机械工程控制基础实验指导书.5.pdf
机械控制工程基础实验指导书
实验箱简介机械控制工程基础实验模块由六个模拟运算单元及元器件库组成，这些模拟运算单元的输入回路和反馈回路上配有多个各种参数的电阻、电容，因此可以完成各种自动控制模拟运算。
例如构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例微分环节，PID环节和典型的二阶、三阶系统等。
利用本实验机所提供的多种信号源输入到模拟运算单元中去，再使用本实验机提供的虚拟示波器界面可观察和分析各种自动控制原理实验的响应曲线。
主实验板根据功能本实验机划分了各种实验区均在主实验板上。
实验区组成见表1。
虚拟示波器的使用一、设置用户可以根据不同的要求选择不同的示波器，具体设置方法如下： 1、示波器的一般用法：运行LABACT 程序，选择“工具”栏中的‘单迹示波器’项或‘双迹示波器’项，将可直接弹出该界面。
‘单迹示波器’项的频率响应要比‘双迹示波器’项高，将可观察每秒6500个点；‘双迹示波器’项只能观察每秒3200个点。
点击开始即可当作一般的示波器使用。
2、实验使用：运行LABACT 程序，选择‘自动控制 / 微机控制 / 控制系统’菜单下的相应实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1、CH2测孔测量波形。
二、虚拟示波器的使用1、虚拟示波器的一般使用图1 虚拟示波器运行界面图1为示波器的时域显示和相平面显示界面，只要点击开始，示波器就运行了，此时就可以用实验机上CH1和 CH2来观察波形。
CH1和 CH2各有输入范围选择开关，当输入电压小于－5V ～+5V 应选用x1档，如果大于此输入范围应选用x5挡（表示衰减5倍）。
该显示界面中提供了示波和X-Y 两种方式，示波就是普通示波器的功能，它提供了示波器的时域显示，X-Y 相当于真实示波器中的X-Y 选项；如果需要用X-Y 功能，只要选中X-Y 选项即可，它提供了示波器的相平面显示，进行非线性系统的相平面分析，实验中必须用X-Y 功能。
《机械控制工程》实验指导书(DOC)
机械工程控制实验指导书南昌大学机电工程学院2014年10月目录1．概述 (2)2．实验一典型环节的电路模拟与软件仿真研究 (6)3．实验二典型系统动态性能和稳定性分析 (13)4．实验三典型环节（或系统）的频率特性测量 (17)5. 实验操作指导 (22)6. 典型环节仿真实验硬件模块配置及信号设置表 (23)7. 阶跃信号及响应曲线图 (25)概述一．实验系统构成实验系统由上位PC微机（含实验系统上位机软件）、ACT-I实验箱、并行通讯线等组成。
ACT-I实验箱内装有以AD C812芯片（含数据处理系统软件）为核心构成的数据处理卡，通过并口与PC微机连接。
1．实验箱ACT-I简介ACT-I控制理论实验箱（见图1）主要由电源部分U1单元、信号源部分U2单元、与PC机通讯及数据处理U3单元、元器件单元U4、非线性单元U5～U7以及模拟电路单元U8～U16等共16个单元组成。
图1 ACT-I控制理论实验箱前面板(1)电源单元U1包括电源开关、保险丝、＋5V、－5V、＋15V、－15V、0V以及1.3V～15V可调电压的输出，它们提供了实验箱所需的所有工作电源。
(2)信号源单元U2可以产生频率与幅值可调的周期方波信号、周期斜坡信号、周期抛物线信号以及正弦信号，并提供与周期阶跃、斜坡、抛物线信号相配合的周期锁零信号。
该单元面板上配置的拨键S1和S2用于周期阶跃、斜坡、抛物线信号的频率段选择，可有以下4种状态：①S1和S2均下拨——输出信号周期的调节范围为2～60ms；②S1上拨、S2下拨——输出信号周期的调节范围为0.2～6s；③S1下拨、S2上拨——输出信号周期的调节范围为20～600ms；④S1和S2均上拨——输出信号周期的调节范围为0.16～7s；另有电位器RP1用于以上频率微调。
电位器RP2、RP3和RP4依次分别用于周期阶跃、斜坡与抛物线信号的幅值调节。
在上述S1和S2的4种状态下，阶跃信号的幅值调节范围均为0～14V；除第三种状态外，其余3种状态的斜坡信号和抛物线信号的幅值调节范围均为0～15V；在第三种状态时，斜坡信号的幅值调节范围为0～10V，抛物线信号的幅值调节范围为0～2.5V。
《机械控制工程》实验指导书(DOC)
机械工程控制实验指导书南昌大学机电工程学院2014 年10 月目录1．概述 (2)2．实验一典型环节的电路模拟与软件仿真研究 (6)3．实验二典型系统动态性能和稳定性分析 (13)4．实验三典型环节（或系统）的频率特性测量 (17)5. 实验操作指导 (22)6. 典型环节仿真实验硬件模块配置及信号设置表 (23)7. 阶跃信号及响应曲线图 (25)一. 实验系统构成实验系统由上位PC微机（含实验系统上位机软件）、ACT-I实验箱、并行通讯线等组成。
