目录第一章自动控制原理实验1.1线性系统的时域分析.1.1.1典型环节的模拟研究1.1.1.1比例环节.1.1.1.2惯性环节1.1.1.5比例微分环节1.1.1.6PID（比例积分微分）环节.1.1.2二阶系统瞬态响应和稳定性..1.1.3三阶系统的瞬态响应和稳定性，1.2线性系统的频域分析...1.2.1一阶惯性环节的频率特性曲线..1.2.2二阶闭环系统的频率特性曲线.1.2.3二阶开环系统的频率特性曲线.1.3线性系统的校正与状态反馈.1.3.1频域法串联超前校正，11.3.2频域法串联迟后校正，141.3.3时域法串联比例微分校正，1713.4时域法局部比例反馈校正19201.3.5时域法微分反馈校正..221.3.6线性系统的状态反馈及极点配置231.4非线性系统的相平面分析1.4.1典型非线性环节.23231.4.1.1测量继电特性，1.4.1.2测量饱和特性...241.4.1.3测量死区特性..241.4.1.4测量间隙特性251.4.2二阶非线性控制系统..1.4.2.1继电型非线性控制系统251.4.2.2饱和型非线性控制系统2621.4.2.3间隙型非线性控制系统261.4.3三阶非线性控制系统.271.4.3.1继电型非线性三阶控制系统271.4.3.2饱和型非线性三阶控制系统，28第二章计算机控制技术实验292.1采样与保持2.1.1采样实验...292.1.2采样控制..292.2微分与数字滤波301
1 目 录 第一章 自动控制原理实验.4 1.1 线性系统的时域分析.4 1.1.1 典型环节的模拟研究.4 1.1.1.1 比例环节 .4 1.1.1.2 惯性环节 .4 1.1.1.5 比例微分环节 .6 1.1.1.6 PID（比例积分微分）环节.6 1.1.2 二阶系统瞬态响应和稳定性.7 1.1.3 三阶系统的瞬态响应和稳定性.8 1.2 线性系统的频域分析.9 1.2.1 一阶惯性环节的频率特性曲线.9 1.2.2 二阶闭环系统的频率特性曲线.9 1.2.3 二阶开环系统的频率特性曲线. 10 1.3 线性系统的校正与状态反馈. 11 1.3.1 频域法串联超前校正. 11 1.3.2 频域法串联迟后校正. 14 1.3.3 时域法串联比例微分校正. 17 1.3.4 时域法局部比例反馈校正. 19 1.3.5 时域法微分反馈校正. 20 1.3.6 线性系统的状态反馈及极点配置 . 22 1.4 非线性系统的相平面分析. 23 1.4.1 典型非线性环节. 23 1.4.1.1 测量继电特性 . 23 1.4.1.2 测量饱和特性 . 24 1.4.1.3 测量死区特性 . 24 1.4.1.4 测量间隙特性 . 25 1.4.2 二阶非线性控制系统. 25 1.4.2.1 继电型非线性控制系统 . 25 1.4.2.2 饱和型非线性控制系统 . 26 1.4.2.3 间隙型非线性控制系统 . 26 1.4.3 三阶非线性控制系统. 27 1.4.3.1 继电型非线性三阶控制系统 . 27 1.4.3.2 饱和型非线性三阶控制系统 . 28 第二章 计算机控制技术实验. 29 2.1 采样与保持. 29 2.1.1 采样实验. 29 2.1.2 采样控制. 29 2.2 微分与数字滤波. 30
2.2.1一阶微分反馈控制302.2.2四点微分均值反馈控制2.2.3模拟一阶惯性数字滤波31-2.2.4四点加权平均数字滤波，322.3数字PID控制..322.3.1被控对象辨识.352.3.1.1对象开环辨识352.3.1.2对象闭环辩识352.3.2二阶PID控制...362.3.2.1位置型PID控制362.3.2.2增量型PID控制..362.3.2.3积分分离PID控制372.3.2.4带死区PID控制382.3.2.5I型位置型PID控制382.3.2.6I型增量型PID控制..392.3.2.7带有延迟对象PID控制392.3.3三阶PID控制..