《自动控制原理》实验教学大纲编写：任琦梅审核：王整风课程编码1302210课程名称自动控制原理学分应用物理学适用专业6考核形式学时高等数学、复变函数与先修课程第七学期积分变换、模拟电子技开课学期术一、课程简介本课程是应用物理学专业的一门重要的专业课程，主要介绍线性控制系统的建模、典型的分析方法和校正方法，是后续控制类专业课学习及将来工程应用所必备的理论基础。实验教学是课程的重要组成部分。通过实验教学环节，不仅能够验证所学理论，培养学生分析问题和解决问题的能力，而且对所学内容能够提出一些新的见解；通过实验，可以活跃学生的学术思想，全面提高学生的综合素质，为提高学生的创新能力打下坚实的基础。二、课程实验教学目的与要求1、实验教学目的（1）通过实验教学，拓宽和加深学生对已学过的理论知识的理解，从而建立理论与实践的关系，增强学生的动手能力和解决实际问题的能力：（2）将实验装置与MATLAB辅助分析进行有机配合；（3）通过实验使学生提高分析问题、解决问题的能力，掌握比较完整的自动控制概念、基本技能和方法。2、实验教学要求（1）能使用常用的仪器及设备，自已动手组装各种电路，模拟典型环节或控制系统，进行独立的实验操作、读取数据和观察实验现象；（2）利用MATLAB等计算机仿真软件，对系统进行仿真，求取系统的时域响应、根轨迹和频率特性，并在此基础上分析系统的性能；（3）能整理分析实验数据和绘制曲线，并能写出整洁、清楚、完整的实验报告。三、实验项目实验项目一：典型环节的阶跃响应1、实验目的和任务（1）熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线，掌握用模拟电路求取典型环节阶跃响应的方法，（2）了解参数变化对典型环节阶跃响应的影响，并学会由阶跃响应曲线求取典型环节的传递函数的方法。2、实验基本要求（1）理解实验原理及实验方案，掌握正确操作规程，掌握实验设备及计算机的使用方法，了解其性能参数、适应范围及注意事项等：（2）实验前根据各环节的模拟电路求出传递函数，熟悉各典型环节的阶跃响应曲线及其特征，写出预习报告；（3）记录各典型环节的阶跃响应曲线，每个环节至少应该记录不同参数的两条响应曲线。具体电阻
1 《自动控制原理》实验教学大纲 编写：任琦梅 审核：王整风 课程编码 1302210 课程名称 自动控制原理 适用专业 应用物理学 学 分 考核形式 学时 6 先修课程 高等数学、复变函数与 积分变换、模拟电子技 术 开课学期 第七学期 一、课程简介 本课程是应用物理学专业的一门重要的专业课程，主要介绍线性控制系统的建模、典型的分析方法 和校正方法，是后续控制类专业课学习及将来工程应用所必备的理论基础。实验教学是课程的重要组成 部分。通过实验教学环节，不仅能够验证所学理论，培养学生分析问题和解决问题的能力，而且对所学 内容能够提出一些新的见解；通过实验，可以活跃学生的学术思想，全面提高学生的综合素质，为提高 学生的创新能力打下坚实的基础。 二、课程实验教学目的与要求 1、实验教学目的 （1）通过实验教学，拓宽和加深学生对已学过的理论知识的理解，从而建立理论与实践的关系，增 强学生的动手能力和解决实际问题的能力； （2）将实验装置与 MATLAB 辅助分析进行有机配合； （3）通过实验使学生提高分析问题、解决问题的能力，掌握比较完整的自动控制概念、基本技能和 方法。 2、实验教学要求 （1）能使用常用的仪器及设备，自己动手组装各种电路，模拟典型环节或控制系统，进行独立的实 验操作、读取数据和观察实验现象； （2）利用 MATLAB 等计算机仿真软件，对系统进行仿真，求取系统的时域响应、根轨迹和频率特性， 并在此基础上分析系统的性能； （3）能整理分析实验数据和绘制曲线，并能写出整洁、清楚、完整的实验报告。 三、实验项目 实验项目一：典型环节的阶跃响应 1、实验目的和任务 （1）熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线，掌握用模拟电路求取典型环节阶跃响应的方法。 （2）了解参数变化对典型环节阶跃响应的影响，并学会由阶跃响应曲线求取典型环节的传递函数的 方法。 2、实验基本要求 （1）理解实验原理及实验方案，掌握正确操作规程，掌握实验设备及计算机的使用方法，了解其性 能参数、适应范围及注意事项等； （2）实验前根据各环节的模拟电路求出传递函数，熟悉各典型环节的阶跃响应曲线及其特征，写出 预习报告； （3）记录各典型环节的阶跃响应曲线，每个环节至少应该记录不同参数的两条响应曲线。具体电阻
