自控原理实验教案.docx
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自控原理实验教案
《自动控制原理实验》授课教案
实验项目
实验一、典型环节及其阶跃响应
授课专业
地点
教学时数
3学时
循环次数
4次
授课方式
实验
每组人数
2人
实验目的
与要求
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。
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
重点与
难点
教学重点、难点：
各环节电路时间常数的测法
教学原理、
内容、步骤
见实验讲义
教学条件与手段
讲授，演示，实验指导
作业
实验报告
参考资料
1、《自动控制理论》翁思义主编中国电力出版社2001年4月
2、《自动控制原理》程鹏主编高等教育出版社2003年8月第1版
3、《自动控制原理典型例题解析与习题精选》宋申民陈兴林主编高等教育出版社2004年8月第1版
4、《自动控制原理习题解析》胡寿松主编科学出版社2007年6月第一版
5、《自动控制理论实验指导书》北京精仪达盛科技有限公司
实验数据、曲线
实验项目
实验二、二阶系统阶跃响应
授课专业
地点
教学时数
3学时
循环次数
4次
授课方式
实验
每组人数
2人
实验目的
与要求
1、研究二阶系统的特征参数，阻尼比ζ自然频率ωn对系统动态性能的影响。
定量分析ζ和ωn与最大超调量MP和调节时间ts之间的关系；
2、进一步学习实验系统的使用方法；
3、学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。
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
重点与
难点
教学重点、难点：
σp%、tp、ts的测量
教学原理、
内容、步骤
见实验讲义
教学条件与手段
讲授，演示，实验指导
作业
实验报告
参考资料
1、《自动控制理论》翁思义主编中国电力出版社2001年4月
2、《自动控制原理》程鹏主编高等教育出版社2003年8月第1版
3、《自动控制原理典型例题解析与习题精选》宋申民陈兴林主编高等教育出版社2004年8月第1版
4、《自动控制原理习题解析》胡寿松主编科学出版社2007年6月第一版
5、《自动控制理论实验指导书》北京精仪达盛科技有限公司
实验数据、曲线
图2-1二阶系统结构框图
图2-2二阶系统simulink图
注：
阶跃信号和输出信号时间值从1s开始
图2-3ζ=0的阶跃响应图2-4ζ=0.25的阶跃响应
图2-5ζ=0.5的阶跃响应图图2-6ζ=1的阶跃响应图
图2-7C1=C2=0.1uf的二阶系统simulink图
图2-8ζ=0.5的阶跃响应图图2-9ζ=1的阶跃响应图
实验结果
参数
σp%
tp（ms）
ts（ms）
阶跃响应
曲线
R=100K
C=1uf
ωn=10rad/s
R1=100K
R2=0K
ζ=0
100％
322
∞
如图2-3
R1=100K
R2=50K
ζ=0.25
44.4％
325
1200
如图2-4
R1=100K
R2=100K
ζ=0.5
如图2-5
R1=100K
R2=200K
ζ=1
如图2-6
R=100K
C1=C2=0.1uf
ωn=100rad/s
R1=100K
R2=100K
ζ=0.5
如图2-8
R1=100K
R2=200K
ζ=1
如图2-9
实验结论：
（1）σp%随着ζ的增大而减小，当ζ≥1时，σp%=0，σp%与ωn无关。
（2）当ωn为恒值时，tp随ζ的增大而增大，当ζ为恒值时，tp随ωn增大而减小。
（3）当ωn为恒值时，ts随ζ的增大而减小，当ζ为恒值时，ts随ωn增大而减小。
实验项目
实验三、控制系统的稳定性分析
授课专业
地点
教学时数
3学时
循环次数
4次
授课方式
实验
每组人数
2人
实验目的
与要求
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。
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
重点与难点
教学重点、难点：
各环节电路时间常数的测法
教学原理、
内容、步骤
见实验讲义
教学条件与手段
讲授，演示，实验指导
作业
实验报告
参考资料
1、《自动控制理论》翁思义主编中国电力出版社2001年4月
2、《自动控制原理》程鹏主编高等教育出版社2003年8月第1版
3、《自动控制原理典型例题解析与习题精选》宋申民陈兴林主编高等教育出版社2004年8月第1版
4、《自动控制原理习题解析》胡寿松主编科学出版社2007年6月第一版
5、《自动控制理论实验指导书》北京精仪达盛科技有限公司
实验数据、曲线
图3-1C=1uF系统的方框图
图3-2C=1uf,R3=50K,K=5图3-5C=0.1uf,R3=50K,K=5
图3-3C=1uf,R3=100K,K=10图3-6C=0.1uf,R3=100K,K=10
图3-4C=1uf,R3=200K,K=20图3-7C=0.1uf,R3=1100K,K=110
图3-8C=0.1uF系统的方框图
实验结论：