-2.3.3.1位置型PID控制-2.3.3.2 I 型位置型 PID 控制2.3.3.3I型增量型PID控制2.3.4串级控制.2.3.4.1二阶串级PID控制2.3.4.2三阶串级PID控制.2.3.5比值控制..442.3.5.1单闭环比值PID控制2.3.5.2双闭环比值PID控制2.3.6前馈-反馈控制...2.3.6.1静态前馈-反馈PID控制.422.3.6.2动态前馈-反馈PID控制.M2.3.7解耦控制...2.3.7.1静态前馈补偿解耦PID控制-2.3.7.2动态前馈补偿解耦PID控制522.4二阶位式控制2.5直接数字控制实验..2.5.1大林算法控制..532.5.1.1大林算法控制（L=2）542.5.1.2消除振铃大林算法控制（L=2）552.5.2最少拍控制..2.5.2.1最少拍有纹波控制系统562.5.2.2最少拍无纹波控制系统51第三章控制系统应用实验.583.1直流电机PID控制3.2温度PID控制...公3.3温度PWM方式PID控制593.4温度位式控制603.5烤箱PWM方式PID控制612
2 2.2.1 一阶微分反馈控制 . 30 2.2.2 四点微分均值反馈控制 . 31 2.2.3 模拟一阶惯性数字滤波 . 31 2.2.4 四点加权平均数字滤波 . 32 2.3 数字 PID 控制. 32 2.3.1 被控对象辨识 . 35 2.3.1.1 对象开环辨识. 35 2.3.1.2 对象闭环辨识. 35 2.3.2 二阶 PID 控制. 36 2.3.2.1 位置型 PID 控制. 36 2.3.2.2 增量型 PID 控制. 36 2.3.2.3 积分分离 PID 控制 . 37 2.3.2.4 带死区 PID 控制. 38 2.3.2.5 Ⅰ型位置型 PID 控制. 38 2.3.2.6 Ⅰ型增量型 PID 控制. 39 2.3.2.7 带有延迟对象 PID 控制 . 39 2.3.3 三阶 PID 控制. 40 2.3.3.1 位置型 PID 控制 . 40 2.3.3.2 Ⅰ型位置型 PID 控制 . 41 2.3.3.3 Ⅰ型增量型 PID 控制 . 41 2.3.4 串级控制 . 42 2.3.4.1 二阶串级 PID 控制. 43 2.3.4.2 三阶串级 PID 控制. 44 2.3.5 比值控制 . 44 2.3.5.1 单闭环比值 PID 控制 . 45 2.3.5.2 双闭环比值 PID 控制 . 45 2.3.6 前馈-反馈控制. 46 2.3.6.1 静态前馈-反馈 PID 控制. 47 2.3.6.2 动态前馈-反馈 PID 控制. 47 2.3.7 解耦控制 . 48 2.3.7.1 静态前馈补偿解耦 PID 控制. 49 2.3.7.2 动态前馈补偿解耦 PID 控制. 52 2.4 二阶位式控制. 52 2.5 直接数字控制实验. 53 2.5.1 大林算法控制 . 53 2.5.1.1 大林算法控制（L=2） . 54 2.5.1.2 消除振铃大林算法控制（L=2）. 55 2.5.2 最少拍控制. 55 2.5.2.1 最少拍有纹波控制系统 . 56 2.5.2.2 最少拍无纹波控制系统 . 57 第三章 控制系统应用实验. 58 3.1 直流电机 PID 控制. 58 3.2 温度 PID 控制. 59 3.3 温度 PWM 方式 PID 控制 . 59 3.4 温度位式控制. 60 3.5 烤箱 PWM 方式 PID 控制 . 61
3.6步进电机控制...21..............附录验机与随机附件清单.错误未定义书签。3
3 3.6 步进电机控制. 62 附录：验机与随机附件清单. 错误!未定义书签
第一章自动控制原理实验1.1线性系统的时域分析1.1.1典型环节的模拟研究1.1.1.1比例环节典型比例环节模拟电路如图1-1-1所示。矩形波R1100KB10UT1RoNA5Ui=4V HI 200KU.eCHOCH220KOUTOUTHI图 1-1-1典型比例环节模拟电路U(S)R:传递函数：G(S)=单位阶跃响应：浸U(t)= K=KK =U,(S)Ro实验内容及步骤（1）构造模拟电路：按图1-1-1安置短路套及插孔连线，表如下。（a）安置短路套（b）插孔连线模块号跨接座号信号输入（Ui)）BI（OUTI）→A5（HI）A5S4,S72运放级联A5(OUT)→A9(HI)3示波器联接A9（OUT)→B2(CH2)（2）运行、观察、记录：选择线性系统时域分析／典型环节／比例环节，确认信号参数默认值后，点击《下载》、《开始》键后，实验运行。