电容值可根据实验箱情况灵活调整。（3）根据实验得到的响应曲线，计算比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节的传递函数，并与由模拟电路得到的传递函数进行比较。3、实验原理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，将阶跃信号（或方波信号）加到典型环节的输入端，利用示波器或计算机等测量仪器，测量环节的输出，得到动态响应曲线。改变环节的参数（电阻或电容的值），可进一步分析研究参数对该环节性能的影响。4、实验内容搭建下述各典型环节的模拟电路，用实验软件求取其单位阶跃响应曲线，并测量相关参数。（给出的电阻电容值仅供参考，可根据实验箱情况灵活调整。）（1）比例环节R21）R/=R2=100K2）Rl=100K，R2=200Kuuo（2）惯性环节R21） Ri=R2=100K,C=luf2）R=100K，R2=200K,C=1ufuu（3）积分环节P1)R=100K,C=luf2）R=200K,C=lufu,u。心（4）微分环节1)R=100K,C=luf,C,=0.01uf2）R=200K,C=luf,Ci=0.01ufuu.（5）比例微分环节2
2 电容值可根据实验箱情况灵活调整。 （3）根据实验得到的响应曲线，计算比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节的传递函数， 并与由模拟电路得到的传递函数进行比较。 3、实验原理 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，将阶跃信号（或方波信号）加到典 型环节的输入端，利用示波器或计算机等测量仪器，测量环节的输出，得到动态响应曲线。改变环节的 参数（电阻或电容的值），可进一步分析研究参数对该环节性能的影响。 4、实验内容 搭建下述各典型环节的模拟电路，用实验软件求取其单位阶跃响应曲线，并测量相关参数。（给出的 电阻电容值仅供参考，可根据实验箱情况灵活调整。） （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 1） R1=R2=100K 2） R1= 100K ，R2=200K 1） R1=R2=100K，C=1uf 2） R1= 100K ，R2=200K，C=1uf 1） R =100K，C=1uf 2） R =200K，C=1uf 1） R =100K，C=1uf，C1=0.01 uf 2） R =200K，C=1uf，C1=0.01 uf
R21)R=R2=100K,C=luf2）R=100K，R2=200K，C=1ufu（6）比例积分环节RRi1)Ri=R2=100K,C=luf2）Ri=100K，R2=200K，C=lufuu广5、实验重点和难点重点：各典型环节的阶跃响应形式，参数变化对动态特性的影响。难点：各典型环节参数变化对动态特性的影响。实验项目二：二阶系统的阶跃响应及稳定性分析1、实验目的和任务（1）研究二阶系统的阻尼比和无阻尼自然振荡角频率の，对系统动态性能的影响。（2）分析和计算和の，与最大超调量M，和调节时间t，之间的关系。学会根据二阶系统阶跃响应曲线确定传递函数的方法。（3）观察系统的不稳定现象，研究系统开环增益对稳定性的影响。