1、機械控制理論實驗報告實驗一、一階環節的階躍響應及時間參數的影響實驗目的通過實驗加深理解如何將一個復雜的機電系統傳遞函數看做由一些典型環 節組合而成，并且使用運算放大器來實現各典型環節，用模擬屯路來替代機電 系統，理解時間響應、階躍響應函數的概念以及吋間響應的組成，掌握吋域分 析基木方法。實驗原理使用教學模擬機上的運算放大器，分別搭接一階環節，改變吋間常數t,記 錄下兩次不同吋間常數t的階躍響應曲線，進行比較。k = r2/rl典型一階環節的傳遞函數：g (s)二k (1+1/ts) 其中： t = rc典型一階環節的單-位階躍響應曲線: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典型一階系統的單位階躍響應曲線實驗方法與步驟1 )啟動計算機,在桌面雙擊“cybernation, exe”圖標運行軟件,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)在實驗項目下拉框中選中本次實驗,點擊°按鈕，參數設置要與實驗系統參數一致，設直好

3、參數按確定按鈕，此時如無警告對話框出現表示通信正常，如出 現警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才口j繼續進行實驗。實驗內容1、一階比例環節的傳遞函數及模擬電路與實驗曲線g (s) = -r2/r1r2200ku2a/dl0 1000 2000 30005000實驗一釉單位：x ims- y lmv方tft信號憑 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設定參數階躍響應曲線k、t的值rl、 r2、 cl、c2的值rl=100k> r2=200k、c=0理論值k=2、 t=0實測值k=2.12、慣性環節的傳遞函數及模擬電路與實驗曲線g (s) = - k/ts+it = rc k = rjrc lu£u2a/dl1-2對比以上兩組實驗可以得出，當系統在r2處并聯一個電容c時，系統由比例環節變為 慣性環節，t值增大，系統響應時間變慢，達到穩定值的時間延長；而k值增大時，一階 典型環節的響應曲線幅值增人。實驗二、二階環節的階躍響應及時間參數的影響實驗目的1 學會建立典型的二階系統數學模型與傳

5、遞函數。2、加深對系統瞬態謀差與穩態謀差等概念的理解。3、研究二階系統的特征參數，阻尼比 < 和無阻尼白然頻率a對系統動態性 能的影響。定量分析匚和與最大超調量mp和調節時間ts之間的關系。4、掌握二階系統時域性能指標的測量方法。實驗原理1、二階系統的數學建模二階系統是曲一個比例環節和兩個慣性所構成，參考屯路圖如下：100k二階系統階躍響應的電路圖2、二階系統單位反饋方塊圖為: 令t岡t召3、二階系統單位反饋傳遞函數為：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、環增益、r為閉環增益、歹為系統阻尼比、©為系統固有頻率。4、不同阻尼比下二階系統的單位階躍響應曲線2. o181 61 41 21oo. 8o. 6o40.2o 123456789 io 1112不同：下二階系統白勺單位階斷口向應曲線實驗方法與步驟實驗方法同上，在參數設置對話框屮設置目的電壓ul=1000mvo1、先做二階系統的開環時域響應，觀察其曲線的變化。2、將二階開環系統進行單位反饋，組成二階閉環系統，觀察閉環響應曲線（注意：單位反饋的接連）。實驗內容二階系統的閉環電路與實驗曲線二階系統階躍響應的電路圖1、當 k=9> tl=0.2s> t2=0.2s,可得到 3=

7、0.316、wn=15.811參數二階系統階躍響應曲線（兩組不同的©響應曲線）自行設定：k、tk=9、tl=02、t2=0.2實測值 mp> tsmp二49.41 %、ts=950ms理論值mp、tsmp=354%、ts=801ms0 x2-2000 y25000 -200050004000yi2000 yz200040002、當 k=3、tl=0.2> t2=0.2 時,可得到匚=05、o=10參數二階系統階躍響應曲線（兩組不同的匚響應曲線）口行設定： k、tk=3、tl=0.2、t2=0.2實測值mp、tsmp=2&33%、ts=750ms理論值mp、tsmp

