機(jī)械控制理論實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、機(jī)械控制理論實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)一、一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)及時(shí)間參數(shù)的影響實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^實(shí)驗(yàn)加深理解如何將一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)傳遞函數(shù)看做由一些典型環(huán) 節(jié)組合而成，并且使用運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)各典型環(huán)節(jié)，用模擬屯路來替代機(jī)電 系統(tǒng)，理解時(shí)間響應(yīng)、階躍響應(yīng)函數(shù)的概念以及吋間響應(yīng)的組成，掌握吋域分 析基木方法。實(shí)驗(yàn)原理使用教學(xué)模擬機(jī)上的運(yùn)算放大器，分別搭接一階環(huán)節(jié)，改變吋間常數(shù)t,記 錄下兩次不同吋間常數(shù)t的階躍響應(yīng)曲線，進(jìn)行比較。k = r2/rl典型一階環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)：g (s)二k (1+1/ts) 其中： t = rc典型一階環(huán)節(jié)的單-位階躍響應(yīng)曲線:0斜率=寺 c(j=： /1 e_t/a£c(z

2、)t 2t 3t 4t 5tr = 0c(0) = 0t = te(t)=0632t = 2tc(2t) = 0.865t = 3tc(3t) = 0.95t = 4tc(4t) =0.982t = 5tc(5t) =0.993典型一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線實(shí)驗(yàn)方法與步驟1 )啟動(dòng)計(jì)算機(jī),在桌面雙擊“cybernation, exe”圖標(biāo)運(yùn)行軟件,閱覽使用 指南。2)檢查usb線是否連接好，電路的輸入u1接a/d、d/a卡的da1輸出，電路的輸出u2接a/d、d/a卡的ad1輸入。檢查無誤后接通電源。3)在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目下拉框中選中本次實(shí)驗(yàn),點(diǎn)擊°按鈕，參數(shù)設(shè)置要與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)一致，設(shè)直好

3、參數(shù)按確定按鈕，此時(shí)如無警告對(duì)話框出現(xiàn)表示通信正常，如出 現(xiàn)警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才口j繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、一階比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及模擬電路與實(shí)驗(yàn)曲線g (s) = -r2/r1r2200ku2a/dl0 1000 2000 30005000實(shí)驗(yàn)一釉單位：x ims- y lmv方tft信號(hào)憑 周期：2ooo ms 2000 ms 電平:iooo mv 冢 iooo mv 4000 采徉:iooo * iom$400050006ooo 70008ooo 9000 ioc300020001000-1000-2000-3000400050001000010000x=0 x2

4、=10000yl=5000 y2=5000設(shè)定參數(shù)階躍響應(yīng)曲線k、t的值rl、 r2、 cl、c2的值rl=100k> r2=200k、c=0理論值k=2、 t=0實(shí)測(cè)值k=2.12、慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及模擬電路與實(shí)驗(yàn)曲線g (s) = - k/ts+it = rc k = rjrc lu£u2a/dl1-2對(duì)比以上兩組實(shí)驗(yàn)可以得出，當(dāng)系統(tǒng)在r2處并聯(lián)一個(gè)電容c時(shí)，系統(tǒng)由比例環(huán)節(jié)變?yōu)?慣性環(huán)節(jié)，t值增大，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間變慢，達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間延長(zhǎng)；而k值增大時(shí)，一階 典型環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線幅值增人。實(shí)驗(yàn)二、二階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)及時(shí)間參數(shù)的影響實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 學(xué)會(huì)建立典型的二階系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與傳

5、遞函數(shù)。2、加深對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)謀差與穩(wěn)態(tài)謀差等概念的理解。3、研究二階系統(tǒng)的特征參數(shù)，阻尼比 < 和無阻尼白然頻率a對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性 能的影響。定量分析匚和與最大超調(diào)量mp和調(diào)節(jié)時(shí)間ts之間的關(guān)系。4、掌握二階系統(tǒng)時(shí)域性能指標(biāo)的測(cè)量方法。實(shí)驗(yàn)原理1、二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模二階系統(tǒng)是曲一個(gè)比例環(huán)節(jié)和兩個(gè)慣性所構(gòu)成，參考屯路圖如下：100k二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的電路圖2、二階系統(tǒng)單位反饋方塊圖為: 令t岡t召3、二階系統(tǒng)單位反饋傳遞函數(shù)為：卑+ 1那+ 11（公+ 1）（那+ 1） +疋舉+ 1耶+ 1k 1 +疋上式中令7 k1 + 疋a7 =,l+k m 碼t.+t 占_丄 2_2揮（1+口其小：k為開

