diǎn)即一個時間嚴(yán)格y值，可在word文檔中粘貼的，save format→array點(diǎn)陣形式。

3、掌握測速反饋對二階系統(tǒng)動態(tài)性能的影響

連接系統(tǒng), 如圖所示:

旋轉(zhuǎn)指令format可將方框圖旋轉(zhuǎn)，反饋回路接

四、實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)是研究三階系統(tǒng)穩(wěn)定性問題和二階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。1.三階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)?K3K1K2

T1s?1T2s?1T3s?1du和放大器，方向向左←。dt研究改變放大系數(shù)和時間常數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，最后得出放大系數(shù)和時間常數(shù)之間的關(guān)系。

Ts?12．二階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)2，研究二階系統(tǒng)加零點(diǎn)對系統(tǒng)

s?s?1性能的影響，特別是改變時間常數(shù)T對系統(tǒng)性能的影響。

K3．二階系統(tǒng)速度反饋前，內(nèi)環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)?2，速度反饋環(huán)

s?TsGf(s)?K1s，節(jié)的傳遞函數(shù)為：研究速度反饋對二階系統(tǒng)性能的影響，設(shè)K?

1、T?1，試確定??0、0???

1、??1時，K1的取值范圍。

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1、利用MATLAB平臺搭建一個單位反饋的三階系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)?K3K1K2，固定K1、K2、K3、T1、T2、T3六個參數(shù)中的五T1s?1T2s?1T3s?1個參數(shù)，例如：K2=

2、K3=

3、T1=

2、T2=

5、T3=6，改變K1，當(dāng)系統(tǒng)加階躍輸入時，觀察輸出波形，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2、利用MATLAB平臺搭建一個單位反饋二階欠阻尼加零點(diǎn)的系統(tǒng)，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)Ts?1，分別設(shè)定T?0（無零點(diǎn)）和T?0（有零點(diǎn)）時，2s?s?1觀察其單位階躍響應(yīng)曲線，并計(jì)算其上升時間、超調(diào)量和調(diào)整時間。

3、利用MATLAB平臺搭建一個帶速度反饋的二階系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)?K，速度反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：Gf(s)?K1s，研究T?

1、K?1，s2?Ts當(dāng)改變K1數(shù)值時，觀察其單位階躍響應(yīng)曲線，并計(jì)算其上升時間、超調(diào)量和調(diào)整時間。

六、實(shí)驗(yàn)報告要求

1、根據(jù)題目要求，利用MATLAB畫出三階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)加零點(diǎn)及二階系統(tǒng)帶速度反饋的系統(tǒng)圖，并寫出它們的閉環(huán)傳遞函數(shù)。

2、根據(jù)測得的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線，分析三階系統(tǒng)各環(huán)節(jié)開環(huán)增益K和時間常數(shù)T對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

3、根據(jù)測得的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線，比較二階欠阻尼系統(tǒng)有零點(diǎn)和無零點(diǎn)的性能指標(biāo)。

4、根據(jù)測得的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線，比較二階系統(tǒng)有速度反饋和無速度反饋的性能指標(biāo)。

七、實(shí)驗(yàn)思考題

1、三階系統(tǒng)穩(wěn)定時，各環(huán)節(jié)放大倍數(shù)、時間常數(shù)的關(guān)系表達(dá)式？

2、二階系統(tǒng)加零點(diǎn)對系統(tǒng)的動態(tài)性能有何影響？

3、二階系統(tǒng)加速度反饋對系統(tǒng)的阻尼比有何影響？

實(shí)驗(yàn)三

根軌跡法

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1、通過根軌跡圖的繪制，對典型根軌跡圖進(jìn)行分析及利用根軌跡法對控制系 統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2、了解典型根軌跡圖的繪制。

3、掌握MATLAB中根軌跡圖繪制方法。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1、THBCC-1型信號與系統(tǒng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺

2、PC機(jī)1臺(含上位機(jī)軟件)37針通信線1根

3、萬用表1只

4、PC機(jī)及MATLAB平臺

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1、已知負(fù)反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?的根軌跡圖。

2、已知單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?下列兩種情形的根軌跡圖。

? 繪制負(fù)反饋控制系統(tǒng)的根軌跡圖。? 繪制正反饋控制系統(tǒng)的根軌跡圖。

四、實(shí)驗(yàn)原理

1、利用改變系統(tǒng)的根軌跡放大倍數(shù)，研究系統(tǒng)閉環(huán)性能及系統(tǒng)閉環(huán)的穩(wěn)定性。

2、繪制負(fù)反饋系統(tǒng)的根軌跡圖。

3、繪制正反饋系統(tǒng)的根軌跡圖。

4、研究改變根軌跡放大系數(shù)對系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響。

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1、繪制系統(tǒng)的根軌跡圖，程序代碼如下：

＞＞den=conv（[1，0]，conv（[1 2.73]，[1 2 2]））；分母多項(xiàng)式 G=tf（1，den）； rlocus（G）；畫根軌跡

K，試作系統(tǒng)

s(s?2.73)(s2?2s?2)K(s?2)，試畫出2s(s?4)(s?8)(s?2s?5)axis（[-4 2 –3 3]）；估計(jì)根軌跡圖的范圍設(shè)定 set（findobj（‘marker’，‘x’），‘markersize’，8）； set（findobj（‘marker’，‘x’），‘linewidth’，1.5）； 運(yùn)行該程序即可得到系統(tǒng)的根軌跡圖。

2、繪制負(fù)反饋控制系統(tǒng)的根軌跡圖，程序代碼如下： ＞＞num=[1 2]；

den1=conv（[1 0]，[1 4]）； den2=conv（[1 8]，[1 2 5]）； den=conv（den1，den2）； G=tf（num，den）； rlocus（G）；

axis（[-14 6-10 10]）； title（‘單位負(fù)反饋系統(tǒng)根軌跡圖’）

set（findobj（‘marker’，‘x’），‘markersize’，8）；X-點(diǎn)標(biāo)志 set（findobj（‘marker’，‘x’），‘linewidth’，1.5）；

set（findobj（‘marker’，‘o’），‘markersize’，8）；O-零點(diǎn)標(biāo)志set（findobj（‘marker’，‘o’），‘linewidth’，1.5）； 運(yùn)行該程序即可得到負(fù)反饋系統(tǒng)的根軌跡圖。

