机械控制工程基础.docx
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机械控制工程基础
机械控制工程基础
实验指导书
机械工程实践教学中心
机电控制技术实验室
2004
页数实验一：
时域特性测试实验„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
实验二：
频率特性测试实验„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5
实验三：
闭环控制系统设计与仿真实验„„„„„„„„„„„„„„„„8
实验四：
闭环控制系统性能测试实验„„„„„„„„„„„„„„„„„11
本实验指导书由陈永亮老师编写
1
实验一时域特性测试实验
一、实验目的
1）熟悉典型输入信号；
2）了解典型系统的时间响应。
3）掌握典型机电系统时域特性的测试方法。
二、实验原理
一个动态系统的性能常用典型输入作用下的响应来描述。
响应是指零初始值条件下
某种典型的输入函数作用下对象的响应，控制系统常用的输入函数为单位阶跃函数和脉
冲激励函数（即冲激函数）。
本试验利用阶跃输入信号来测定电机的时间常数和稳态增益，进而求得系统的传递
函数。
试验装置的构成如图1-1所示，主要包括变频器（0～5V输入）、电机和测速电机（10V/1500RPM）。
阶跃信号由信号发生器输出的方波信号来实现，其幅值和周期可通过该仪器的有关
T,2t旋钮来调节。
方波信号的周期一定要大于系统调节时间的两倍，即.s
阶跃响应曲线由数字示波器测量。
0～5V2变示CH.1测速发信号发三相异频波5电机生器步电机器器0～10V
图1-1试验装置的构成
K电机调速系统可近似为一阶系统，其传递函数的一般形式为G（s）,，其中K,s，1
为稳态增益，为时间常数。
2
（1）电机稳态增益的测定
K,10V/1500rpm,1/150V/rpm已知，测速发电机增益：
，则c
Voss,,`电机稳态转速[rpm]，电机增益[rpm/V]＝KsssKVci
图1-2电机的阶跃输入响应
（2）电机时间常数的测定，如图1-2所示，电机的时间常数是输入阶跃信号时，
电机达到稳态值的63％所需要的时间。
三、实验仪器
1）机电控制综合试验台：
变频器（型号为FR-E540）+测速电机（型号为55ZYT63）
2）信号发生器：
型号为TD1018
3）数字存储示波器：
型号为DS-5000M
四、实验内容
1）按图1-1连接电机调速控制实验装置，给变频器输入1V的阶跃信号。
2）用示波器探头将测速发电机的输出连接到示波器的通道1（CH1），并将探头开关设定为X10。
按下[CH1]功能键显示通道1的操作菜单，用1号菜单操作键选择“直流”耦合。
用3号菜单操作键选择探头衰减系数为“10X”。
按下[AUTO]按钮，即可显示信号波形。
3）用示波器观察和记录系统的阶跃响应曲线
3
按下[CURSOR]光标测量功能键，显示[CURSOR]菜单，用1号菜单操作键选择“手动”模式，用2号菜单操作键选择“时间”类型，用水平和垂直[POSITION]旋钮分别移动两条垂直光标到待测的图形位置即可测量两个时间值及其差值。
若用2号菜单操作键选择“电压”类型，即可用水平和垂直[POSITION]旋钮分别移动两条水平光标到待测的
图形位置测量两个幅值及其差值。
4）在输入电压允许的范围内，给定不同输入电压，重复上述实验。
根据实测曲线估算电机稳态增益和时间常数。
取五次实验结果的平均值作为最终结
果。
