控制工程原理实验报告
学
生
实
验
报
告
（理工类）
课程名称：
控制工程原
专业班级：
17 机械设计制造及其自动化（1）
学生学号：
1704021025
学生姓名：
吴林凌
所属院部：
机电工程学院
指导教师：
刘祥建
20
19
—— 20
20
学年
第
二
学期
金陵科技学院教务处制
实验项目名称：
Matlab 软件使用及典型控制系统建模 实验学时：
2
同组学生姓名：
实验地点：
C306
实验日期：
2020.5.5
实验成绩：
批改教师：
批改时间：
一、 实验目的和要求 目的：
1. 学习 Matlab 的数据表示、基本运算和程序控制语句。
2. 学习用 Matlab 创建控制系统模型。
要求：
1. 掌握 Matlab 软件使用的基本方法。
2. 掌握用 Matlab 产生系统的传递函数模型。
3. 记录程序和运行结果。
二、实验仪器和设备 电脑、Matlab 软件 三、实验过程 （1）
用 Matlab 软件显示如下传递函数的有理多项式模型和零极点增益模型 。
（2）用 Matlab 软件显示如下传递函数方框图的有理多项式模型和零极点增益模型。
四、实验数据 1、实验内容（1）程序及结果记录。
程序 有理多项式模型 >>num=[12,24,0,20],den=[2 4 6 2 2]; >>sys=tf(num,den)
num=[1，3，2，1，1],den=[1，4，3，2，3，2];
sys1=tf(num,den)
sys=zpk(sys1)
零极点增益模型
2、实验内容（2）程序及结果记录。
程序 有理多项式模型 num1=10;den1=[1,2,0];num2=[5,7]; den2=[1,4,2,5]; [num,den]=series(num1,den1,num2,den2); sys=tf(num,den)
num1=10;den1=[1,2,0];num2=[5,7]; den2=[1,4,2,5]; [num,den]=series(num1,den1,num2,den2); sys=tf(num,den) sys1=zpk(sys)
零极点增益模型
实验项目名称：系统时间响应分析仿真
实验学时：
2
同组学生姓名：
实验地点：
C306
实验日期：
2020.5.7
实验成绩：
批改教师：
批改时间：
一、实验目的和要求 1. 学习瞬态性能指标的测试方法（σ、ts、tp）。
2. 了解参数变化对典型环节动态性能和稳定性的影响。
3.观测并记录二阶系统阶跃响应曲线并测试出性能指标（如 σ、ts、tp 等）。
4.观测增益变化对三阶系统稳定性的影响，测试并记录相应的曲线。
二、实验仪器和设备 电脑、Matlab 软件
三、实验过程 （1）典型二阶系统瞬态响应指标的测试
1）建立二阶系统的实验方框图；
2）单击 图标，计算机开始仿真，观测示波器的输出值。调整“Gain”模块的增益分别为 0.3、4、10，观测增益对二阶系统输出波形的影响并记录各次输出曲线。
（2）典型三阶系统的稳定性分析
1）建立典型三阶系统的实验方框图；
2）调整仿真参数中的停止时间，点击“Simulation”菜单出现下拉子菜单，点击“Simulation parameters”出现参数调整界面，修改“Stop time”为 20；
3）调整“Gain”模块增益为 0.8、2、5，观测系统输出值的波形，并记录输出曲线， 分析增益对系统稳定性的影响。
四、实验数据 1、实验内容（1）结果记录。
增益 0.3 4 10
图形记录
2、实验内容（2）结果记录。
增 0.8 2 5
益
图形记录
五、实验结果分析 1、试根据实验内容（1）结果记录，分析增益变化对系统超调量 σ 、峰值时间 t p 、上升时间 t r 、调整时间 t s 有何影响？ 答：1、增加增益，系统超调量变大
2、增加增益，峰值时间变短 3、增加增益，上升时间变短
4、增加增益，调整时间变
2、试根据实验内容（2）结果记录，分析增益变化对系统稳定性有何影响？ 答：当系统增益增大时，系统的响应快速性变好，精确性提高，但稳定性降低。
实验项目名称：
系统频率特性分析仿真 实验学时：
2
同组学生姓名：
实验地点：
C306
实验日期：
2020.5.12
实验成绩：
批改教师：
批改时间：
一、实验目的和要求 1. 学习利用 Matlab 软件绘制 Nyquist 图和 Bode 图的方法。
2. 学习利用 Nyquist 图和 Bode 图判断系统稳定性。
3. 绘制并记录给定系统的 Nyquist 图和 Bode 图。
4. 判断系统的稳定性。
二、实验仪器和设备 电脑、Matlab 软件 三、实验过程 （1）连接好系统方框图；
（2）改变系统输入正弦信号的频率。双击 Sine Wave 图标，出现参数设定对话框，改变“Frequency”的值为 1、5、15 rad/sec，观测系统的输出并记录输出曲线和各参数值；
（3）在 Matlab Command Window 窗口中，输入“三、实验原理”提供的 Matlab 语句，画出系统 Nyquist 图和 Bode 图，记录曲线并判断闭环系统稳定性。
注：（1）Xi 和 X o 数值从图 3-1 所示系统的输出曲线中读取；
（2）Nyquist 图需标识出实轴上的（-1）点。
四、实验数据 1、频率值分别为 1、5、15 rad/sec 时，系统输出曲线和各参数值记录。
Frequency X i
X o
G(j) 图形记录 1 1.8 1 0.56
5 1 0.2 0.2
15 1 0.7 0.7