1.1.1.2惯性环节典型惯性环节模拟电路如图1-1-2所示。R1200K20K矩形波TGluBIOUT1200kU.Ui=4VHIA5CH220KCHDOUTOUTHI图1-1-2典型惯性环节模拟电路Uo(S)KKR单位阶跃响应：U。)=K(1-六)传递函数：T=RCG(S):R.U,(S)1+TS实验内容及步骤（1）构造模拟电路：按图1-1-2安置短路套及插孔连线，表如下。（a）安置短路套（b）插孔连线跨接座号模块号信号输入（Ui）BI (OUT1)→A5 (HI)A5S4, S9, S1112运放级联A5（OUT）→A9（H1)3示波器联接A9 (OUT)→B2 (CH2)（2）运行、观察、记录：选择线性系统时域分析/典型环节/惯性环节，确认信号参数默认值后，点击《下载》、《开始》键后，实验运行。实验停止后，移动虚拟示波器横游标到输出稳态值×0.632处，得到与输出曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到输出曲线的交点，量得惯性环节模拟电路时间常数T。4
4 第一章 自动控制原理实验 1.1 线性系统的时域分析 1.1.1 典型环节的模拟研究 1.1.1.1 比例环节 典型比例环节模拟电路如图 1-1-1 所示。 图 1-1-1 典型比例环节模拟电路 传递函数： 0 1 (S) (S) (S) R R K K U U G i O = = = ； 单位阶跃响应： U(t ) = K 实验内容及步骤 （1）构造模拟电路：按图 1-1-1 安置短路套及插孔连线，表如下。 （a）安置短路套 （b）插孔连线 （2）运行、观察、记录： 选择线性系统时域分析／典型环节／比例环节，确认信号参数默认值后，点击《下载》、《开始》键 后，实验运行。 1.1.1.2 惯性环节 典型惯性环节模拟电路如图 1-1-2 所示。 图 1-1-2 典型惯性环节模拟电路 传递函数： T R C R R K TS K U U G i O 1 0 1 (S) 1 (S) (S) = = + = = 单位阶跃响应： ( ) (1 ) 0 T t U t K e − = − 实验内容及步骤 （1） 构造模拟电路：按图 1-1-2 安置短路套及插孔连线，表如下。 （a）安置短路套 （b）插孔连线 模块号 跨接座号 1 A5 S4，S9，S11 （2） 运行、观察、记录： 选择线性系统时域分析／典型环节／惯性环节，确认信号参数默认值后，点击《下载》、《开始》键 后，实验运行。 实验停止后，移动虚拟示波器横游标到输出稳态值×0.632 处，得到与输出曲线的交点，再移动虚 拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到输出曲线的交点，量得惯性环节模拟电路时间常数 T。 模块号 跨接座号 1 A5 S4，S7 1 信号输入（Ui） B1（OUT1）→A5（H1） 2 运放级联 A5（OUT）→A9（H1） 3 示波器联接 A9（OUT）→B2（CH2） 1 信号输入（Ui） B1（OUT1）→A5（H1） 2 运放级联 A5（OUT）→A9（H1） 3 示波器联接 A9（OUT）→B2（CH2）
1.1.1.3积分环节典型积分环节模拟电路如图1-1-3所示。U。(S)11传递函数：G(S)=单位阶跃响应：U。(t)=T =RCU (S)"TSTi手控阶跃Gip2u20KBIOUTIRoA5Ui=1VH1500KU.A920KCH20+CHIOUT HIOUT-图1-1-3典型积分环节模拟电路实验内容及步骤构造模拟电路：按图1-1-3安置短路套及插孔连线，表如下。（a）安置短路套（b）插孔连线模块号跨接座号1信号输入（Ui）BI（OUTI)→A5 (HI)A5S5, S11, S122运放级联A5(OUT)→A9 (HI)3B1 (OUTI)→B2 (CH1)示波器联接4(1)运行、观察、记录：A9(OUT)→B2 (CH2)选择线性系统时域分析／典型环节／积分环节，本实验用手控阶跃信号代替矩形波作为信号输入，实验前应把手控阶跃开关拨下，确认手控阶跃信号幅度默认值后，点击《下载》、《开始》键后，实验运行，把“手控阶跃开关”多次拨上、拨下，观察相应实验现象。积分环节输入如为0时，输出为平线，输入如不为0时，输出为斜线，斜率等于积分环节时间常数Ti。