机械工程控制理论基础 实验报告 附小结与心得

1、机械控制理论基础实验报告班级：学号：姓名：目 录 实 验 内 容实验一 一阶环节的阶跃响应及时间参数的影响P3实验二 二阶环节的阶跃响应及时间参数的影响P9实验三 典型环节的频率特性实验P15实验四 机电控制系统的校正 P20实验心得P23 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

2、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“”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、选

3、择一阶惯性环节进行实验操作由于一阶惯性环节更具有典型性，进行实验时效果更加明显。惯性环节的传递函数及其模拟电路与实验曲线如图1-1： G（S）= K/TS+1 2、（1）按照电子电路原理图，进行电路搭建，并进行调试，得到默认实验曲线图1-2图1-2（2）设定参数：方波响应曲线（K=1 ；T=0.1s ）、（K=2；T=1s），R1=100k3、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。（1）在无电容的情况下：结果如图1-3所示图1-3（2）当R2=200k，时，结果如图1-4所示，理论值T=20ms，K=2时，测量值K=2.2。图1-4 R2=200k （3）当R2=300k

4、，C=0.1uF时，结果如图1-5所示，理论值T=30ms，K=3时，测量值K=3.15。图1-5 R2=300k （4）当R2=300k，C=1uF时，结果如图1-6所示，理论值T=300ms，K=3时，测量值K=3.2。图1-6 R=300k C=1uF4、T、K对系统的影响（1）有无电容对系统的影响，对比第一组实验结果与第二组实验结果，并如图1-3与图1-4所示。图1-3 图1-4对比结果：从这两组实验中可以看出，当系统在R2处并联入电容C时，无电容系统变为有电容系统，即，比例环节变为惯性环节，提高了系统的快速性。（2）当电容C恒定时，改变电阻R2的大小进行比较，对比第2组与第3组实验的

5、结果，如图1-4与图1-5所示。图1-4 R2=200k 图1-5 R2=300k 对比结果：由上述三幅响应曲线我们可以看到，不同的时间常数对系统的快速性有着不同的影响，一般来说，时间常数为R，C之积，当时间常数小的时候，系统响应快速性比较好，在较短时间内就能响应完全，比例系数K对于系统的幅值大小有影响，K较大时系统的幅值也比较大。（3）当电阻R2恒定时，改变电容C的大小进行比较，对比第3组与第4组的实验结果，如图1-5与图1-6所示。图1-5 R2=300k 图1-6 R=300k C=1uF对比结果：当R，C之积比较大时，相应的快速性不够好，系统的响应时间比较长，在比较长的时间内才能达到输

6、出允许幅值，上升和下降均需要较长反应时间，这些结论均可以从响应曲线中得到。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：图2-1 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

7、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（图2-2） 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。 先做二阶系统的开环时域响应，观察其曲线的变化。 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1、按照电路图，先搭建出二阶系统开环是的电路。2、观察开环系统时域响应曲线；（1）当K=9 T1=0.2s T2=0.2s时，开环系统响应曲线如图2-4所示，通过计算与测量可得：此时超调量=57.2%，调整时间为=1590ms，（2）当K=4 T1=0.6s T2=0.2s，开环系统响应曲线如图2-5

8、所示通过计算与测量可得：此时超调量=39.4%，调整时间为=1220ms（3）当K=2 T1=0.4s T2=0.2s时，开环系统响应曲线如图2-6所示图2-6 通过计算与测量可得：此时超调量=33.8%，调整时间为=1383ms。3、采用单位反馈构成闭环系统，搭建电路，如图2-1所示。4、进行测量，得到闭环系统响应曲线。时，闭环系统响应曲线如图2-7所示。图2-7 通过计算与测量可得：此时超调量=63.1%，调整时间为=950ms（2）当K=4 T1=0.6s T2=0.2s =0.516时，闭环系统响应曲线如图2-8所示。图2-8 K=4 T1=0.6s T2=0.2s 通过计算与测量可得

