機械控制工程實驗報告

1、機械控制工程實 驗 報 告學 院：機械與汽車工程學院專 業(yè)：機械設計制造及其自動化學 號：_姓 名：_得 分：_指 導：_日 期：_合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院機械電子工程系實驗一 典型環(huán)節(jié)的模擬研究一、 實驗目的1、 掌握各典型環(huán)節(jié)模擬電路的構(gòu)成方法、傳遞函數(shù)表達式及輸出時域函數(shù)表達式。 2、 觀察和分析各典型環(huán)節(jié)的階躍響應曲線，了解各項電路參數(shù)對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響。二、 實驗原理典型環(huán)節(jié)名稱 方 塊 圖 傳遞函數(shù)比例（P）積分（I）比例積分（PI）比例微分（PD）慣性環(huán)節(jié)（T）比例積分微分（PID）三、實驗步驟選用虛擬示波器，運行LABACT程序，選擇自動控制菜單下的線性系統(tǒng)的時域分

2、析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究實驗項目，再選擇開始實驗，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始即可使用本實驗機配套的虛擬示波器（B3）單元的CH1測孔測量波形。1)觀察比例環(huán)節(jié)的階躍響應曲線2)觀察慣性環(huán)節(jié)的階躍響應曲線3)觀察積分環(huán)節(jié)的階躍響應曲線4)觀察比例積分環(huán)節(jié)的階躍響應曲線5)觀察比例微分環(huán)節(jié)的階躍響應曲線6)觀察PID（比例積分微分）環(huán)節(jié)的響應曲線具體用法參見實驗指導書第二章虛擬示波器部分。四、實驗曲線及結(jié)果分析1)比例環(huán)節(jié) 2)慣性環(huán)節(jié) 3)積分環(huán)節(jié) 4)比例積分環(huán)節(jié)5)比例微分環(huán)節(jié) 6)PID（比例積分微分）環(huán)節(jié) 實驗二 二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性分析一、實驗目的1. 掌握典型二階系統(tǒng)模擬

3、電路的構(gòu)成方法，型二階閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)標準式。2. 研究二階閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)-無阻尼振蕩頻率n, 阻尼比對過渡過程的影響。3. 掌握欠阻尼二階閉環(huán)系統(tǒng)在階躍信號輸入時的動態(tài)性能指標Mp、tp、ts的計算。4. 觀察和分析典型二階閉環(huán)系統(tǒng)在欠阻尼，臨界阻尼，過阻尼的瞬態(tài)響應曲線，欠阻尼二階閉環(huán)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)-自然頻率（無阻尼振蕩頻率）n, 阻尼比對瞬態(tài)響應的影響。二、實驗原理圖3-1-7是典型二階系統(tǒng)原理方塊圖。圖3-1-7 典型二階系統(tǒng)原理方塊圖型二階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)：型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)標準式：自然頻率（無阻尼振蕩頻率）： 阻尼比： 有二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路如圖3-1-8所示。它由

4、積分環(huán)節(jié)（A2）和慣性環(huán)節(jié)（A3）構(gòu)成。圖3-1-8 典型二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路圖3-1-8的二階系統(tǒng)模擬電路的各環(huán)節(jié)參數(shù)及系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：積分環(huán)節(jié)（A2單元）的積分時間常數(shù)Ti=R1*C1=1S 慣性環(huán)節(jié)（A3單元）的慣性時間常數(shù) T=R2*C2=0.1S該閉環(huán)系統(tǒng)在A3單元中改變輸入電阻R來調(diào)整增益K，R分別設定為 10k、40k、100k 。 當R=100k， K=1 =1.58 >1 為過阻尼響應， 當R=40k， K=2.5 =1 為臨界阻尼響應， 當R=10k， K=10 =0.5 0<<1 為欠阻尼響應。 欠阻尼二階閉環(huán)系統(tǒng)在階躍信號輸入時的動態(tài)性能指標Mp、tp

5、、ts的計算：（ K=10 =0.5）超調(diào)量 ： 峰值時間： 調(diào)節(jié)時間 ：三、實驗步驟選用虛擬示波器，運行LABACT程序，選擇自動控制菜單下的線性系統(tǒng)的時域分析下的二階典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性實驗項目，再選擇開始實驗，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始即可使用本實驗機配套的虛擬示波器（B3）單元的CH1測孔測量波形。典型二階系統(tǒng)模擬電路見圖3-1-8。該環(huán)節(jié)在A3單元中改變輸入電阻R來調(diào)整衰減時間。具體用法參見實驗指導書第二章虛擬示波器部分。四、實驗曲線及結(jié)果分析實驗三 三階系統(tǒng)瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性分析一、實驗目的1. 掌握典型三階系統(tǒng)模擬電路的構(gòu)成方法，型三階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)表達式。2. 熟悉勞

