控制工程实验.docx

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控制工程实验

机械控制工程

实验报告

实验课程：

机械控制工程基础

学生姓名：

学号：

专业班级：

2011年11月27日

实验一典型环节的电路模拟与软件仿真研究

一．实验目的

1．通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。

2．通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。

二．实验内容

1．设计各种典型环节的模拟电路。

2．完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。

3．在上位机界面上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。

三．实验步骤

1．熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录设计并连接各种典型环节（包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。

注意实验接线前必须先将实验箱上电，以对运放仔细调零。

然后断电，再接线。

接线时要注意不同环节、不同测试信号对运放锁零的要求。

在输入阶跃信号时，除比例环节运放可不锁零（G可接-15V）也可锁零外，其余环节都需要考虑运放锁零。

2．利用实验设备完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。

无上位机时，利用实验箱上的信号源单元U2所输出的周期阶跃信号作为环节输入，即连接箱上U2的“阶跃”与环节的输入端（例如对比例环节即图1.1.2的Ui），同时连接U2的“锁零（G）”与运放的锁零G。

然后用示波器观测该环节的输入与输出（例如对比例环节即测试图1.1.2的Ui和Uo）。

注意调节U2的周期阶跃信号的“频率”电位器RP5与“幅值”电位器RP2，以保证观测到完整的阶跃响应过程。

有上位机时，必须在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。

为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能，接线方式将不同于上述无上位机情况。

仍以比例环节为例，此时将Ui连到实验箱U3单元的O1（D/A通道的输出端），将Uo连到实验箱U3单元的I1（A/D通道的输入端），将运放的锁零G连到实验箱U3单元的G1（与O1同步），并连好U3单元至上位机的并口通信线。

接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。

界面上的操作步骤如下：

①按通道接线情况完成“通道设置”:

在界面左下方“通道设置”框内，“信号发生通道”选择“通道O1＃”，“采样通道X”选择“通道I1＃”，“采样通道Y”选择“不采集”。

②进行“系统连接”（见界面左下角），如连接正常即可按动态状态框内的提示（在界面正下方）“进入实验模式”；如连接失败，检查并口连线和实验箱电源后再连接，如再失败则请求指导教师帮助。

③进入实验模式后，先对显示进行设置：

选择“显示模式”（在主界面左上角）为“X-t”；选择“量程”（在“显示模式”下方）为100ms/div；并在界面右方选择“显示”“系统输入信号”和“采样通道X”。

④完成实验设置，先选择“实验类别”（在主界面右上角）为“时域”，然后点击“实验参数设置”，在弹出的“系统测试信号设置”框内，选择“输入波形类别”为“周期阶跃信号”，选择“输入波形占空比”为50%，选择“输入波形周期”为“1000ms”，选择“输入持续时间”为“1000ms”，选择波形不“连续”,选择“输入波形幅值”为“1V”，将零位偏移设为“0”。

以上除必须选择“周期阶跃信号”外，其余的选择都不是唯一的。

要特别注意，除单个比例环节外，对其它环节和系统都必须考虑环节或系统的时间常数，如仍选择“输入波形占空比”为50%，那么“输入波形周期”至少是环节或系统中最大时间常数的6～8倍。

这样，实验中才能观测到阶跃响应的整个过程。

⑤以上设置完成后，按“实验启动”启动实验，动态波形得到显示，直至“持续时间”结束，实验也自动结束，如上述参数设置合理就可以在主界面中间得到环节的“阶跃响应”。

⑥利用“红线数值显示”功能（详见软件使用说明书）观测实验结果；改变实验箱上环节参数，重复⑤的操作；如发现实验参数设置不当，看不到“阶跃响应”全过程，可重复④、⑤的操作。

