目录实验装置介绍 (1)实验一一、二阶系统阶跃响应 (2)实验二控制系统稳定性分析 (5)实验三系统频率特性分析 (7)实验四线性系统串联校正 (9)实验五 MATLAB及仿真实验 (12)实验装置介绍自动控制原理实验是自动控制理论课程的一部分，它的任务是：一方面，通过实验使学生进一步了解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；另一方面，帮助学生学习和提高系统模拟电路的构成和测试技术。

TAP-2型自动控制原理实验系统的基本结构TAP-2型控制理论模拟实验装置是一个控制理论的计算机辅助实验系统。

如上图所示，TAP-2型控制理论模拟实验由计算机、A/D/A 接口板、模拟实验台和打印机组成。

计算机负责实验的控制、实验数据的采集、分析、显示、储存和恢复功能，还可以根据不同的实验产生各种输出信号；模拟实验台是被控对象，台上共有运算放大器12个，与台上的其他电阻电容等元器件配合，可组成各种具有不同系统特性的实验对象，台上还有正弦、三角、方波等信号源作为备用信号发生器用；A/D/A 板安装在模拟实验台下面的实验箱底板上，它起着模拟与数字信号之间的转换作用，是计算机与实验台之间必不可少的桥梁；打印机可根据需要进行连接，对实验数据、图形作硬拷贝。

实验台由12个运算放大器和一些电阻、电容元件组成，可完成自动控制原理的典型环节阶跃响应、二阶系统阶跃响应、控制系统稳定性分析、系统频率特性测量、连续系统串联校正、数字PID 、状态反馈与状态观测器等相应实验。

显示器计算机打印机 模拟实验台 AD/DA 卡实验一一、二阶系统阶跃响应一、实验目的1．学习构成一、二阶系统的模拟电路，了解电路参数对系统特性的影响；研究二阶系统的两个重要参数：阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn对动态性能的影响。

2．学习一、二阶系统阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算一、二阶系统的传递函数。

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一、二阶系统，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟一、二阶系统，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。

四、实验内容构成下述系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：1．一阶系统的模拟电路如图2．二阶系统的模拟电路如图U0五、实验步骤一阶系统阶跃响应实验1.连接一阶系统模拟电路及D/A、A/D连线，检查无误后接通电源。

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。

3.在桌面双击图标 [自动控制原理实验] 运行软件。

4. 点击“实验选择”菜单选中“典型环节阶跃响应”栏，再打开“参数设置”菜单，设定采样周期T和采样点数N的值（计算机默认亦可）。

点击“开始”按钮，进行实验。

5. 观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。

6. 记录波形及数据（由实验报告确定）。

二阶系统阶跃响应实验7．连接二阶系统模拟电路及D/A、A/D连线，检查无误后接通电源。

8.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。

9.在桌面双击图标 [自动控制原理实验] 运行软件。

设定采样周期T和采样点数N的值（计算机默认亦可）。

点击“开始”按钮，进行实验。

10．取ωn=10rad/s,即令R=100KΩ，C=1μf；分别取ζ=0、0.5、1、2，即取R1=100KΩ，R2分别等于0、100KΩ、200KΩ、400KΩ。

输入阶跃信号，测量系统阶跃响应，并记录最大超调量σp和调节时间t s的值。

11．取ζ=0.5，即取R1=R2=100KΩ；ωn=100rad/s,取R=100KΩ，C=0.1μf。

注意：二电容同时改变，测量系统阶跃响应，并记录最大超调量σp和调节时间t s数值。

12．取R=100KΩ，C=1μf，R1=100KΩ，R2=50KΩ，测量系统阶跃响应，记录响应曲线，特别要记录最大超调量σp和调节时间t s数值。

六、实验报告1．画出一阶系统（惯性环节）二阶系统的模拟电路图，用坐标纸画出所记录的理论曲线及实验响应曲线，加以比较，分析原因。

2．阶跃响应曲线计算出各环节的传递函数，并与电路计算的结果相比较。

3．观测计算机屏幕示出的响应曲线及数据。

4．记录波形及图形。

对于二阶系统要求：①把不同ζ和ωn条件下测量的σp和t s值列表，根据测量结果得出响应结论。

②画出系统的理论响应曲线和实验响应曲线，再由σp和t s计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。

实验二控制系统稳定性分析一、实验目的1．观察系统的不稳定现象。

2．研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。

二、实验仪器1．自动控制系统实验箱一台2．计算机一台三、实验内容系统模拟电路图如图2-1图2-1 系统模拟电路图其开环传递函数为:G（s）=10K1/s(0.1s+1)(Ts+1)式中 K1=R3/R2，R2=100KΩ，R3=0～500K；T=RC，R=100KΩ，C=1μf或C=0.1μf两种情况。

