机械控制理论基础实验指导书

《机械控制理论基础》

——实验指导书

机械工程学院教学实验中心

2007年改编

前言

本套实验系统是配合《机械控制理论基础》与《现代控制理论基础》课程而开设的实验，可进行11项实验，实验内容有：典型环节的阶跃响应、二阶系统阶跃响应实验、零点对二阶系统瞬态响应的影响、系统频率特性实验、控制系统的稳定性分析、连续系统串联校正、数字PID控制、状态反馈及状态观测器实验、解耦控制实验、非线性实验、相轨迹观测实验，均配有相应的实验软件。

该实验为模拟性实验，既抛弃物理属性，采用运算放大器等电子电路模拟机械系统，构成各种典型环节与相应的模拟系统，可抽象出相同形式的传递函数或数学模型。再将阶跃信号加到模拟系统的输入端，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。改变系统的参数，可进一步分析研究参数对系统性能的影响。

目录

第一章实验介绍

第二章实验内容

实验一典型环节的瞬态响应和动态分析

1、一阶环节的阶跃响应及时间参数的影响

2、二阶环节的阶跃响应及时间参数的影响

3、零点、极点分布对二阶系统瞬态响应的影响实验二典型环节的频率特性实验

实验三机电控制系统的校正

实验四控制系统的稳定性分析

第一章实验介绍

一、实验装置

本实验采用EL－AT－III型自动控制实验系统，它可以处理时变、非线性以及多输入多输出等复杂的控制理论问题。本系统通过对单元电路的灵巧组合，可以构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统，采用DA/AD卡通过USB口和计算机连接实现信号源信号的输出和系统响应信号的采集，采集后的信息通过计算机显示，省去了外接示波器的麻烦。本实验提供相配套的数据显示软件，能够对各种实验的输出信号进行处理显示，界面友好，使用方便。

二、实验系统框图

图1 实验系统框图

三、实验软件及操作过程简介

软件启动界面：在Windows桌面上双击“Cybernation_A.exe”图标，浏览软件使用指南。

软件使用说明：软件具体操作和功能

（一）工具栏按钮：

1.点击〖或按F1〗可以选择实验项目作为当前实验项目。

2.点击〖或按F3〗切换到"示波器"窗口。

3.点击〖或按F4〗切换到"?"窗口。

4.点击〖或按F5〗开始／放弃当前实验项目，在没有选择任何实验项目的时候为禁止状态。

5.点击〖或按F6〗弹出"关于"对话框，显示程序信息等。

（二）示波器操作：

1.测量在"示波器"窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中选择"测量"打开测量游标（重复前述步骤隐藏测量游标），拖动任一游标到感兴趣的位置，图表区下方会显示当前游标的位置和与同类的另一游标之间距离的绝对值。如果想精确定位游标只需用鼠标左键单击相应的游标位置栏并在编辑框中输入合法值回车即可。

2.快照 在"示波器"窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中选择"快照"将当前图像复制到剪贴板，以便粘贴到画图或其他图像编辑软件中编辑和保存。

3.线型 在"示波器"窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中可点击"直线"、"折线"或"点线"来选择数据点和数据点之间的连接方式，体会各种连接方式的差异。

4.配色 用鼠标左键双击图表区除曲线之外的元素会弹出标准颜色对话框，用户可以更改相应元素的颜色（比如将网格颜色改成与背景相同颜色）。

5.缩放 用鼠标左键单击图表区刻度区的边界刻度并在编辑框中输入和法值回车即可改变当前显示范围。

四、实验原理

1、 比例环节的传递函数及模拟电路与实验曲线如图1-1。

G （S ）= -R2/R1

2、惯性环节的传递函数及其模拟电路与实验曲线如图1-2。 G （S ）= - K/TS+1

RC T = 12/R R K =

3、积分环节的传递函数及模拟电路与实验曲线如图1-3。

G （S ）=1/TS T=RC

4、微分环节的传递函数模拟电路、传递函数及实验曲线如图1-4。

G （S ）= - RCS

5、比例+微分环节的模拟电路、传递函数及实验曲线如图1-5。

（未标明的C=0.01uf ）

G （S ）= -K （TS+1） RC T =

12/R R K =

6.比例+积分环节的模拟电路、传递函数及实验曲线如图1-6。

G （S ）=K （1+1/TS ）

RC T = 12/R R K =

第二章 实 验 内 容

实验一 典型环节的瞬态响应和动态分析

1、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