机械控制工程实验报告

1、机械控制工程实验报告学 院：机械与汽车工程学院专 业：机械设计制造及其自动化学 号： _姓 名： _得 分： _指 导： _日 期： _合肥工业大学机械与汽车工程学院机械电子工程系实验一 典型环节的模拟研究一、实验目的1、 掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式。2、 观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响。二、实验原理比例P）积分I ）比例积分PI）比例微分PD）惯性环节T）比例积分微分PID ）方块图传递函数U0(s)kUi(s)U0(s)1Ui(s)T SU0(s)（1）UiK1T S(s)U0(s)T S)K(1Ui(

2、s)U0(s)KUi(s)1T SU0(s)KpUiKpKpTdS(s)TiS2三、实验步骤选用虚拟示波器，运行LABACT程序，选择 自动控制 菜单下的 线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究实验项目 ，再选择 开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3 ）单元的CH1 测孔测量波形。1)观察比例环节的阶跃响应曲线2)观察惯性环节的阶跃响应曲线3)观察积分环节的阶跃响应曲线4)观察比例积分环节的阶跃响应曲线5)观察比例微分环节的阶跃响应曲线6)观察 PID （比例积分微分）环节的响应曲线具体用法参见实验指导书第二章虚拟示波器部分。四、实验曲线及结果分

3、析1)比例环节32)惯性环节3)积分环节4)比例积分环节45)比例微分环节6)PID （比例积分微分）环节5实验二二阶系统瞬态响应和稳定性分析一、实验目的1.掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法，型二阶闭环系统的传递函数标准式。2.研究二阶闭环系统的结构参数-无阻尼振荡频率n, 阻尼比 对过渡过程的影响。3.掌握欠阻尼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.观察和分析典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，欠阻尼二阶闭环系统中的结构参数 -自然频率（无阻尼振荡频率）n, 阻尼比 对瞬态响应的影响。二、实验原理图 3-1-7 是典型二阶系统原理方

4、块图。图 3-1-7典型二阶系统原理方块图型二阶系统的开环传递函数：G(S)KTiS(TS 1)G( S)2型二阶系统的闭环传递函数标准式：(s)2n2G(S)SnS12n自然频率（无阻尼振荡频率）：nK阻尼比：1TiTiT2KT有二阶闭环系统模拟电路如图3-1-8 所示。它由积分环节（A2 ）和惯性环节（A3）构成。图 3-1-8 典型二阶闭环系统模拟电路图 3-1-8 的二阶系统模拟电路的各环节参数及系统的传递函数：积分环节（ A2 单元）的积分时间常数Ti=R1*C1=1S惯性环节（ A3 单元）的惯性时间常数T=R2*C2=0.1S该闭环系统在A3 单元中改变输入电阻R 来调整增益K

5、，R 分别设定为10k、40k 、100k 。G(S)KKR2100k1)S(0.1S1)其中 KRTiS(TSR210K( s)n22nS2210S10KSnS6nK10K1 T1 10TiT2KT2 K当R=100k，K=1=1.58 1为过阻尼响应，当 R=40k ，K=2.5=1为临界阻尼响应，当 R=10k ，K=10=0.50 1为欠阻尼响应。欠阻尼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：（ K=10=0.5）：MPe12超调量100% 16.3%峰值时间：tp120.36n：ts4调节时间0.8n三、实验步骤选用虚拟示波器，运行LABACT程序，选择

6、 自动控制 菜单下的 线性系统的时域分析下的二阶典型系统瞬态响应和稳定性实验项目 ， 再选择 开始实验， 就会弹出虚拟示波器的界面，点击 开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1 测孔测量波形。典型二阶系统模拟电路见图3-1-8 。该环节在 A3 单元中改变输入电阻R 来调整衰减时间。具体用法参见实验指导书第二章虚拟示波器部分。7四、实验曲线及结果分析8实验三三阶系统瞬态响应和稳定性分析一、实验目的1.掌握典型三阶系统模拟电路的构成方法，型三阶系统的传递函数表达式。2.熟悉劳斯（ ROUTH ）判据使用方法。3.应用劳斯（ ROUTH ）判据，观察和分析型三阶系统在阶跃信号输入

7、时，系统的稳定、临界稳定及不稳定三种瞬态响应二、实验原理典型三阶系统的方块图见图3-1-10 。图 3-1-10典型三阶系统的方块图典型三阶系统的开环传递函数（单位反馈）：G(S)K1K2TiS(T1S 1)(T2S 1)闭环传递函数：( S)K1K21)(T2S1)K1K2TiS (T1S有三阶系统模拟电路如图3-1-11所示。它由积分环节（A2 ）、惯性环节（A3 和 A5 ）构成。图 3-1-11典型三阶系统模拟电路图图 3-1-11 的三阶系统模拟电路的各环节参数及系统的传递函数：积分环节（ A2 单元）的积分时间常数 Ti=R1*C1=1S，惯性环节（ A3单元）的惯性时间常数T1=