3、繪制正反饋控制系統(tǒng)的根軌跡圖，程序代碼如下： ＞＞num=-[1 2] den1=conv（[1 0]，[1 4]）； den2=conv（[1 8]，[1 2 5]）； den=conv（den1，den2）； G=tf（num，den）； rlocus（G）；

axis（[-14 6-10 10]）； title（‘單位正反饋系統(tǒng)根軌跡圖’）；

set（findobj（‘marker’，‘x’），‘markersize’，8）；

set（findobj（‘marker’，‘x’），‘linewidth’，1.5）； set（findobj（‘marker’，‘o’），‘markersize’，8）； set（findobj（‘marker’，‘o’），‘linewidth’，1.5）； 運(yùn)行該程序即可得到正反饋系統(tǒng)的根軌跡圖。

六、實(shí)驗(yàn)報告要求

1、根據(jù)題目要求，編寫出繪制各系統(tǒng)的根軌跡圖的程序，并繪制各系統(tǒng)的根軌跡圖。

2、研究系統(tǒng)臨界穩(wěn)定的條件。

七、實(shí)驗(yàn)思考題

1、如果根軌跡放大倍數(shù)過大，會對系統(tǒng)性能有那些影響？

2、在MATLAB系統(tǒng)圖中，如何實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋和正反饋？

4、如何根據(jù)系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)的要求，來確定系統(tǒng)的根軌跡放大倍數(shù)？

5、如何根據(jù)系統(tǒng)的要求，確定系統(tǒng)的分離點(diǎn)和匯合點(diǎn)？

實(shí)驗(yàn)四 典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)頻率特性的測量

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1、了解典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的頻率特性曲線的測試方法；

2、根據(jù)實(shí)驗(yàn)求得的頻率特性曲線求取傳遞函數(shù)。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1、THBCC-1型信號與系統(tǒng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺

2、PC機(jī)1臺(含上位機(jī)軟件)USB通信線1根

3、萬用表1只

4、PC機(jī)及MATLAB平臺

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1、慣性環(huán)節(jié)的頻率特性測試；

2、二階系統(tǒng)頻率特性測試；

3、頻率響應(yīng)分析；

4、由實(shí)驗(yàn)測得的頻率特性曲線，求取相應(yīng)的傳遞函數(shù)；

5、用MATLAB軟件仿真的方法，求取慣性環(huán)節(jié)和二階系統(tǒng)的頻率特性。

四、實(shí)驗(yàn)原理

設(shè)G(S)為一最小相位系統(tǒng)（環(huán)節(jié)）的傳遞函數(shù)。如在它的輸入端施加一幅值為Xm、頻率為?的正弦信號，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出為

y?Ymsin(?t??)?XmG(j?)sin(?t??)① 由式①得出系統(tǒng)輸出，輸入信號的幅值比 YmXmG(j?)??G(j?)② XmXm顯然，G(j?)是輸入X(t)頻率的函數(shù)，故稱其為幅頻特性。如用db（分貝）表示幅頻值的大小，則式②可改寫為

L(?)?20LgG(j?)?20lgYm ③ Xm在實(shí)驗(yàn)時，只需改變輸入信號頻率?的大?。ǚ挡蛔儯?，就能測得相應(yīng)輸出信號的幅值Ym，代入上式，就可計(jì)算出該頻率下的對數(shù)幅頻值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)作出被測系統(tǒng)(環(huán)節(jié))的對數(shù)幅頻曲線，就能對該系統(tǒng)（環(huán)節(jié)）的數(shù)學(xué)模型作出估計(jì)。

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1、繪制一階慣性環(huán)節(jié)的伯特圖 G（s）= 程序代碼如下： 4s?113 》num=1;den=[4 1]； G=tf(num,den);bode(G,‘r’);

wn22、繪制二階慣性環(huán)節(jié)的伯特圖 G（s）=22grid on;,其中Wn=0.8，s?2?w1，1.5，2 n?w?=0.1，0.5，n程序代碼如下：

》W=logspace（-2，2，200）;Wn=0.8；

for zeta=[0.1 0.5 1 1.5 2] G=tf([Wn* Wn],[Wn^2 2*zeta* Wn Wn* Wn]);bode(G,W);hold on;grid on;end

500(0.0167s?1)

1、已知某系統(tǒng)的開環(huán)傳函為G0（s）=

s(0.05s?1)(0.0025s?1)(0.001s?1)

試?yán)L制系統(tǒng)的伯特圖，并求系統(tǒng)的相角穩(wěn)定裕量和幅值穩(wěn)定裕量。繪制對數(shù)幅頻特性圖，程序代碼如下： num=500*[0.0167 1];den1=conv([1 0],[0.05 1]);den2=conv([0.0025 1],[0.001 1]);den=conv(den1,den2);G0=tf(num,den);W=logspace(0,4,50);bode(G0,w)； grid on;確定系統(tǒng)的相角穩(wěn)定裕量和幅值穩(wěn)定裕量，程序代碼如下： 》margin(G0)[Gm，Pm,Wcg,Wcp]=margin(Go)

六、實(shí)驗(yàn)報告要求

1、寫出被測環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，繪出它們的Bode圖。

2、用上位機(jī)實(shí)驗(yàn)時，根據(jù)由實(shí)驗(yàn)測得二階閉環(huán)頻率特性曲線，求出相應(yīng)的參數(shù)。

七、實(shí)驗(yàn)思考題

1、在實(shí)驗(yàn)中如何選擇輸入正弦信號的幅值？

3、根據(jù)上位機(jī)測得的Bode圖的幅頻特性，就能確定系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的相頻特性，試問這在什么系統(tǒng)時才能實(shí)現(xiàn)？

實(shí)驗(yàn)五

串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1．學(xué)習(xí)使用MATLAB繪制根軌跡和伯德圖。

2．熟悉使用根軌跡法和頻率特性法設(shè)計(jì)典型滯后環(huán)節(jié)。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1、THBCC-1型信號與系統(tǒng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺

2、PC機(jī)1臺(含上位機(jī)軟件)37針通信線1根

3、萬用表1只

4、PC機(jī)及MATLAB平臺

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1、有一單位反饋系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?K，試用根

(s?0.5)(s?0.1)(s?0.2)軌跡設(shè)計(jì)一個滯后校正環(huán)節(jié)，要求對應(yīng)主導(dǎo)極點(diǎn)的ζ=0.5，K=10,以滿足性能指標(biāo)的要求。

