机械控制理论基础实验指导书.docx
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机械控制理论基础实验指导书
《机械控制理论基础》
——实验指导书
机械工程学院教学实验中心
2007年改编
前言
本套实验系统是配合《机械控制理论基础》与《现代控制理论基础》课程而开设的实验，可进行11项实验，实验内容有：
典型环节的阶跃响应、二阶系统阶跃响应实验、零点对二阶系统瞬态响应的影响、系统频率特性实验、控制系统的稳定性分析、连续系统串联校正、数字PID控制、状态反馈及状态观测器实验、解耦控制实验、非线性实验、相轨迹观测实验，均配有相应的实验软件。
该实验为模拟性实验，既抛弃物理属性，采用运算放大器等电子电路模拟机械系统，构成各种典型环节与相应的模拟系统，可抽象出相同形式的传递函数或数学模型。
再将阶跃信号加到模拟系统的输入端，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。
改变系统的参数，可进一步分析研究参数对系统性能的影响。
目录
第一章实验介绍
第二章实验内容
实验一典型环节的瞬态响应和动态分析
1、一阶环节的阶跃响应及时间参数的影响
2、二阶环节的阶跃响应及时间参数的影响
3、零点、极点分布对二阶系统瞬态响应的影响
实验二典型环节的频率特性实验
实验三机电控制系统的校正
实验四控制系统的稳定性分析
第一章实验介绍
一、实验装置
本实验采用EL－AT－III型自动控制实验系统，它可以处理时变、非线性以及多输入多输出等复杂的控制理论问题。
本系统通过对单元电路的灵巧组合，可以构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统，采用DA/AD卡通过USB口和计算机连接实现信号源信号的输出和系统响应信号的采集，采集后的信息通过计算机显示，省去了外接示波器的麻烦。
本实验提供相配套的数据显示软件，能够对各种实验的输出信号进行处理显示，界面友好，使用方便。
二、实验系统框图
图1实验系统框图
三、实验软件及操作过程简介
软件启动界面：
在Windows桌面上双击“Cybernation_A.exe”图标，浏览软件使用指南。
软件使用说明：
软件具体操作和功能
（一）工具栏按钮：
1.
点击〖或按F1〗可以选择实验项目作为当前实验项目。
2.
点击〖或按F3〗切换到"示波器"窗口。
3.
点击〖或按F4〗切换到"?
"窗口。
4.
点击〖或按F5〗开始／放弃当前实验项目，在没有选择任何实验项目的时候为禁止状态。
5.
点击〖或按F6〗弹出"关于"对话框，显示程序信息等。
（二）示波器操作：
1.测量在"示波器"窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中选择"测量"打开测量游标（重复前述步骤隐藏测量游标），拖动任一游标到感兴趣的位置，图表区下方会显示当前游标的位置和与同类的另一游标之间距离的绝对值。
如果想精确定位游标只需用鼠标左键单击相应的游标位置栏并在编辑框中输入合法值回车即可。
2.快照在"示波器"窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中选择"快照"将当前图像复制到剪贴板，以便粘贴到画图或其他图像编辑软件中编辑和保存。
3.线型在"示波器"窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中可点击"直线"、"折线"或"点线"来选择数据点和数据点之间的连接方式，体会各种连接方式的差异。
4.配色用鼠标左键双击图表区除曲线之外的元素会弹出标准颜色对话框，用户可以更改相应元素的颜色（比如将网格颜色改成与背景相同颜色）。
