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控制工程指导书范文 控制工程基础实验指导书编写韩秀英菜海潮审核杨建玺班级姓名河南科技大学机电工程学院测控教研室I前言是机械工程类专业的一门技术基础课。 本课程包括机械工程控制论的基本概念、系统的数学模型、时间响应分析、频率特性分析、系统的稳定性和机械工程控制系统的校正与设计，是机械工程类专业的重要理论基础之一。 而实验在本书中占有很重要地位，是使学生深入理解掌握控制理论的有效手段。 本指导书共编写了三个实验，任课教师可根据教学大纲和不同专业的特点选择实验内容。 II目录实验一典型环节时间响应分析-1实验二频率特性实验-6实验三系统分析与校正实验-81实验一典型环节时间响应分析 一、实验目的 1、了解TNDAC/ACS教学实验系统的特性及使用方法。 2、掌握各典型环节的电路结构及线路搭接。 3、掌握各典型环节对阶跃信号的时间响应特性。 二、实验设备TNDAC/ACS教学实验系统、微机。 三、实验原理（详见表1-1各环节的方框图和传递函数，表1-2各典型环节的电路图）表1-1各典型环节的方框图及传递函数2表1-2各典型环节的模拟电路图及输出响应函数（R、C参数详见实验）3 四、实验方法及步骤 1、阶跃信号的准备将U1信号源单元的ST插针与S插针用“短路块”短接，S11波段开关置于“阶跃信号”档，“OUT“端的输出电压（方波信号）作为阶跃信号电压，信号周期由波段开关S12和电位器W12调节，信号幅值由电位器W11调节。 （以信号幅值小、信号周期长比较适宜）。 2、按典型环节的模拟电路图把比例环节线路接好（每个典型环节用两个模拟运放单元，第二个模拟运放单元起什么作用？）。 3、将AC板U1单元的OUT孔输出的阶跃信号加到环节的输入端（Ui）。 4、典型环节的输入端（Ui）接至CH1探笔(示波器显示为黄色)，环节的输出端（Uo）接至CH2探笔（示波器显示为绿色），测试孔和A/D转换单元内部已接好，转换后的输出信号经串口线接至计算机进行分析处理并显示。 5、观测典型环节对阶跃信号的响应曲线，从t0时刻（相对零时刻）开始记录若干组数据t、Ui(t)、Uo(t)填入数据表。 （各环节的理想参考曲线与实测参考曲线详见附表1-3） 6、依次搭接惯性、积分、比例积分、比例微分等环节电路，重复 3、 4、5操作。 7、实验结果处理分析（见实验报告）。 实验报告内容要求如下 （1）按要求书写实验报告（包括实验目的、设备、原理及数据处理）。 （2）画各环节电路图时要注明RC参数。 （3）要求根据实际RC参数具体计算出K、T的值。 （4）描绘环节响应曲线，要求规范。 思考以下三点 （1）实测曲线与理想曲线有何不同并分析其原因。 （2）根据PD环节对阶跃信号输出响应曲线，试分析电路工作过程。 （3）惯性环节分别在什么情况下可近似为比例环节和积分环节？ 五、实验中有关注意事项（本注意事项适用于实验二和实验三） 1、本实验系统只须用通讯电缆将RS-232C串口与PC机串口相连构成计控系统，在使用过程中不要随意断开此连接。 2、对于搭接被控对象时，输入和反馈回路中电阻尽可能利用实验板上电位器来实验。 3、实验用的导线，导线头不应拔得太长，以防线线短路。 做完实验后，应将导线及元器件装入箱盖上的袋子中，千万不要散乱地放在机箱中，以免下次做实验引起短路。 4、对于TDN-ACS系统来说，安装的是高效开关电源，它们的重新开启和上一次的断开之间的时间间隔应大于30秒，因此不要过于频繁的开启和断开电源。 5、关闭计算机时要按正常操作，不要直接按主机按键强行关机。 以上注意事项请同学们认真阅读，以免造成设备损坏事故！附图AC板运放单元的电路图（以U6单元为例）如下4本实验箱AC板上共有六个运放单元即U3U8单元，六个运放单元的电路结构完全相同，其中U 3、U 4、U5阻容元件配置相同，与U6（U 7、U8）不同的是它们的可调电阻W 31、32（W 41、 42、W 51、52）最大阻值为470K（逆时针调到底），不变电阻阻值为200K。 U 6、U 7、U8阻容元件配置相同（见上图）。 运放单元可根据需要构造出各种阶次和样式的模拟环节和控制系统。 表1-3各典型环节的理想阶跃响应曲线和实际阶跃响应曲线5续表1-36实验二频率特性实验 一、实验目的 1、了解电网络二阶系统的电路结构及性能测试方法。 2、掌握绘制对数频率特性曲线图的方法。 3、通过测试负反馈控制系统的开环频率特性（开环传递函数），掌握确定系统传递函数的方法。 4、学会分析外加激励信号的频率对系统幅值、相位的影响，从而提高分析问题和解决问题的能力。 二、实验设备TNDAC/ACS教学实验系统、微机。 三、实验原理图2-1被测系统的方框图图2-1所示的系统的开环频率特性为)()()()(sEsBsHsG?12()()()()()()()()()B jB jG jGj?H jBjE jE jE j?