2、实验基本要求（1）理解实验原理及实验方案，掌握正确操作规程，掌握实验设备及计算机的使用方法，了解其性能参数、适应范围及注意事项等：（2）实验前根据电路图画出对应的系统框图，求出传递函数，明确电路参数与系统参数之间的关系，计算出要求的理论值，写出预习报告；（3）记录不同阻尼比和无阻尼自然振荡角频率时系统的阶跃响应曲线，求出最大超调量和调整时间；（4）根据实验得到的响应曲线，分析阻尼比和无阻尼自然振荡角频率对系统性能的影响，并和理论值进行比较：3、实验原理利用运算放大器和电阻、电容搭建电路，模拟典型二阶系统，将阶跃信号（或方波信号）加到系统的输入端，利用示波器或计算机等测量仪器，测量系统的输出，得到系统的动态响应曲线。改变系统的参数，可进一步分析研究参数对系统性能的影响。R4、实验内容（1）搭建图示典型二阶系统的模拟电路200R100K200起100X100根据电路图画出系统框图，并计算系统的传速3
3 （6）比例积分环节 5、实验重点和难点 重点：各典型环节的阶跃响应形式，参数变化对动态特性的影响。 难点：各典型环节参数变化对动态特性的影响。 实验项目二：二阶系统的阶跃响应及稳定性分析 1、实验目的和任务 （1）研究二阶系统的阻尼比 和无阻尼自然振荡角频率 n 对系统动态性能的影响。 （2）分析和计算 和 n 与最大超调量 M p 和调节时间 s t 之间的关系。学会根据二阶系统阶跃响应 曲线确定传递函数的方法。 （3）观察系统的不稳定现象，研究系统开环增益对稳定性的影响。 2、实验基本要求 （1）理解实验原理及实验方案，掌握正确操作规程，掌握实验设备及计算机的使用方法，了解其性 能参数、适应范围及注意事项等； （2）实验前根据电路图画出对应的系统框图，求出传递函数，明确电路参数与系统参数之间的关 系，计算出要求的理论值，写出预习报告； （3）记录不同阻尼比和无阻尼自然振荡角频率时系统的阶跃响应曲线，求出最大超调量和调整时 间； （4）根据实验得到的响应曲线，分析阻尼比和无阻尼自然振荡角频率对系统性能的影响，并和理论 值进行比较； 3、实验原理 利用运算放大器和电阻、电容搭建电路，模拟典型二阶系统，将阶跃信号（或方波信号）加到系统 的输入端，利用示波器或计算机等测量仪器，测量系统的输出，得到系统的动态响应曲线。改变系统的 参数，可进一步分析研究参数对系统性能的影响。 4、实验内容 （1）搭建图示典型二阶系统的模拟电路 根据电路图画出系统框图，并计算系统的传递函数。 1） R1=R2=100K，C=1uf 2） R1= 100K ，R2=200K，C=1uf 1） R1=R2=100K，C=1uf 2） R1= 100K ，R2=200K，C=1uf
调节电路中电阻和电容值，即改变和の的值，用实验软件求取其单位阶跃响应曲线。要求：の，不变时，改变专，观察、记录并分析其阶跃响应曲线；专不变时，改变の，，观察、记录并分析其阶跃响应曲线。参考调节方式：1）取C=1μF，调节R的值（如20K、50K、100K、200K、250K），即可改变阻尼比E。2）取Ri=100K，改变电容C的值，即可改变の，。记录不同参数时的单位阶跃响应曲线，测量出最大超调量和调整时间，并与理论值进行比较。（2）三阶系统稳定性分析（选做）实验电路图如下：1uFluF2F00k100元200K100K200.K,1O200K10K10K1根据电路图画出系统框图，计算系统的传递函数，求出系统的临界开环增益。调节R的值，即调节系统的开环增益，观察在不同开环增益下系统的阶跃响应，并确定系统的临界开环增益，与理论值进行比较。5、实验重点和难点重点：阻尼比的变化对二阶系统响应形式及暂态性能的影响。难点：系统参数如阻尼比、无阻尼自然振荡角频率与实验时调节的参数如电阻、电容值之间的关系，在响应曲线上测量最大超调量和调整时间的方法。实验项自三：线性系统的频域分析和串联校正1、实验目的和任务（1）学会用MATLAB求取系统频率特性和暂态响应的方法。（2）掌握利用Bode图分析系统性能并求取频域指标的方法。（3）分析串联校正环节对系统稳定性及其过渡过程的影响。2、实验基本要求（1）理解实验原理及实验方案，熟悉利用MATLAB绘制Nyquist图、Bode图和阶跃响应曲线的方法；（2）实验前要根据系统的数学模型绘制相关的曲线并计算相关的理论值，根据实验内容编制相应的程序，写出预习报告：（3）对实验中观察到的各种曲线和测量的数据进行详细记录和分析。3、实验原理利用MATLAB仿真软件，通过简单的编程，即可得到控制系统的Nyquist图、Bode图和阶跃响应曲线，求取相关的性能指标，图形绘制简单方便，参数测量快捷准确。4、实验内容（1）一单位负反馈系统的开环传递函数为4