ACT-I 实验箱内装有以ADC812芯片（含数据处理系统软件）为核心构成的数据处理卡，通过并口与PC 微机连接。
1 .实验箱ACT-I简介ACT-I控制理论实验箱（见图1 ）主要由电源部分U1单元、信号源部分U2单元、与PC机通讯及数据处理U3单元、元器件单元U4非线性单元U5〜U7以及模拟电路单元U8〜U16 等共16个单元组成。
（1）电源单元U1包括电源开关、保险丝、+ 5V、—5V、+ 15V、—15V、0V以及1.3V〜15V可调电压的输出，它们提供了实验箱所需的所有工作电源。
（2）信号源单元U2可以产生频率与幅值可调的周期方波信号、周期斜坡信号、周期抛物线信号以及正弦信号，并提供与周期阶跃、斜坡、抛物线信号相配合的周期锁零信号。
该单元面板上配置的拨键S1和S2用于周期阶跃、斜坡、抛物线信号的频率段选择，可有以下4种状态：①S1和S2均下拨一一输出信号周期的调节范围为2〜60ms；②S1上拨、S2下拨一一输出信号周期的调节范围为0.2〜6s;③S1下拨、S2上拨一一输出信号周期的调节范围为20〜600ms；④S1和S2均上拨一一输出信号周期的调节范围为0.16〜7s;另有电位器RP1用于以上频率微调。
电位器RP2、RP3和RP4依次分别用于周期阶跃、斜坡与抛物线信号的幅值调节。
在上述S1和S2的4种状态下，阶跃信号的幅值调节范围均为0〜14V;除第三种状态外，其余3种状态的斜坡信号和抛物线信号的幅值调节范围均为0〜15V;在第三种状态时，斜坡信号的幅值调节范围为0〜10V,抛物线信号的幅值调节范围为0〜2.5V。
机械工程控制基础实验指导书
《机械工程控制基础》实验指导书青岛科技大学前言机械工程控制基础是针对过程装备与控制工程专业而开设的一门专业基础课，主要讲解自动控制原理的主要内容，是一门理论性较强的课程，为了帮助学生学好这门课，能够更好的理解理论知识，在课堂教学的基础上增加了该实验环节。
《机械工程控制基础》实验指导书共编写了4个实验，有实验一、典型环节模拟研究实验二、典型系统动态性能和稳定性分析实验三、控制系统的频率特性分析实验四、调节器参数对系统调节质量的影响《机械工程控制基础》实验指导书的编写主要依据“控制工程基础”教材的内容，结合本课程教学大纲的要求进行编写。
利用计算机和MATLAB程序完成实验。
注：1）每个实验的实验报告均由5部分组成，最后一部分“实验数据分析”或“思考题”必须写。
2）每个实验所记录的图形均需标出横轴和纵轴上的关键坐标点。
目录实验一典型环节模拟研究 (4)一、实验目的二、实验要求三、实验原理四、实验内容及步骤五、实验报告要求实验二典型系统动态性能和稳定性分析 (7)一、实验目的二、实验要求三、实验原理四、实验内容及步骤五、实验报告要求实验三控制系统的频率特性分析 (9)一、实验目的二、实验要求三、实验原理四、实验内容及步骤五、实验报告要求实验四调节器参数对系统调节质量的影响 (11)一、实验目的二、实验要求三、实验原理四、实验内容及步骤五、实验报告要求附录一：MATLAB6.5的使用 (13)实验一典型环节模拟研究一、实验目的1．熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线2．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验要求1．观测并记录各种典型环节的阶跃响应曲线2．观测参数变化对典型环节阶跃响应的影响，测试并记录相应的曲线三、实验原理1．惯性环节（一阶环节），如图1-1所示。
(a) 只观测输出曲线(b) 可观测输入、输出两条曲线图1-1 惯性环节原理图2．二阶环节，如图1-2所示。
或图1-2 二阶环节原理图3．积分环节，如图1-3所示。
机械控制工程基础实验指导书(07年)
中北大学机械工程与自动化学院实验指导书课程名称：《机械工程控制基础》课程代号：02020102适用专业：机械设计制造及其自动化实验时数：4学时实验室：数字化实验室实验内容：1.系统时间响应分析2.系统频率特性分析机械工程系2010.12实验一 系统时间响应分析实验课时数：2学时 实验性质：设计性实验 实验室名称：数字化实验室一、实验项目设计内容及要求1.试验目的本实验的内容牵涉到教材的第3、4、5章的内容。
本实验的主要目的是通过试验，能够使学生进一步理解和掌握系统时间响应分析的相关知识，同时也了解频率响应的特点及系统稳定性的充要条件。
2.试验内容完成一阶、二阶和三阶系统在单位脉冲和单位阶跃输入信号以及正弦信号作用下的响应，求取二阶系统的性能指标，记录试验结果并对此进行分析。
