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1、控制理论综合实验报告班级 学号 姓名 同组人 上交日期 年 月 日自动控制原理综合实验指导书天津科技大学电子信息与自动化学院自动化工程系2014/10 by daifz目 录前言.1实验一 典型环节及其阶跃响应.3实验二 二阶系统阶跃响应.7实验三 控制系统的稳定性分析.12实验四 系统根轨迹法数字仿真分析.15实验五 系统频率特性数字仿真分析.18实验六 控制系统综合实验.23实验七 系统频率特性测量.25附录一 MATLAB 应用简介.291. 利用 MATLAB 进行时域分析.292. 利用 MATLAB 进行根轨迹分析.323. 利用 MATLAB 绘制系统的频率特性图.35附录二 S
2、IMULINK 简介.391. SIMULINK 概述.392. 功能模块的处理.47附录三 ELATIII 试验箱的软件使用说明.49附录四 ELATIII 实验箱的布局图.52附录五 实验报告撰写须知.560前言一、概述研究一个控制系统的运动，一般采用两种方法来进行研究。一种方法是应用理 论分析方法来分析系统运动的性能，以获得系统设计的依据。另一种方法是通过实 验研究，以获得所设计系统的运动规律与系统的各项性能。这是通过运动曲线与实 验数据来展现的。控制系统的两种研究方法互为补充，互为验证，两者缺一不可。在控制系统的实验研究中，可以在实际物理系统上来进行，也可以通过物理装 置模型来进行研究
3、。当前，由于控制系统的对象规模越来越大，对象结构越来越复 杂，对象的种类越来越多，因此在控制系统的设计过程中，控制系统的仿真研究也 就基本上取代了物理系统的实验研究。一般只有到了控制系统设计的最后阶段 系统调试阶段，才有可能进行实际系统实验。控制系统的仿真研究方法有两种，一种方法是模拟仿真方法，另一种方法是数 字仿真。在自动控制原理综合实验中，我们将分别采用数字仿真的基本原理和模拟 仿真的基本原理，设计出合理的控制系统的仿真试验，为自动控制理论知识的进一 步掌握和运用打下坚实的基础。二、自动控制原理综合实验的任务自动控制原理综合实验是自动控制理论课的一部分。实验任务是： 1.通过实验进一步了解
4、和掌握自动控制理论的基本概念、控制系统的分析方法 和设计方法。 2.学习和掌握系统模拟电路的构成和测试技术。 3.学习和掌握 MATLAB 语言和 SIMULINK 仿真环境。 4.提高分析问题及解决问题的能力。 5.提高动手能力、应用计算机的能力和水平。三、实验设备自动控制原理综合实验所使用的设备由计算机、ELATIII 试验箱、万用表、 电阻、电容等组成。四、对参加实验学生的要求：1.阅读实验指导书、复习与实验有关的理论知识、明确每次实验的目的，了 解实验内容和方法。 2.按实验指导书要求进行接线和操作，经检查和指导教师同意后再通电。 3.在实验中注意观察、记录有关数据和图像，并由指导教师
5、复查后才能结束 实验。 4.实验后应断电、整理实验台、恢复到实验前的情况。15.认真写实验报告、按规定格式做出图表、曲线、并分析实验结果。字迹要 清楚，画曲线用坐标纸，结论要明确。 6.爱护实验设备、遵守实验室规定。 7.实验报告封皮采用标准的“控制理论综合实验报告” （该指导书的第一页） 。 自带 U 盘将各自实验的输出结果拷贝回去整理在报告中。五、几点说明1.有关用 MATLAB 语言进行系统时域分析、根轨迹绘制及频率特性分析的内 容，请参见附录一。 2.有关用 SIMULINK 仿真环境进行系统时域分析、系统校正分析的内容请参 见附录二。 3.有关 ELATIII 试验箱的软件使用说明请
6、参见附录三。 4.有关 ELATIII 实验箱的布局图请参见附录四。 5.实验报告的撰写须知（包括公式、图表等的格式）参见附录五。2实验一 典型环节及其阶跃响应一、实验目的1. 掌握控制系统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 EL-AT-III 型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：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。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测
7、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。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响。2 时域性能指标的测量方法：超调量：%1) 启动计算机，在桌面双击图标 自动控制实验系统 运行软件。2) 检查 USB 线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任一实验，点击按钮，出现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验。3) 连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1输出，电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接
8、通电源。4) 在实验项目的下拉列表中选择实验一典型环节及其阶跃响应 。5) 鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。3%100%max YYY6) 用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，代入下式算出超调量：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如图 1-1。 G（S）= R2/R12.惯性环节的模拟电路及其传递函数如图 1-2。 G（S）= K/（TS+1） K=R2/R1，T=R2C3.积分环节的模拟电路及传递函数如图 1-3。 G（S）=1/
9、（TS）T=RC 4比例+积分环节的模拟电路及传递函数如图 1-4。G（S）=K（1+1/（TS） ）K=R2/R1，T=R2C4五、实验步骤 1.启动计算机，在桌面双击图标 自动控制实验系统 运行软件。2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。比例环节比例环节3.连接被测量典型环节的模拟电路(图 1-1)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的DA1 输出，电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。4.在实验项目的下拉列表中选择实验一一、典型环节及其阶跃响应 。5.鼠标单击按钮，弹出实验课题
10、参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。6.观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。7.记录波形及数据（由实验报告确定） 。惯性环节惯性环节8.连接被测量典型环节的模拟电路(图 1-2)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的DA1 输出，电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。9.实验步骤同 47积分环节积分环节10.连接被测量典型环节的模拟电路(图 1-3)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的DA1 输出，电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入，将积分电容两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。11.实验步骤同 47比例比例+ +积分环节积分环节12.连接被测量典型环节的模拟电路(图 1-4)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的DA1 输出，电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入，将积分电容连在模拟开关上。检查无误后接通电源。13.实验步骤同 47。514.测量系统的阶跃响应曲线，并记入下表。六、实验报告1. 由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由电路计算的结果相比较。2. 将实验中测得的曲线、数据及理论计算值，整理列表。七、预习要求1阅读实验原理部分，掌握时域性能指标的测量方法。2分析典型一阶