5.缩放用鼠标左键单击图表区刻度区的边界刻度并在编辑框中输入和法值回车即可改变当前显示范围。
四、实验原理
1、比例环节的传递函数及模拟电路与实验曲线如图1-1。
G（S）=R2/R1
2、惯性环节的传递函数及其模拟电路与实验曲线如图1-2。
G（S）=K/TS+1
3、积分环节的传递函数及模拟电路与实验曲线如图1-3。
G（S）=1/TST=RC
4、微分环节的传递函数模拟电路、传递函数及实验曲线如图1-4。
G（S）=RCS
5、比例+微分环节的模拟电路、传递函数及实验曲线如图1-5。
（未标明的C=0.01uf）
G（S）=K（TS+1）
6.比例+积分环节的模拟电路、传递函数及实验曲线如图1-6。
G（S）=K（1+1/TS）
第二章实验内容
实验一典型环节的瞬态响应和动态分析
1、一阶环节的阶跃响应及时间参数的影响
●实验目的
通过实验加深理解如何将一个复杂的机电系统传递函数看做由一些典型环节组合而成，并且使用运算放大器来实现各典型环节，用模拟电路来替代机电系统，理解时间响应、阶跃响应函数的概念以及时间响应的组成，掌握时域分析基本方法。
●实验原理
使用教学模拟机上的运算放大器，分别搭接一阶环节，改变时间常数T，记录下两次不同时间常数T的阶跃响应曲线，进行比较（可参考下图：
典型一阶系统的单位阶跃响应曲线）。
典型一阶环节的传递函数：
G（S）=K（1+1/TS）其中：
典型一阶环节的单位阶跃响应曲线：
●实验方法与步骤
1）启动计算机，在桌面双击“Cybernation_A.exe”图标运行软件，阅览使用指南。
2）检查USB线是否连接好，电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。
检查无误后接通电源。
3）在实验项目下拉框中选中本次实验，点击
按钮，参数设置要与实验系统参数一致，设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可继续进行实验。
●实验内容
①自行设计一阶环节。
②改变系统参数T、K（至少二次），观察系统时间响应曲线的变化，。
③观察T、K对系统的影响。
●实验报告的要求
①实验目的
②实验内容
③实验原理：
图示自行设计的一阶环节电路图。
④实验步骤
⑤分析T、K对系统的影响，将理论值与实测值进行比较。
⑥填写实验数据与响应曲线：
设定参数
阶跃响应曲线（K=1；T=0.1s）、（K=2；T=1s）
.R=100KC=1uF
R1=100K
R2=200K
C=5uF
理论值
1000mV
1000mV
实测值
909mV
534mV
2、二阶环节的阶跃响应及时间参数的影响
●实验目的
1.学会建立典型的二阶系统数学模型与传递函数。
2、加深对系统瞬态误差与稳态误差等概念的理解。
3、研究二阶系统的特征参数，阻尼比和无阻尼自然频率n对系统动态性能的影响。
定量分析和n与最大超调量Mp和调节时间tS之间的关系。
4.掌握二阶系统时域性能指标的测量方法。
●实验原理
1、二阶系统的数学建模
二阶系统是由一个比例环节和两个惯性所构成，参考电路图如下：
2、二阶系统单位反馈方块图为：
3、二阶系统单位反馈传递函数为：
其中：
为开环增益、
为闭环增益、
为系统阻尼比、
为系统固有频率。
4、不同阻尼比下二阶系统的单位阶跃响应曲线
●实验方法与步骤
实验方法同上，在参数设置对话框中设置目的电压U1=1000mV。
①先做二阶系统的开环时域响应，观察其曲线的变化。
②将二阶开环系统进行单位反馈，组成二阶闭环系统，观察闭环响应曲线
（注意：
单位反馈的接连）。
●实验要求
①在模拟机上，自行设计二阶系统、观察开环系统时域响应曲线；
②采用单位反馈构成闭环系统。
