机械工程控制理论基础 实验报告 附小结与心得

《机械控制理论基础》

——实验报告

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目录

实验内容

实验一一阶环节的阶跃响应及时间参数的影响

P3 实验二二阶环节的阶跃响应及时间参数的影响

P9 实验三典型环节的频率特性实验

P15 实验四机电控制系统的校正

P20 实验心得…………………………………………P23

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（可参考下图：典型一阶系统的单位阶跃响应曲线）。 典型一阶环节的传递函数：

G （S ）=K （1+1/TS ） 其中： RC T = 12/R R K =

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、选择一阶惯性环节进行实验操作

由于一阶惯性环节更具有典型性，进行实验时效果更加明显。 惯性环节的传递函数及其模拟电路与实验曲线如图1-1： G （S ）= - K/TS+1

RC T = 12/R R K =

2、（1）按照电子电路原理图，进行电路搭建，并进行调试，得到默认实验曲线图1-2

图1-2

（2）设定参数：方波响应曲线（K=1 ；T=0.1s ）、（K=2；T=1s ），R1=100k Ω 3、改变系统参数T 、K （至少二次），观察系统时间响应曲线的变化。 （1）在无电容的情况下：结果如图1-3所示

图1-3

（2）当R2=200kΩ，C=0.1uF时，结果如图1-4所示，理论值T=20ms，K=2时，测量值K=2.2。

图1-4 R2=200kΩC=0.1uF

（3）当R2=300kΩ，C=0.1uF时，结果如图1-5所示，理论值T=30ms，K=3时，测量值K=3.15。

图1-5 R2=300k C=0.1uF

（4）当R2=300kΩ，C=1uF时，结果如图1-6所示，理论值T=300ms，K=3时，测量值K=3.2。

图1-6 R=300kΩC=1uF

4、T、K对系统的影响

（1）有无电容对系统的影响，对比第一组实验结果与第二组实验结果，并如图1-3与图1-4所示。

图1-3

图1-4

对比结果：

从这两组实验中可以看出，当系统在R2处并联入电容C时，无电容系统变为有电容系统，即，比例环节变为惯性环节，提高了系统的快速性。

（2）当电容C恒定时，改变电阻R2的大小进行比较，对比第2组与第3组实

验的结果，如图1-4与图1-5所示。

图1-4 R2=200kΩC=0.1uF

图1-5 R2=300k C=0.1uF

对比结果：

由上述三幅响应曲线我们可以看到，不同的时间常数对系统的快速性有着不同的影响，一般来说，时间常数为R，C之积，当时间常数小的时候，系统响应快速性比较好，在较短时间内就能响应完全，比例系数K对于系统的幅值大小有影响，K较大时系统的幅值也比较大。

（3）当电阻R2恒定时，改变电容C的大小进行比较，对比第3组与第4组的实验结果，如图1-5与图1-6所示。

图1-5 R2=300k C=0.1uF

图1-6 R=300kΩC=1uF

对比结果：

当R，C之积比较大时，相应的快速性不够好，系统的响应时间比较长，在比较长的时间内才能达到输出允许幅值，上升和下降均需要较长反应时间，这些结论

均可以从响应曲线中得到。

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ζ和无阻尼自然频率ω

n

对系统动态性能

的影响。定量分析ζ和ω

n 与最大超调量Mp和调节时间t

S

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：

图2-1

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：

ω为系统固有频率。其中：K为开环增益、k为闭环增益、ξ为系统阻尼比、

n

4、不同阻尼比下二阶系统的单位阶跃响应曲线（图2-2）

●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