机械控制工程基础实验指导书

1、长 春 大 学机械控制工程基础课程实验指导书(机械制造及自动化、工业工程专业)电子信息工程学院13年9月长 春 大 学机械控制工程基础课程实验指导书(机械制造及自动化、工业工程专业) 编者：徐艳丽电子信息工程学院13年9月实验室规则为了保持实验室的良好环境、文明秩序、确保人身、设备安全，保证顺利完成实验任务，望每位同学共同遵守以下规则：1认真预习每次实验要求的内容，填写实验报告的有关内容（目的、仪器、原理、步骤等）。2迟到超过10分钟或早退者，均按旷课处理。因病因事不能参加实验者，须出示相应证明。3听从教师指导，严格按规定的操作步骤进行。如实记录数据和实验现象，不得抄袭他人结果或代做实验。4注

2、意人身安全，爱护仪器设备，不动用与本实验无关的其他仪器设备和修改计算机内设置。5完成实验后主动整理仪器，桌椅等。6实验室设备、工具和实验室内的物品不得私自带走，违者按规定处理。7违反操作规程和有关规定而损坏仪器者，除写书面报告外，并按规定进行赔偿。目 录 硬件资源1实验一 典型环节及其阶跃响应4实验二 二阶系统阶跃响应8实验三 系统校正12 硬件资源EL-AT-III型实验系统主要由计算机、AD/DA采集卡、自动控制原理实验箱、打印机（可选）组成如图1，其中计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制和数据处理的作用，打印机主要记录各种实验数据和结果，实验箱主要构造被控模拟对象。显

3、示器计算机打印机实验箱电路AD/DA卡图1 实验系统构成实验箱面板如图2：图2 实验箱面板下面主要介绍实验箱的构成：一、 系统电源EL-AT-II系统采用本公司生产的高性能开关电源作为系统的工作电源，其主要技术性能指标为：1 输入电压：AC 220V2 输出电压/电流：12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A3 输出功率：22W4 工作环境：540。二、 AD/DA采集卡AD/DA采集卡如图3采用EZUSB2131芯片做为主控芯片，负责数据采集和USB通信，用EPM7128作为SPI总线转换，AD为TL1570I其采样位数为10位，采样率为1KHz。DA为MAX5159转换位数为10

4、位，转换速率为1K。 AD/DA采集卡有两路输出（DA1、DA2）和两路输入（AD1、AD2），其输入和输出电压均为5V+5V。 图3 AD/DA采集卡三、 实验箱面板布局如图4AD/DA卡输入输出模块电源模块实验模块1二极管区EL-CAT-III实验模块3电阻、电容、二极管区实验模块4变阻箱、变容箱模块实验模块5实验模块2实验模块6实验模块7图4 实验箱面板布局实验箱面板主要由以下几部分构成：1 实验模块本实验系统有七组由放大器、电阻、电容组成的实验模块。每个模块中都有一个由UA741构成的放大器和若干个电阻、电容。这样通过对这七个实验模块的灵活组合便可构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系

5、统。2 二极管，电阻、电容、二极管区这些区域主要提供实验所需的二极管、电阻和电容。3 AD/DA卡输入输出模块该区域是引出AD/DA卡的输入输出端，一共引出两路输出端和两路输入端，分别是DA1、DA2，AD1、AD2。有一个按钮复位，按下一次对AD/DA卡进行一次复位。20针的插座用来和控制对象连接。4 电源模块电源模块有一个实验箱电源开关，有四个开关电源提供的DC电源端子，分别是12V、-12V、+5V、GND，这些端子给外扩模块提供电源。5 变阻箱、变容箱模块变阻箱、变容箱是本实验系统的一个突出特点，只要按动数字旁边的“”、“”按钮便可调节电阻电容的值，而且电阻电容值可以直接读出。实验一

6、典型环节及其阶跃响应一、实验目的1. 掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。2. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法。二、实验仪器1 EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台2 计算机一台三、实验原理1模拟实验的基本原理：控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。2 时域性能指标的测量方法

7、：超调量Ó %：一、 启动计算机，在桌面双击图标 自动控制实验系统 运行软件。二、 检查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击按钮，出 现参数设置对话框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以继续进行实验。三、 连接被测量典型环节的模拟电路。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。四、 在实验课题下拉菜单中选择实验一典型环节及其阶跃响应 。五、 鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标

8、单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。六、 用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，代入下式算出超调量： YMAX - Y Ó %=×100% Y TP与TS：利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达95%稳态值所需的时间值，便可得到TP与TS。 四、实验内容构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：1. 比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1。 G（S）= -R2/R12. 惯性环节的模拟电路及其传递函数如图1-2。 G（S）= - K/（TS+1） K=R2/R1，T=R2C3. 积分环节的模拟电路及传递函数如图1-3。 G（S）=-1/TS

9、 T=RC 4. 微分环节的模拟电路及传递函数如图1-4。G（S）= - RCS5. 例+微分环节的模拟电路及传递函数如图1-5（*未标明的C=0.1uf）。 G（S）= -K（TS+1） K=R2/R1，T=R2C 6.比例+积分环节的模拟电路及传递函数如图1-6。 G（S）=-K（1+1/TS） K=R2/R1，T=R2C五、实验步骤 1.启动计算机，在桌面双击图标 自动控制实验系统 运行软件。2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。比例环节3.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-1)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1