8、=16.31%> ts=600ms2、分析二階系統性能指標mp、ts與、3的關系分析實驗數據可以得到：超調量mp只與阻尼比乙有關，阻尼比增人，超調量減小。而 調整時間ts與系統的無阻尼自然頻率3及阻尼比©成反比。實驗三、零點、極點分布對二階系統瞬態響應的影響實驗目的：加深理解零點對二階系統瞬態響應的影響其中包括：1、若系統的極點相同，而零點不同（有無零點），對系統的影響。2、若系統的極點相同，而零點距虛軸的位置不同，對系統的影響。3、加深理解零點在系統中的作用，學會采用增加零點方法提高系統的阻尼比。實驗原理1、系統加入零點的模型方塊圖：r（s）土c（s）2、零點對二階系統瞬態響

9、應的影響，單-位階躍響應曲線的對比:3單位階躍響應曲線對比實驗方法與步驟在實驗項0下拉框中仍選中二階系統階躍響應實驗。1、零點和系統串聯的電路圖與響應曲線5000 t2500010000賓知i 目 kf13 :二工具ims : tp s al zd實以目efi3 :二.二m糸防欽網10008ooo6ooo200030005000700040009000*20003000400010000參數零點與系統的串聯相應曲線零點與系統的并聯響應曲線自行設定k、t、&k=l、t=0.1、t=0.1k=l、t=0.1、超調量的比較mp= 30. 12%mp=24 13%100001oooo1oooo

10、-5000通過分析兩組實驗數據對以得到：并聯響應曲線的超調量比串聯響應曲線的超調量要 低，系統的穩定性要較好。零點在系統詢向通道可以增人系統的阻尼比，降低超調量，捉高 瞬態響應；零點在系統反饋通道可以增人系統的阻尼比，降低超調量，但是對瞬態響應無明 顯彩響。實驗四、典型環節的頻率特性實驗實驗目的加深理解系統頻率特性的物理概念；掌握系統頻率特性的實驗方法;常握頻率特性的bode圖nquist圖的繪制。實驗原理asin(3)bsin(3 + 0l()/<ib漸近線一 10護（3）-90180*00.7< *-r=4 06 0"淙楊環"的伯徳罔實驗方法與步驟1. 在實

11、驗項目下拉框屮選屮系統頻率特性實驗并設置相應的實驗參數。2. 選擇時間-電壓圖、信號發生器的頻率：頻率2、周期5 （參考值），選自動 采樣。o350070001050014000175002100024500280003150035000實匕四 時間二電莊閑 納單位：x o.ioms-y imv正強信號邂:iooo mv 2.80 hz來佯個閻朗系樣279 hz數據采集過程如圖所示：50004000300020001oooo-1ooo2000308-4000j 5000xlo x235000 >135000y15000 y250001oooo3、待數據采樣結束后點擊一因按鈕，即可顯示岀所

12、測量的波特圖。4、在完成步驟3后，在顯示區單擊鼠標右鍵，即出現奈氏圖。實驗內容1、做一階系統的頻率特性實驗，畫出該系統的bode圖與nquist圖。2、二階系統的頻率特性實驗，畫出該系統的bode圖與nquist圖。3、改變二階系統的阻尼比匚，觀察欠阻尼與臨界阻尼情況下的頻率特性。3、確定系統的轉角頻率、幅值穿越頻率、截至頻率的實測值。實驗結果1、二階震蕩系統（欠阻尼）頻率特性實驗bode圖阻尼比©二0.237,轉角頻率3 =2）1x4.034自實繪余統口叵岡kflli 匝積屜zj imfwa.n .-im敢宇阻尼比©二0.326,轉角頻率3=2心20292、二階振蕩系統（

13、欠阻尼）頻率特性實驗的nyquist圖3、阻尼比k =0. 237,轉角頻率3 =2 jix4034oabfiu理論實蟄系統其隍項目&fj.冋廠耘麗辰殛"3 tatmai包直縣;5環節（）聘恃性曲線ft?阻尼比=0. 134,轉角頻率o =2 n x2.037實驗五、機電控制系統的校正實驗目的通過本次實驗，加深理解控制系統反饋校止的概念，掌握改善機電控制系 統性能的基木方法和工程實現，對給定系統進行串聯校正設計，并通過模擬實 驗檢驗設計的止確性，從而學會控制系統的串聯校止與反饋校止。實驗內容1、串聯超前校正2、串聯滯后校正3、串聯超前一滯后校正，校正前與校正后的階躍響應實驗。

