2014-2015学年第二学期 自 动 控 制 原 理
实验报告
姓名：王丽 学号：20122527 班级：交控3班 指导教师：周慧
实验一：典型系统的瞬态响应和稳定性
1. 比例环节的阶跃响应曲线图（1:1）
比例环节的阶跃响应曲线图（1:2）
2. 积分环节的阶跃响应曲线图（c=1uf）
3. 比例积分环节的阶跃响应曲线图（c=1uf）
比例积分环节的阶跃响应曲线图（c=2uf
）
4. 惯性环节的阶跃响应曲线图（c=1uf）
惯性环节的阶跃响应曲线图（c=2uf）
5. 比例微分环节的阶跃响应曲线图（r=100k
）
比例微分环节的阶跃响应曲线图（r=200k
）
6. 比例积分微分环节的阶跃响应曲线图（r=100k）
比例积分微分环节的阶跃响应曲线图（r=200k）
实验结论
1. 积分环节的阶跃响应曲线图可以看出，积分环节有两个明显的特征： （1）输出信号是斜坡信号
（2）积分常数越大，达到顶峰需要的时间就越长
2. 比例积分环节就是把比例环节与积分环节并联，分别取得结果之后再叠加起来，所以从图像上看，施加了阶跃信号以后，输出信号先有一个乘了系数K的阶跃，之后则逐渐按斜坡形式增加，形式同比例和积分的加和是相同的，因而验证了这一假设。
3. 微分环节对于阶跃信号的响应，在理论上，由于阶跃信号在施加的一瞬间有跳变，造成其微分结果为无穷大，之后阶跃信号不再变化，微分为0，表现为输出信号开始衰减。 4. PID环节同时具备了比例、积分、微分三个环节的特性，输出图像其实也就是三个环节输出特性的叠加。三个环节在整个系统中的工作实际上是相互独立的，这也与它们是并联关系的事实相符合。
5.惯性环节的传递函数 输出函数：
可以看到，当t→∞时，r(t)≈Ku(t),这与图中的曲线是匹配的。
实验心得
通过本实验我对试验箱更加熟悉，会连接电路；更直观的看到电路的数学模型和电路的响应曲线图三者之间的关系，这让我能够将在此之前所学的知识联系到一起。不管是什么电路，如果要研究它首先就是得到它的数学模型，然后再通过对数学模型的研究间接的来研究该电路。验证电路，我们可以通过电路的响应曲线图来直观的判断。
实验二：典型系统的瞬态响应和稳定性分析
1. 典型二阶系统（r=10k）
（r=20k）
（r=40k）
（r=120k）
2. 典型三阶系统（r=10k）
（r=34k）
实验总结
实验所得超调量比理论值大，说明实验软件并不准确，可能是阻尼比偏小。
理论上，可得，在R=41.76K时，系统的响应曲线是等幅振荡，当Rx>41K时，系统趋于稳定，当Rx
实验心得
在二阶系统中我们可以调节电阻值，得到图形。增大放大系数可以减小稳态误差加快响应速度，但是放大系数过大会影响系统的稳定。在该实验的三阶系统中也是一样，一般来讲高阶的系统其实在一定的情况下可以降低近似为二阶系统，所以我们通过改变可调电阻R的值，可以使系统从不稳定，变化到临界稳定，最后再变化到稳定，可见，系统的参数对系统的动态响应有很大的影响，系统的动态响应由系统的结构和参数所决定。
实验三：系统校正的研究
1. 未校正系统（ Mp=64% Ts=4.469s 与理论值相近
)
2. 校正后系统（ Mp=6%
Ts=0.703s )
3. 改变校正装置的c=1uf (电容变小，则频率Wn减小变小
)
实验四：线性系统的根轨迹分析
1. 直接测量法(波特图和极坐标
)
2. 间接测量法(波特图和极坐标
)
实验七：状态反馈与极点配置
1. 极点配置前
2. 极点配置后
实验八：采样系统的分析与校正研究
1. 信号的采样保持 （T
)
(T=20ms时
)
(T>20ms时
)
2. 闭环采样控制系统 （T=5ms 阶跃峰值=3.23V 输出峰值=5.13 Mp=58.8%）
（T=30ms 阶跃峰值=3.18V 输出峰值=5.79v Mp=82.1%）
（T=150ms）
实验九：采样控制系统的校正
1. 未校正系统
2. 校正后系统 （输出峰值=4.3稳定电压=3.1