3.试验要求学习教材《机械工程控制基础（第5版）》第2、3章有关MA TLAB 的相关内容，要求学生用MA TLAB 软件的相应功能，编程实现一阶、二阶和三阶系统在几种典型输入信号（包括单位脉冲信号、单位阶跃信号、单位斜坡信号和正弦信号）作用下的响应，记录结果并进行分析处理：对一阶和二阶系统，要求用试验结果来分析系统特征参数对系统时间响应的影响；对二阶系统和三阶系统的相同输入信号对应的响应进行比较，得出结论。
4.试验条件利用机械工程与自动化学院数字化试验室的计算机，根据MA TLAB 软件的功能进行简单的编程来进行试验。
二、具体要求及实验过程1.系统的传递函数及其MA TLAB 表达 (1)一阶系统 传递函数为：1)(+=Ts Ks G 传递函数的MA TLAB 表达： num=[k]；den=[T,1]；G(s)=tf(num,den) (2)二阶系统 传递函数为：2222)(nn n w s w s w s G ++=ξ传递函数的MA TLAB 表达： num=[2n w ]；den=[1，ξ2wn ，wn^2]；G(s)=tf(num,den) （3）任意的高阶系统 传递函数为：nn n nm m m m a s a sa s ab s b s b s b s G ++++++++=----11101110)(传递函数的MA TLAB 表达：num=[m m b b b b ,,,110- ]；den=[n n a a a a ,,,110- ]；G(s)=tf(num,den)若传递函数表示为：)())(()())(()(1010n m p s p s p s z s z s z s Ks G ------=则传递函数的MATLAB 表达：z=[m z z z ,,,10 ]；p=[n p p p ,,,10 ]；K=[K]；G(s)=zpk(z,p,k) 2.各种时间输入信号响应的表达（1）单位脉冲信号响应：[y,x]=impulse[sys,t] （2）单位阶跃信号响应：[y,x]=step[sys,t] （3）任意输入信号响应：[y,x]=lsim[sys,u,t]其中，y 为输出响应，x 为状态响应（可选）；sys 为建立的模型；t 为仿真时间区段（可选） 试验方案设计可参考教材相关内容，相应的M 程序可参考（杨叔子主编的《机械工程控制基础》第五版）提供的程序，在试验指导教师的辅导下掌握M 程序的内容和格式要求，并了解M 程序在MATLAB 软件中的加载和执行过程。
机械控制工程基础实验指导书版
河南机电高等专科学校《机械控制工程基础》实验指导书专业：机械制造与自动化、起重运输机械设计与制造等机械制造与自动化教研室编2012年12月目录实验任务和要求............................................................................................................................................. 实验模块一MATLAB基础实验............................................................................................................ 实验模块二典型环节及其阶跃响应 ...................................................................................................... 实验模块三二阶系统阶跃响应 ............................................................................................................. 实验模块四控制系统的稳定性分析 .................................................................................................... 实验模块五基于Simulink控制系统的稳态误差分析..................................................................... 实验模块六线性系统的频域分析...........................................................................................................实验任务和要求一、自动控制理论实验的任务自动控制理论实验是自动控制理论课程的一部分，它的任务是：1、通过实验进一步了解和掌握自动控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设计方法；2、重点学习如何利用MATLAB工具解决实际工程问题和计算机实践问题；3、提高应用计算机的能力及水平。