表1-1试验数据记录表
测速电机电机增益输入电`电机稳态转速电机时间常机输出电,ss,[rpm/V]V,＝K,K压[V][rpm],数[sec]isscsssViV压[V]o
0.5
1
3
4
5
五、实验报告
1）对实验内容与实验过程进行描述；
2）记录实验数据，对实验结果进行分析；
3）回答任意两道思考题；
4）实验总结，包括实验中遇到的问题及思考、对本实验的意见与建议。
六、思考题
1）如何利用数字示波器观察阶跃响应曲线和测量一阶系统的时间常数？
如何测量
稳态增益？
2）除了测速电机外，测量转速还有哪些方法？
试画出系统方框图。
4
3）为什么作为阶跃输入信号的方波信号，其周期要大于系统过渡过程时间的两倍？
5
实验二频率特性测试实验
一、实验目的
1）熟悉典型系统的频域特性。
2）掌握机电系统频域特性和传递函数的测试方法。
二、实验原理
实验原理如图2-1所示，信号发生器输出幅值恒定、频率可调的正弦波作为变频器
的输入信号u，用数字存储示波器测量测速发电机的输出电压u的幅值及u与u的相iooi
位差Ф。
CH.1
0～5V2CH.2测速发变频信号发三相异5示电机器生器步电机
波0～10V
器
图2-1试验装置的构成
电机调速系统开环频率特性可简化为一阶系统，其幅频特性和相频特性分别为：
K,（,）,,arctg（,,）A（,）,21，（,,）
式中，K为稳态增益，为时间常数。
该系统的Bode图如图2-2所示。
L（ω）（dB）
20log（K）3dB
－20dB/dec
ωmω（1/s）0.1110100
图2-2系统传递函数的BODE图（对数幅频特性）6
三、实验设备
1）机电控制综合试验台：
变频器（型号为FR-E540）+测速电机（型号为55ZYT63）
2）信号发生器：
型号为TD1018
3）数字存储示波器：
型号为DS-5000M
四、实验内容
1）按照图2-1连接实验装置。
2）由信号发生器输出幅值为1V的正弦信号，改变信号频率f，使其分别为：
2.5Hz，5Hz～75Hz，间隔5Hz。
3）分别记录各个频率时的测速发电机的输出u的幅值以及u与u的相位差ooiФ：
按下[MEASURE]自动测量功能键，显示[MEASURE]操作菜单，用菜单操作键选择
“CH2”、“电压测量1/3”、“峰峰值”，即可测量幅值。
若选择“时间测量3/3”、“延迟1?
2?
”，即可测量两波形的时间延迟数值。
4）利用上述实验数据，建立实验装置的开环频率响应的
A（,）,（,）BODE图（对数幅频特性曲线和相频特性。
5）基于上述BODE图，估计该实验装置的开环传递函数。
增益K是实验曲线通过ω＝1（rad/s）时的y坐标值，频率实验曲线从0dB/dec线到
2,T-20dB/dec线的转折点，则（本系统转折频率在数值上与截止频率相等，截止频m,m
率是实验曲线通过水平段下降－3dB线时对应的x坐标值）。
分别从0.5V和1V实验c
曲线估计传递函数，比较二者的异同。
7
表2-1开环频率特性测试数据记录表（1V正弦输入信号）
幅值，，=幅值（L,测速电机相位差
，，（=A,频率（Hz）频率（1/s）输出电压20logUo/Ui）），，,,
峰峰值（V）（dB）Uo/Ui）
2.5510152025
30
354045505560657075
五、实验报告
1）对实验内容与实验过程进行描述；
2）记录实验数据，对实验结果进行分析；
3）回答任意两道思考题；
4）实验总结，包括实验中遇到的问题及思考、对本实验的意见与建议。
六、思考题
1）如何进行频域特性的测试?
