机械控制理论实验报告

1、机械控制理论实验报告实验一、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，用模拟屯路來替代机电 系统，理解时间响应、阶跃响应函数的概念以及吋间响应的组成，掌握吋域分 析基木方法。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，改变吋间常数t,记 录下两次不同吋间常数t的阶跃响应曲线，进行比较。k = r2/rl典型一阶环节的传递函数：g (s)二k (1+1/ts) 其中： t = rc典型一阶环节的单-位阶跃响应曲线:0斜率=寺 c(j=： /1 e_t/a£c(z

2、)t 2t 3t 4t 5tr = 0c(0) = 0t = te(t)=0632t = 2tc(2t) = 0.865t = 3tc(3t) = 0.95t = 4tc(4t) =0.982t = 5tc(5t) =0.993典型一阶系统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, 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，设直好

3、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口j继续进行实验。实验内容1、一阶比例环节的传递函数及模拟电路与实验曲线g (s) = -r2/r1r2200ku2a/dl0 1000 2000 30005000实验一釉单位：x ims- y lmv方tft信号憑 周期：2ooo ms 2000 ms 电平:iooo mv 冢 iooo mv 4000 采徉:iooo * iom$400050006ooo 70008ooo 9000 ioc300020001000-1000-2000-3000400050001000010000x=0 x2

4、=10000yl=5000 y2=5000设定参数阶跃响应曲线k、t的值rl、 r2、 cl、c2的值rl=100k> r2=200k、c=0理论值k=2、 t=0实测值k=2.12、惯性环节的传递函数及模拟电路与实验曲线g (s) = - k/ts+it = rc k = rjrc lu£u2a/dl1-2对比以上两组实验可以得出，当系统在r2处并联一个电容c时，系统由比例环节变为 惯性环节，t值增大，系统响应时间变慢，达到稳定值的时间延长；而k值增大时，一阶 典型环节的响应曲线幅值增人。实验二、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

5、递函数。2、加深对系统瞬态谋差与稳态谋差等概念的理解。3、研究二阶系统的特征参数，阻尼比 < 和无阻尼白然频率a对系统动态性 能的影响。定量分析匚和与最大超调量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曲一个比例环节和两个惯性所构成，参考屯路图如下：100k二阶系统阶跃响应的电路图2、二阶系统单位反馈方块图为: 令t冈t召3、二阶系统单位反馈传递函数为：卑+ 1那+ 11（公+ 1）（那+ 1） +疋举+ 1耶+ 1k 1 +疋上式中令7 k1 + 疋a7 =,l+k m 码t.+t 占_丄 2_2挥（1+口其小：k为开

6、环增益、r为闭环增益、歹为系统阻尼比、©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2. o181 61 41 21oo. 8o. 6o40.2o 123456789 io 1112不同：下二阶系统白勺单位阶断口向应曲线实验方法与步骤实验方法同上，在参数设置对话框屮设置目的电压ul=1000mvo1、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）。实验内容二阶系统的闭环电路与实验曲线二阶系统阶跃响应的电路图1、当 k=9> tl=0.2s> t2=0.2s,可得到 3=

7、0.316、wn=15.811参数二阶系统阶跃响应曲线（两组不同的©响应曲线）自行设定：k、tk=9、tl=02、t2=0.2实测值 mp> tsmp二49.41 %、ts=950ms理论值mp、tsmp=354%、ts=801ms0 x2-2000 y25000 -200050004000yi2000 yz200040002、当 k=3、tl=0.2> t2=0.2 时,可得到匚=05、o=10参数二阶系统阶跃响应曲线（两组不同的匚响应曲线）口行设定： k、tk=3、tl=0.2、t2=0.2实测值mp、tsmp=2&33%、ts=750ms理论值mp、tsmp

8、=16.31%> ts=600ms2、分析二阶系统性能指标mp、ts与、3的关系分析实验数据可以得到：超调量mp只与阻尼比乙有关，阻尼比增人，超调量减小。而 调整时间ts与系统的无阻尼自然频率3及阻尼比©成反比。实验三、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：r（s）土c（s）2、零点对二阶系统瞬态响

9、应的影响，单-位阶跃响应曲线的对比:3单位阶跃响应曲线对比实验方法与步骤在实验项0下拉框中仍选中二阶系统阶跃响应实验。1、零点和系统串联的电路图与响应曲线5000 t2500010000宾知i 目 kf13 :二工具ims : tp s al zd实以目efi3 :二.二m糸防欽网10008ooo6ooo200030005000700040009000*20003000400010000参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、&k=l、t=0.1、t=0.1k=l、t=0.1、超调量的比较mp= 30. 12%mp=24 13%100001oooo1oooo