机械系统控制基础实验指导书完整版
机械系统控制基础实验指导书完整版1. 实验目的本实验旨在通过机械系统控制基础实验的设计与实施，帮助学生深入理解机械系统的控制原理与方法，提高其工程实践能力。
2. 实验原理2.1 机械系统的基本组成和工作原理2.2 机械系统的数学建模2.3 机械系统的控制方法与策略3. 实验器材3.1 电脑3.2 控制器3.3 传感器3.4 电动机3.5 运动平台4. 实验内容4.1 实验一：机械系统的建模与控制4.1.1 步骤一：搭建机械系统的物理模型4.1.2 步骤二：进行系统辨识并获取系统参数4.1.3 步骤三：设计控制器，实现对机械系统的控制4.2 实验二：机械系统的位置控制实验4.2.1 步骤一：确定位置控制的目标和性能指标4.2.2 步骤二：设计位置控制器，实现机械系统的位置控制4.3 实验三：机械系统的速度控制实验4.3.1 步骤一：确定速度控制的目标和性能指标4.3.2 步骤二：设计速度控制器，实现机械系统的速度控制5. 实验步骤5.1 实验一：5.1.1 搭建机械系统的物理模型，将传感器和电动机连接至运动平台，连接控制器至电脑。
5.1.2 进行系统辨识实验，获取机械系统的相关参数。
5.1.3 根据系统参数设计控制器，并对机械系统进行控制实验。
5.2 实验二：5.2.1 根据位置控制目标和性能指标，设计位置控制器。
5.2.2 将设计的控制器连接至电脑和电动机，实施位置控制实验。
5.3 实验三：5.3.1 根据速度控制目标和性能指标，设计速度控制器。
5.3.2 将设计的控制器连接至电脑和电动机，实施速度控制实验。
6. 实验报告每个实验完成后，学生需撰写实验报告，内容包括实验目的、理论基础、实验步骤、实验结果与分析等。
7. 实验安全7.1 在实验过程中，注意安全操作，避免发生意外伤害。
7.2 未经指导老师允许，不得擅自改动实验器材或调整实验参数。
8. 参考资料[1] 《机械系统控制原理与应用》[2] 《机械系统建模与控制技术》以上为机械系统控制基础实验指导书的完整版，希望能对实验教学提供有力的支持和指导。
《机械控制工程基础》实验指导书
《机械控制工程基础》实验指导书华东交通大学机电学院实验一 典型环节模拟一、实验目的①了解、掌握计算机模拟典型环节的基本方法。
②熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。
③了解各种参数变化对典型环节动态特性的影响。
④了解计算机辅助分析和设计的特点与优点二、实验要求①通过计算机的仿真图形观测各种典型环节时域响应曲线。
②改变参数，观测参数变化时对典型环节时域响应的影响。
④对实验程序加上注释，写出实验报告。
三、实验内容一般来讲，线性连续控制系统通常都是由一些典型环节构成的，这些典型环节有比例环节、积分环节、一阶微分环节、惯性环节、振荡环节、延迟环节等。
下面分别对其性能进行仿真（建议实验程序在M 文件中用单步执行的方式执行程序，以便于分析）：1）比例环节比例环节的传递函数为：k s G =)(编程分析当k=1～10时，比例环节在时域的情况：①当输人信号是单位阶跃信号时，比例环节的输出曲线（单位阶跃响应曲线）是什么形状呢？实验程序如下：for k=1:1:10num=k;den=1;G=tf(num,den);step(G);hold on;end在M 文件的窗口中，输入程序，录入程序完成后，保存该M 文件，在弹出的“保存为”窗工中输人M 文件名bl.m （也可以自己取文件名），选择存放该M 文件的路径，就可以完成保存工作，然后单击“Tools ”菜单中的“Run ”，将在step 图形窗口中显示出响应图形。
试分析系统的输出信号的特点。
2）积分环节积分环节的传递函数为： Ts G 1)(= ① 当输人信号是单位阶跃信号时，积分环节的仿真程序如下：num=1;den=[1,0];G=tf(num,den);step(G)执行程序，试分析系统的输出信号的特点。
若G(s)=k/s ，编程分析当K=1～10时，在单位阶跃信号激励下，积分环节时域响应的情况。
3）一阶微分环节一阶微分环节的传递函数为： 1)(+=Ts s G①当输入信号是单位阶跃信号时，一阶微分环节的输出在MA TLAB 的函数step （）中是无法绘制的。
工学机械工程控制基础实验指导书
