机械控制理论实验报告.doc

机械控制理论实验报告 实验一、一阶环节的阶跃响应及时间参数的影响 实验目的通过实验加深理解如何将一个复杂的机电系统传递函数看做由一些典型环节组合而成，并且使用运算放大器来实现各典型环节，用模拟电路来替代机电系统，理解时间响应、阶跃响应函数的概念以及时间响应的组成，掌握时域分析基本方法 。 实验原理使用教学模拟机上的运算放大器，分别搭接一阶环节，改变时间常数T，记录下两次不同时间常数T的阶跃响应曲线，进行比较。典型一阶环节的传递函数：G（S）=K（1+1/TS） 其中： 典型一阶环节的单位阶跃响应曲线： 实验方法与步骤1）启动计算机，在桌面双击“Cybernation_A.exe”图标运行软件，阅览使用指南。2）检查USB线是否连接好，电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。3）在实验项目下拉框中选中本次实验，点击按钮，参数设置要与实验系统参数一致，设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可继续进行实验。 实验内容1、 一阶比例环节的传递函数及模拟电路与实验曲线G（S）= -R2/R1设定参数阶跃响应曲线K、T的值R1、R2、C1、C2的值R1=100K、R2=200K、C=0理论值K=2、T=0实测值K=2.12、 惯性环节的传递函数及模拟电路与实验曲线 G（S）= - K/TS+1 设定参数阶跃响应曲线K、T的值R1、R2、C1、C2的值R1=100K、R2=200K、C1=2uf理论值K=2、T=0.2s实测值K=2.23、 分析T、K对系统的影响 对比以上两组实验可以得出，当系统在R2处并联一个电容C时，系统由比例环节变为惯性环节，T值增大，系统响应时间变慢，达到稳定值的时间延长；而K值增大时，一阶典型环节的响应曲线幅值增大。实验二、二阶环节的阶跃响应及时间参数的影响 实验目的1. 学会建立典型的二阶系统数学模型与传递函数。2、加深对系统瞬态误差与稳态误差等概念的理解。3、研究二阶系统的特征参数，阻尼比z和无阻尼自然频率wn对系统动态性能的影响。定量分析 z 和wn与最大超调量Mp和调节时间tS之间的关系。4. 掌握二阶系统时域性能指标的测量方法。 实验原理1、二阶系统的数学建模 二阶系统是由一个比例环节和两个惯性所构成，参考电路图如下：2、二阶系统单位反馈方块图为：3、二阶系统单位反馈传递函数为：其中：为开环增益、为闭环增益、为系统阻尼比、为系统固有频率。4、不同阻尼比下二阶系统的单位阶跃响应曲线 实验方法与步骤 实验方法同上，在参数设置对话框中设置目的电压U1=1000mV。1、先做二阶系统的开环时域响应，观察其曲线的变化。 2、将二阶开环系统进行单位反馈，组成二阶闭环系统，观察闭环响应曲线（注意：单位反馈的接连）。 实验内容二阶系统的闭环电路与实验曲线1、当K=9、T1=0.2s、T2=0.2s，可得到=0.316、n=15.811参数二阶系统阶跃响应曲线（两组不同的响应曲线）自行设定：K、TK=9、T1=0.2、T2=0.2实测值Mp、TsMp=49.41%、Ts=950ms理论值Mp、TsMp=35.14%、Ts=801ms2、当K=3、T1=0.2、T2=0.2时，可得到=0.5、=10参数二阶系统阶跃响应曲线（两组不同的响应曲线）自行设定：K、TK=3、T1=0.2、T2=0.2实测值Mp、TsMp=28.33%、Ts=750ms理论值Mp、TsMp=16.31%、Ts=600ms2、 分析二阶系统性能指标Mp、Ts与、的关系 分析实验数据可以得到：超调量Mp只与阻尼比有关，阻尼比增大，超调量减小。而调整时间Ts与系统的无阻尼自然频率及阻尼比成反比。实验三、零点、极点分布对二阶系统瞬态响应的影响 实验目的： 加深理解零点对二阶系统瞬态响应的影响其中包括：1、若系统的极点相同，而零点不同（有无零点），对系统的影响。2、若系统的极点相同，而零点距虚轴的位置不同，对系统的影响。3、加深理解零点在系统中的作用，学会采用增加零点方法提高系统的阻尼比。 实验原理1、系统加入零点的模型方块图：原系统1+S+C(S)_R(S)原系统1+SC(S)R(S)2、零点对二阶系统瞬态响应的影响，单位阶跃响应曲线的对比： 实验方法与步骤在实验项目下拉框中仍选中二阶系统阶跃响应实验。1、 零点和系统串联的电路图与响应曲线2、 零点与系统并联的电路图与响应曲线参数零点与系统的串联相应曲线零点与系统的并联响应曲线自行设定K、T、K=1、T=0.1、=0.1K=1、T=0.1、=0.1超调量的比较= 30.12%=24.13% 通过分析两组实验数据可以得到：并联响应曲线的超调量比串联响应曲线的超调量要低，系统的稳定性要较好。零点在系统前向通道可以增大系统的阻尼比，降低超调量，提高瞬态响应；零点在系统反馈通道可以增大系统的阻尼比，降低超调量，但是对瞬态响应无明显影响。