6、環(huán)增益、r為閉環(huán)增益、歹為系統(tǒng)阻尼比、©為系統(tǒng)固有頻率。4、不同阻尼比下二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線2. o181 61 41 21oo. 8o. 6o40.2o 123456789 io 1112不同：下二階系統(tǒng)白勺單位階斷口向應(yīng)曲線實(shí)驗(yàn)方法與步驟實(shí)驗(yàn)方法同上，在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框屮設(shè)置目的電壓ul=1000mvo1、先做二階系統(tǒng)的開環(huán)時(shí)域響應(yīng)，觀察其曲線的變化。2、將二階開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行單位反饋，組成二階閉環(huán)系統(tǒng)，觀察閉環(huán)響應(yīng)曲線（注意：?jiǎn)挝环答伒慕舆B）。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二階系統(tǒng)的閉環(huán)電路與實(shí)驗(yàn)曲線二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的電路圖1、當(dāng) k=9> tl=0.2s> t2=0.2s,可得到 3=

7、0.316、wn=15.811參數(shù)二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線（兩組不同的©響應(yīng)曲線）自行設(shè)定：k、tk=9、tl=02、t2=0.2實(shí)測(cè)值 mp> tsmp二49.41 %、ts=950ms理論值mp、tsmp=354%、ts=801ms0 x2-2000 y25000 -200050004000yi2000 yz200040002、當(dāng) k=3、tl=0.2> t2=0.2 時(shí),可得到匚=05、o=10參數(shù)二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線（兩組不同的匚響應(yīng)曲線）口行設(shè)定： k、tk=3、tl=0.2、t2=0.2實(shí)測(cè)值mp、tsmp=2&33%、ts=750ms理論值mp、tsmp

8、=16.31%> ts=600ms2、分析二階系統(tǒng)性能指標(biāo)mp、ts與、3的關(guān)系分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到：超調(diào)量mp只與阻尼比乙有關(guān)，阻尼比增人，超調(diào)量減小。而 調(diào)整時(shí)間ts與系統(tǒng)的無阻尼自然頻率3及阻尼比©成反比。實(shí)驗(yàn)三、零點(diǎn)、極點(diǎn)分布對(duì)二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的影響實(shí)驗(yàn)?zāi)康模杭由罾斫饬泓c(diǎn)對(duì)二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的影響其中包括：1、若系統(tǒng)的極點(diǎn)相同，而零點(diǎn)不同（有無零點(diǎn)），對(duì)系統(tǒng)的影響。2、若系統(tǒng)的極點(diǎn)相同，而零點(diǎn)距虛軸的位置不同，對(duì)系統(tǒng)的影響。3、加深理解零點(diǎn)在系統(tǒng)中的作用，學(xué)會(huì)采用增加零點(diǎn)方法提高系統(tǒng)的阻尼比。實(shí)驗(yàn)原理1、系統(tǒng)加入零點(diǎn)的模型方塊圖：r（s）土c（s）2、零點(diǎn)對(duì)二階系統(tǒng)瞬態(tài)響

9、應(yīng)的影響，單-位階躍響應(yīng)曲線的對(duì)比:3單位階躍響應(yīng)曲線對(duì)比實(shí)驗(yàn)方法與步驟在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)0下拉框中仍選中二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。1、零點(diǎn)和系統(tǒng)串聯(lián)的電路圖與響應(yīng)曲線5000 t2500010000賓知i 目 kf13 :二工具ims : tp s al zd實(shí)以目efi3 :二.二m糸防欽網(wǎng)10008ooo6ooo200030005000700040009000*20003000400010000參數(shù)零點(diǎn)與系統(tǒng)的串聯(lián)相應(yīng)曲線零點(diǎn)與系統(tǒng)的并聯(lián)響應(yīng)曲線自行設(shè)定k、t、&k=l、t=0.1、t=0.1k=l、t=0.1、超調(diào)量的比較mp= 30. 12%mp=24 13%100001oooo1oooo