机械工程控制基础实验指导书姓名：班级：概述：MATLAB是Math Works公司的软件产品，是一个高级的数值分析、处理和计算的软件，其强大的矩阵运算能力和完美的图形可视化功能，使得它成为国际控制界应用最广泛的首选计算机工具。
MATLAB具有良好的的可扩展性，其函数大多数为ASCII文件，可以直接进行编辑、修改；其工具箱可以任意增加，任何人可以生成自己的MATLAB工具箱。
因此，很多研究成果被直接做成MATLAB工具箱发表。
SIMULINK是基于模型化图形的动态系统仿真软件，是MATLAB的一个工具箱，它使系统分析进入一个崭新的阶段，它不需要过多地了解数值问题，而是侧重于系统的建模、分析和设计。
其良好的人机界面及周到的帮助功能使得它广为科技界和工程界采用。
因此，本试验将尽可能把MATLAB和SIMULINK工具应用于控制系统的分析和计算中。
试验一：用MATLAB进行传递函数的描述1、试验目的：（1）对MATLAB进行初步的了解；（2）掌握应用MATLAB建立传递函数的常用方法（3）了解应用MATLAB对高阶函数进行部分分式的展开。
2、试验学时：3学时3、试验方法：（1）传递函数的分子分母多项式模型传递函数表示为11101110...()()()...m mm mn nn nb s b s b s bC sG sR s a s a s a s a----++++ ==++++MATLAB中可直接用分子、分母多项式系数表示，即num=[b m, b m-1,…,b0]den=[a m, a m-1,…,a0]G=tf(num,den);当分子或分母表现为多项式乘积形式时，可利用conv函数来获取分子或分母的系数数组。
掌握conv函数的使用方法。
（2）传递函数的零极点增益模型传递函数为 0101()()...()()()()...()m n s z s z s z G s K s p s p s p ---=--- 其中：K 为系统增益，zi 为零点，pj 为极点在MATLAB 中零极点增益模型用[z,p,K]矢量组表示。
机械工程控制基础实验
验曲线通过ω＝1（rad/s）时的y坐标值，频率
实验曲线从0dB/dec线到-20dB/dec线的转折点，则（本系统转折频 率在数值上与截止频率相等，截止频率是实验曲线通过水平段下降 －3dB线时对应的x坐标值）。分别从0.5V和1V实验曲线估计传递函 数，比较二者的异同。
表2-1 开环频率特性测试数据记录表（1V正弦输入信号）
测速电机
幅值(=
幅值(=
频率(Hz) 频率(1/s) 输出电压
20logUo/Ui）） 相位差
Uo/Ui）
峰峰值(V)
(dB)
2.5
5
10
15
20
25
30
35 40 45 50 55 60
65 70 75
五、实验报告 1） 对实验内容与实验过程进行描述； 2） 记录实验数据，对实验结果进行分析； 3） 回答任意两道思考题； 4） 实验总结，包括实验中遇到的问题及思考、对本实验的意见 与建议。
议。
六、思考题 1）如何利用数字示波器观察阶跃响应曲线和测量一阶系统的时间
常数？如何测量稳态增益？
2）除了测速电机外，测量转速还有哪些方法？试画出系统方框 图。
3）为什么作为阶跃输入信号的方波信号，其周期要大于系统过渡 过程时间的两倍？
实验二 频率特性测试实验
一、实验目的 1）熟悉典型系统的频域特性。2）掌握机电系统频域特性和传递函数的测试方法。
本实验指导书由陈永亮老师编写
实验一 时域特性测试实验
一、实验目的 1）熟悉典型输入信号； 2）了解典型系统的时间响应。 3）掌握典型机电系统时域特性的测试方法。
机械系统控制基础实验指导书
机械系统控制基础实验指导书1. 实验目的本实验旨在帮助学生理解机械系统控制的基本原理，并通过实际操作加深对相关知识的理解和掌握。
2. 实验器材- 电脑- 控制器- 电动机- 传感器- 连接线等3. 实验步骤步骤一：系统控制概述1. 介绍机械系统控制的基本概念和目的。
2. 讲解控制系统的组成和相关术语。
步骤二：控制器的配置1. 演示如何配置控制器，包括连接电源和输入输出设备。
2. 介绍控制器的相关设置和参数调整。
步骤三：传感器的应用1. 分析不同类型的传感器及其在机械系统控制中的应用。
2. 演示如何连接和使用传感器，获取实时数据。
步骤四：控制算法的设计1. 介绍几种常见的控制算法，如比例控制、积分控制和微分控制。
2. 演示如何设计和实现控制算法，包括参数设置和代码编写。
步骤五：系统调试和优化1. 指导学生进行系统调试，包括输入输出信号的监测和调整。
2. 引导学生思考如何通过优化控制策略提高系统性能。
4. 实验注意事项- 在进行实验操作时，务必注意安全，避免发生意外事故。
- 确保所有器材和设备的正常运作，避免出现故障。