积分环节模拟电路时间常数Ti的测量：移动虚拟示波器两根横游标到△V=1V（与输入相等）处，得到与输出曲线的两个交点，再移动虚拟示波器两根纵游标到该两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti为1秒。1.1.1.4比例积分环节典型比例积分环节模拟电路如图1-1-4所示.。手控阶跃R150220KBIOUT1Ro.A45Ui=IVHI500KU.20KCH2.CHIOUT HIOUT图 1-1-4典型比例积分环节模拟电路1K_RUo(S)传递函数：G(S)：单位阶跃响应：U。(t)=K（1+云t)=K(1+T=RCTisR.U,(S)7实验内容及步骤（1）构造模拟电路：按图1-1-4安置短路套及插孔连线，表如下。（b）插孔连线（a）安置短路套1信号输入（Ui）BI(OUTI)→A5(HI)模块号跨接座号2运放级联A5（OUT)→A9（H1)A5S5,S6,S73BI (OUT1)→B2 (CH1)示波器联接4A9(OUT)→B2 (CH2)（2）运行、观察、记录：选择线性系统时域分析／典型环节／比例积分环节，本实验用手控阶跃信号代替矩形波作为信号输入，实验前应把手控阶跃开关拨下，确认手控阶跃信号幅度默认值后，点击《下载》；点击《开始》键后，实验运行，把手控阶跃开关多次拨上、拨下，观察相应实验现象。积分环节输入如为0时，输出为平线，输入如不为0时，输出为斜线，斜率等于积分环节时间常数Ti。5
5 1.1.1.3 积分环节 典型积分环节模拟电路如图 1-1-3 所示。 传递函数： T R C U TS U G i i O 0 1 (S) (S) (S) = = = 单位阶跃响应： t Ti 1 U (t) 0 = 图 1-1-3 典型积分环节模拟电路 实验内容及步骤 构造模拟电路：按图 1-1-3 安置短路套及插孔连线，表如下。 （a）安置短路套 （b）插孔连线 模块号 跨接座号 1 A5 S5，S11，S12 （1） 运行、观察、记录： 选择线性系统时域分析／典型环节／积分环节，本实验用手控阶跃信号代替矩形波作为信号输入， 实验前应把‘手控阶跃开关’拨下，确认手控阶跃信号幅度默认值后，点击《下载》、《开始》键后，实验 运行，把“手控阶跃开关”多次拨上、拨下，观察相应实验现象。积分环节输入如为 0 时，输出为平线， 输入如不为 0 时，输出为斜线，斜率等于积分环节时间常数 Ti。 积分环节模拟电路时间常数 Ti 的测量： 移动虚拟示波器两根横游标到 ΔV=1V（与输入相等）处，得到与输出曲线的两个交点，再移动虚 拟示波器两根纵游标到该两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数 Ti 为 1 秒。 1.1.1.4 比例积分环节 典型比例积分环节模拟电路如图 1-1-4 所示.。 图 1-1-4 典型比例积分环节模拟电路 传递函数： T R C R R K TiS K U U G i i O 1 0 1 ) 1 (1 (S) (S) (S) = = + = = 单位阶跃响应： （ t） T 1 UO (t ) = K 1 + 实验内容及步骤 （1）构造模拟电路：按图 1-1-4 安置短路套及插孔连线，表如下。 （a）安置短路套 （b）插孔连线 （2）运行、观察、记录： 选择线性系统时域分析／典型环节／比例积分环节，本实验用手控阶跃信号代替矩形波作为信号 输入，实验前应把‘手控阶跃开关’拨下，确认手控阶跃信号幅度默认值后，点击《下载》；点击《开始》 键后，实验运行，把‘手控阶跃开关’多次拨上、拨下，观察相应实验现象。积分环节输入如为 0 时，输 出为平线，输入如不为 0 时，输出为斜线，斜率等于积分环节时间常数 Ti。 1 信号输入（Ui） B1（OUT1）→A5（H1） 2 运放级联 A5（OUT）→A9（H1） 3 示波器联接 B1（OUT1）→B2（CH1） 4 A9（OUT）→B2（CH2） 1 信号输入（Ui） B1（OUT1）→A5（H1） 2 运放级联 A5（OUT）→A9（H1） 3 示波器联接 B1（OUT1）→B2（CH1） 4 A9（OUT）→B2（CH2） 模块号 跨接座号 1 A5 S5，S6，S7