Mp=38.7%)
实验总结
信号的采样保持实验中，采样周期越大，失真度越高。 闭环采样控制系统实验中，特征方程式的根与采样周期 T 有关，若特征根的模均小于 1，则系统稳定，若有一个特征根的模大于 1，则系统不稳定，因此系统的稳定性与采样周期 T 的大小有关， 采样周期越大系统超调量越大。
实验十：典型非线性环节
1. 继电特性
2. 饱和特性
3. 死区特性
4. 间隙特性
实验十一：非线性系统分析
1. 继电型非线性系统
2. 带速度负反馈的继电型非线性系统
小结
当继电型非线性系统加上速度负反馈可以减小超调量，即平稳性加大，缩短调节时间Ts，减小振荡次数，系统的快速性得到提高。
3. 饱和非线性系统
小结
由于饱和特性在大信号时的等效增益很低，故带饱和非线性的控制系统，一般在大起始偏 离下总具有收敛性质，系统最终可能稳定，最坏的情况是自振，而不会造成愈大的不稳定状态。当然，如果饱和点过低，则在提高系统平稳性的同时，将使系统的快速性和稳态跟踪精度有所下降。
实验十二：三阶非线性系统实验
1. 继电型非线性三阶系统 （振幅为：7.19v 周期为：3.3s）
3
2. 饱和型非线性三阶系统（振幅为：8.85v 周期为：4.1s）
减小线性部分增益（r=250k和r=200k
）
实验总结
用示波器分别观测继电型、饱和型三阶系统的自激振荡，可读出其T和Em，实验中如适当减小线性部分的增益，G(jw)曲线向右缩小，致使与－1/N(x)线不相交，则自振消失。 由于G(jw)曲线不再包围－1/N(x)线，闭环系统能够稳定工作。
在示波器上可看出系统的输出为衰减振荡，自激振荡随着线性部分增益的减小而消失。
实验十三：模拟PID闭环温度控制系统的设计和实现
实验总结：
当PWM单元的输入电压为1.2v~3.4v时将产生PWM脉冲输出，此时加热灯亮，输出波形跳变；当输入电压小雨1.2v时输出零电平，此时加热灯灭，输出波形不变。
2014-2015学年第二学期 自 动 控 制 原 理
实验报告
姓名：王丽 学号：20122527 班级：交控3班 指导教师：周慧
实验一：典型系统的瞬态响应和稳定性
1. 比例环节的阶跃响应曲线图（1:1）
比例环节的阶跃响应曲线图（1:2）
2. 积分环节的阶跃响应曲线图（c=1uf）
3. 比例积分环节的阶跃响应曲线图（c=1uf）
比例积分环节的阶跃响应曲线图（c=2uf
）
4. 惯性环节的阶跃响应曲线图（c=1uf）
惯性环节的阶跃响应曲线图（c=2uf）
5. 比例微分环节的阶跃响应曲线图（r=100k
）
比例微分环节的阶跃响应曲线图（r=200k
）
6. 比例积分微分环节的阶跃响应曲线图（r=100k）
比例积分微分环节的阶跃响应曲线图（r=200k）
实验结论
1. 积分环节的阶跃响应曲线图可以看出，积分环节有两个明显的特征： （1）输出信号是斜坡信号
（2）积分常数越大，达到顶峰需要的时间就越长
2. 比例积分环节就是把比例环节与积分环节并联，分别取得结果之后再叠加起来，所以从图像上看，施加了阶跃信号以后，输出信号先有一个乘了系数K的阶跃，之后则逐渐按斜坡形式增加，形式同比例和积分的加和是相同的，因而验证了这一假设。
3. 微分环节对于阶跃信号的响应，在理论上，由于阶跃信号在施加的一瞬间有跳变，造成其微分结果为无穷大，之后阶跃信号不再变化，微分为0，表现为输出信号开始衰减。 4. PID环节同时具备了比例、积分、微分三个环节的特性，输出图像其实也就是三个环节输出特性的叠加。三个环节在整个系统中的工作实际上是相互独立的，这也与它们是并联关系的事实相符合。
5.惯性环节的传递函数 输出函数：
可以看到，当t→∞时，r(t)≈Ku(t),这与图中的曲线是匹配的。
实验心得
通过本实验我对试验箱更加熟悉，会连接电路；更直观的看到电路的数学模型和电路的响应曲线图三者之间的关系，这让我能够将在此之前所学的知识联系到一起。不管是什么电路，如果要研究它首先就是得到它的数学模型，然后再通过对数学模型的研究间接的来研究该电路。验证电路，我们可以通过电路的响应曲线图来直观的判断。
