1、自动控制原理 课内 实验 教学大纲 实验课名称： 自动控制原理 课内 实验 开课学期：第 5 学期 课程性质 ：专业 核心 （ 课内 ） 学 分： 1 实验总学时： 36 开课单位：电子信息工程教研室 开设实验项目数： 9 考核方法：实验 +考查成绩 30% 实验名称 一 、 基于 MATLAB 的 控制系统时域分析 实验类型 验证 性 实验学时 4 实验目的 学习利用 MATLAB 进 行控制系统的时域分析，包括典型响应、判断系统稳定性和分析系统的动态特性。 知识点和涉及的相关知识 控制系统 时 域分析 、 MATLAB 的控制系统时域分析相关函数 。 设计任务 与要求 1、任务： 利用 M
2、ATLAB 对 控制 系统进行时域分析 。 2、要求： （ 1）利用 MATLAB 求解控制系统传递函数的极点，并判断系统的稳定性； （ 2）利用 MATLAB 求解二阶系统的单位阶跃响应曲线，并测量最大超调量、峰值时间和上升时间等时域性能指标 。 实验名称 二 、基于 MATLAB 的控制系统 根轨迹分析 实验类型 验证 性 实验学时 4 实验目的 利用计算机完成控制系统的根轨迹作图，了解控制系统根轨迹图的一般规律，利用根轨迹图进行系统分析。 知识点和涉及的相关知识 控制系统 根轨迹作图方法 、 基于根轨迹的控制系统分析 。 设计任务 与要求 1、任务：利用 MATLAB 绘制 控制 系统
3、根轨迹图并分析其性能 。 2、要求： （ 1）利用 MATLAB 绘制 控制系统 根轨迹图； （ 2） 记录根轨迹的起点、终点与根轨迹条数，确定根轨迹的分离会合点与相应的根轨迹增益，确定临界稳定时的根轨迹增益 。 实验名称 三 、基于 MATLAB 的控制系统 频域 分析 实验类型 验证性 实验学时 4 实验目的 利用计算机 绘制开环系统的 Bode 图，观察记录控制系统的开环频率特性，控制系统的开环频率特性分析 。 知识点和涉及的相关知识 Bode 图和 Nyquist 图的画法 、 Nyquist 稳定性判据 。 设计任务 与要求 1、任务：利用 MATLAB 绘制 开环 控制 系统 的
4、Bode 图和 Nyquist 图 并分析其性能。 2、要求： （ 1）利用 MATLAB 绘制 开环 控制系统 Bode 图，计算稳定裕度 ； （ 2） 利用 MATLAB 绘制开环控制系统 Nyquist 图，并根据 Nyquist 稳定性判据 判断闭环控制系统 的稳定性 。 实验名称 四 、 用 MATLAB 分析设计 一阶倒立摆控制 系统 实验类型 设计性 实验学时 4 实验目的 1、 掌握 PID控制器的一般设计方法； 2、掌握 PID控制器的参数整定方法； 3、理解 PID 各参数变化对系统性能的影响 。 知识点和涉及的相关知识 控制系统建模、 MATLAB 分析控制系统性能方法。
5、 设计任务 与要求 1、任务：建立 一阶倒立摆 控制系统的传递函数模型，利用 MATLAB 设计 PID 控制器并分析其控制性能。 2、要求： （ 1）利用物理机理方法建立 一阶倒立摆 系统的传递函数模型； （ 2） 利用 MATLAB 设计 PID 控制器； （ 3）利用 MATLAB 分析控制系统的时、频域特性。 实验名称 五 、 典型环节及其响应 实验类型 验证性 实验学时 4 实验目的 1、 掌握模拟控制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。 知识点和涉及的相关知识 典型环节的模拟、 控制系统的时域指标， 参数 改变 对系统性能的影响。 实验内容 1、
6、构成 6 种典型环节的模拟电路； （ 1）、比例环节；（ 2）、惯性环节；（ 3）、积分环节；（ 4）、微分环节； （ 5）、比例 微分环节；（ 6）、比例 积分环节 2、分别测量 6 种典型环节的阶跃、斜坡、抛物线信号的响应； 3、分析参数对系统性能的影响。 实验名称 六 、 二阶系统阶跃响应及控制系统稳定性分析 实验类型 验证性 实验学时 4 实验目的 1、 研究二阶系统的特征参数 n, 对系统动态性能的影响； 2、 学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数； 3、 观察系统的不稳定现象； 4、研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。 知识点和涉及的相关知识 时域性能指标、 n, 对系统性能
7、的影响、劳斯判据、 稳态误差等。 实验内容 1、 构成典型二阶系统并测量其阶跃响应； 2、 改变参数 n, ，观察其阶跃响应（性能指标的变化）； 3、改变参数，观察 模拟系统的 响应，计算产生等幅、增幅、减幅振荡的条件。 实验名称 七 、 系统频率特性测量 实验类型 验证性 实验学时 4 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； （ 1） 伯德图 （ 2） 奈氏图 知识点和涉及的相关知识 系统的频率特性、对数幅频和相频特性曲线、奈氏曲线。 实验内容 1、 建立模拟电路图； 2、 写出传递函数； 3、 观察频率特性曲线 （ 1）伯德图（ 2
8、）奈氏图 4、比较理论值和实测值 。 实验名称 八 、 连续系统校正（串联超前校正）、 数字 PID 控制 实验类型 设计性 实验学时 4 实验目的 1、 理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用； 2、 对给定的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； 3、 研究 PID 控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响； 4、研究 0 型、 1 型系统及系统的稳态误差。 知识点和涉及的相关知识 控制系统的校正原理、 PID 控制原理、 PID 控制器组成，参数变化对控制效果的影响。 设计任务 与要求 连续系统串联超前校正： 1、任务： 设计 超前校正系统结构图及 超前校正电路图 。
9、2、要求 ： （ 1）通过调整参数能改善系统性能指标（ %, psp tt 等）。 （ 2） 用虚拟示波器观察校正前、后的实验现象并打印输出结果。 数字 PID 控制： 1、 任务： 设计被控对象是 0 型和 1 型的两个系统。 2、 要求： （ 1） 用 PID 控制器对其进行控制； （ 2） 调节参数 dip kkk , ，观测其阶跃响应； （ 3） 总结一种有效的选择 dip kkk , 的方法，以最快的速度获得满意的参数。 实验名称 九 、 直流电机 PID 控制 实验类型 设计性 实验学时 4 实验目的 1、 了解 直流电机 转 速 闭环 控制 系统的组成和工作原 理 ； 2、 了解
10、和掌握 直流电机 转 速 控制系统应用 中， 数字 PID 调节器控制参数的工程整定方法 ； 3、 了解和掌握用 LabACT 实验箱实验 直流电机 转 速 数字 PID 被控过程 ； 4、 观察和分析在 直流电机 转 速 PID 控制系统中， PID 参数 对 系统 性能 的 影响； 5、 了解在 直流电机 转 速 P ID 控制系统中，加扰动 对 系统 性能 的 影响。 知识点和涉及的相关知识 闭环 控制系统的 组成 和工作 原理、 数字 PID 控制原理 及其 控制器组成， PID参数变化 及系统扰动 对 系统性能的 影响。 设计任务 与要求 直流电机 PID 控制 ： 1、任务：设计 直流电机 PID 控制 系统 结构图及 PID 控制系统 电路图。 2、要求： （ 1）通过调整 PID 控制 参数改善系统性能指标 并保证系统稳定性； （ 2） 利用 虚拟示波器观察 在 直流电机 PID 控制系统中加扰动 对系统性能的影响 ，并打印输出结果。
