控制工程基础

1、.PAGE ：.；PAGE 17控制工程根底实验指点书顾 建江苏大学工业中心机电控制实验室2004年3月目 录模拟系统根本原理3根本运算部件的原理5典型环节的实现6实验一 典型模拟系统的时域呼应 8实验二 典型模拟系统的频率呼应 8实验三 系统校正 14模拟系统根本原理在控制工程中，类似系统的概念是很重要的，由于一种系统能够比另一种系统更容易通过实验来处置。在本自动控制实验中，就是利用类似原理、用电的系统来模拟机械系统。本实验所研讨的系统，既模拟的对象，为以下两个物理模型：模拟的对象物理模型及研讨目的油缸弹簧阻尼系统一阶系统系统输入：进入油缸的压力(N/m2);系统输出：活塞杆在油压推进下的位

2、移；A 活塞面积(m2)；k 弹簧刚度(N/m)；f 阻尼器粘性阻尼系数(NS/m)。物理模型：忽略运动件质量和油液的紧缩性，系统的运动微分方程为：传送函数为：式中 传送系数 (时间常数)研讨目的：经过电模拟，测定系统阶跃呼应的时间常数 T,计算出系统的弹簧刚度系数 k和粘性阻尼系数 f。(设A=弹簧质量阻尼系统二阶系统系统输入：x(t)施加于质量m上的外力(N)； 系统输出： y(t)质量m在外力作用下的位移(m)；m 质量(kg)；k 系统弹簧刚度(N/m)； f 系统阻尼系数(NS/m)；物理模型：系统的运动微分方程为： 系统的传送函数为： 式中 无阻尼自振频率; 阻尼比; 临界阻尼系数

3、系统传送系数研讨目的：经过电模拟，测定系统阶跃呼应时的超调量 ,上升时间 ,峰值时间 ,调整时间 ，计算出,，推算出系统的刚度系数和阻尼系数。(设m=根本运算部件原理本实验主要采用XM-1型模拟实验仪来进展模拟实验，该模拟仪主要运用运算放大器来构成各种不同的系统，以下简单引见一下运算放大器的任务原理。运算放大器原理图输入/输出关系和传送函数集成运算放大器符号;特点:增益很大107108;输入阻抗,很大,接近无穷大;负号表示输入/输出反相。输入电压；输出电压；虚地电压； 输入电流；反响电流；输入阻抗；反响阻抗。即 又: 得: 经拉氏变换得传送函数为: 即反响阻抗与输入阻抗之比，相位相反。典型环节

4、的实现由上述推导得知: 运算放大器的传送函数为反响阻抗与输入阻抗之比且相位相反。阻抗包含了电阻、电容和电感，那么经组合后可得到如比例器、加法器、比较器、积分器、一阶惯性环节等一些根本运算部件，如下表所示:根本运算部件原理图输入/输出关系和传送函数比例器 ；那么 即成比例关系。式中 =当=时;为反相器当时;为放大器当时;为衰减器加法器 ；;那么即 成比例和代数相加运算关系比较器积分器 ;那么 即成积分运算关系。式中 (积分时间常数)是积分运算关系一阶惯性环节式中 传送系数 时间常数留意:上述各运算关系，由于不能够无限大，加上放大器本身零漂，噪声等影响，将会引入一定的误差。经过对上述根本运算部件的

5、组合(串联和并联),可以构成各种控制系统。实验一 典型模拟系统的时域呼应实验二 典型模拟系统的频率呼应1实验目的 进一步了解课堂上所学过的传送函数、时域呼应和频率呼应等根本概念； 学会一种研讨问题的方法电模拟的方法；2模拟线路的构成一阶系统：运用两块运放，第一块为反相器U20，第二块为一阶惯性系统U6，如以下图所示。参数选择：R1=R2=200k；R3=R4=100k；C1=1u；参数改动：电阻不变，改动电容，使C2=2u 和C2=1u；二阶系统：运用四块运放，第一块为反相器U20，第二块为加法器U4，第三块为惯性环节U6，第四块为积分器U5，如以下图所示。参数选择：R1=R2=200k；R3

6、=R4= R5R8=100k；R6500k；R7=250k；C1=C21u；参数改动：电阻不变，改动电容，使C1=1u 和C2=4u；3时域呼应信号的产生：时域呼应信号采用阶跃信号，由单节拍脉冲发生单元U13 SP和U14 P产生或者用信号源发生单元U1 SG，此单元可产生反复的阶跃、斜坡、加速度抛物线三种典型信号，且信号的幅值、频率经过电位器W11、W12可以进展调理。单节拍脉冲发生单元U13 SP和U14 P连线如以下图：详细线路构成：在U13 SP单元中，将H1与5V插针用“短路块短接，H2插针用排线接至U14 P单元中，将Z插针和GND插针用“短路块短接，最后由插座Y端输出信号。如用反