4 调节电路中电阻和电容值，即改变 和 n 的值，用实验软件求取其单位阶跃响应曲线。 要求： n 不变时，改变 ，观察、记录并分析其阶跃响应曲线； 不变时，改变 n ，观察、记录 并分析其阶跃响应曲线。 参考调节方式： 1）取 C=1μF，调节 R1 的值（如 20K、50K、100K、200K、250K），即可改变阻尼比 。 2）取 R1=100K，改变电容 C 的值，即可改变 n 。 记录不同参数时的单位阶跃响应曲线，测量出最大超调量和调整时间，并与理论值进行比较。 （2）三阶系统稳定性分析（选做） 实验电路图如下： 根据电路图画出系统框图，计算系统的传递函数，求出系统的临界开环增益。 调节 R1 的值，即调节系统的开环增益，观察在不同开环增益下系统的阶跃响应，并确定系统的临界 开环增益，与理论值进行比较。 5、实验重点和难点 重点：阻尼比的变化对二阶系统响应形式及暂态性能的影响。 难点：系统参数如阻尼比、无阻尼自然振荡角频率与实验时调节的参数如电阻、电容值之间的关系， 在响应曲线上测量最大超调量和调整时间的方法。 实验项目三：线性系统的频域分析和串联校正 1、实验目的和任务 （1）学会用 MATLAB 求取系统频率特性和暂态响应的方法。 （2）掌握利用 Bode 图分析系统性能并求取频域指标的方法。 （3）分析串联校正环节对系统稳定性及其过渡过程的影响。 2、实验基本要求 （1）理解实验原理及实验方案，熟悉利用 MATLAB 绘制 Nyquist 图、Bode 图和阶跃响应曲线的方 法； （2）实验前要根据系统的数学模型绘制相关的曲线并计算相关的理论值，根据实验内容编制相应的 程序，写出预习报告； （3）对实验中观察到的各种曲线和测量的数据进行详细记录和分析。 3、实验原理 利用 MATLAB 仿真软件，通过简单的编程，即可得到控制系统的 Nyquist 图、Bode 图和阶跃响应 曲线，求取相关的性能指标，图形绘制简单方便，参数测量快捷准确。 4、实验内容 （1）一单位负反馈系统的开环传递函数为
KG(s)H(s) =s(s+2)(s+10)求出系统的临界开环增益，选取三个不同的K值分别使系统稳定、临界稳定、不稳定，用MATLAE编写程序，观察三种情况下Bode图的区别，并加以记录。观察三种情况下的Nyquist图并记录。（2）单位负反馈控制系统，校正前开环传递函数为：40G(s) =s(0.2s + 1)现采用审联校正，校正装置传递函数为：0.055s+1G(s) =0.005s+11）绘制校正前后系统的Bode图及校正装置的Bode图。2）求出校正前后系统的剪切频率和相角裕度。3）说明采用的是哪一种校正。4）绘制校正前后系统的单位阶跃响应曲线，求出超调量和调整时间。5）分析加入校正装置后对系统性能的影响。5、实验重点和难点重点：Nyquist稳定判据的应用：在Bode图上分析系统性能的方法：开环增益对系统性能的影响。难点：判断Nyquist是否包围（-1，jo）点：幅值裕度（增益裕度）和相角裕度的求取。四、实验项目学时分配表序号学时实验项目实验类别21验证性典型环节的阶跃响应22验证性二阶系统的阶跃响应及稳定性分析32综合性线性系统的频域分析和串联校正6合计五、实验报告格式1、实验目的2、实验内容3、实验仪器4、实验步骤（仿真类实验项目可省略）5、实验结果及分析计算6、实验体会（实验中存在的问题分析、讨论或建议）六、考核方式及成绩评定标准实验成绩按下面6条进行考核评定。（1）做好实验内容的预习，写出预习报告，设计性实验应写出设计方案：（2）了解实验设备及仿真软件的正确使用方法；（3）按实验要求正确连接电路和仪器：（4）认真记录实验数据并分析实验结果：5