- 严格按照指导书的步骤进行实验，不得随意更改。
- 如遇到问题或困惑，请及时向实验指导人员寻求帮助。
5. 实验成果整理1. 学生需撰写实验报告，详细记录实验过程、结果和分析。
2. 实验报告包括实验目的、所用器材、实验步骤、实验结果、实验分析等部分。
3. 实验报告撰写完毕后，需按时提交给实验指导人员。
以上为《机械系统控制基础实验指导书完整版》的内容概要。
实验指导书的具体内容和步骤可能因实验设置和教学需求而有所调整。
2015.-机械工程控制基础(仿真)实验指导书
机械工程控制基础实验指导书机械控制工程实验室2015年10月学生实验规则1、实验前，学生要认真阅读实验指导书中内容，以求对实验目的、内容、方法和步骤有初步的了解。
2、遵守实验室的各项规章制度，听从教师的指导，实验时必须严肃、认真、细致。
3、要求在教师指导下，独立按时完成规定的实验内容。
4、实验过程中，学生不得无故迟到、早退、旷课、有事须请假批准。
5、遵守操作规则，注意安全。
6、爱护实验中用到的相关设备与工具，丢失损失东西，及时报告，照价赔偿。
7、实验结束，应将设备、仪器、工具清理干净，搞好当天卫生。
实验一典型环节时域特性的仿真实验一实验目的1、通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，熟悉各种典型环节的响应曲线。
2、定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。
3、初步了解Matlab中Simulink的使用方法。
二实验内容研究典型环节(比例、积分、微分、惯性、二阶)在阶跃输入信号及白噪声干扰信号输入的响应。
三实验方法及步骤1、建立仿真模型系统1.1 运行Matlab，在命令窗口“Command Window”下键入“Simulink”后回车，则打开相应的系统模型库；或者点击菜单上的“Simulink”图标，进入系统仿真模型库。
然后点击左上角“创建新文件图标”，打开模型编辑窗口。
1.2 调出模块在系统仿真模型库中，把要求的模块都放置在模型编辑窗口里面。
从信号源模块包(Sources)中拖出1个阶跃信号(step)和1个白噪声信号发生器(band-limited white noise) ；从输出模块包(Sinks)中拖出1个示波器(Scope)；从连续系统典型环节模块包(Continuous) 中拖出1个微分环节(Derivative)和3个传函环节(Transfer Fcn)；从数学运算模块包(Math Operations)中拖出1个比例环节(Gain)和1个加法器(Sum) ；从信号与系统模块包(Signals Routing) 拖出1个汇流排(Mux)；所有模块都放置在模型编辑窗口里面。
#机械控制工程基础实验指导书
《机械控制工程基础》实验指导书天津工业大学机械电子学院2010年9月目录一、MATLAB简介 (3)一 SIMULINK（模块图仿真）的使用 (3)二频域和时域分析 (5)三状态空间分析 (7)二、倒立摆介绍 (9)三、实验指导实验一基于工作台的时间响应实验 (12)实验二基于工作台的频率响应实验 (15)一、MATLAB简介1980年美国学者MOLER博士在研究线性代数时，为了解决矩阵运算非常烦琐这一问题，构思并开发了一种用于矩阵运算的矩阵实验室（MATrix LABoratory）软件。
由于MATLAB提供了功能非常强大的矩阵处理和绘图功能。
吸引了很多控制界的名家在自己擅长的领域编写了一些具有特殊意义的MATLAB工具箱，从而空前扩大了MATLAB的功能，使其成为了国际上最流行的控制系统计算机辅助设计的软件工具。
下面简单介绍自控原理实验涉及到的MATLAB知识（一）SIMULINK（模块图仿真）的使用1、进入WINXP：2、进入MATLAB：点击WIN窗口中MATLAB图标。
3、进入SIMULINK：在MATLAB窗口中键入SIMULINK命令，即可弹出SIMULINK模块库。
如图1-1所示：图1-1 SIMULINK模块库从左到右分别为信号源、输出、离散、线性、非线性、其他七个子模块库，每个子模块库分别包含若干个不同的模块。
4、建立自己的实验文件：（1）FILE\NEW。
（2）FILE\SA VE AS。
（键入自己的文件名。
）5、从SIMULINK模块库中挑选所需的模块：（1）把SIMULIMK窗和自己的实验窗并列平铺。
（2）在SIMULINK窗中打开SOURCES模块库。
（3）从SOURCES库(信号源模块库)中拖出STEP INPUT（单位阶跃输入）模块至自己的实验窗口。
（4）类似（2）（3）从SINKS库中拖出AUTO-SCALE GRAPH( 自动图形输出) 模块。