8、R3*C =0.1S， K1=R3/R2=12惯性环节（ A5单元）的惯性时间常数T2=R4*C =0.5S， K2=R4/R=500k/R3该系统在A5 单元中改变输入电阻R 来调整增益 K ，R 分别为30K 、41.7K 、100K 。图 3-1-11 的三阶系统模拟电路传递函数为：开环传递函数：G(S)=KKK1* K2500kS(0.1S 1)(0.5S 1)TiR闭环传递函数：( S)G(S)K1 G(S)S(0.1S1)(0.5S1)KS312S2闭环系统的特征方程为：1( )0,31222020SSSKG S9特征方程标准式：a0S3a1S2a2Sa30由 Routh 稳定判据

9、判断得Routh 行列式为：S3a0a2S3120S2a1a3S21220KS1a1a2a0a301240 20K0a1S12S0S0a3020K0为了保证系统稳定，第一列的系数都为正值，所以24020K012020K由 ROUTH 判据，得0K12R41.7K系统稳定K12R41.7K 系统临界稳定K12R41.7K系统不稳定三、实验步骤在实验中欲观测实验结果时，可用普通示波器，也可选用本实验机配套的虚拟示波器。如果选用虚拟示波器，只要运行LABACT程序，选择 自动控制 菜单下的 线性系统的时域分析 下的三阶典型系统瞬态响应和稳定性实验项目 ，再选择 开始实验， 就会弹出虚拟示波器的界面，

10、点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3 ）单元的 CH1 测孔测量波形。有三阶系统模拟电路图参见图3-1-11，环节在 A5 单元中分别选取输入电阻R=30K 、41.7K和 100K ，改变系统开环增益。具体用法参见实验指导书第二章虚拟示波器部分。10四、实验曲线及结果分析R=30KR=41.7KR=100K11实验四线性控制系统的频率响应分析一、实验目的1 掌握对数幅频曲线和相频曲线（波德图）、幅相曲线（奈奎斯特图）的构造及绘制方法。2 研究二阶闭环系统的结构参数-自然频率或无阻尼振荡频率n, 阻尼比 对对数幅频曲线和相频曲线的影响，及渐近线的绘制。3 掌握欠阻尼二阶闭环系统中的幅

11、频特性L ()错误！未指定书签。 、相频特性( )、谐振频率r和谐振峰值L (r)的计算。4.研究表征系统稳定程度的相位裕度和幅值裕度h（ dB）对系统的影响。5.观察和分析欠阻尼二阶闭环系统谐振频率r和谐振峰值L (r)。6.观察和分析型三阶系统中，相位裕度 和幅值裕度 h（ dB）对系统的稳定的影响。二、实验原理被测系统的实验原理方块图见图3-2-1。图 3-2-1被测系统方块图系统（环节）的频率特性G(j )是一个复变量，可以表示成以角频率为参数的幅值和相角：G（j ）=| G（j ）| G(j )(式 3-2-1)图 3-2-1 所示被测系统的闭环传递函数：C SG1S G2S（式 3

12、-2-2） SRS 1 G1SG2SHS如被测系统的反馈传递函数H S=1 ，则（式3-2-2 ）可简化为： SC SG1SG2S（式 3-2-3 ）RS 1 G1SG2S式 3-2-3 以角频率为参数的幅值和相角：L( ) 20 lg ( j )( )( j )由于型系统含有一个积分环节， 它在开环时响应曲线是发散的， 因此欲获得其开环频率特性时， 还是需构建成闭环系统， 测试其闭环频率特性，然后通过公式换算，获得其开环频率特性，算法如下：图 3-2-1 所示被测系统的开环频率特性为：G1SG2S S（式 3-2-4） S112图 3-2-1 所示被测系统以角频率为参数表示成的开环频率特性为

13、： j( j)( j )G1( j )G2( j )(式 3-2-5)1 j1-( j ) 1-( j )式（ 3-2-5）亦可以角频率为参数表示为对数幅频特性和相频特性：20lg G1( j )G2( j )20lg( j )( j )G1( j )G2( j )1 -( j )1 -( j )三、实验步骤在实验中，运行LABACT 程序，选择 自动控制 菜单下的 线性控制系统的频率响应分析-实验项目 ，再分别选择 一阶系统、 或二阶系统、 或三阶系统、 或时域分析 ，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始 即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3 ）显示波形。具体用法参见实验指导书第二章虚拟示波器部分。1、一阶系统的对数幅频曲线、相频曲线和幅相曲线将数 /模转换器（ B2 ）单元作为信号发生器，产生的超低频正弦信号的频率从低到高变化0.5Hz64Hz ），施加于被测系统的输入端 r（ t） ，然后分别测量被测系统的输出信号的