实验四、典型环节的频率特性实验 实验目的 加深理解系统频率特性的物理概念；掌握系统频率特性的实验方法；掌握频率特性的Bode 图Nquist图的绘制。 实验原理 实验方法与步骤1. 在实验项目下拉框中选中系统频率特性实验并设置相应的实验参数。2. 选择时间-电压图、信号发生器的频率：频率2、周期5（参考值），选自动采样。数据采集过程如图所示：3、待数据采样结束后点击按钮，即可显示出所测量的波特图。4、在完成步骤3后，在显示区单击鼠标右键，即出现奈氏图。 实验内容1、做一阶系统的频率特性实验，画出该系统的Bode 图与Nquist图。2、二阶系统的频率特性实验，画出该系统的Bode 图与Nquist图。3、改变二阶系统的阻尼比，观察欠阻尼与临界阻尼情况下的频率特性。3、确定系统的转角频率、幅值穿越频率、截至频率的实测值。 实验结果1、 二阶震荡系统（欠阻尼）频率特性实验Bode图阻尼比=0.237，转角频率=2x4.034阻尼比=0.326，转角频率=2x2.0292、 二阶振荡系统（欠阻尼）频率特性实验的Nyquist图3、 阻尼比=0.237，转角频率=2x4.034阻尼比=0.134，转角频率=2x2.037实验五、机电控制系统的校正 实验目的通过本次实验，加深理解控制系统反馈校正的概念，掌握改善机电控制系统性能的基本方法和工程实现，对给定系统进行串联校正设计，并通过模拟实验检验设计的正确性，从而学会控制系统的串联校正与反馈校正。 实验内容1、串联超前校正2、串联滞后校正3、串联超前滞后校正，校正前与校正后的阶跃响应实验。 实验原理 1、串联超前校正系统模拟电路图如图所示，图中开关S断开对应未校情况，接通对应超前校正。图3-1 超前校正电路图 系统结构图如图3-2图3-2 超前校正系统结构图图中 Gc1（s）=3 2（0.055s+1） Gc2（s）= 0.005s+1 实验方法与步骤 1、首先搭接未校正的二阶系统电路，（如图3-1断开S开关情况），先做其瞬态响应实验，观察并记录其超调量Mp、峰值时间Tp、调整时间Ts的变化。 2、在未校正的二阶系统电路中加入超前校正环节（如上图接通S开关情况），在实验项目下拉框中选中连续系统串联校正实验并设置相应的参数，即可做串联超前校正实验。 3、观察经过串联超前校正后的二阶系统瞬态响应，并记录其超调量Mp、峰值时间Tp、调整时间Ts的变化，二者进行比较。 4、记录实验数据与响应曲线。 实验结果 串联超前校正的响应曲线1、 开关S断开（校正前）峰值时间Tp=156ms 、调整时间Ts=976ms 、超调量Mp=55.5%2、 开关S闭合（校正后）调整时间Ts=300ms 、峰值时间Tp=117ms、超调量 Mp=10.5%结果分析：经过串联超前校正后的二阶系统瞬态响应速度变快，调整时间和峰值时间减小，超调量减小。3、实验结果表 超前校正系统指标校正前校正后%5%5%Tp（秒）156117Ts（秒）9763002、串联滞后校正模拟电路图如图3-3，开关s断开对应未校状态，接通对应滞后校正。图3-3 滞后校正模拟电路图系统结构图示如图3-4 图3-4 滞后系统结构图图中 Gc1(s）=10 10（s+1） Gc2（s）= 11s+1 实验方法与步骤 在未校正的二阶系统电路中加入滞后校正环节（如图3-3接通S开关情况），在实验项目下拉框中选中连续系统串联校正实验并设置相应的参数，即可做串联滞后校正实验。 观察经过串联滞后校正环节的二阶系统瞬态响应，并记录其超调量Mp、峰值时间Tp、调整时间Ts的变化。 记录实验数据与响应曲线。 实验结果串联滞后校正的响应曲线1、 开关S断开（校正前）峰值时间Tp=195ms、调整时间Ts=3247ms、超调量Mp=74.8%2、 开关S闭合（校正后）峰值时间Tp=500ms、Ts=1050ms、超调量Mp=20.2%3、 实验结果表 滞后校正系统指标校正前校正后%5%5%Tp（秒）175500Ts（秒）324710504、 串联超前滞后校正模拟电路图如图3-5，双刀开关断开对应未校状态，接通对应超前滞后校正。 图3-5 超前滞后校正模拟电路图系统结构图示如图3-6图3-6超前滞后校正系统结构图图中 Gc1（s）= 6 6（1.2s+1）（0.15s+1） Gc2（s）= （6s+1）（0.05s+1） 实验方法与步骤 在未校正的二阶系统电路中加入超前-滞后校正环节（如图3-5接通双刀开关情况），在实验项目下拉框中选中连续系统串联校正实验并设置相应的参数，即可做串联超前-滞后校正实验。 观察经过串联超前-滞后校正环节的二阶系统瞬态响应，并记录其超调量Mp、峰值时间Tp、调整时间Ts的变化。 记录实验数据与响应曲线。 实验结果 串联超前滞后校正的响应曲线1、开关S断开（校正前）峰值时间Tp=111ms、调整时间Ts=1752ms、超调量Mp=72.3%2、 开关S关闭（校正后）峰值时间Tp= 400ms、调整时间Ts=700ms、超调量Mp=21.2%3、 实验结果表 滞后校正系统指标校正前校正后%5%5%Tp（秒）111400Ts（秒）1752700实验小结 通过本次实验,我们加深了对机电系统的数