5 ( 2)( 10) ( ) ( ) + + = s s s K G s H s 求出系统的临界开环增益，选取三个不同的 K 值分别使系统稳定、临界稳定、不稳定，用 MATLAB 编写程序，观察三种情况下 Bode 图的区别，并加以记录。观察三种情况下的 Nyquist 图并记录。 （2）单位负反馈控制系统，校正前开环传递函数为： (0.2 1) 40 ( ) + = s s G s 现采用串联校正，校正装置传递函数为： 0.005 1 0.055 1 ( ) + + = s s G s c 。 1）绘制校正前后系统的 Bode 图及校正装置的 Bode 图。 2）求出校正前后系统的剪切频率和相角裕度。 3）说明采用的是哪一种校正。 4）绘制校正前后系统的单位阶跃响应曲线，求出超调量和调整时间。 5）分析加入校正装置后对系统性能的影响。 5、实验重点和难点 重点：Nyquist 稳定判据的应用；在 Bode 图上分析系统性能的方法；开环增益对系统性能的影响。 难点：判断 Nyquist 是否包围（-1，j0）点；幅值裕度（增益裕度）和相角裕度的求取。 四、实验项目学时分配表 序 号 实 验 项 目 实验类别 学 时 1 典型环节的阶跃响应 验证性 2 2 二阶系统的阶跃响应及稳定性分析 验证性 2 3 线性系统的频域分析和串联校正 综合性 2 合 计 6 五、实验报告格式 1、实验目的 2、实验内容 3、实验仪器 4、实验步骤（仿真类实验项目可省略） 5、实验结果及分析计算 6、实验体会（实验中存在的问题分析、讨论或建议） 六、考核方式及成绩评定标准 实验成绩按下面 6 条进行考核评定。 （1）做好实验内容的预习，写出预习报告，设计性实验应写出设计方案； （2）了解实验设备及仿真软件的正确使用方法； （3）按实验要求正确连接电路和仪器； （4）认真记录实验数据并分析实验结果；
（5）实验数据正确，原理及误差分析准确：（6）实验过程中，具有严谨的学习态度，认真、踏实、一丝不苟的科学作风。根据实验过程中的表现和实验报告进行评定，成绩分成优、良、中、及格、不及格五个档次。1）优：预习报告详细（设计方案合理），实验操作熟练，实验结果正确，分析合理，能独立解决实验中出现的问题。2）良：预习报告较详细，实验操作正规，实验结果正确，分析基本合理。3）中：预习报告基本符合要求，实验操作基本规范，实验结果基本正确，分析不太合理。4）及格：预习报告简单，实验操作不太规范，实验结果有少量错误，分析不太合理。5）不及格：预习报告简单，实验操作不规范，实验结果错误，分析不合理。七、教材及参考书教材：《自动控制原理》（第3版），夏德铃，机械工业出版社，2007.6参考书：[1]】《自动控制原理》（第五版），胡寿松，科学出版社，2007.6[2]《现代控制工程》（第三版)，KatsuhikoOgata著，卢伯英，于海勋等译，电子工业出版社，2000.5[3】《控制系统计算机辅助设计一一MATLAB语言与应用》，薛定宇，清华大学出版社，2006.26
6 （5）实验数据正确，原理及误差分析准确； （6）实验过程中，具有严谨的学习态度，认真、踏实、一丝不苟的科学作风。 根据实验过程中的表现和实验报告进行评定，成绩分成优、良、中、及格、不及格五个档次。 1）优：预习报告详细（设计方案合理），实验操作熟练，实验结果正确，分析合理，能独立解决实 验中出现的问题。 2）良：预习报告较详细，实验操作正规，实验结果正确，分析基本合理。 3）中：预习报告基本符合要求，实验操作基本规范，实验结果基本正确，分析不太合理。 4）及格：预习报告简单，实验操作不太规范，实验结果有少量错误，分析不太合理。 5）不及格：预习报告简单，实验操作不规范，实验结果错误，分析不合理。 七、教材及参考书 教材： 《自动控制原理》（第 3 版），夏德钤，机械工业出版社，2007.6 参考书： [1] 《自动控制原理》（第五版），胡寿松，科学出版社，2007.6 [2] 《现代控制工程》(第三版),Katsuhiko Ogata 著，卢伯英，于海勋等译，电子工业出版社， 2000.5 [3] 《控制系统计算机辅助设计——MATLAB 语言与应用》，薛定宇，清华大学出版社，2006.2