10、-5000通過分析兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)以得到：并聯(lián)響應(yīng)曲線的超調(diào)量比串聯(lián)響應(yīng)曲線的超調(diào)量要 低，系統(tǒng)的穩(wěn)定性要較好。零點(diǎn)在系統(tǒng)詢向通道可以增人系統(tǒng)的阻尼比，降低超調(diào)量，捉高 瞬態(tài)響應(yīng)；零點(diǎn)在系統(tǒng)反饋通道可以增人系統(tǒng)的阻尼比，降低超調(diào)量，但是對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)無明 顯彩響。實(shí)驗(yàn)四、典型環(huán)節(jié)的頻率特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募由罾斫庀到y(tǒng)頻率特性的物理概念；掌握系統(tǒng)頻率特性的實(shí)驗(yàn)方法;常握頻率特性的bode圖nquist圖的繪制。實(shí)驗(yàn)原理asin(3)bsin(3 + 0l()/<ib漸近線一 10護(hù)（3）-90180*00.7< *-r=4 06 0"淙楊環(huán)"的伯徳罔實(shí)驗(yàn)方法與步驟1. 在實(shí)

11、驗(yàn)項(xiàng)目下拉框屮選屮系統(tǒng)頻率特性實(shí)驗(yàn)并設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。2. 選擇時(shí)間-電壓圖、信號(hào)發(fā)生器的頻率：頻率2、周期5 （參考值），選自動(dòng) 采樣。o350070001050014000175002100024500280003150035000實(shí)匕四 時(shí)間二電莊閑 納單位：x o.ioms-y imv正強(qiáng)信號(hào)邂:iooo mv 2.80 hz來佯個(gè)閻朗系樣279 hz數(shù)據(jù)采集過程如圖所示：50004000300020001oooo-1ooo2000308-4000j 5000xlo x235000 >135000y15000 y250001oooo3、待數(shù)據(jù)采樣結(jié)束后點(diǎn)擊一因按鈕，即可顯示岀所

12、測(cè)量的波特圖。4、在完成步驟3后，在顯示區(qū)單擊鼠標(biāo)右鍵，即出現(xiàn)奈氏圖。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、做一階系統(tǒng)的頻率特性實(shí)驗(yàn)，畫出該系統(tǒng)的bode圖與nquist圖。2、二階系統(tǒng)的頻率特性實(shí)驗(yàn)，畫出該系統(tǒng)的bode圖與nquist圖。3、改變二階系統(tǒng)的阻尼比匚，觀察欠阻尼與臨界阻尼情況下的頻率特性。3、確定系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角頻率、幅值穿越頻率、截至頻率的實(shí)測(cè)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、二階震蕩系統(tǒng)（欠阻尼）頻率特性實(shí)驗(yàn)bode圖阻尼比©二0.237,轉(zhuǎn)角頻率3 =2）1x4.034自實(shí)繪余統(tǒng)口叵岡kflli 匝積屜zj imfwa.n .-im敢宇阻尼比©二0.326,轉(zhuǎn)角頻率3=2心20292、二階振蕩系統(tǒng)（

13、欠阻尼）頻率特性實(shí)驗(yàn)的nyquist圖3、阻尼比k =0. 237,轉(zhuǎn)角頻率3 =2 jix4034oabfiu理論實(shí)蟄系統(tǒng)其隍項(xiàng)目&fj.冋廠耘麗辰殛"3 tatmai包直縣;5環(huán)節(jié)（）聘恃性曲線ft?阻尼比=0. 134,轉(zhuǎn)角頻率o =2 n x2.037實(shí)驗(yàn)五、機(jī)電控制系統(tǒng)的校正實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^本次實(shí)驗(yàn)，加深理解控制系統(tǒng)反饋校止的概念，掌握改善機(jī)電控制系 統(tǒng)性能的基木方法和工程實(shí)現(xiàn)，對(duì)給定系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計(jì)，并通過模擬實(shí) 驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的止確性，從而學(xué)會(huì)控制系統(tǒng)的串聯(lián)校止與反饋校止。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、串聯(lián)超前校正2、串聯(lián)滯后校正3、串聯(lián)超前一滯后校正，校正前與校正后的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

