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(shè)計制造及其自動化學 號： _姓 名： _得 分： _指 導(dǎo)： _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?zāi)康?、 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(yīng)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 ）方塊圖傳遞函數(shù)U0(s)kUi(s)U0(s)1Ui(s)T SU0(s)（1）UiK1T S(s)U0(s)T S)K(1Ui(

2、s)U0(s)KUi(s)1T SU0(s)KpUiKpKpTdS(s)TiS2三、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(yīng)曲線2)觀察慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線3)觀察積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線4)觀察比例積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線5)觀察比例微分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線6)觀察 PID （比例積分微分）環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線具體用法參見實驗指導(dǎo)書第二章虛擬示波器部分。四、實驗曲線及結(jié)果分

3、析1)比例環(huán)節(jié)32)慣性環(huán)節(jié)3)積分環(huán)節(jié)4)比例積分環(huán)節(jié)45)比例微分環(huán)節(jié)6)PID （比例積分微分）環(huán)節(jié)5實驗二二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性分析一、實驗?zāi)康?.掌握典型二階系統(tǒng)模擬電路的構(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(yīng)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(yīng)的影響。二、實驗原理圖 3-1-7 是典型二階系統(tǒng)原理方

4、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)：G(S)KTiS(TS 1)G( S)2型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)標準式：(s)2n2G(S)SnS12n自然頻率（無阻尼振蕩頻率）：nK阻尼比：1TiTiT2KT有二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路如圖3-1-8 所示。它由積分環(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

5、，R 分別設(shè)定為10k、40k 、100k 。G(S)KKR2100k1)S(0.1S1)其中 KRTiS(TSR210K( s)n22nS2210S10KSnS6nK10K1 T1 10TiT2KT2 K當R=100k，K=1=1.58 1為過阻尼響應(yīng)，當 R=40k ，K=2.5=1為臨界阻尼響應(yīng)，當 R=10k ，K=10=0.50 1為欠阻尼響應(yīng)。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：（ K=10=0.5）：MPe12超調(diào)量100% 16.3%峰值時間：tp120.36n：ts4調(diào)節(jié)時間0.8n三、實驗步驟選用虛擬示波器，運行LABACT程序，選擇

6、 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(yīng)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(dǎo)書第二章虛擬示波器部分。7四、實驗曲線及結(jié)果分析8實驗三三階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性分析一、實驗?zāi)康?.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.熟悉勞斯（ ROUTH ）判據(jù)使用方法。3.應(yīng)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

7、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(yīng)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）：G(S)K1K2TiS(T1S 1)(T2S 1)閉環(huán)傳遞函數(shù)：( S)K1K21)(T2S1)K1K2TiS (T1S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=

8、R3*C =0.1S， K1=R3/R2=12慣性環(huán)節(jié)（ A5單元）的慣性時間常數(shù)T2=R4*C =0.5S， K2=R4/R=500k/R3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)=KKK1* K2500kS(0.1S 1)(0.5S 1)TiR閉環(huán)傳遞函數(shù)：( S)G(S)K1 G(S)S(0.1S1)(0.5S1)KS312S2閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為：1( )0,31222020SSSKG S9特征方程標準式：a0S3a1S2a2Sa30由 Routh 穩(wěn)定判據(jù)

9、判斷得Routh 行列式為：S3a0a2S3120S2a1a3S21220KS1a1a2a0a301240 20K0a1S12S0S0a3020K0為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，第一列的系數(shù)都為正值，所以24020K012020K由 ROUTH 判據(jù)，得0K12R41.7K系統(tǒng)穩(wěn)定K12R41.7K 系統(tǒng)臨界穩(wěn)定K12R41.7K系統(tǒng)不穩(wěn)定三、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)的時域分析 下的三階典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)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，

10、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(dǎo)書第二章虛擬示波器部分。10四、實驗曲線及結(jié)果分析R=30KR=41.7KR=100K11實驗四線性控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析一、實驗?zāi)康? 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

11、頻特性L ()錯誤！未指定書簽。 、相頻特性( )、諧振頻率r和諧振峰值L (r)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r和諧振峰值L (r)。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(fù)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 3-2-1 所示被測系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：C SG1S G2S（式 3

12、-2-2） SRS 1 G1SG2SHS如被測系統(tǒng)的反饋傳遞函數(shù)H S=1 ，則（式3-2-2 ）可簡化為： SC SG1SG2S（式 3-2-3 ）RS 1 G1SG2S式 3-2-3 以角頻率為參數(shù)的幅值和相角：L( ) 20 lg ( j )( )( j )由于型系統(tǒng)含有一個積分環(huán)節(jié)， 它在開環(huán)時響應(yīng)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：G1SG2S S（式 3-2-4） S112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

13、： j( j)( j )G1( j )G2( j )(式 3-2-5)1 j1-( j ) 1-( j )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：20lg G1( j )G2( j )20lg( j )( j )G1( j )G2( j )1 -( j )1 -( j )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(yīng)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(dǎo)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