（5）从LINEAR、UNLINEAR库中分别选出INTEGRATOR（积分）、GAIN （比例）、TRANFER-Fun（传递函数）等模块。
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机械工程控制基础实验指导书目录1．概述 (1)2．实验一典型环节的电路模拟与软件仿真研究 (5)3．实验二典型系统动态性能和稳定性分析 (13)4．实验三典型环节（或系统）的频率特性测量 (18)概述一．实验系统功能特点1．系统可以按教学需要组合，满足“自动控制原理”课程初级与高级实验的需要。
只配备ACCT-I实验箱，则实验时另需配备示波器，且只能完成部分基本实验。
要完成与软件仿真、混合仿真有关的实验必须配备上位机（包含相应软件）及USB2.0通讯线。
2．ACCT-I实验箱内含有实验必要的电源、信号发生器以及非线性与高阶电模拟单元，可根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节与系统。
此外，ACCT-I实验箱内还可含有数据处理单元，用于数据采集、输出以及和上位机的通讯。
3．配备PC微机作操作台时，将高效率支持“自动控制原理”的教学实验。
系统提供界面友好、功能丰富的上位机软件。
PC微机在实验中，除了满足软件仿真需要外，又可成为测试所需的虚拟仪器、测试信号发生器以及具有很强柔性的数字控制器。
4．系统的硬件、软件设计，充分考虑了开放型、研究型实验的需要。
除了指导书所提供的10个实验外，还可自行设计实验。
二．系统构成实验系统由上位PC微机（含实验系统上位机软件）、ACCT-I实验箱、USB2.0通讯线等组成。
ACCT-I实验箱内装有以C8051F060芯片（含数据处理系统软件）为核心构成的数据处理卡，通过USB口与PC微机连接。
1．实验箱ACCT-I简介ACCT-I控制理论实验箱主要由电源部分U1单元、与PC机进行通讯的数据处理U3单元、元器件单元U2、非线性单元U5～U7以及模拟电路单元U9～U16等共14个单元组成，详见附图。
(1)电源单元U1包括电源开关、保险丝、＋5V、－5V、＋15V、－15V、0V以及1.3V～15V可调电压的输出，它们提供了实验箱所需的所有工作电源。
(2)信号、数据处理单元U3内含以C8051F060为核心组成的数据处理卡（含软件），通过USB口与上位PC进行通讯。
内部包含八路A/D采集输入通道和两路D/A输出通道。
与上位机一起使用时，可同时使用其中两个输入和两个输出通道。
可以产生频率与幅值可调的周期方波信号、周期斜坡信号、周期抛物线信号以及正弦信号，并提供与周期阶跃、斜坡、抛物线信号相配合的周期锁零信号。
结合上位机软件，用以实现虚拟示波器、测试信号发生器以及数字控制器功能。
(3)元器件单元U2单元提供了实验所需的电容、电阻与电位器，另提供插接电路供放置自己选定大小的元器件。
(4)非线性环节单元U5、U6和U7U5，U6，U7分别用于构成不同的典型非线性环节。
单元U5可通过拨键S4选择具有死区特性或间隙特性的非线性环节模拟电路。
单元U6为具有继电特性的非线性环节模拟电路。
单元U7为具有饱和特性的非线性环节模拟电路。
(5)模拟电路单元U8～U16U8～U16为由运算放大器与电阻，电容等器件组成的模拟电路单元。
其中U8为倒相电路，实验时通常用作反号器。
U9～U16的每个单元内，都有用场效应管组成的锁零电路（所有锁零G内部是互通的）和运放调零电位器（出厂已调好，无需调节）。
2．系统上位机软件的功能与使用方法，详见《ACCT-I自动控制理论实验上位机程序使用说明书》。
三．自动控制理论实验系统实验内容1．典型环节的电路模拟与软件仿真研究；2．典型系统动态性能和稳定性分析；3．典型环节（或系统）的频率特性测量；4．线性系统串联校正；5．典型非线性环节的静态特性；6．非线性系统相平面法；7．非线性系统描述函数法；8．极点配置线性系统全状态反馈控制；9．采样控制系统动态性能和稳定性分析的混合仿真研究；10．采样控制系统串联校正的混合仿真研究。
要完成上列全部实验，必须配备上位计算机。
四．实验注意事项1．实验前U9～U16单元内的运放需要调零（出厂前已经调整过）。
2．运算放大器边上的锁零点G接线要正确。
在需要锁零时（主要是典型环节的信号观察实验），可与输入信号同步的锁零信号相连。
锁零G与U3单元的锁零信号G1相连（同步对应O1信号），G2与此类似（同步对应O2）；一般情况下不需要锁零信号。
不需要锁零时，请把G与-15V相连。
3．在设计和连接被控对象或系统的模拟电路时，要特别注意，实验箱上的运放都是反相输入的，因此对于整个系统以及反馈的正负引出点是否正确都需要仔细考虑，必要时接入反号器。