四、实验步骤1.连接被测量系统的模拟电路。

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。

检查无误后接通电源。

2.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制原理实验] 运行软件。

3.在实验项目的下拉列表中选择实验三[控制系统的稳定性分析]。

4.取R3的值为50KΩ，100KΩ，200KΩ，此时相应的K=10K1=5，10，20。

观察不同R3值时显示区内的输出波形(既U2的波形)，找到系统输出产生增幅振荡时相应的R3及K1值。

再把电阻R3由大至小变化，即R3=200kΩ，100kΩ，50kΩ，观察不同R3值时显示区内的输出波形, 找出系统输出产生等幅振荡变化的R3及K1值，并观察U2的输出波形。

五、实验报告1．画出系统的模拟电路图。

2．画出系统增幅或减幅振荡的波形图。

3．计算系统的临界放大系数，并与实验中测得的临界放大系数相比较。

六、预习要求1．分析实验系统电路，掌握其工作原理。

2．理论计算系统产生等幅振荡、增幅振荡、减幅振荡的条件。

实验三系统频率特性分析一、实验目的1．加深了解系统及元件频率特性的物理概念。

2．掌握系统及元件频率特性的测量方法。

二、实验仪器1.自动控制系统实验箱一台2.计算机一台三、实验内容1.模拟电路图及系统结构图分别如图3-1。

图3-1 系统模拟电路图2．系统传递函数取R=1MΩ，则系统传递函数为U2（S） 1000G（S）= =U1（S） S2+10S+1000若输入信号U1（t）=U1m sinωt,则在稳态时，其输出信号为U2（t）=U2m sin（ωt+ψ）改变输入信号角频率ω值，便可测得二组U2m/U1m和φ随ω变化的数值，这个变化规律就是系统的幅频特性和相频特性。

五、实验步骤1.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，检查无误后接通电源。

2.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制原理实验] 运行软件。

3.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。

4．根据屏幕提示测量多点输出与输入正弦波的振幅比及相位差，并记录相应数据。

参考频率为：（注意：实验时电阻R可在0-1MΩ之间反复调整，直至合适值方能得到较理想的实验曲线）F(Hz)=0.5,1,2,4,6,8,…………最后画波特图。

六、实验报告1.画出被测系统的模拟电路图,计算其传递函数，根据传递函数绘制波特图。

2.把上述测量数据列表，根据此数据画波特图。

3.分析测量误差。

实验四 线性系统串联校正一、实验目的1. 研究串联校正装置对系统动态性能的校正作用。

2. 对给定系统进行串联校正设计，并通过模拟实验检验设计的正确性。

二、实验仪器1．自动控制系统实验箱一台2．计算机一台二、 实验内容已知系统结构如图4-1给定G O （S ）和性能指标要求，设计串联校正G C （S ）。

观察PD 、PI 、PID 三种校正方式的作用。

1． 不加任何校正，观察系统运动状态，如果接近等幅振荡，记下振荡频率。

G C （s ）G O （S ） — 图4-1 实验系统结构图图4-2 不加任何校正系统结构图2．串联超前校正图4-3 超前校正系统结构图3．串联滞后校正图4-4 滞后校正系统结构图4．串联超前—滞后校正图5-6超前—滞后校正系统结构图图4-5 超前—滞后校正系统结构图四、实验步骤1.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制原理实验] 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。

超前校正：3.连接被测量典型环节的模拟电路(图4-3)。

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。

检查无误后接通电源。

4. 系统加入阶跃信号，测量系统阶跃响应，记录超调量σp和调节时间ts。

滞后校正：5.连接被测量典型环节的模拟电路(图4-4)。

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。

检查无误后接通电源。

8. 系统加入阶跃信号，测量系统阶跃响应，记录超调量σp和调节时间ts。

超前--滞后校正9.连接被测量典型环节的模拟电路(图4-5)。

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。

10. 系统加入阶跃信号，测量系统阶跃响应，记录超调量σp和调节时间ts。

五、实验报告1．计算串联校正装置的传递函数Gc（s）和校正网络参数。

2．画出校正后系统的对数坐标图，并求出校正后系统的ω′c及ν′。

3．比较校正前后系统的阶跃响应曲线及性能指标，说明校正装置的作用。

六、预习要求1．阅读实验指导书，明确校正前系统的ωc及ν。

2. 计算串联超前校正装置的传递函数Gc（s）和校正网络参数，并求出校正后系统的ω′c及ν。

实验五 MATLAB 及仿真实验学习利用MATLAB 进行以下实验，要求熟练掌握以下实验内容中所用到的指令，并按内容要求完成实验。

（一）控制系统的时域分析一、实验目的学习利用MATLAB 进行控制系统时域分析，包括典型响应、判断系统稳定性和分析系统的动态特性； 二、预习要点1、 系统的典型响应有哪些？2、 如何判断系统稳定性？3、 系统的动态性能指标有哪些？ 三、实验方法（一） 四种典型响应1、 阶跃响应：阶跃响应常用格式：1、)(sys step ；其中sys 可以为连续系统，也可为离散系统。