14、實驗原理1、串聯超前校正系統模擬電路圖如圖所示，圖中開關s斷開對應未校情況，接通 對應超前校正。圖3-2超前校正系統結構圖圖中gel (s) =32 (0.055s+l)gc2 (s)=0.005s+l實驗方法與步驟1、首先搭接未校止的二階系統電路，（如圖3-1斷開s開關情況），先做其 瞬態響應實驗，觀察并記錄其超調量mp、峰值時間tp、調整時|'可ts的變化。2、在未校正的二階系統電路屮加入超前校正環節（如上圖接通s開關情況）, 在實驗項目一卜'拉框中選中連續系統串聯校正實驗并設置相應的參數，即可做串 聯超前校止實驗。3、觀察經過串聯超前校正后的二階系統瞬態響應，并記錄其超調

15、量mp、峰i chid whn> wo 4vuu$000值時間tp、調整時間ts的變化，二者進行比較。4、記錄實驗數據與響應曲線。實驗結果$聯超前校e的響應曲線1、開關s斷開（校正前）峰值時間tp= 156ms、調整吋間ts=976ms、超調量mp=55.5%2002000&0002、開關s閉合（校正后） 3000-4000-soaoxiti1$6 x:.-5000loooo-*5$5調整時間ts=300ms、峰值時間tp= 117ms、超調量mp=10.5%結果分析：經過串聯超前校正后的二階系統瞬態響應速度變快，調幣時間和峰值時間減 小，超調量減小。3、實驗結果表正系統指標校正

16、前校正后6%5%5%tp （秒）156117ts （秒）9763002、串聯滯后校正模擬電路圖如圖3-3,開關s斷開對應未校狀態，接通對應滯后校正。系統結構圖不如圖3-410gc(s)t11s0. 05s+1j0.1s+1圖3-4滯后系統結構圖圖中gcl(s) =1010 (s+1)gc2 (s)=lls+1實驗方法與步驟 在未校正的二階系統電路中加入滯后校正環節（如圖3-3接通s開關情況）， 在實驗項目下拉框中選中連續系統串聯校正實驗并設置相應的參數，即可做串 聯滯后校止實驗。 觀察經過串聯滯后校正環節的二階系統瞬態響應，并記錄英超調量mp、峰值 時間tp、調整時間ts的變化。 記錄實驗數據

17、與響應曲線。實驗結果吊聯滯后校止的響應曲線1、開關s斷開（校正前）峰值時間tp= 195ms、調整時間ts=3247ms、超調量mp=74.8%2、開關s閉合（校正后）峰值時間 tp=500ms、ts=l050ms> 超調s mp=20.2%3、實驗結果表系統指標校正別校正后8%5%5%tp （秒）175500ts (秒)324710504、串聯超前一滯后校正模擬電路圖如圖3-5,雙刀開關斷開對應未校狀態，接通對應超前一 滯后校正。系統結構圖示如圖3-6圖3-6超前一滯后校正系統結構圖圖中gel (s) = 66 (l2s+1) (0. 15s+l)gc2 (s)=(6s+l) (0.05s+l)實驗方法與步 在未校止的二階系統電路中加入超前一滯后校止環節（如圖3-5接通雙刀開 關情況），在實驗項目下拉框中選中連續系統串聯校正實驗并設置相應的參數, 即可做串聯超前一滯后校正實驗。 觀察經過串聯超前一滯后校正環節的二階系統瞬態響應，并記錄其超調量 mp、峰值時間tp、調整時間ts的變化。 記錄實驗數據與響應曲線。實驗結果$聯超前一滯后校止的響應曲線1、開關s斷開（校正前）2、開關s關閉（校正后）峰值吋間tp= 400ms調整吋間ts=700ms、超調fimp=21.2%3、實驗結果表正系統指標校