14、實(shí)驗(yàn)原理1、串聯(lián)超前校正系統(tǒng)模擬電路圖如圖所示，圖中開關(guān)s斷開對(duì)應(yīng)未校情況，接通 對(duì)應(yīng)超前校正。圖3-2超前校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中g(shù)el (s) =32 (0.055s+l)gc2 (s)=0.005s+l實(shí)驗(yàn)方法與步驟1、首先搭接未校止的二階系統(tǒng)電路，（如圖3-1斷開s開關(guān)情況），先做其 瞬態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，觀察并記錄其超調(diào)量mp、峰值時(shí)間tp、調(diào)整時(shí)|'可ts的變化。2、在未校正的二階系統(tǒng)電路屮加入超前校正環(huán)節(jié)（如上圖接通s開關(guān)情況）, 在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一卜'拉框中選中連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，即可做串 聯(lián)超前校止實(shí)驗(yàn)。3、觀察經(jīng)過串聯(lián)超前校正后的二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)，并記錄其超調(diào)

15、量mp、峰i chid whn> wo 4vuu$000值時(shí)間tp、調(diào)整時(shí)間ts的變化，二者進(jìn)行比較。4、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與響應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果$聯(lián)超前校e的響應(yīng)曲線1、開關(guān)s斷開（校正前）峰值時(shí)間tp= 156ms、調(diào)整吋間ts=976ms、超調(diào)量mp=55.5%2002000&0002、開關(guān)s閉合（校正后） 3000-4000-soaoxiti1$6 x:.-5000loooo-*5$5調(diào)整時(shí)間ts=300ms、峰值時(shí)間tp= 117ms、超調(diào)量mp=10.5%結(jié)果分析：經(jīng)過串聯(lián)超前校正后的二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)速度變快，調(diào)幣時(shí)間和峰值時(shí)間減 小，超調(diào)量減小。3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果表正系統(tǒng)指標(biāo)校正

16、前校正后6%5%5%tp （秒）156117ts （秒）9763002、串聯(lián)滯后校正模擬電路圖如圖3-3,開關(guān)s斷開對(duì)應(yīng)未校狀態(tài)，接通對(duì)應(yīng)滯后校正。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖不如圖3-410gc(s)t11s0. 05s+1j0.1s+1圖3-4滯后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中g(shù)cl(s) =1010 (s+1)gc2 (s)=lls+1實(shí)驗(yàn)方法與步驟 在未校正的二階系統(tǒng)電路中加入滯后校正環(huán)節(jié)（如圖3-3接通s開關(guān)情況）， 在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目下拉框中選中連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，即可做串 聯(lián)滯后校止實(shí)驗(yàn)。 觀察經(jīng)過串聯(lián)滯后校正環(huán)節(jié)的二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)，并記錄英超調(diào)量mp、峰值 時(shí)間tp、調(diào)整時(shí)間ts的變化。 記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

17、與響應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果吊聯(lián)滯后校止的響應(yīng)曲線1、開關(guān)s斷開（校正前）峰值時(shí)間tp= 195ms、調(diào)整時(shí)間ts=3247ms、超調(diào)量mp=74.8%2、開關(guān)s閉合（校正后）峰值時(shí)間 tp=500ms、ts=l050ms> 超調(diào)s mp=20.2%3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果表系統(tǒng)指標(biāo)校正別校正后8%5%5%tp （秒）175500ts (秒)324710504、串聯(lián)超前一滯后校正模擬電路圖如圖3-5,雙刀開關(guān)斷開對(duì)應(yīng)未校狀態(tài)，接通對(duì)應(yīng)超前一 滯后校正。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示如圖3-6圖3-6超前一滯后校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中g(shù)el (s) = 66 (l2s+1) (0. 15s+l)gc2 (s)=(6s+l) (0.05s+l)實(shí)驗(yàn)方法與步 在未校止的二階系統(tǒng)電路中加入超前一滯后校止環(huán)節(jié)（如圖3-5接通雙刀開 關(guān)情況），在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目下拉框中選中連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù), 即可做串聯(lián)超前一滯后校正實(shí)驗(yàn)。 觀察經(jīng)過串聯(lián)超前一滯后校正環(huán)節(jié)的二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)，并記錄其超調(diào)量 mp、峰值時(shí)間tp、調(diào)整時(shí)間ts的變化。 記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與響應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果$聯(lián)超前一滯后校止的響應(yīng)曲線1、開關(guān)s斷開（校正前）2、開關(guān)s關(guān)閉（校正后）峰值吋間tp= 400ms調(diào)整吋間ts=700ms、超調(diào)fimp=21.2%3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果表正系統(tǒng)指標(biāo)校