7、复的信号时，必需把S与ST短接，并有锁零操作，此时，U1 SG单元OUT端可产生三种信号。阶跃信号幅值调到3V左右较为适宜。4频率呼应信号的产生：频率呼应信号采用幅值一定、频率可变的正弦信号，根据模拟系统的呼应，在两个十倍频程范围内分别给出810个频率的正弦信号，测出被测系统相应的输出信号和输入信号的幅值变化，以及输出信号和输入信号之间的相位差变化。正弦信号由正弦波发生扩展板产生，连线如以下图：用三根排线把12V、12V和GND与实验仪上部中间标有12V、12V和GND的插针上，正弦波信号端输出信号。信号幅值调到3V左右较适宜，频率调整时可把量程选择开关拨到0.1610s档，从低频长周期到高频

8、短周期分别调理调频电位器。5输出/输入信号的丈量信号丈量单元由89C51单片机、62256、DAC0832、ADC0809、LM324、量程选择开关和双路表笔构成。本单元替代了自控实验中运用的长余辉型示波器、频率特性分析仪等实验仪器。信号丈量单元中的运放LM324提供了系统输入阻抗，量程选择开关可对输入信号进展衰减，双路模拟信号经ADC0809转换后送至系统处置，最后在PC机上显示波形。开关CH1、CH2对应波形衰减倍数为5、1或者在最低处显示一根直线，从而只看另一路波形。如以下图所示。ACP系统上电后，需先用万用表“毫伏档测U19 OSC单元电路正弦波信号输出端能否为零，假设不为零点，请调理

9、WW电位器使其到达零伏，再进展实验。量程选择开关含义：5表示示波器上的一格为5V0.5表示示波器上的一格为0.5V1表示示波器上的一格为1V。阶跃呼应置在1档表笔插入系统输出和输入端插座，通常红笔测系统输出，黑笔测系统输入。激活测试软件。6实验数据记录时域呼应：一阶系统 系统输入值r(t) V序 号123456789101112时间 t(ms)输出值c(t) V二阶系统 系统输入值r(t) V序 号123456789101112时间 t (ms)输出值c(t)V频率呼应：一阶系统 序 号12345678910测 量 数 据实践扫描周期Ts (ms)滞后时间T ms幅值输出绿输入黄计 算 数 据

10、实践扫描频率s2/Ts 1/s幅值比输出/输入对数L20lg幅值比(db)相位差360T/ Ts滞后时间/实践周期二阶系统序 号12345678910测 量 数 据实践扫描周期Ts (ms)滞后时间T ms幅值输出绿输入黄计 算 数 据实践扫描频率s2/Ts 1/s幅值比输出/输入对数L20lg幅值比(db)相位差360T/ Ts滞后时间/实践周期7实验报告主要内容时域呼应：根据模拟线路给出的参数，计算一阶系统的时间常数T，传送系数K；二阶系统的、n、K、p、tr、tp、ts、5%；测出实践的p、tr、tp、ts、5%，推算出实践、n、K。根据实验数据用规范方格纸画出一阶二阶系统的时域呼应曲线

11、，频率呼应：根据实验数据用单对数方格纸画出一阶二阶系统的幅频相频波德图Ls、s参照实际的一阶二阶系统频率特性曲线特性曲线。8实际的一阶二阶系统频率特性曲线参考实验三 系统校正实验目的了解改善系统动态性能的根本方法；学会用串联校正的方法对二阶系统进展校正；经过校正搞清楚系统参数的变化对系统动态性能目的的影响；原系统的方块图：见图31所示 由闭环传函W(s)=要求设计串联校正安装，使系统满足下述性能目的：由实际推导可参照有关自控原理书得，校正网络的传送函数为：所以校正后的方块图如图32所示： 原系统及校正后的模拟电路图：见图33及图34 实验内容及步骤丈量未校正系统的性能目的。预备：将“信号源单元U1 SG的插针和插针用“短路块短接。实验步骤：按图33接线。参与阶跃电压，察看阶跃呼应曲线，并测出超调量Mp和调理时间ts，将曲线及参数记录下来。丈量校正系统的性能目的。按图34接线。参与阶跃电压，察看阶跃呼应曲线，并测出超调量MP以及调理时间ts。看能否到达期望值，假设未到达，请仔细检查接线包括阻容值或调理可变电阻(图中为360k)大小。实验