实验二：典型系统的瞬态响应和稳定性分析
1. 典型二阶系统（r=10k）
（r=20k）
（r=40k）
（r=120k）
2. 典型三阶系统（r=10k）
（r=34k）
实验总结
实验所得超调量比理论值大，说明实验软件并不准确，可能是阻尼比偏小。
理论上，可得，在R=41.76K时，系统的响应曲线是等幅振荡，当Rx>41K时，系统趋于稳定，当Rx
实验心得
在二阶系统中我们可以调节电阻值，得到图形。增大放大系数可以减小稳态误差加快响应速度，但是放大系数过大会影响系统的稳定。在该实验的三阶系统中也是一样，一般来讲高阶的系统其实在一定的情况下可以降低近似为二阶系统，所以我们通过改变可调电阻R的值，可以使系统从不稳定，变化到临界稳定，最后再变化到稳定，可见，系统的参数对系统的动态响应有很大的影响，系统的动态响应由系统的结构和参数所决定。
实验三：系统校正的研究
1. 未校正系统（ Mp=64% Ts=4.469s 与理论值相近
)
2. 校正后系统（ Mp=6%
Ts=0.703s )
3. 改变校正装置的c=1uf (电容变小，则频率Wn减小变小
)
实验四：线性系统的根轨迹分析
1. 直接测量法(波特图和极坐标
)
2. 间接测量法(波特图和极坐标
)
实验七：状态反馈与极点配置
1. 极点配置前
2. 极点配置后
实验八：采样系统的分析与校正研究
1. 信号的采样保持 （T
)
(T=20ms时
)
(T>20ms时
)
2. 闭环采样控制系统 （T=5ms 阶跃峰值=3.23V 输出峰值=5.13 Mp=58.8%）
（T=30ms 阶跃峰值=3.18V 输出峰值=5.79v Mp=82.1%）
（T=150ms）
实验九：采样控制系统的校正
1. 未校正系统
2. 校正后系统 （输出峰值=4.3稳定电压=3.1
Mp=38.7%)
实验总结
信号的采样保持实验中，采样周期越大，失真度越高。 闭环采样控制系统实验中，特征方程式的根与采样周期 T 有关，若特征根的模均小于 1，则系统稳定，若有一个特征根的模大于 1，则系统不稳定，因此系统的稳定性与采样周期 T 的大小有关， 采样周期越大系统超调量越大。
实验十：典型非线性环节
1. 继电特性
2. 饱和特性
3. 死区特性
4. 间隙特性
实验十一：非线性系统分析
1. 继电型非线性系统
2. 带速度负反馈的继电型非线性系统
小结
当继电型非线性系统加上速度负反馈可以减小超调量，即平稳性加大，缩短调节时间Ts，减小振荡次数，系统的快速性得到提高。
3. 饱和非线性系统
小结
由于饱和特性在大信号时的等效增益很低，故带饱和非线性的控制系统，一般在大起始偏 离下总具有收敛性质，系统最终可能稳定，最坏的情况是自振，而不会造成愈大的不稳定状态。当然，如果饱和点过低，则在提高系统平稳性的同时，将使系统的快速性和稳态跟踪精度有所下降。
实验十二：三阶非线性系统实验
1. 继电型非线性三阶系统 （振幅为：7.19v 周期为：3.3s）
3
2. 饱和型非线性三阶系统（振幅为：8.85v 周期为：4.1s）
减小线性部分增益（r=250k和r=200k
）
实验总结
用示波器分别观测继电型、饱和型三阶系统的自激振荡，可读出其T和Em，实验中如适当减小线性部分的增益，G(jw)曲线向右缩小，致使与－1/N(x)线不相交，则自振消失。 由于G(jw)曲线不再包围－1/N(x)线，闭环系统能够稳定工作。
在示波器上可看出系统的输出为衰减振荡，自激振荡随着线性部分增益的减小而消失。
实验十三：模拟PID闭环温度控制系统的设计和实现
实验总结：
当PWM单元的输入电压为1.2v~3.4v时将产生PWM脉冲输出，此时加热灯亮，输出波形跳变；当输入电压小雨1.2v时输出零电平，此时加热灯灭，输出波形不变。