⑦按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件，操作方法参阅软件使用说明书。

3．利用上位机完成环节阶跃特性软件仿真的操作，前①②步骤与2相同，其后操作步骤如下：

③进入实验模式后，先对显示进行设置：

选择“显示模式”（在主界面左上角）为“X-t”；选择“量程”（在“显示模式”下方）为100ms/div；并在界面右方选择“显示”“系统仿真”。

④在上位机界面右上角“实验类别”中选择“软件仿真”。

⑤然后点击“实验参数设置”，在弹出的“仿真设置”框内，先作“系统仿真输入信号设定”，选择“输入波形类别”为“周期阶跃信号”，选择“输入波形幅值”为“1V”，选择“输入波形占空比”为50%，选择“输入波形周期”为“1000ms”，选择“输入持续时间”为“1000ms”,选择波形不“连续”。

以上除必须选择“周期阶跃信号”外，其余的选择都不是唯一的。

要特别注意，除单个比例环节外，对其它环节和系统都必须考虑环节和系统的时间常数，如仍选择“输入波形占空比”为50%，那么“输入波形周期”至少是环节或系统中最大时间常数的6～8倍。

⑥在“仿真设置”框内的“传递函数”栏目中填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数。

完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。

⑦在“仿真设置”框内的“其它设置”栏目中选择“时域仿真”。

⑧以上设置完成后，按“实验启动”启动实验，动态波形得到显示，直至“持续时间”结束，实验也自动结束，如设置合理就可以在主界面中间得到环节的“阶跃响应”。

⑨利用“红线数值显示”功能（详见软件使用说明书）观测实验结果；在“仿真设置”框内的“传递函数”栏目中改变原填入的环节传递函数参数，重复⑧的操作；如发现“系统仿真输入信号设定”中的实验参数设置不当，看不到“阶跃响应”全过程，可重复⑤、⑧的操作。

1．比例（P）环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应

比例环节的传递函数为：

其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.1.1、图1.1.2和图1.1.3所示，于是

，实验参数取R0＝100k，R1＝200k，R=10k。

实验结果分析:

输入量和输出量成正相关，同时输出即不失真也不延时。

2．积分（I）环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应

积分环节的传递函数为：

其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.2.1、图1.2.2和图1.2.3所示，于是

，实验参数取R0＝100k，C＝1uF，R=10k。

实验结果分析：

实验结果和理想的积分环节

的uo（t）——t曲线可知：

输出量为输入量的积累，输出幅值呈线性增长输出，当

输入量为零时，输出量不再

增加，但保持该值不变，具有记忆功能。

3．比例积分（PI）环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应

比例积分环节的传递函数为：

其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.3.1、图1.3.2和图1.3.3所示，于是

，

实验参数取R0＝200k，R1＝200k，C＝1uF，R=10k。

实验结果分析：

输入与输出的关系可由比例环节和积分环节叠加实现，满足叠加原理。

4．比例微分（PD）环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应

比例微分环节的传递函数为：

其方块图和模拟电路分别如图1.4.1、图1.4.2所示。

其模拟电路是近似的（即实际PD环节），取

，则有

，实验参数取R0＝10k，R1＝10k，R2＝10k，R3＝200，C＝1uF，R=10k。

对应理想的和实际的比例微分（PD）环节的阶跃响应分别如图1.4.3a、图1.4.3b所示。

实际PD环节的传递函数为：

（供软件仿真参考）

实验结果分析：

比例微分环节的输出正比于输入的微分，当输入量为单位阶跃函数时，输出的就是脉冲函数。

5．惯性环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应惯性环节的传递函数为：

其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.5.1、图1.5.2和图1.5.3所示，其中

，实验参数取R0＝200k，R1＝200k，C＝1uF，R=10k。

实验结果分析：

输出为一条单调上升的指数曲线，经过一定时间后，输出达到为定值，这时才与输入一致，因为环节中的电容储能元件和电阻耗能元件使具有惯性特性。

6．比例积分微分（PID）环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应

比例积分微分环节的传递函数为：

其方块图和模拟电路分别如图1.6.1、图1.6.2所示。

其模拟电路是近似的（即实际PID环节），取

，将近似上述理想PID环节有

，实验参数取R0＝200k，R1＝100k，R2＝10k，R3＝1k，C1＝1uF，C2＝10uF，R=10k。

对应理想的和实际的比例积分微分（PID）环节的阶跃响应分别如图1.6.3a、图1.6.3b所示。

实际PID环节的传递函数为：

（供软件仿真参考）

实验二典型系统动态性能和稳定性分析

一．实验目的

1．学习和掌握动态性能指标的测试方法。

2．研究典型系统参数对系统动态性能和稳定性的影响。

二．实验内容

1．观测二阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。

2．观测三阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。

三．实验步骤

1．熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录中的图2.1.1和图2.1.2，设计并连接由一个积分环节和一个惯性环节组成的二阶闭环系统的模拟电路（如用U9、U15、U11和U8连成）。