10、-5000通过分析两组实验数据对以得到：并联响应曲线的超调量比串联响应曲线的超调量要 低，系统的稳定性要较好。零点在系统询向通道可以增人系统的阻尼比，降低超调量，捉高 瞬态响应；零点在系统反馈通道可以增人系统的阻尼比，降低超调量，但是对瞬态响应无明 显彩响。实验四、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;常握频率特性的bode图nquist图的绘制。实验原理asin(3)bsin(3 + 0l()/<ib渐近线一 10护（3）-90180*00.7< *-r=4 06 0"淙楊环"的伯徳罔实验方法与步骤1. 在实

11、验项目下拉框屮选屮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。o350070001050014000175002100024500280003150035000实匕四 时间二电庄閑 納单位：x o.ioms-y imv正強信号邂:iooo mv 2.80 hz来佯个阎朗系样279 hz数据采集过程如图所示：50004000300020001oooo-1ooo2000308-4000j 5000xlo x235000 >135000y15000 y250001oooo3、待数据采样结束后点击一因按钮，即可显示岀所

12、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匚，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。实验结果1、二阶震荡系统（欠阻尼）频率特性实验bode图阻尼比©二0.237,转角频率3 =2）1x4.034自实绘余统口叵冈kflli 匝积屜zj imfwa.n .-im敢宇阻尼比©二0.326,转角频率3=2心20292、二阶振荡系统（

13、欠阻尼）频率特性实验的nyquist图3、阻尼比k =0. 237,转角频率3 =2 jix4034oabfiu理论实蛰系统其隍项目&fj.冋厂耘丽辰殛"3 tatmai包直縣;5环节（）聘恃性曲线ft?阻尼比=0. 134,转角频率o =2 n x2.037实验五、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止的概念，掌握改善机电控制系 统性能的基木方法和工程实现，对给定系统进行串联校正设计，并通过模拟实 验检验设计的止确性，从而学会控制系统的串联校止与反馈校止。实验内容1、串联超前校正2、串联滞后校正3、串联超前一滞后校正，校正前与校正后的阶跃响应实验。

14、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3-2超前校正系统结构图图中gel (s) =32 (0.055s+l)gc2 (s)=0.005s+l实验方法与步骤1、首先搭接未校止的二阶系统电路，（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|'可ts的变化。2、在未校正的二阶系统电路屮加入超前校正环节（如上图接通s开关情况）, 在实验项目一卜'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 联超前校止实验。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

15、量mp、峰i chid whn> wo 4vuu$000值时间tp、调整时间ts的变化，二者进行比较。4、记录实验数据与响应曲线。实验结果$联超前校e的响应曲线1、开关s断开（校正前）峰值时间tp= 156ms、调整吋间ts=976ms、超调量mp=55.5%2002000&0002、开关s闭合（校正后） 3000-4000-soaoxiti1$6 x:.-5000loooo-*5$5调整时间ts=300ms、峰值时间tp= 117ms、超调量mp=10.5%结果分析：经过串联超前校正后的二阶系统瞬态响应速度变快，调幣时间和峰值时间减 小，超调量减小。3、实验结果表正系统指标校正

16、前校正后6%5%5%tp （秒）156117ts （秒）9763002、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。系统结构图不如图3-410gc(s)t11s0. 05s+1j0.1s+1图3-4滞后系统结构图图中gcl(s) =1010 (s+1)gc2 (s)=lls+1实验方法与步骤 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 联滞后校止实验。 观察经过串联滞后校正环节的二阶系统瞬态响应，并记录英超调量mp、峰值 时间tp、调整时间ts的变化。 记录实验数据

17、与响应曲线。实验结果吊联滞后校止的响应曲线1、开关s断开（校正前）峰值时间tp= 195ms、调整时间ts=3247ms、超调量mp=74.8%2、开关s闭合（校正后）峰值时间 tp=500ms、ts=l050ms> 超调s mp=20.2%3、实验结果表系统指标校正別校正后8%5%5%tp （秒）175500ts (秒)324710504、串联超前一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，接通对应超前一 滞后校正。系统结构图示如图3-6图3-6超前一滞后校正系统结构图图中gel (s) = 66 (l2s+1) (0. 15s+l)gc2 (s)=(6s+l) (0.05s+l)实验方法与步 在未校止的二阶系统电路中加入超前一滞后校止环节（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, 即可做串联超前一滞后校正实验。 观察经过串联超前一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。 记录实验数据与响应曲线。实验结果$联超前一滞后校止的响应曲线1、开关s断开（校正前）2、开关s关闭（校正后）峰值吋间tp= 400ms调整吋间ts=700ms、超调fimp=21.2%3、实验结果表正系统指标校