10、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。（正端接地电阻1K,下同）4.在实验项目下拉菜单中选择实验一典型环节及其阶跃响应 。5. 鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数：采样间隔10，点数2。鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果6.观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。7.记录波形及数据（由实验报告确定）。惯性环节8.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-2)。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。9.实验步骤同47在参数设置对话框中设置相应的实验

11、参数：采样间隔10，点数200。积分环节10.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-3)。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。11.实验步骤同47在参数设置对话框中设置相应的实验参数：采样间隔10，点数200。微分环节12.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-4)。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。13.实验步骤同47在参数设置对话框中设置相应的实验参数：采样间隔10，点数200。比例+积分环节14.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-6)。电

12、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。15. 实验步骤同47在参数设置对话框中设置相应的实验参数：采样间隔10，点数200。16. 测量系统的阶跃响应曲线，并记入上表。六、实验报告1. 由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由电路计算的结果相比较。2. 将实验中测得的曲线、数据及理论计算值，整理列表。七、预习要求1阅读实验原理部分，掌握时域性能指标的测量方法。2分析典型一阶系统的模拟电路和基本原理，理论计算画出各典型环节理想单位阶跃响应曲线。阶跃响应曲线TS（秒）理论值实测值R1= R2=比例环节R1= R

13、2=C= K= T=惯性环节R1= C=T=积分环节R1= R2=C=微分环节R1= R2=C=比例+微分环节R1= R2=C= K= T=比例+积分环节实验数据测试表(*只有一阶惯性环节有TS值)实验二 二阶系统阶跃响应一、实验目的 1研究二阶系统的特征参数，阻尼比z和无阻尼自然频率wn对系统动态性能的影响。定量分析 z 和wn与最大超调量Mp和调节时间tS之间的关系。 2进一步学习实验系统的使用方法 3学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。二、实验仪器1EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台2计算机一台三、实验原理1模拟实验的基本原理：控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，

14、即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。2. 域性能指标的测量方法：超调量Ó%：1）启动计算机，在桌面双击图标 自动控制实验系统 运行软件。2) 检查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中实验，点击按钮，出 现参数设置对话框设置好参数，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

15、常后才可以继续进行实验。3) 连接被测量典型环节的模拟电路。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，将两个积分电容连在模拟开关上。检查无误后接通电源。4) 在实验项目的下拉列表中选择实验二二阶系统阶跃响应 。5) 鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果6) 利用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，带入下式算出超调量： YMAX - Y Ó%=×100% Y TP与TP：利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达95%稳态值

16、所需的时间值，便可得到TP与TP。 四、实验内容 典型二阶系统的闭环传递函数为 w2n j（S）= （1） s22zwnsw2n其中 z 和wn对系统的动态品质有决定的影响。构成图2-1典型二阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应图2-1 二阶系统模拟电路图电路的结构图如图2-2：图2-2 二阶系统结构图系统闭环传递函数为 （2） 式中 T=RC，K=R2/R1。（2）比较（1）、（2）二式，可得 wn=1/T=1/RC z=K/2=R2/2R1 （3） 由（3）式可知，改变比值R2/R1，可以改变二阶系统的阻尼比。改变RC值可以改变无阻尼自然频率wn。今取R1=200K，R2=100KW和200

17、KW，可得实验所需的阻尼比。电阻R取100KW，电容C分别取1mf和0.1mf,可得两个无阻尼自然频率wn。五、实验步骤1.连接被测量典型环节的模拟电路。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。2.启动计算机，在桌面双击图标 自动控制实验系统 运行软件。3.测查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击按钮，出现参数设置对话框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以继续进行实验。4.在实验项目的下拉列表中选择实验二二阶系统阶跃响应, 鼠标单击

18、按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果5.取wn=10rad/s, 即令R=100KW，C=1mf；分别取z=0.5、1、2，即取R1=100KW，R2分别等于100KW、200KW、400KW。输入阶跃信号，测量不同的z时系统的阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量Mp和调节时间Ts的数值和响应动态曲线，并与理论值比较。6.取z=0.5。即电阻R2取R1=R2=100KW；wn=100rad/s, 即取R=100KW，改变电路中的电容C=0.1mf(注意：二个电容值同时改变)。输入阶跃信号测量系统阶跃响应，并由显示的波

19、形记录最大超调量sp和调节时间Tn。7.取R=100KW；改变电路中的电容C=1mf,R1=100KW,调节电阻R2=50KW。输入阶跃信号测量系统阶跃响应，记录响应曲线，特别要记录Tp和sp的数值。8.测量二阶系统的阶跃响应并记入表中： 实验结果参数%tp（ms）ts（ms）阶跃响应曲线R =100KC =1fn=10rad/sR1=100KR2=0K=0无无无R1=100KR2=50K=0.25理论值 实测值理论值 实测值理论值 实测值R1=100KR2=100K=0.5理论值 实测值理论值 实测值理论值 实测值R1=100KR2=200K=1无无 实测值R1=100KC1=C2=0.1fn=100rad/sR1= 100KR2=100K=0.5理论值 实测值理论值 实测值理论值 实测值R1=100KR2=200K=1无无 实测值六、实验报告1.画出二阶系统的模拟电路图，讨论典型二阶系统性能指标与，n的关系。2.把不同z和wn条件下测量的Mp和ts值列表，根据测量结果得出相应结论。七、预习要求1. 阅读实验原理部分，掌握时域性能指标的测量方法。2. 按实验中二阶系统的给定参数，计算出不同、n下的性能指标的理论值。实验三 系统校正一、实