注意实验接线前必须对运放仔细调零。

接线时要注意对运放锁零的要求。

2．利用实验设备观测该二阶系统模拟电路的阶跃特性，并测出其超调量和调节时间。

3．改变该二阶系统模拟电路的参数，观测参数对系统动态性能的影响。

4．利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录中的图2.2.1和图2.2.2，设计并连接由一个积分环节和两个惯性环节组成的三阶闭环系统的模拟电路（如用U9、U15、U11、U10和U8连成）。

5．利用实验设备观测该三阶系统模拟电路的阶跃特性，并测出其超调量和调节时间。

6．改变该三阶系统模拟电路的参数，观测参数对系统稳定性与动态指标的影响。

7．利用上位机界面提供的软件仿真功能，完成上述两个典型系统的动态性能研究，并与模拟电路的研究结果相比较。

8．分析实验结果，完成实验报告。

1．典型二阶系统

典型二阶系统的方块结构图如图2.1.1所示：

其开环传递函数为

，

其闭环传递函数为

，其中，

取二阶系统的模拟电路如图2.1.2所示：

该系统的阶跃响应如图2.1.3所示：

Rx接U4单元的220K电位器，改变元件参数Rx大小，研究不同参数特征下的时域响应。

2.1.3a，2.1.3b，2.1.3c分别对应二阶系统在过阻尼，临界阻尼，欠阻尼三种情况下的阶跃响应曲线：

2．典型三阶系统

典型三阶系统的方块结构图如图2.2.1所示：

其开环传递函数为

，其中

，取三阶系统的模拟电路如图2.2.2所示：

该系统开环传递函数为

，,Rx的单位为K。

系统特征方程为

，根据劳斯判据得到：

系统稳定0

系统临界稳定K=12

系统不稳定K>12

根据K求取Rx。

这里的Rx可利用模拟电路单元的220K电位器，改变Rx即可改变K2，从而改变K，得到三种不同情况下的实验结果。

该系统的阶跃响应如图2.2.3a、2.2.3b和2.2.3c所示，它们分别对应系统处于不稳定、临界稳定和稳定的三种情况。

实验三综合性实验——球杆控制系统实验

一、实验目的及要求

1、学习利用实验探索研究控制系统的方法；

　2、体会控制系统理论分析和实际控制效果之间的差异；

3、采用PID算法设计球杆控制系统。

二、主要仪器设备及实验耗材

1、仪器设备名称：

球杆定位控制系统

2、仪器设备主要技术参数：

有效控制行程

控制精度

电机功率

重量

总尺寸（长×宽×高）

375mm

±1mm

19W

≤6Kg

≈500mm×200mm×350mm

3．MATLAB6.5

三、实验内容或步骤

1、对球杆系统建模（利用课外时间完成，参考材料：

球杆控制系统说明书）

　　球杆执行系统简介：

球杆执行系统由一根V型槽轨道和一个不锈钢球组成。

V型槽轨道一侧为不锈钢杆，另一侧为直线电阻器，当球在轨道上滚动时，通过测量不锈钢杆上的输出电压可测得球在轨道上的位置。

直流电机通过齿轮传动带动V型槽轨道绕中心轴转动，转动角度通过光电编码器测量出来，如下图所示：

控制要求：

通过电机调节齿轮的转动角度θ，控制小球在V形杆上的位置x。

　　系统的力学分析示意图如下：

分析上述力学示意图，参考球杆控制系统说明书，代入相关参数，推导传递函数x（s）/θ（s）。

　　2、利用MATLAB设计PID调节器并在MATLAB上仿真。

控制系统如下图：

3、球杆控制系统实验

（1）阶跃响应实验

（2）扰动实验