③计算该二阶系统模拟电路的阻尼比ζ与固有频率ωn。
④改变ζ记录两种不同ζ下，二阶系统的单位阶跃响应曲线，将理论值与实测值进行比较。
⑤讨论典型二阶系统性能指标
、
与ζ，ωn的关系。
●实验报告要求
①实验目的
②实验内容
③实验原理：
图示自行设计的图示自行设计的二阶系统的模拟电路图。
④实验步骤
⑤计算出该二阶系统模拟电路的阻尼比ζ与固有频率ωn。
⑥图示二组不同ζ下，二阶系统的单位阶跃响应曲线，将理论值与实测值进行比较。
⑦分析典型二阶系统性能指标
、
与ζ，ωn的关系（比较1组数据即可）。
⑧填写实验数据与响应曲线：
参数
二阶系统阶跃响应曲线（两组不同的ζ响应曲线）
自行设定：
K=
T=
实测值
=
=
理论值
=
=
ωn
3、零点、极点分布对二阶系统瞬态响应的影响
●实验目的：
加深理解零点对二阶系统瞬态响应的影响其中包括：
1、若系统的极点相同，而零点不同（有无零点），对系统的影响。
2、若系统的极点相同，而零点距虚轴的位置不同，对系统的影响。
3、加深理解零点在系统中的作用，学会采用增加零点的方法，提高系统的阻尼比。
●实验原理
1、系统加入零点的模型方块图：
2、零点对二阶系统瞬态响应的影响，单位阶跃响应曲线的对比：
●实验方法与步骤
在实验项目下拉框中仍选中[二阶系统阶跃响应]实验。
●实验要求
1、自行设计建立二阶系统有零点的数学模型（采用比例微分环节），进行单位阶跃响应实验（注意：
整个系统的单位反馈，不可忽略二阶系统原单位反馈）。
2、记录下系统前通道串联一个比例微分环节与并联一个比例微分环节的响应曲线，观察其超调量，并进行分析比较。
●实验报告
1、确定系统模型方块图中的参数K、T、
。
2、图示自行设计的模拟电路图
3、图示系统两种情况下，零点的响应曲线，观察其超调量，并进行分析比较。
4、分析零点在系统前向通道与反馈通道中的作用以及对系统的影响。
5、填写以下实验结果：
参数
零点与系统的串联相应曲线
零点与系统的并联响应曲线
自行设定K、T、
超调量的比较
=
=
实验二典型环节的频率特性实验
●实验目的
加深理解系统频率特性的物理概念；掌握系统频率特性的实验方法；
掌握频率特性的Bode图Nquist图的绘制。
●实验原理
●实验方法与步骤
1.在实验项目下拉框中选中[系统频率特性]实验并设置相应的实验参数。
2.选择时间-电压图、信号发生器的频率：
频率2、周期5（参考值），选《自动》采样。
数据采集过程如图所示：
3、待数据采样结束后点击
按钮，即可显示出所测量的波特图。
4、在完成步骤3后，在显示区单击鼠标右键，即出现奈氏图。
●实验内容
1、做一阶系统的频率特性实验，画出该系统的Bode图与Nquist图。
2、二阶系统的频率特性实验，画出该系统的Bode图与Nquist图。
3、改变二阶系统的阻尼比ζ，观察欠阻尼与临界阻尼情况下的频率特性。
3、确定系统的转角频率、幅值穿越频率、截至频率的实测值。
●实验报告
1、图示一阶系统频率特性实验的Bode图与Nquist图。
2、二阶振荡系统（欠阻尼）频率特性实验的Bode图与Nquist图。
3、确定系统的转角频率、谐振频率、截至频率的实测值。
4、填写实验数据与响应曲线
二阶振荡系统
Bode图
Nquist图
2组不同ζ频率特性
ζ1=
ζ2=
实验三机电控制系统的校正
●实验目的
通过本次实验，加深理解控制系统反馈校正的概念，掌握改善机电控制系统性能的基本方法和工程实现，对给定系统进行串联校正设计，并通过模拟实验检验设计的正确性，从而学会控制系统的串联校正与反馈校正。
●实验内容
1、串联超前校正
2、串联滞后校正
3、串联超前—滞后校正，校正前与校正后的阶跃响应实验。
●实验原理
1、串联超前校正