试用MATLAB编写相应的数据处理程序。
2）如何根据1V正弦输入信号测得的数据画出系统BODE图？
8
3）如何根据试验得到的系统BODE图求系统稳态增益和时间常数，写出系统的传
递函数？
4）试比较与实验一中时域法测得的稳态增益和时间常数有何异同？
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实验三闭环控制系统设计与仿真实验
一、实验目的
1）熟悉控制系统的数学模型的典型形式和表达方法；
2）熟悉闭环系统的性能指标及其测试方法。
3）掌握应用计算机工具MATLAB分析线性系统时、频域特性的基本方法。
4）掌握根据给定的性能指标，利用仿真工具调整控制器PID参数的方法。
二、实验原理
仿真是对系统进行研究的一种实验方法，它的基本原则是相似性原理。
仿真是在模
型上进行的，建立系统的模型是仿真的关键内容。
建模、仿真实验及结果分析是三项基
本内容。
Mathematica（符号）、MATLAB（工程应用）与SIMULINK是当今广泛为人们采用的控制系统数字仿真与CAD应用软件。
控制系统的数学模型在控制系统的研究中有着相当重要的地位，要对系统进行仿真
处理，首先应当知道系统的数学模型，然后才可以对系统进行模拟。
同样，如果知道了
系统的模型，才可以在此基础上设计一个合适的控制器，使得系统响应达到预期的效果，
从而符合工程实际的需要。
在线性系统理论中，一般常用的数学模型形式有：
传递函数模型（系统的外部模型）、
状态方程模型（系统的内部模型）、零极点增益模型和部分分式模型等。
这些模型之间
都有着内在的联系，可以相互进行转换。
运行MATLAB软件，在命令窗口（matlabcommandwindow）键入simulink，就出现（SIMULINK）窗口。
图形输入概念：
模块、拖放与联结。
1）模块和子模块：
定义的一些系统元件，子系统，和输入输出设备；如，噪声输
入模块，传递函数系统模块，信号发生器，示波器模块等等。
2）拖放：
将需要的模块拖放到你定义的工作区内。
3）联结：
用鼠标拖动，建立联结。
控制系统的分析包括系统的稳定性分析、时域分析、频域分析及根轨迹分析。
控制系统常用的输入函数为单位阶跃函数和脉冲激励函数（即冲激函数）。
在
MATLAB的控制系统工具箱中提供了求取这两种输入下系统响应的函数。
求取系统单
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位阶跃响应：
step（）；求取系统的冲激响应：
impulse（）。
通常将频率特性用曲线的形式进行表示，包括对数频率特性曲线和幅相频率特性曲
线简称幅相曲线，MATLAB提供了绘制这两种曲线的函数。
求取系统对数频率特性图
（波特图）：
bode（）；求取系统奈奎斯特图（幅相曲线图或极坐标图）：
nyquist（）。
变频器电路
电机PID运算
（s）执行量E（s）o1V（s）G（s）iG（s）,K（1，，Ts）ocpdTsi-
测速发电机电路B（s）
H（s）
图3-1PID闭环控制系统框图
试验原理如图3-1所示。
通过电压/电流变换电路把测速发电机的输出连接到变频器的反馈输入，由信号发生
器输入阶跃信号，构成闭环电机调速系统。
K被控对象电机可近似为一阶系统，其传递函数的一般形式为G（s）,，其中o,s，1
K为电机的稳态增益，为时间常数。
反馈回路（测速发电机）的传递函数可近似为比例环节，其传递函数的一般形式为
H（s）,KK，其中为测速发电机的增益系数。
cc
根据试验一和试验二的试验结果，代入具体数值，可建立电机闭环调速系统的数学
模型。
变频器内部电路对设定值和反馈信号的差值进行PID运算，根据偏差的大小和符号，产生一个执行量，通过功率放大器驱动电机，调整转速。
PID校正环节的传递函数
11
为：
1G（s）,K（1，，Ts）cpdTsi
其中，K为比例常数，T为积分时间常数，T为微分时间常数。
pid
根据所要求的设计指标，调整PID参数，利用时域分析或频域分析法，可得到该参
数下系统的性能指标，如此反复，直到确定合适的PID参数值，使系统能满足设计要求为止。
三、实验设备
1）机电控制综合试验台：
变频器（型号为FR-E540）+测速电机（型号为55ZYT63）；
2）计算机一台：
安装MATLAB6.5软件（包括控制系统工具箱和SIMULINK）和
WORD文字处理软件。
四、实验内容
1）按照图1用SIMULINK建立系统方框图。
2）在输入端连接上信号发生模块，利用信号发生器，给系统输入1V的阶跃信号。
3）在输出端连接示波器模块，不用PID校正，运行系统，用示波器观察和记录系统的阶跃响应曲线,同时编写MATLAB程序画出阶跃响应曲线，测量出系统的上升时
间、最大超调量、调整时间等.