6、斯（ROUTH）判據(jù)使用方法。3. 應用勞斯（ROUTH）判據(jù)，觀察和分析型三階系統(tǒng)在階躍信號輸入時，系統(tǒng)的穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定及不穩(wěn)定三種瞬態(tài)響應二、實驗原理典型三階系統(tǒng)的方塊圖見圖3-1-10。圖3-1-10 典型三階系統(tǒng)的方塊圖典型三階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)（單位反饋）：閉環(huán)傳遞函數(shù)：有三階系統(tǒng)模擬電路如圖3-1-11所示。它由積分環(huán)節(jié)（A2）、慣性環(huán)節(jié)（A3和A5）構(gòu)成。圖3-1-11 典型三階系統(tǒng)模擬電路圖圖3-1-11的三階系統(tǒng)模擬電路的各環(huán)節(jié)參數(shù)及系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：積分環(huán)節(jié)（A2單元）的積分時間常數(shù)Ti=R1*C1=1S， 慣性環(huán)節(jié)（A3單元）的慣性時間常數(shù) T1=R3*C2=0.1S， K

7、1=R3/R2=1慣性環(huán)節(jié)（A5單元）的慣性時間常數(shù) T2=R4*C3=0.5S，K2=R4/R=500k/R該系統(tǒng)在A5單元中改變輸入電阻R來調(diào)整增益K，R分別為 30K、41.7K、100K 。圖3-1-11的三階系統(tǒng)模擬電路傳遞函數(shù)為：開環(huán)傳遞函數(shù)：G(S) = 閉環(huán)傳遞函數(shù)：閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為： 特征方程標準式： 由Routh穩(wěn)定判據(jù)判斷得Routh行列式為：為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，第一列的系數(shù)都為正值，所以由ROUTH 判據(jù)，得三、實驗步驟在實驗中欲觀測實驗結(jié)果時，可用普通示波器，也可選用本實驗機配套的虛擬示波器。如果選用虛擬示波器，只要運行LABACT程序，選擇自動控制菜單下的線性系統(tǒng)

8、的時域分析下的三階典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性實驗項目，再選擇開始實驗，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始即可使用本實驗機配套的虛擬示波器（B3）單元的CH1測孔測量波形。有三階系統(tǒng)模擬電路圖參見圖3-1-11，環(huán)節(jié)在A5單元中分別選取輸入電阻R=30K、41.7K和100K，改變系統(tǒng)開環(huán)增益。具體用法參見實驗指導書第二章虛擬示波器部分。四、實驗曲線及結(jié)果分析 R=30K R=41.7K R=100K實驗四 線性控制系統(tǒng)的頻率響應分析一、實驗目的1 掌握對數(shù)幅頻曲線和相頻曲線（波德圖）、幅相曲線（奈奎斯特圖）的構(gòu)造及繪制方法。2 研究二階閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)-自然頻率或無阻尼振蕩頻率n, 阻尼比對對

9、數(shù)幅頻曲線和相頻曲線的影響，及漸近線的繪制。3 掌握欠阻尼二階閉環(huán)系統(tǒng)中的幅頻特性Error! No bookmark name given.、相頻特性、諧振頻率和諧振峰值的計算。4. 研究表征系統(tǒng)穩(wěn)定程度的相位裕度和幅值裕度h（dB）對系統(tǒng)的影響。5. 觀察和分析欠阻尼二階閉環(huán)系統(tǒng)諧振頻率和諧振峰值。6. 觀察和分析型三階系統(tǒng)中，相位裕度和幅值裕度h（dB）對系統(tǒng)的穩(wěn)定的影響。二、實驗原理被測系統(tǒng)的實驗原理方塊圖見圖3-2-1。圖3-2-1 被測系統(tǒng)方塊圖系統(tǒng)（環(huán)節(jié)）的頻率特性G(j)是一個復變量，可以表示成以角頻率為參數(shù)的幅值和相角：G（j）=| G（j）|G(j) (式3-2-1)圖3-

10、2-1所示被測系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)： （式3-2-2）如被測系統(tǒng)的反饋傳遞函數(shù)=1，則（式3-2-2）可簡化為： （式3-2-3）式3-2-3以角頻率為參數(shù)的幅值和相角： 由于型系統(tǒng)含有一個積分環(huán)節(jié)，它在開環(huán)時響應曲線是發(fā)散的，因此欲獲得其開環(huán)頻率特性時，還是需構(gòu)建成閉環(huán)系統(tǒng)，測試其閉環(huán)頻率特性，然后通過公式換算，獲得其開環(huán)頻率特性，算法如下：圖3-2-1所示被測系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性為： （式3-2-4）圖3-2-1所示被測系統(tǒng)以角頻率為參數(shù)表示成的開環(huán)頻率特性為： (式3-2-5)式（3-2-5）亦可以角頻率為參數(shù)表示為對數(shù)幅頻特性和相頻特性： 三、實驗步驟在實驗中，運行LABACT程序，選擇自動控制菜單下的線性控制系統(tǒng)的頻率響應分析-實驗項目，再分別選擇一階系統(tǒng)、或二階系統(tǒng)、或三階系統(tǒng)、或時域分析，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始即可使用本實驗機配套的虛擬示波器（B3）顯示波形。具體用法參見實驗指導書第二章虛擬示波器部分。1、一階系統(tǒng)的對數(shù)幅頻曲線、相頻曲線和幅相曲線將數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（B2）單元作為信號發(fā)生器，產(chǎn)生的超低頻正弦信號的頻率從低到高變化 （0.5Hz64Hz），施加于被測系統(tǒng)的輸入端r（t），然后分別測量被測系統(tǒng)的輸出信號的對數(shù)幅值和相位，數(shù)據(jù)經(jīng)相關(guān)運算后在虛擬示波器中顯示。2、二階系統(tǒng)的