2、有一單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?0.08K,試用頻率特性法設(shè)計(jì)

s(s?0.5)一個滯后校正環(huán)節(jié)，使得Kv≥4,相位裕量?(?c)?500，超調(diào)量Mp≤30%。

四、實(shí)驗(yàn)原理

1、利用MATLAB畫出校正前系統(tǒng)的根軌跡圖，求出當(dāng)K??時，系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)，求出這時系統(tǒng)的阻尼比。根據(jù)題目要求，設(shè)計(jì)滯后校正環(huán)節(jié)參數(shù)，滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求。

2、利用MATLAB畫出校正前系統(tǒng)的頻率特性，求出這時系統(tǒng)的性能指標(biāo)，根據(jù)題目要求，設(shè)計(jì)滯后校正環(huán)節(jié)參數(shù)，并利用MATLAB畫出校正后系統(tǒng)的頻率特性，滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求。

五、實(shí)驗(yàn)步驟

按實(shí)驗(yàn)內(nèi)容講法如下：

解：1.校正前系統(tǒng)的根軌跡如下：

set(findobj(?marker?,?x?),?markersize?,8)c=conv([1,0.5],[1,0.1])

set(findobj(?marker?,?x?),?linewidth?,1.5)b=conv([c],[1,0.2])

存盤看跟軌跡，得如下圖： num=[1] den=[b] h=tf(num,den)rlocus(h)axis([-1.6 0.4-1 1])

由圖中可以看到：當(dāng)??0.5時，根軌跡放大倍數(shù)為K*?0.0165 看根 format long g c=conv([1,0.5],[1,0.1])b=conv([c],[1,0.2])num=[1] den=[b] h=tf(num,den)%rlocus(h)%[r,k]=rlocus(num,den)[r]=rlocus(num,den,0.0165)存盤看根 r = 這時，系統(tǒng)的三個根分別為：

Columns 1 through 2

-0.***-0.*** +

0.***4289i

Column 3

-0.***

0.***i 0.***/0.07***311=7.8＞5

*?0.0113 所以，兩個共軛復(fù)根是主導(dǎo)極點(diǎn)，可以認(rèn)為當(dāng)根軌跡放大倍數(shù)為Kkp時，系統(tǒng)呈現(xiàn)二階欠阻尼特性。且阻尼比等于0.5。

2.1）原系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：G0(s)?0.08K0.08K0.16K ??s(s?0.5)0.5?s(s/0.5?1)s(s/0.5?1)KV?limsG0(s)?limss?0s?00.16K?0.16K?

4所以K?25

s(s/0.5?1)42 ?s(s/0.5?1)s(s?0.5)所以原系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：G0(s)?畫波特圖程序： c=conv([1,0],[2,1])num=[4] den=[c] G=tf(num,den)Bode(G,?b?)

b表示畫出的線是蘭色 grid on

畫圖以網(wǎng)格線出現(xiàn) 運(yùn)行

φ（w）-滯后角

在相頻特性找-120度,f=0.29點(diǎn)

在幅頻高度=21.5db處幅頻折線要下移21.5db.畫出原系統(tǒng)對數(shù)漸進(jìn)幅頻特性曲線如下： L-1 18-2 ω 0.1 0.5 1.414 原系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：G0(s)?42 ?s(s/0.5?1)s(s?0.5)2?n與標(biāo)準(zhǔn)的傳遞函數(shù)比較G0(s)?得到：?n?2?1.414 2??n?0.5

s(s?2??n)??0.51??0.177由此得到相角裕度： 2?n4?22?1?4?4?2?2?arctan2?0.1771?4?0.1774?2?0.1772?arctan0.354?2000.9685??arctan顯然小于要求的相角裕度500 超調(diào)量：?%?e???/1??2?e?0.565?57%顯然大于要求的30%。

原系統(tǒng)不滿足要求。根據(jù)題目要求，采用滯后校正。

原系統(tǒng)的相角計(jì)算如下：

?(?c)??900?arctan?c0.5

相位裕量??1800??(?c)?1800?900?arctan取相位裕量??600

得到?c?0.29

?c0.5

4?20lg13.8?22.8(dB)0.2910.29所以20lg?22.8由此得到：b??0.0725

b411取?0.1?c??2?0.029

由此得到：T?476 ?0.002 1bTT校正后的系統(tǒng)的對數(shù)頻率漸進(jìn)曲線如下： 校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： 在截止頻率原系統(tǒng)的幅頻為20lgG(s)?4(bTs?1)4(bTs?1)4(34.5s?1)??s(s/0.5?1)(Ts?1)s(s/0.5?1)(Ts?1)s(s/0.5?1)(476s?1)G(s)bTs?134.5s?1s/0.029?1??? G0(s)Ts?1476s?1s/0.0021?1由G(s)?G0(s)Gc(s)得到Gc(s)?畫圖程序如下：

num=4*[34.5 1] c=conv([1,0],[2,1])den=conv([c],[476,1])G=tf(num,den)Bode(G,?b?)L-1 22.8 18-2-2-1 0.0021 0.029 0.1 0.29 0.5-2 1.414 ω

校驗(yàn)校正后系統(tǒng)參數(shù)：

0.290.290.29??1800?arctan?900?arctan?arctan?54.70

0.0290.00210.5因?yàn)樾Ｕ蟮南到y(tǒng)為高階系統(tǒng)，采用教材中220頁公式（6-8）-（6-10）如下： Mr?（6-8）

諧振峰 sin?Mr?1?1.23 0sin54.71?Mr?1.8

（6-9）??0.16?0.4(Mr?1)由公式（6-9）??0.16?0.4(1.23?1)?0.252?0.所以校正后系統(tǒng)滿足指標(biāo)要求

六、實(shí)驗(yàn)報告要求

1．對于根軌跡校正法，給出如下內(nèi)容：(1)原系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速度誤差系數(shù)KP(2)校正后的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差系數(shù)?Kp(3)校正環(huán)節(jié)的傳函GC(S)2．對于頻率特性校正，給出如下內(nèi)容：(1)新增益穿越頻率Wc?和a值(2)原相位裕量Pm(3)校正環(huán)節(jié)的傳函GC(S)3． SIMULINK 搭建未校正系統(tǒng)的模塊圖，觀察其超調(diào)量；校正好后，將校正環(huán)節(jié)串入原系統(tǒng)，觀察其超調(diào)量。寫出實(shí)驗(yàn)體會并進(jìn)行校正前后的比較。

七、寫出設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)心得

實(shí)驗(yàn)六

離散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1、使用MATLAB判斷線性離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2、使用MATLAB進(jìn)行線性離散系統(tǒng)的時域分析。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1、THBCC-1型信號與系統(tǒng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺

2、PC機(jī)1臺(含上位機(jī)軟件)37針通信線1根

3、萬用表1只

4、PC機(jī)及MATLAB平臺

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1、給定系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

G(s)?2 s2?s試判斷下列兩種情形時系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（1）采樣時間T?1s時；（2）采樣時間T?2s時。

2、設(shè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

Gp(s)?10

(s?1)(s?2)采樣時間分別為T?0.5s,1s,1.5s,2s時，試分別繪制此系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)和單位階躍響應(yīng)。

四、實(shí)驗(yàn)原理

1、線性離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是：當(dāng)所有的特征根的模都小于1時，系統(tǒng)穩(wěn)定；如果模的值大于1時，系統(tǒng)不穩(wěn)定。即?i?1（i=1,2,?,n）

2、采用單位脈沖和單位階躍作為輸入信號，研究線性離散系統(tǒng)的過渡過程。

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1、程序代碼如下： ＞＞num=[2]；

den=[1 1 0]； G=tf（num，den）；

G1=c2d（G，1）；

將連續(xù)系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換成離散模型 G2=c2d（G，2）；

將連續(xù)系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換成離散模型

y1=G1.den{1}+[zeros（1，length（G1.den{1}）-length（G1.num{1}））G1.num{1}]； y2=G2.den{1}+[zeros（1，length（G2.den{1}）-length（G2.num{1}））G2.num{1}]； 帶零階保持器的分子與分母的維數(shù)（階次）必須相同，上面語句表示分子與分母各項(xiàng)系數(shù)相加。r1=roots（y1）r2=roots（y2）

運(yùn)行該程序后，即可判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2、（1）脈沖響應(yīng)程序如下： ＞＞num=[10]；

den=conv（[1 1]，[1 2]）； G=tf（num，den）； for T=0.5：0.5：2

Gd=c2d（G，T，‘tustin?）；

Dimpulse（Gd.num，Gd.den）； hold on； impulse（G）； end 運(yùn)行該程序后，可得到單位脈沖響應(yīng)曲線。（2）單位階躍響應(yīng)程序如下： ＞＞num=[10]； den=conv（[1 1]，[1 2]）； G=tf（num，den）； for T=0.5：0.5：2

Gd=c2d（G，T，‘tustin?）；

dstep（Gd.num，Gd.den）； hold on； step（G）； end 運(yùn)行該程序后，可得到單位階躍響應(yīng)曲線。

六、實(shí)驗(yàn)報告要求

1、編寫判別線性離散系統(tǒng)穩(wěn)定性、單位脈沖和單位階躍響應(yīng)的程序。

2、繪制線性離散系統(tǒng)單位脈沖和單位階躍響應(yīng)曲線。

3、分析采樣時間對線性離散系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

4、分析采樣時間對線性離散系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。

5、結(jié)合實(shí)驗(yàn)中遇到的問題說出自己的看法和體會。

七、實(shí)驗(yàn)思考題

1、如果采樣時間過大，會在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生什么后果？

2、如何將連續(xù)系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換為離散系統(tǒng)模型？

3、試比較連續(xù)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線和離散系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)曲線的差別？

實(shí)驗(yàn)七 典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1、了解典型非線性環(huán)節(jié)輸出——輸入的靜態(tài)特性；

2、掌握典型非線性環(huán)節(jié)電路模擬的研究方法。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1、THBCC-1型信號與系統(tǒng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺

2、PC機(jī)1臺(含上位機(jī)軟件)37針通信線1根

3、雙蹤慢掃描示波器1臺(可選)

4、萬用表1只

5、PC機(jī)及MATLAB平臺

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1、繼電器型非線性環(huán)節(jié)靜特性的電路模擬；

2、飽和型非線性環(huán)節(jié)靜特性的電路模擬；

3、具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)靜特性的電路模擬；

4、具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)靜特性的電路模擬。

四、實(shí)驗(yàn)原理

控制系統(tǒng)中元件的非線性有很多種，最常見的有飽和特性、死區(qū)特性、繼電性特性和間隙特性，基于這些特性對系統(tǒng)的影響是各不相同的，因而了解它的輸出－輸入的靜態(tài)特性將有助于對非線性系統(tǒng)的分析。

有關(guān)上述四種典型非線性元件的靜態(tài)特性和模擬電路，請參見附錄。

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1、利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)并連接繼電型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路，完成該環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性測試；當(dāng)改變環(huán)節(jié)參數(shù)時，觀測其對靜態(tài)特性的影響。

2、用正弦信號測試?yán)^電型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性

1)不用上位機(jī)時，把實(shí)驗(yàn)平臺上的“低頻函數(shù)信號發(fā)生器”單元的輸出端與繼電型非線性環(huán)節(jié)輸入端相連，當(dāng)“低頻函數(shù)信號發(fā)生器”輸出一個正弦信號（或周期斜坡信號，其頻率一般均不超過10Hz）時，便可用示波器的X-Y顯示模式觀測該環(huán)節(jié)輸入與輸出的靜態(tài)特性曲線。2)用上位機(jī)時，可利用上位機(jī)提供的“虛擬示波器”與“信號發(fā)生器”的功能測取繼電型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性曲線。接線時把采集卡接口單元中輸出端DA1與非線性環(huán)節(jié)的輸入端相連（同時也與采集卡接口單元中的輸入端AD2相連），非線性環(huán)節(jié)的輸出則與采集卡接口單元中的輸入端AD1相連，并接好采集卡接口單元與PC上位機(jī)的并口通信線。待接線完成并檢查無誤后，在上位機(jī)啟動“THBCC-1”軟件，其具體操作步驟如下：

① 在用戶“登錄窗口”中輸出自己的學(xué)號，并點(diǎn)擊“登錄”按鈕進(jìn)入軟件主窗口。

② 點(diǎn)擊工具欄上的“實(shí)驗(yàn)選擇”按鈕，選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

③ 點(diǎn)擊 “通道設(shè)置”按鈕，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集通道，然后點(diǎn)擊“開始采集”按鈕，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

④ 點(diǎn)擊“虛擬示波器”按鈕，選擇“X-Y”圖顯示模式，然后順序點(diǎn)擊“啟動”、“開始”按鈕。

⑤ 點(diǎn)擊 “信號發(fā)生器”按鈕，選擇“正弦波信號（或周期斜坡信號，其頻率一般為5Hz左右）”，并把幅值設(shè)為2V，然后點(diǎn)擊“ON”按鈕即可觀測非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性曲線。

⑥ 點(diǎn)擊“暫?！奔啊按鎯Α卑粹o”，保存實(shí)驗(yàn)波形。

1.繼電器型非線性環(huán)節(jié)