系统模拟电路图如图所示，图中开关S断开对应未校情况，接通对应超前校正。
图3-1超前校正电路图
系统结构图如图3-2
图3-2超前校正系统结构图
图中Gc1（s）=3
2（0.055s+1）
Gc2（s）=
0.005s+1
●实验方法与步骤
①首先搭接未校正的二阶系统电路，（如图3-1断开S开关情况），先做其瞬态响应实验，观察并记录其超调量Mp、峰值时间Tp、调整时间Ts的变化。
②在未校正的二阶系统电路中加入超前校正环节（如上图接通S开关情况），在实验项目下拉框中选中[连续系统串联校正]实验并设置相应的参数，即可做串联超前校正实验。
③观察经过串联超前校正后的二阶系统瞬态响应，并记录其超调量Mp、峰值时间Tp、调整时间Ts的变化，二者进行比较。
④记录实验数据与响应曲线。
2、串联滞后校正
模拟电路图如图3-3，开关s断开对应未校状态，接通对应滞后校正。
图3-3滞后校正模拟电路图
系统结构图示如图3-4
图3-4滞后系统结构图
图中Gc1（s）=10
10（s+1）
Gc2（s）=
11s+1
●实验方法与步骤
①在未校正的二阶系统电路中加入滞后校正环节（如图3-3接通S开关情况），在实验项目下拉框中选中[连续系统串联校正]实验并设置相应的参数，即可做串联滞后校正实验。
②观察经过串联滞后校正环节的二阶系统瞬态响应，并记录其超调量Mp、峰值时间Tp、调整时间Ts的变化。
③记录实验数据与响应曲线。
3、串联超前—滞后校正
模拟电路图如图3-5，双刀开关断开对应未校状态，接通对应超前—滞后校正。
图3-5超前—滞后校正模拟电路图
系统结构图示如图3-6
图3-6超前—滞后校正系统结构图
图中Gc1（s）=6
6（1.2s+1）（0.15s+1）
Gc2（s）=
（6s+1）（0.05s+1）
●实验方法与步骤
①在未校正的二阶系统电路中加入超前--滞后校正环节（如图3-5接通双刀开关情况），在实验项目下拉框中选中[连续系统串联校正]实验并设置相应的参数，即可做串联超前--滞后校正实验。
②观察经过串联超前--滞后校正环节的二阶系统瞬态响应，并记录其超调量Mp、峰值时间Tp、调整时间Ts的变化。
③记录实验数据与响应曲线。
●实验报告要求
①画出实验电路图
填写以下实验结果表1-3：
表1
超前校正系统
指标
校正前
校正后
阶跃响应曲线
δ%
Tp（秒）
Ts（秒）
表2
滞后校正系统
指标
校正前
校正后
阶跃响应曲线
δ%
Tp（秒）
Ts（秒）
表3
超前-滞后系统
指标
校正前
校正后
阶跃响应曲线
δ%
Tp（秒）
Ts（秒）
实验四控制系统的稳定性分析
●实验目的
加深理解系统不稳定性概念，观察系统的不稳定现象，研究系统开环增益和时间常数对闭环系统稳定性的影响。
●实验内容
1、设计系统模拟电路，下图可供参考：
其开环传递函数为:
G（s）=10K/s（0.1s+1）（0.1s+1）
式中K1=R3/R2，R2=100K，R3=0～500K；T=RC，R=100K，C=1f或C=0.1f两种情况。
2、按照下列参数进行实验，观察系统响应曲线（电容C=1f、C=0.1f两种情况）以及系统稳定性的变化。
3、根据闭环传递函数的特征方程，为使系统稳定，试确定放大倍数K的取值范围。
●实验报告要求
1、画出模拟电路图
2、作出系统等幅振荡、增幅振荡，减幅振荡的系统响应曲线
3、理论计算系统产生等幅振荡、增幅振荡，减幅振荡的条件
4、填写以下实验数据
参数
系统响应曲线
C=1uf
R3=50K
K=5
R3=100K
K=10
R3=200K
K=20
C=0.1uf
R3=50K
K=5
R3=100K
K=10
R3=200K
K=20
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