4）采用PID校正，调整PID参数值，运行系统，用示波器观察和记录系统的阶跃
响应曲线,同时编写MATLAB程序画出阶跃响应曲线，测量出系统的上升时间、最大
超调量、调整时间等.
5）给定如下设计指标，通过系统运行试验确定合适的PID参数值。
t,2s调节时间s
M,16%最大超调量p
e,2%稳态误差ss
五、实验报告
1）对实验内容与实验过程进行描述；
2）记录实验数据，对实验结果进行分析；
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3）回答任意两道思考题；
4）实验总结，包括实验中遇到的问题及思考、对本实验的意见与建议。
六、思考题
1）控制系统模型的转换方法有哪些？
怎样选择合适的模型形式？
2）如何进行时域特性的分析?
试编写根据仿真曲线估算系统时域性能指标的
MATLAB程序（包括最大超调量，调节时间，峰值时间等）。
3）如何进行频域特性的分析?
试用MATLAB编写根据仿真曲线估算系统频域性能
指标的程序（包括谐振频率，谐振峰值，截至频率等）。
4）对于本试验装置，给定系统性能指标，如何确定PID参数数值？
试用MATLAB编写根据性能指标确定最优PID参数的程序。
13
实验四闭环控制系统性能测试实验
一、实验目的
1）深入体会和掌握控制系统校正的途径;
2）熟悉闭环系统的性能指标及其测试方法。
3）把理论学习应用于实际，观察理论计算与实际结果的误差并分析。
二、实验原理
实验装置的构成原理如图4-1所示。
CH.10～5V2变频三相异示CH.2测速发信号发器步电机5波电机生器0～10V器
_4
反馈信号
4～20mA
电压/电流变换
图4-1试验装置的构成
通过电压/电流变换电路把测速发电机的输出连接到变频器的反馈输入，由信号发生
器输入阶跃信号，构成闭环电机调速系统。
变频器内部电路对设定值和反馈信号的差值进行PID运算，根据偏差的大小和符号，
为产生一个执行量，通过功率放大器驱动电机，调整转速，系统框图如图4-2所示。
Kp
比例常数，T为积分时间常数，T为微分时间常数。
id
变频器电路
电机PID运算
（s）执行量E（s）o1V（s）G（s）iG（s）,K（1，，Ts）ocpdTsi14-
测速发电机电路B（s）
H（s）
把在试验三中仿真得到的PID参数值输入到变频器中，即可通过试验装置测试出系
统的性能指标数值。
三、实验设备
1）机电控制综合试验台：
变频器（型号为FR-E540）+测速电机（型号为55ZYT63）
2）信号发生器：
型号为TD1018
3）数字存储示波器：
型号为DS-5000M
4）电压/电流变换电路
四、实验内容
1）按照图4-1连接试验装置。
2）给变频器输入1V的阶跃信号。
3）不用PID校正，用示波器观察和记录系统的阶跃响应曲线,同时通过示波器测量出系统的上升时间、最大超调量、调整时间等.
4）采用PID校正，把在试验三中仿真得到的PID参数值输入到变频器中.用示波器观察和记录系统的阶跃响应曲线,同时通过示波器测量出系统的上升时间、最大超调量、
调整时间等.
5）判断实测的系统性能指标是否满足如下给定的要求，并与仿真结果进行对比。
t,2s调节时间s
M,16%最大超调量p
e,2%稳态误差ss
五、实验报告
15
1）对实验内容与实验过程进行描述；
2）记录实验数据，对实验结果进行分析；
3）回答任意两道思考题；
4）实验总结，包括实验中遇到的问题及思考、对本实验的意见与建议。
六、思考题
1）试比较实验中理论分析与实验结果的差异，并说明原因。
2）试分析PID各参数对系统时、频域性能的影响？
3）对于具体的应用系统，如何选择合适的PID参数数值？
4）如何利用示波器观察阶跃响应曲线和测量系统的性能指标？
16
升级会员 