圖7-1 繼電型非線性環(huán)節(jié)模擬電路（電路單元：非線性單元和電位器組）在ui輸入端輸入一個低頻率的正弦波，正弦波的Vp-p值大于12V，頻率為10Hz。在下列幾種情況下用示波器的X-Y(虛擬示波器上的Plot XY模式，本實(shí)驗(yàn)中其它部分相同)顯示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)測量靜態(tài)特性M值的大小并記錄。

1.1 當(dāng)47K可調(diào)電位器調(diào)節(jié)至約1.8K(M=1)時； 1.2 當(dāng)47K可調(diào)電位器調(diào)節(jié)至約3.6K(M=2)時； 1.3 當(dāng)47K可調(diào)電位器調(diào)節(jié)至約5.4K(M=3)時； 1.4 當(dāng)47K可調(diào)電位器調(diào)節(jié)至約10K(M=6左右)時；

注：本實(shí)驗(yàn)中所采用的正弦波最好用實(shí)驗(yàn)臺上的“低頻函數(shù)信號發(fā)生器”提供。2.飽和型非線性環(huán)節(jié)

設(shè)計(jì)并連接飽和型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路，完成該環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性測試；當(dāng)改變環(huán)節(jié)參數(shù)時，觀測其對靜態(tài)特性的影響。具體步驟請參考本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟2。

圖7-2 飽和型非線性環(huán)節(jié)模擬電路（電路單元：非線性單元和電位器組）在ui輸入端輸入一個低頻率的正弦波，正弦波的Vp-p值大于12V，頻率為10Hz。將前一級運(yùn)放中的電位器值調(diào)至10K(此時k=1)，然后在下列幾種情況下用示波器的X-Y顯示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)測量靜態(tài)特性M和k值的大小并記錄。

2.1 當(dāng)后一級運(yùn)放中的電位器值調(diào)至約1.8K(M=1)時； 2.2 當(dāng)后一級運(yùn)放中的電位器值調(diào)至約3.6K(M=2)時； 2.3 當(dāng)后一級運(yùn)放中的電位器值調(diào)至約5.4K(M=3)時； 2.4 當(dāng)后一級運(yùn)放中的電位器值調(diào)至約10K時；

注：為了更好的觀察實(shí)驗(yàn)效果，“THBCC-1”軟件的時基最好設(shè)為-10～+10或自動。3.死區(qū)特性非線性環(huán)節(jié)

設(shè)計(jì)并連接具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)（可參考本實(shí)驗(yàn)附錄的圖6-3）的模擬電路，完成該環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性測試；當(dāng)改變環(huán)節(jié)參數(shù)時，觀測其對靜態(tài)特性的影響。具體步驟請參考本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟2。

圖7-3 死區(qū)特性非線性環(huán)節(jié)模擬電路（電路單元：非線性單元、反相器單元和電位器組）

在ui輸入端輸入一個低頻率的正弦波，正弦波的Vp-p值大于12V，頻率為10Hz。在 下列幾種情況下用示波器的X-Y顯示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)測量靜態(tài)特性uio和k值的大小并記錄。

3.1調(diào)節(jié)兩個可變電位器，當(dāng)兩個R1=2.0K，R2=8.0K時； 3.2調(diào)節(jié)兩個可變電位器，當(dāng)兩個R1=2.5K，R2=7.5K時；

注：本實(shí)驗(yàn)的±E值也可采用±5V。

4.具有間隙特性非線性環(huán)節(jié)

設(shè)計(jì)并連接具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)（可參考本實(shí)驗(yàn)附錄的圖6-4）的模擬電路，完成該環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性測試；當(dāng)改變環(huán)節(jié)參數(shù)時，觀測其對靜態(tài)特性的影響。具體步驟請參考本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟2。

圖7-4 間隙特性非線性環(huán)節(jié)模擬電路（電路單元：非線性單元、U4、U9和電位器組）在ui輸入端輸入一個低頻率的正弦波，正弦波的Vp-p值大于12V，頻率為10Hz。在下列幾種情況下用示波器的X-Y顯示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)測量靜態(tài)特性uio和k值的大小并記錄。

4.1調(diào)節(jié)兩個可變電位器，當(dāng)兩個R1=2.0K，R2=8.0K時； 4.2調(diào)節(jié)兩個可變電位器，當(dāng)兩個R1=2.5K，R2=7.5K時；

注意由于元件（二極管、電阻等）參數(shù)數(shù)值的分散性，造成電路不對稱，因而引起電容上電荷累積，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，故每次實(shí)驗(yàn)啟動前，需對電容進(jìn)行短接放電。

注：本實(shí)驗(yàn)的±E值也可采用±5V。

5、點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)報告”，根據(jù)實(shí)驗(yàn)時存儲的波形完成實(shí)驗(yàn)報告。

六、實(shí)驗(yàn)報告要求

1、畫出各典型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路圖，并選擇好參數(shù)。

2、根據(jù)實(shí)驗(yàn)，繪制相應(yīng)的非線性環(huán)節(jié)的實(shí)際靜態(tài)特性，與理想的靜態(tài)特性相比較，并分析電路參數(shù)對特性曲線的影響？

七、實(shí)驗(yàn)思考題

1、帶回環(huán)的繼電器特性電路中，如何確定環(huán)寬電壓？

2、模擬繼電型電路的特性與理想特性有何不同？為什么？

3、飽和特性電路中的限幅網(wǎng)絡(luò)改接在反饋回路，對特性有何影響？ 實(shí)驗(yàn)八 PＩＤ的控制作用（設(shè)計(jì)性）

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.了解PID控制器中P，I，D三種基本控制作用對控制系統(tǒng)性能的影響。2.進(jìn)行PID控制器參數(shù)工程整定技能訓(xùn)練。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1、THBCC-1型信號與系統(tǒng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺

2、PC機(jī)1臺(含上位機(jī)軟件)USB口通信線1根

4、萬用表1只

5、PC機(jī)及MATLAB平臺

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1、PID控制器的數(shù)學(xué)模型為：

Gc?Kp{e?1deedt?T} d?Tidt2、控制對象的數(shù)學(xué)模型為：

11.8?9sG(s)?e

24s?

