二、 教学内容及学时分配

1、Matlab的基本使用（2学时）

（1）Matlab介绍与Matlab的基础知识

（2）Matlab控制系统工具箱介绍

（3）Matlab 的运行环境

（4）矩阵运算与符号运算功能

（5）Matlab的基本数据类型

（6）Matlab的特殊矩阵及矩阵计算

（7）传递函数描述法，即利用命令建立两种形式的传递函数。

（8）利用结构框图分析系统传递函数，实现复杂结构框图的简化和分析。

2、  控制理论的操作-时域仿真分析（2学时）

（1）掌握框图化简的方法。

（2）利用matlab分析阶跃响应曲线的动态特性。

（3）零输入、脉冲、阶跃响应曲线的绘制和分析。

（4）离散系统任意输入响应曲线分析。

（5）模型的简单组合

串联、并联、反馈

（6）模型的阶跃响应函数step()

1）阶跃响应：格式：step(sys)

2）根据标准二阶系统，求系统动态指标

3、PID控制器simulink仿真（2学时）

（1）二阶闭环系统阶跃响应仿真方法

（2）PID控制器参数整定仿真

1）PID控制器作用

2）试凑法设置PID参数的方法和步骤

4、控制理论的操作-频域分析仿真（使用M文件）（2学时）

（1） 常用控制系统的频域分析方法

主要包括三种方法：

Bode图(幅频/相频特性曲线)

Nyquist曲线

Nichols图

（2）      频域常用MATLAB函数

（3）  控制系统的根轨迹分析

（4）  MATLAB绘图函数的使用

（5）使用M文件完成建立模型仿真

硬件电路实验内容

5、典型环节与二阶系统稳定性分析    （2学时）

实验目的

1.研究典型环节、二阶系统的两个重要参数—阻尼比和自由振荡频率对系统动态性能的影响，即通过改变阻尼比和自由振荡频率，观测系统响应的变化。即分析阻尼比和自由振荡频率与超调量和调整时间的关系。了解和掌握比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节、比例微分、比例微分+惯性阶跃响应曲线。掌握一阶、二阶系统模拟电路的构成方法及Ⅰ型二阶闭环系统的传递函数标准式。

2.研究Ⅰ型二阶闭环系统的结构参数--无阻尼振荡频率ωn、阻尼比ξ对过渡过程的影响。

3.掌握欠阻尼Ⅰ型二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标Mp、tp、ts的计算。

4.观察和分析Ⅰ型二阶闭环系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼的瞬态响应曲线，及在阶跃信号输入时的动态性能指标Mp、tp值，并与Matlab计算值作比对。

实验内容及步骤

1.Ⅰ型二阶闭环系统模拟电路见图，观察阻尼比ξ对该系统的过渡过程的影响。改变输入电阻R来调整系统的开环增益K，从而改变系统的结构参数。

2.改变被测系统的各项电路参数，计算和测量被测对象的临界阻尼的增益K，填入实验报告。

3.改变被测系统的各项电路参数，计算和测量被测对象的超调量Mp，峰值时间tp，填入实验报告，并画出阶跃响应曲线。

6、三阶系统的稳定性和瞬态响应      （2学时）

实验目的

1.了解和掌握典型三阶系统模拟电路的构成方法及Ⅰ型三阶系统的传递函数表达式。

2.了解和掌握求解高阶闭环系统临界稳定增益K的多种方法（劳斯稳定判据法、代数求解法、MATLAB根轨迹求解法）。

3.观察和分析Ⅰ型三阶系统在阶跃信号输入时，系统的稳定、临界稳定及不稳定三种瞬态响应。

4.了解和掌握利用MATLAB的开环根轨迹求解系统的性能指标的方法。

5.掌握利用主导极点的概念，使原三阶系统近似为标准Ⅰ型二阶系统，估算系统的时域特性指标。

6.掌握利用主导极点的概念，使原三阶系统近似为标准Ⅰ型二阶系统，估算系统的时域特性指标。

实验内容以及步骤

1.求解高阶闭环系统的临界稳定增益K

2.观察和分析Ⅰ型三阶系统在阶跃信号输入时，系统的稳定、临界稳定及不稳定三种瞬态响应。

3.可忽略非闭环主导极点，使原三阶系统近似为标准Ⅰ型二阶系统。

4.等效系统阶跃响应曲线。

7、频率特性分析       （2学时）

实验目的

1.了解线性系统频率特性的基本概念。

2.了解和掌握Ⅰ型二阶开环系统中的对数幅频特性 和相频特性 ，实频特性 和虚频特性 的计算。

3.了解和掌握欠阻尼Ⅰ型二阶闭环系统中的自然频率 、阻尼比ξ对开环参数幅值穿越频率 和相位裕度 的影响，及幅值穿越频率 和相位裕度 的计算。

4.研究表征系统稳定程度的相位裕度 和幅值穿越频率 对系统的影响。

5.了解和掌握Ⅰ型二阶开环系统对数幅频曲线、相频曲线、和幅相曲线的构造及绘制方法

实验内容及步骤

1.根据被测系统模拟电路图，接好电路。

2.测量系统的阶跃响应和Bode图并并计算超调量、过渡过程时间、幅值穿越频率 。相位裕度。

8、 数字PID控制       （2学时）

实验目的

1.了解和掌握连续控制系统的PID控制算法的模拟表达式（微分方程）。

2了解和掌握被控对象数学模型的建立。

3.了解和掌握求取广义对象的脉冲传递函数。

4.了解和掌握数字PID调节器控制参数的工程整定方法。

5.了解和掌握采用微分方程直接建立后向差分方程的方法。

6.了解和掌握数字PID调节器的时间序列输出的计算。

7.了解和掌握用MATLAB数字PID仿真被控过程。

8.了解和掌握用LabACT实验箱实验数字PID被控过程。

9.观察和分析在标准PID控制系统中，P.I.D参数对系统性能的影响。

实验内容以及步骤

1.数字PID控制

比例调节器作用

积分调节器作用

微分调节器作用

2.被控对象的数学模型

确立模型结构

被控对象参数的确认

3.根据柯恩－库恩整定公式

4.用实验箱实验被控过程。