9、：此时超调量=41.8%，调整时间为=1020ms（3）当K=2 T1=0.4s T2=0.2s时，闭环系统响应曲线如图2-9所示。图2-9 通过计算与测量可得：此时超调量=31.5%，调整时间为=839ms实验结论：由上图作对比可知，采用不同的比例增益K以及惯性环节不同的时间常数T对系统的影响也不同，因此而得的阻尼比也不相同，由上面响应曲线可知，当阻尼比大的时候，系统的超调量会减小，调整时间也会减小。对系统的稳定性有一定的提高。实验三 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 图3

10、-1 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。图3-2 数据采集过程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、不同阻尼比下，二阶振荡系统（欠阻尼）频率特性实验的Bode 图与Nyquist图。（1）第一组，当1=0.221时，二阶振荡系统频率特性的Bode图与Nyquist图分别入图3-3与图3-4所示，响应曲线如图3-5所示。图3-3 Bode图图3-4 Nyquist图图3-5 系统响应曲

11、线（1）第二组，当1=0.402时，二阶振荡系统频率特性的Bode图与Nyquist图分别入图3-5与图3-6所示。图3-6 1=0.402时Bode图图3-7 1=0.402时Nyquist图图3-7 1=0.402时系统响应曲线3、确定系统的转角频率、谐振频率、截至频率的实测值第一组的转角频率为21.216，阻尼比1第二组转角频率为6.28，阻尼比2为0.402，谐振频率5.167.所以，可知不同的转角频率对于系统的快速性和稳定性影响不同。实验四 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

12、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4-1超前校正电路图系统结构图如图4-2图4-2 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 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。 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

13、参数，即可做串联超前校正实验。 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。 记录实验数据与响应曲线。 实验内容1、按未校正的电路图，搭建电路，S未接通如图4-1图4-1 S断开，未校正电路2、观察未校正系统的实验结果并记录数据，响应曲线如图4-3所示图4-3 未校正系统的响应曲线3、闭合S，得到超前电路，如图4-4所示图4-4 闭合S，超前电路2、观察超前校正系统的实验结果并记录数据，响应曲线如图4-5所示图4-5 超前校正系统的响应曲线5、填写以下实验结果表 超前校正系统指标校正前校正后阶跃响应曲线如图4-3如图4-5%=5

14、=5Tp（秒）180135Ts（秒）实验结论：由上述两幅响应曲线得知，加了串联反馈之后的电路，其各方面的性能都得到了有效地提高，调整时间均取5%时的指标，Tp得到了减小，及系统的峰值响应时间减小了，系统的灵敏性即相应的快速性得到了提高。调整时间均取5%时的指标，Ts可以看到明显减小，它他表示系统的相对稳定性也得到了提高，由此可以看出，系统校正对于提高系统的快速性和稳定性有很大的帮助。实验心得做了此次机械工程控制理论实验，虽然只有3-4个学时，虽然只是在电路板上搭建电路进行仿真，但是我感受也也有很多。分条说明。这次所使用的使用设备是采用ELATIII型自动控制实验系统，它可以处理时变、非线性以及

15、多输入多输出等复杂的控制理论问题。大概看了一下装置发现一切复杂结构在箱子内部，能看到的以电路板为主。听老师讲了以前做实验的情形，都是自己动手设计搭建的，这也需要电子技术的基本功，我不禁感叹不过现在的实验装置更有针对性。更让我感到惊讶是实验所用的软件，见面友好、功能包含了所学内容的全部而且有很多人性化的小功能。实验以电路网络的方式进行模拟，在软件中，可视化的功能真实的反应了不同节次的系统在不同参数的条件下的系统响应曲线。这样不仅使我们在实践中复习了课本上的知识，而且通过一些理论值与实测值的对比，更能加深对不同系统的认识。通过实验以及老师在课上讲的内容，对控制理论在工程实际中的应用有更进一步了解，之前自己用Mat