13、使用Z-N法整定PID參數(shù)。

四、實(shí)驗(yàn)原理

1、利用PID控制器改善系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)。

2、研究PID三個參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1、利用MATLAB搭建系統(tǒng)圖（學(xué)生自己做）；

2、令Ti??、Td?0，使用Z-N法確定PID參數(shù)，并求出系統(tǒng)的性能指標(biāo)，即上升時間tr、最大超調(diào)量?%和調(diào)節(jié)時間ts；

3、分別調(diào)整PID三個參數(shù)，觀察系統(tǒng)性能指標(biāo)的變化。

六、實(shí)驗(yàn)報告要求

1、使用MATLAB畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

2、根據(jù)實(shí)驗(yàn)，繪制等幅振蕩曲線、按Z-N法整定PID參數(shù)時系統(tǒng)響應(yīng)曲線；

3、編寫求系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的程序；

4、求出系統(tǒng)性能指標(biāo)最佳時PID的三個參數(shù)。

七、實(shí)驗(yàn)思考題

1、Kp過大和過小對系統(tǒng)動態(tài)性能有何影響？

2、Ti過大和過小對系統(tǒng)動態(tài)性能有何影響？

3、Td過大和過小對系統(tǒng)動態(tài)性能有何影響？

4、Td改進(jìn)動態(tài)系統(tǒng)性能指標(biāo)的原理。

附錄

硬件的組成及使用

一、直流穩(wěn)壓電源

直流穩(wěn)壓電源主要用于給實(shí)驗(yàn)平臺提供電源。有±5V/0.5A、±15V/0.5A及+24V/1.0A五路，每路均有短路保護(hù)自恢復(fù)功能。它們的開關(guān)分別由相關(guān)的鈕子開關(guān)控制，并由相應(yīng)發(fā)光二極管指示。其中+24V主用于溫度控制單元和直流電機(jī)單元。

實(shí)驗(yàn)前，啟動實(shí)驗(yàn)平臺左側(cè)的空氣開關(guān)和實(shí)驗(yàn)臺上的電源總開關(guān)。并根據(jù)需要將±5V、±15V、+24V鈕子開關(guān)拔到“開”的位置。

實(shí)驗(yàn)時，通過2號連接導(dǎo)線將直流電壓接到需要的位置。

二、低頻函數(shù)信號發(fā)生器及鎖零按鈕

低頻函數(shù)信號發(fā)生器由單片集成函數(shù)信號發(fā)生器專用芯片及外圍電路組合而成，主要輸出有正弦信號、三角波信號、方波信號、斜坡信號和拋物線信號。輸出頻率分為T1、T2、T3、T4四檔。其中正弦信號的頻率范圍分別為0.1Hz～3.3Hz、2.5Hz～86.4Hz、49.8Hz～1.7KHz、700Hz～10KHz三檔，Vp-p值為16V。

使用時先將信號發(fā)生器單元的鈕子開關(guān)拔到“開”的位置，并根據(jù)需要選擇合適的波形及頻率的檔位，然后調(diào)節(jié)“頻率調(diào)節(jié)”和“幅度調(diào)節(jié)”微調(diào)電位器，以得到所需要的頻率和幅值，并通過2號連接導(dǎo)線將其接到需要的位置。

另外本單元還有一個鎖零按鈕，用于實(shí)驗(yàn)前運(yùn)放單元中電容器的放電。當(dāng)按下按鈕時，通用單元中的場效應(yīng)管處于短路狀態(tài)，電容器放電，讓電容器兩端的初始電壓為0V；當(dāng)按鈕復(fù)位時，單元中的場效應(yīng)管處于開路狀態(tài)，此時可以開始實(shí)驗(yàn)。

三、階躍信號發(fā)生器

階躍信號發(fā)生器主要提供實(shí)驗(yàn)時的階躍給定信號，其輸出電壓范圍為-5～+5V，正負(fù)檔連續(xù)可調(diào)。使用時根據(jù)需要可選擇正輸出或負(fù)輸出，具體通過“階躍信號發(fā)生器”單元的拔動開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)按下自鎖按鈕時，單元的輸出端輸出一個可調(diào)(選擇正輸出時，調(diào)RP1電位器；選擇負(fù)輸出時，調(diào)RP2電位器)的階躍信號(當(dāng)輸出電壓為1V時，即為單位階躍信號)，實(shí)驗(yàn)開始；當(dāng)按鈕復(fù)位時，單元的輸出端輸出電壓為0V。

注：單元的輸出電壓可通過實(shí)驗(yàn)臺上的直流數(shù)字電壓表來進(jìn)行測量。

四、低頻頻率計(jì)

低頻頻率計(jì)是由單片機(jī)89C2051和六位共陰極LED數(shù)碼管設(shè)計(jì)而成的，具有輸入阻抗大和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。其測頻范圍為：0.1Hz～10.0KHz。

低頻頻率計(jì)主要用來測量函數(shù)信號發(fā)生器或外來周期信號的頻率。使用時先將低頻頻率計(jì)的電源鈕子開關(guān)拔到“開”的位置，然后根據(jù)需要將測量鈕子開關(guān)拔到“外測”(此時通過“輸入”或“地”輸入端輸入外來周期信號)或“內(nèi)測”(此時測量低頻函數(shù)信號發(fā)生器輸出信號的頻率)。

另外本單元還有一個復(fù)位按鈕，以對低頻頻率計(jì)進(jìn)行復(fù)位操作。

注：將“內(nèi)測/外測”開關(guān)置于“外測”時，而輸入接口沒接被測信號時，頻率計(jì)有時會顯示一定數(shù)據(jù)的頻率，這是由于頻率計(jì)的輸入阻抗大，靈敏度高，從而感應(yīng)到一定數(shù)值的頻率。此現(xiàn)象并不影響內(nèi)外測頻。

五、交/直流數(shù)字電壓表

交/直流數(shù)字電壓表有三個量程，分別為200mV、2V、20V。當(dāng)自鎖開關(guān)不按下時，它作直流電壓表使用，這時可用于測量直流電壓；當(dāng)自鎖開關(guān)按下時，作交流毫伏表使用，它具有頻帶寬（10Hz～400kHz）、精度高（±5?）和真有效值測量的特點(diǎn)，即使測量窄脈沖信號，也能測得其精確的有效值，其適用的波峰因數(shù)范圍可達(dá)到10。

六、通用單元電路

通用單元電路具體見實(shí)驗(yàn)平臺所示“通用單元電路**”單元、“帶調(diào)零端的運(yùn)放單元”“反相器單元”和“無源元件單元”。這些單元主要由運(yùn)放、電容、電阻、電位器和一些自由布線區(qū)等組成。通過接線和短路帽的選擇，可以模擬各種受控對象的數(shù)學(xué)模型，主要用于比例、積分、微分、慣性等電路環(huán)節(jié)的構(gòu)造。一般為反向端輸入，其中電阻多為常用阻值51k、100k、200k、510k；電容多在反饋端，容值為0.1uF、1uF、10uF，其中通用單元電路二、三、九反向輸入端有0.1uF電容，通用單元電路八反向輸入端有4.7uF電容，可作帶微分的環(huán)節(jié)。