2、系统 Nyquist 图和 Bode 图记录。
Nyquist 图 Bode 图
图形记录
五、实验结果分析 1、试根据系统的 Nyquist 图和 Bode 图，分析闭环系统稳定性？并简要说明理由。
答：1、由 Nyquist 图可知，该闭环系统稳定，因为 Nyquist 轨迹不包含（-1, j0)，故相应的闭环系统稳定。2、由 Bode 图可知，该闭环系统稳定，因为对于稳定系统来说，Kg（dB）必在 0dB 线以下，称为正副值裕度，Gm=19.6dB，Pm=89.8dB，具有正幅值和正相对裕度，所以该系统稳定。
实验项目名称：
系统稳定性分析仿真 实验学时：
2
同组学生姓名：
实验地点：
C105
实验日期：
2020.5.14
实验成绩：
批改教师：
批改时间：
一、实验目的和要求 1. 学会运用各种稳定判据来判断系统的稳定性。
2. 学会运用 Matlab 软件进行系统稳定性分析。
3. 记录程序和结果曲线。
4. 判断闭环系统的稳定性。
二、实验仪器和设备 电脑、Matlab 软件 三、实验过程 1. 直接求特征多项式的根
设 p 为特征多项式的系数向量，则 Matlab 函数 roots( )可以直接求出方程 p=0 在复数范围内的解 v,该函数的调用格式为：v=roots(p)
利用多项式求根函数 roots( ),可以很方便的求出系统的零点和极点，然后根据零极点分析系统稳定性和其它性能。
2. 绘制零极点分布图
在 Matlab 中，可利用 pzmap( )函数绘制连续系统的零极点分布图，从而分析系统的稳定性。
该函数调用格式为：pzmap(num,den)
四、实验数据 实验内容（1）、（2）结果记录。
实验内容 程序 运行结果
（1）
p=[1，7，3，5，2];
v=roots(p)
v =
0.3202 + 1.7042i
0.3202 - 1.7042i
-0.7209 + 0.0000i
0.0402 + 0.6780i
0.0402 - 0.6780i
（2）
num=[1,2,2]; den=[1,7,3,5,2]; pzmap(num,den)
五、实验结果分析 1、试根据实验内容（1）、（2）结果，分析闭环系统稳定性？并简要说明理由？ 实验（1）由于实部符号发生了两次改变，所以系统不稳定 实验（2）因为特征方程 S^4+7S^3+3S^2+5S+2=0,由（1）可知该系统不稳定。
实验项目名称：
系统设计矫正仿真
实验学时：
2
同组学生姓名：
实验地点：
C105
实验日期：
2020.5.19
实验成绩：
批改教师：
批改时间：
一、实验目的和要求 1. 了解和观测调节规律对系统瞬态性能的影响。
2. 验证 PID 调节器参数（Kp、Ti、Td）在调节系统中的功能和对调节质量的影响。
二、实验仪器和设备 电脑，Matlab 软件 三、实验过程 （1）按图 5-1 连接好系统方框图。（“PID Controller”在 Simulink Extras 模块库的
“Additional Linear”模块子库中）
（2）调节器为比例（P）控制规律。双击 PID 模块，出现参数设定对话框，将 PID 控制器的积分和微分增益设为 0，使调节器具有比例控制规律。调整比例增益，观察并记录响
应曲线的变化，分析比例增益对系统性能的作用。（记录一条响应曲线，其中衰减比必须在
4:1-10:1 之间）
（3）调节器为比例-微分（PD）控制规律。双击 PID 模块，在参数设定对话框，将 PID
控制器的积分增益设为 0，使调节器具有比例-微分控制规律。调整比例、微分增益，观察
并记录响应曲线的变化，分析 PD 控制律对系统性能的作用。（记录一条响应曲线，其中衰减比必须在 4:1-10:1 之间）
（4）调节器为比例-积分（PI）控制规律。双击 PID 模块，在参数设定对话框，将 PID
控制器的微分增益设为 0，使调节器具有比例-积分控制规律。调整比例、积分增益，观察
并记录响应曲线的变化，分析 PI 控制律对系统性能的作用。（记录一条响应曲线，其中衰减比必须在 4:1-10:1 之间）
（5）调节器为比例-积分-微分（PID）控制规律。双击 PID 模块，出现参数设定对话框，
设定 PID 控制器的比例、积分和微分增益，使调节器具有比例-积分-微分控制规律。调整比例、积分和微分增益，观察并记录响应曲线的变化，分析 PID 控制律对系统性能的作用。（记录一条响应曲线，其中衰减比必须在 4:1-10:1 之间）
四、实验数据
调节器分别为 P、PD、PI、PID 控制规律时，系统响应曲线记录。
结果记录 K p 、T d 、T i 数值 响应曲线（衰减比在 4:1-10:1 间）
P 控制规律
Kp=1 Td=0 Ti=0
PD 控制规律
Kp=10 Td=1 Ti=0
PI 控制规律
Kp=1.2 Td=0 Ti=0.001
PID 控制规律
Kp=1 Td=1 Ti=1
五、实验结果分析 1、试根据调节器分别为比例（P）、比例-微分（PD）、比例-积分（PI）、比例-积分-微分（PID）控制规律的上述实验结果，分析 PID 控制律中比例控制项、微分控制项、积分控制
项对系统性能的作用？ 答：（1）比例控制项：比例系数 Kp 直接决定控制作用的强弱，加大 Kp 可以减小系统稳态误差，提高系统动态响应速度，Kp 不宜过大 （2）积分控制项;可以消除系统的稳态误差； （3）微分控制项：能够预测偏差，产生超前的校正作用，有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，并能加快系统的响应速度。