当C=1uF，列些系统的闭环特征方程、劳斯表可得，当K1=2，即K=20，R3=200K时，闭环系统处于临界稳定状态；
当C=0.1uF，列些系统的闭环特征方程、劳斯表可得，当K1=11，即K=110，R3=1100K时，闭环系统处于临界稳定状态。
实验项目
实验四、系统频率特性测量
授课专业
地点
教学时数
3学时
循环次数
4次
授课方式
实验
每组人数
2人
实验目的
与要求
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；
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
重点与
难点
教学重点、难点：
各环节电路时间常数的测法
教学原理、
内容、步骤
见实验讲义
教学条件与手段
讲授，演示，实验指导
作业
实验报告
参考资料
1、《自动控制理论》翁思义主编中国电力出版社2001年4月
2、《自动控制原理》程鹏主编高等教育出版社2003年8月第1版
3、《自动控制原理典型例题解析与习题精选》宋申民陈兴林主编高等教育出版社2004年8月第1版
4、《自动控制原理习题解析》胡寿松主编科学出版社2007年6月第一版
5、《自动控制理论实验指导书》北京精仪达盛科技有限公司
实验数据、曲线
1、测频率特性
频率特性理论值的计算，在MATLAB命令行窗口键入如下指令：
>>A=500/sqrt（（500-a^2）^2+（10*a）^2）
>>P=-atan（10*a/（500-a^2））
>>Du=P*180/pi
角频率ω在正弦波信号源设置框内设置，即ω取（1、10、20、50、100）rad/sec
蓝色曲线为输出信号，洋红色曲线为输入信号。
图4-1系统的simulink图
图4-2ω＝1rad/sec图4-3ω＝10rad/sec
图4-4ω＝20rad/sec图4-5ω＝50rad/sec
图4-6ω＝100rad/sec
表4-1系统频率特性的理论值与实测值
ω（rad/s）
理论值
实测值
A（ω）
Ф（ω）（rad）
Xm
Ym
A（ω）
Ф（ω）
1
1.0018
-0.0200
10
1.2127
-0.2450
20
2.2361
-1.1071
0.93
2.2
50
0.2425
0.2450-pi
100
0.0523
0.1049-pi
0.85
0.05
2Xm：
信号源峰谷值之差
2Ym：
输出信号的峰谷值之差
2、画波特图
用bode函数绘制系统的波特图
取R3=500K，则开环传递函数为：
闭环系统传递函数为：
>>bode（[500],[110500]）;grid
图4-7系统的Bode图
3、用nyquist函数绘制系统的奈氏图
>>nyquist（[500],[110500]）;grid
图4-8系统的奈氏图
实验项目
实验五、控制系统的根轨迹分析
授课专业
地点
教学时数
3学时
循环次数
4次
授课方式
实验
每组人数
2人
实验目的
与要求
1、加深理解控制系统的根轨迹的绘制方法；
2、分析附加零点、极点，对系统稳定性的影响；
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
重点与
难点
教学重点、难点：
各环节电路时间常数的测法
教学原理、
内容、步骤
见实验讲义
教学条件与手段
讲授，演示，实验指导
作业
实验报告
参考资料
1、《自动控制理论》翁思义主编中国电力出版社2001年4月
2、《自动控制原理》程鹏主编高等教育出版社2003年8月第1版
3、《自动控制原理典型例题解析与习题精选》宋申民陈兴林主编高等教育出版社2004年8月第1版
4、《自动控制原理习题解析》胡寿松主编科学出版社2007年6月第一版
5、《自动控制理论实验指导书》北京精仪达盛科技有限公司
实验数据、曲线
1．绘制原系统的根轨迹图；
2．为系统附加零点绘制系统的根轨迹图；
3．为系统附加极点绘制系统的根轨迹图；
令K=1，在MATLAB的M代码编辑器中键入如下程序代码：
%绘制原系统的根轨迹图
num1=[1];
den1=conv（[10],[11]）;
G1=tf（num1,den1）
subplot（2,2,1）;
rlocus（G1）
[R1,K1]=rlocus（G1）
title（''）;xlabel（'Re'）;ylabel（'Im'）;
gridon
%绘制附加零点后系统的根轨迹图
num2=[12];
den2=conv（[10],[11]）;
G2=tf（num2,den2）
subplot（2,2,2）;
rlocus（G2）
[R2,K2]=rlocus（G2）
title（''）;xlabel（'Re'）;ylabel（'Im'）;
gridon
%绘制附加极点后系统的根轨迹图
num3=[1];
den3=conv（[10],conv（[11],[12]））;
G3=tf（num3,den3）
subplot（2,2,3）;
rlocus（G3）
[R3,K3]=rlocus（G3）
title（''）;xlabel（'Re'）;ylabel（'Im'）;
gridon
图5-1原系统的根轨迹图图5-2添加零点系统的根轨迹图
图5-3添加极点系统的根轨迹图
实验结论：
升级会员 