以通用單元為例，現(xiàn)在搭建一個積分環(huán)節(jié)，比例常數(shù)為1s。我們可以選擇常用元件100k、10uF，T=1k×10uF=1s，其中通用單元電路二是滿足要求的，把對應(yīng)100k和10uF的插針使用短路帽連接起來，鎖零按鈕按下去先對電容放電，然后用二號導(dǎo)線把正單位階躍信號輸入到積分單元的輸入端，積分電路的輸出端接入反向器單元，保證輸入、輸出方向的一致性。觀察輸出曲線，其具體電路如下圖所示。

七、非線性單元

由兩個含有非線性元件的電路組成，一個含有雙向穩(wěn)壓管，另一個含有兩個單向二極管并且需要外加正負(fù)15伏直流電源，可研究非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性和非線性系統(tǒng)。其中10k、47k電位器由電位器組單元提供。例如47k電位器，既可由一號導(dǎo)線連接也可由二號導(dǎo)線連接電位器單元組中的可調(diào)電位器兩個端點(diǎn)。

CR0R0uiR-++-++uo以連接死區(qū)非線性環(huán)節(jié)為例，輸入端與正電源端、輸入端與負(fù)電源端分別為兩個10k可調(diào)電位器的固定端，分別用導(dǎo)線連接；正電源所連電位器的可調(diào)端與D1相連，另一個可調(diào)端與D2相連。然后使用低頻函數(shù)信號發(fā)生器輸出10Hz16v的正弦波，用導(dǎo)線連接到非線性環(huán)節(jié)的輸入端。實(shí)驗(yàn)前斷開電位器與電路的連線，用萬用表測量R的阻值，然后再接入電路中。

八、零階保持器

零階保持器為實(shí)驗(yàn)主面板上U3單元。它采用“采樣-保持器”組件LF398，具有將連續(xù)信號離散后的零階保持器輸出信號的功能，其采樣頻率由外接的方波信號頻率決定。使用時只要接入外部的方波信號及輸入信號即可。

九、數(shù)據(jù)采集接口單元

數(shù)據(jù)采集卡采用THBXD，它可直接插在IBM-PC/AT 或與之兼容的計(jì)算機(jī)內(nèi)，其采樣頻率為350K；有16路單端A/D模擬量輸入，轉(zhuǎn)換精度均為14位；4路D/A模擬量輸出，轉(zhuǎn)換精度均為12位；16路開關(guān)量輸入，16路開關(guān)量輸出。接口單元則放于實(shí)驗(yàn)平臺內(nèi)，用于實(shí)驗(yàn)平臺與PC上位機(jī)的連接與通訊。

數(shù)據(jù)采集卡接口部分包含模擬量輸入輸出(AI/AO)與開關(guān)量輸入輸出(DI/DO)兩部分。其中列出AI有4路，AO有2路，DI/DO各8路。

使用虛擬示波器觀察一個模擬信號，可以用導(dǎo)線直接連接到接口中 AD端；若使用采集卡中的信號源，用DA輸出（即實(shí)驗(yàn)中我們通常將信號輸入到AD1端，軟件內(nèi)部信號DA1輸出）。

十、實(shí)物實(shí)驗(yàn)單元

包括溫度控制單元、直流電機(jī)單元和步進(jìn)電機(jī)單元，主要用于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)中，使用方法詳見實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。

第三篇：自控原理小結(jié)

1、自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置或控制器，使被控對象的某個被控量

自控地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行的過程。

自動控制科學(xué)是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。

2、1948年維納提出了《控制論》，至此形成了完整的控制理論體系。

經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入單輸出、線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題?，F(xiàn)代控制理論主要研究具有高性能、高精度和多耦合回路的多變量系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。

3、反饋控制原理：

指用被控量的反饋信息，不斷修正被控量和輸入量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對被控對象進(jìn)行控制的任務(wù)。4、5、6、7、對系統(tǒng)被控量變化全過程提出的基本要求都是一樣的，歸結(jié)為穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，即快、準(zhǔn)、穩(wěn)的要求 控制系統(tǒng)中常用的典型輸入信號有： 單位階躍函數(shù)、單位斜坡（速度）函數(shù)、單位加速度（拋物線）函數(shù)、單位脈沖函數(shù)和正弦函數(shù)。如果一個閉環(huán)極點(diǎn)離虛軸最近，周圍無閉環(huán)零點(diǎn)，其它閉環(huán)極點(diǎn)又遠(yuǎn)離虛軸。這個極點(diǎn)在系統(tǒng)的時間響應(yīng)過程中起主導(dǎo)作用，稱為閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)。（1）具有比例-積分-微分控制規(guī)律的控制器，稱為PID控制器，是工業(yè)控制中常用的有源校正裝

置。Proportion比例，Integral 積分，Differential微分

（2）PID控制器不僅能提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，同樣也能夠用于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。

通常，使I部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的低頻段，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；使D部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的中頻段，以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

（3）P控制器，實(shí)質(zhì)上是一個具有可調(diào)增益的放大器。不影響相位，提高系統(tǒng)開環(huán)增益，可減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)控制精度，但會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，甚至使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。很少單獨(dú)使用。

PD控制器中的微分控制規(guī)律，能反應(yīng)輸入信號變換趨勢，產(chǎn)生有效的早期修正信號，增加系統(tǒng)阻尼程度，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。串聯(lián)校正時，增加一個—1/ 的開環(huán)零點(diǎn)，使系統(tǒng)相角裕度提高，有助于系統(tǒng)動態(tài)性能的改善。

微分控制作用（D）只對動態(tài)過程起作用，對穩(wěn)態(tài)過程無影響，且對噪聲非常敏感。一般不單獨(dú)使用。

I控制器（具有積分控制規(guī)律的控制器），可提高系統(tǒng)型別（無差度），有利于穩(wěn)態(tài)性能提高。但增加了一個位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，信號產(chǎn)生90°相角滯后，對系統(tǒng)穩(wěn)定性不利。

8、PI控制器（具有比例-微分控制規(guī)律的控制器），主要用來改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。香農(nóng)采樣定理：