()|?()|()G jG jGj?采用对数幅频特性和相频特性表示，上式表示为12()20lg|()()()|20lg?20lg|()|20lg|?()|()BjG jGj?H jBjE jEj?12()()()()()GjGj?H jBjEj?图2-2被测系统的模拟电路图改变输入正弦信号的频率使其由低到高变化，并施加于被测系统的输入端r(t)，然后分别测出相应的反馈信号b(t)和误差信号e(t)的对数幅值和相位，从而求出各个频率下的7开环频率特性的对数幅值和相位。 根据所得数据在座标纸上作出系统开环频率特性的幅频曲线和相频曲线，再由实验曲线求出系统的开环传递函数（K和T的值）。 四、实验内容及步骤 1、正弦信号的准备将信号源单元（U1SG）的ST插针和+5V插针用“短路块”短接，再用排线将ST端接至8088CPU单元中PB10。 在频率测试方式下，ACS系统中的U10DAC单元将提供频率和幅值均可调的基准正弦信号源作为被测对象的输入信号。 而ACS系统中测量单元的CH1通道用来观测被测对象的输出，选择不同角频率及幅值的正弦信号源作为对象的输入，可测得相应的对象输出，并在PC机屏幕上显示，我们可以根据所测得的数据正确描述被测对象的幅频和相频特性图。 2、按图2-2所示的系统模拟电路图把被测系统的线路接好。 3、将U10DAC单元的OUT端（输出虚拟的正弦信号）接到被测系统的输入端ui(t)。 将系统的输出端u0(t)误差信号e(t)或反馈信号b(t)接至CH1通道。 4、调节输入信号的频率为1HZ，幅值为4V，并加至被测系统的输入端。 5、在显示器上（示波器）观察系统各环节波形，避免系统进入非线性状态。 6、分别测量出系统误差信号e(t)和反馈信号b(t)的幅值（V）和相位（度）（注意误差信号e(t)和反馈信号b(t)在系统线路中的位置及在示波器中读数方法），记录实验数据。 7、调节输入信号的频率依次为10HZ、100HZ、200HZ、300HZ，分别重复 4、 5、6操作。 8、实验报告内容要求 （1）按要求书写实验报告（包括实验目的、设备、原理及数据处理）。 （2）测得实验数据计算处理填入数据表。 （见表2-1） （3）画被测系统电路图时要注明RC参数。 （4）在座标纸上作出系统开环频率特性的幅频曲线和相频曲线。 （5）再由实验曲线求出系统的开环传递函数)1()()(?TSSKSHsG（注意在Bode图上确定K和T值的方法）。 思考以下三点 （1）根据测得的Bode图的幅频特性，就能确定系统的相频特性，试问这在什么系统时才能实现？ （2）在Bode图中，为什么横坐标习惯采用对数进行分度？ （3）改变开环增益或时间常数时对系统动态性能有何影响？表2-1实验数据记录表输入信号ui(t)频率反馈信号b（t）误差信号e（t）开环频率特性G（j?）幅值?B(j?)?对数幅值20lg?B(j?)?相位?B(j?)幅值?E(j?)?对数幅值20lg?E(j?)?相位?E(j?)对数幅值20lg?G(j?)?相位?G(j?)1rad10rad100rad200rad300rad8实验三系统分析与校正实验 一、实验目的 1、掌握系统综合性能的测试及分析方法。 2、掌握系统校正环节的设计方法。 3、了解改善系统综合性能提高系统品质的方法。 二、实验设备TNDAC/ACS教学实验系统、微机。 三、实验原理校正前系统的方框图见图3-1所示。 图3-1未校正系统的方框图闭环传递函数40240)(2?SSSW?.0svspnKstMw10020)2(?46015832.6要求设计串联校正装置，使系统满足下述性能指标?sVspKstM1201%25由理论推导可得校正环节的传递函数为105.015.0)(?SSSGc所以校正后的方框图如图3-2所示图3-2校正后系统的方框图原系统校正前的模拟电路如图3-3所示图3-3未校正系统的模拟电路图c（t）9根据校正环节的传递函数设计校正环节的模拟电路（可参考有关电工电子技术等书），原系统校正后的模拟电路如图3-4所示图3-4校正后系统的模拟电路图 四、实验内容及步骤 1、阶跃信号的准备电路可采用图3-5所示电路，它由“单位脉冲单元”（U13SP）及“电位器单元”（U14P）组成。 图3-5阶跃信号电路图具体线路形成在U13SP单元中，将H1与+5V插针有“短路块”短接，H2插针用排线接至U14P单元的X插针；在U14P单元中，将Z插针和GND插针用“短路块”短接，按下按键H后由U14单元的插座Y端输出阶跃信号。 2、先按图3-3接好未校正系统的电路（分析反馈点和测点位置）。 3、将CH1探笔（示波器显示黄色）接至Ui，CH2探笔（示波器显示绿色）接至U0处（注意要测试正向的U0）。 4、观测输入曲线（黄色）和系统响应曲线（绿色），测出MP、tS的值，将曲线及参数记录下来。 5、按图3-4搭接校正后的系统的模拟电路，重复 3、4操作。 106、实验报告内容要求 （1）按要求书