如果采樣器的輸入信號e(t)具有有限帶寬，并且有直到Wh的頻率分量，則使信號e(t)圓滿地從采樣信號e*(t)中恢復(fù)過來的采樣周期T需滿足：

T（最大采樣周期）≤2∏/2Wh，即

Ws（最低采樣頻率）=2∏/T≥2Wh9、10、Z變換是從拉氏變換直接引申出來的一種變換方法，實(shí)際上是采樣函數(shù)拉氏變換的變形。因此，Z變換又稱為采樣拉氏變換，是研究線性離散系統(tǒng)的重要數(shù)學(xué)工具。經(jīng)典控制理論建立了代數(shù)判據(jù)、奈奎斯特判據(jù)、對數(shù)判據(jù)、根軌跡判據(jù)來判斷線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)

定性，但不適于非線性、時變系統(tǒng)。

分析非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性及自振的描述函數(shù)法，要求系統(tǒng)線性部分具有良好的濾除諧波的性能。李雅普諾夫的穩(wěn)定性理論更具有一般性，不僅適用于單變量、線性、定常系統(tǒng)，而且適用于多變量、非線性、時變系統(tǒng)。

李雅普諾夫第一法（直接法）：

指利用線性系統(tǒng)微分方程的解來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

李雅普諾夫第二法（間接法）：

首先利用經(jīng)驗(yàn)和技巧來構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)，進(jìn)而利用李雅普諾夫函數(shù)來判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。

第四篇：自控設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)感想

一周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設(shè)計(jì)過程中，與同學(xué)分工設(shè)計(jì)，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會了合作，學(xué)會了運(yùn)籌帷幄，學(xué)會了寬容，學(xué)會了理解，也學(xué)會了做人與處世。

自控課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程．”千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會到這句千古名言的真正含義．我今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，學(xué)會腳踏實(shí)地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．

通過這次自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本人在多方面都有所提高。通過這次系統(tǒng)設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用本專業(yè)所學(xué)課程的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識進(jìn)行一次設(shè)計(jì)工作的實(shí)際訓(xùn)練從而培養(yǎng)和提高學(xué)生獨(dú)立工作能力，鞏固與擴(kuò)充了系統(tǒng)設(shè)計(jì)等課程所學(xué)的內(nèi)容，掌握矯正電動機(jī)不穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和步驟，掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本的技能。懂得了怎樣分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，怎樣確定矯正方案，了解了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，提高了計(jì)算能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，同時各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí)，獨(dú)立思考的能力也有了提高。

在這次設(shè)計(jì)過程中，體現(xiàn)出自己單獨(dú)設(shè)計(jì)自控系統(tǒng)的能力以及綜合運(yùn)用知識的能力，體會了學(xué)以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時學(xué)習(xí)的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補(bǔ)。

特別系最后驗(yàn)證成果那天，我們小組最強(qiáng)悍啦，從早上九點(diǎn)連續(xù)不斷工作到下午四點(diǎn)半，足足八個小時，期間連廁所都顧不上，飯也沒吃，空著肚子，憋著尿也硬是堅(jiān)持到最后，結(jié)果，我們笑到了最后，也勝利了，終于把該死的波形給矯正出來，真系千呼萬喚始出來也！

在此感謝我們的彭康擁老師.，老師嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；老師循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪；這次課程設(shè)計(jì)的每個實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和每個數(shù)據(jù)，都離不開老師您的細(xì)心指導(dǎo)。而您開朗的個性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很順利的完成了這次課程設(shè)計(jì)。

同時感謝對我?guī)椭^的同學(xué)們，謝謝你們對我的幫助和支持，讓我感受到同學(xué)的友誼。尤其系兩位領(lǐng)頭人，永成跟震東，他們一絲不茍，不停地接線，修改再修改……終于，讓我們見到成功的光芒。

由于本人的設(shè)計(jì)能力有限，在設(shè)計(jì)過程中難免出現(xiàn)錯誤，懇請老師們多多指教,我十分樂意接受你們的批評與指正，本人將萬分感謝。

第五篇：浙江大學(xué)845自控原理13年大綱

一、總的要求

全面掌握自動控制的基本概念與原理，深入理解與掌握自動控制系統(tǒng)分析、綜合設(shè)計(jì)的基本方法，并能用這些基本的原理與方法去分析問題、解決問題。

二、基本要求

(1)自動控制的一般概念：自動控制的基本原理與自動控制系統(tǒng)組成、分類，能將系統(tǒng)物理的結(jié)構(gòu)圖抽象表示成系統(tǒng)方塊圖，分析其中各種物理量、信息流間的關(guān)系。

(2)動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：能建立給定典型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，包括微分方程模型、傳遞函數(shù)模型、狀態(tài)空間模型等；能熟練地通過方塊圖簡化與信號流圖等獲得系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)；能根據(jù)需要進(jìn)行各種數(shù)學(xué)模型之間的相互轉(zhuǎn)換。

(3)線性時不變連續(xù)系統(tǒng)的時域分析：系統(tǒng)微分方程模型的求解，LAPLACE變換在時域分析中的應(yīng)用，一階、二階及高階系統(tǒng)的時域分析；狀態(tài)空間模型的求解與分析；系統(tǒng)時間響應(yīng)的性能指標(biāo)及計(jì)算；系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算。

(4)根軌跡: 根軌跡法的基本概念；根軌跡繪制的基本法則及推廣法則；利用根軌跡進(jìn)行系統(tǒng)性能的分析。

(5)頻率分析：系統(tǒng)的頻率特性基本概念；開環(huán)系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)分解與開環(huán)頻率特性曲線及其分析；頻率域穩(wěn)定判據(jù)以及穩(wěn)定裕度分析。

(6)線性系統(tǒng)的超前及滯后校正：一般性了解線性系統(tǒng)的超前及滯后校正方法，理解并能簡單的應(yīng)用。

(7)線性時不變離散系統(tǒng)的分析與校正：離散系統(tǒng)的基本概念與Z變換；離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差分析；離散系統(tǒng)的動態(tài)性能分析。

(8)線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析與綜合：線性系統(tǒng)的能控性與能觀測性；線性定常系統(tǒng)的線性變換與標(biāo)準(zhǔn)型；線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制器與狀態(tài)觀測器。

(9)非線性控制系統(tǒng)：了解非線性控制系統(tǒng)與描述函數(shù)方法、掌握李亞普諾夫穩(wěn)定性分析方法。

三、進(jìn)階要求

能將自動控制原理的概念、理論與方法靈活應(yīng)用于分析問題、解決問題。