4．作频率特性实验和采样控制实验时，必须注意只用到其中2路A/D输入和1路D/A 输出,具体采用“I1～I8”中哪一个通道，决定于控制箱上的实际连线和软件的设置。
5．受数据处理单元U3的数据处理速率限制，作频率特性实验和采样控制实验时，在上位机界面上操作“实验参数设置”必须注意频率点和采样控制频率的选择。
对于频率特性实验，应满足ω<200/sec，以免引起过大误差。
类似地，对于采样控制实验，采样控制周期应不小于5 ms。
6．本采集设备的上位机软件，A/D和D/A输出部分，需要注意的一些事项。
本数据采集系统有8路A/D输入，2路D/A输出，对于8路A/D输入将其分为四组，因为一般我们用到两路同时输出或同时输入。
I1、I2为一组A/D输入，I3、I4为一组A/D输入，I5、I6为一组A/D输入，I7、I8为一组A/D输入。
在这四组A/D输入中，I1、I3、I5、I7为每组A/D输入中的第一路，I2、I4、I6、I8为每组A/D输入中的第二路。
在每个实验当中，我们可以随意选择任一组A/D输入，和任一路D/A输出。
这个在实验三中，做频率特性实验要求比较严格（频响信号接I1，原信号接I2）。
五、计算机控制实验软件操作注意事项：1、打开已经准备好的实验项目后，点击，使系统进入运行装态。
2、按下“启动暂停”按键程序开始运行,再次按下该按键程序暂停。
按“退出”键使系统退出子VI运行状态。
3、测试信号设置选项框中可以设置发出的波形的种类、幅值、频率、占空比、采样开关T、采样时间。
4、按下“退出”按键或图标，程序退出运行。
5、按下“”图标，程序关闭。
实验一典型环节的电路模拟与软件仿真研究一．实验目的1．通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。
2．通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。
二．实验内容1．设计各种典型环节的模拟电路。
2．完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。
3．在MATLAB软件上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。
三．实验步骤1．熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，设计并连接各种典型环节（包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。
接线时要注意：先断电，再接线。
接线时要注意不同环节、不同测试信号对运放锁零的要求。
（U3单元的O1接被测对象的输入、G接G1、U3单元的I1接被测对象的输出）。
2．利用实验设备完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。
首先必须在熟悉上位机界面的操作，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。
为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。
接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。
软件界面上的操作步骤如下：①按通道接线情况:通过上位机界面中“通道选择”选择I1、I2路A/D通道作为被测环节的检测端口,选择D/A通道的O1（“测试信号1”）作为被测对象的信号发生端口.不同的通道,图形显示控件中波形的颜色将不同。
②硬件接线完毕后,检查USB口通讯连线和实验箱电源后，运行上位机软件程序,如果有问题请求指导教师帮助。
③进入实验模式后，先对显示模式进行设置：选择“X-t模式”；选择“T/DIV”为1s/1HZ。
④完成上述实验设置，然后设置实验参数，在界面的右边可以设置系统测试信号参数，选择“测试信号”为“周期阶跃信号”，选择“占空比”为50%，选择“T/DIV”为“1000ms”，选择“幅值”为“3V”，可以根据实验需要调整幅值，以得到较好的实验曲线，将“偏移”设为“0”。
以上除必须选择“周期阶跃信号”外，其余的选择都不是唯一的。
要特别注意，除单个比例环节外，对其它环节和系统都必须考虑环节或系统的时间常数，如仍选择“输入波形占空比”为50%，那么“T/DIV”至少是环节或系统中最大时间常数的6～8倍。
这样，实验中才能观测到阶跃响应的整个过程。
⑤以上设置完成后，按LabVIEW上位机软件中的“RUN”运行图标来运行实验程序，然后点击右边的“启动/停止”按钮来启动实验，动态波形得到显示，直至周期响应过程结束，如上述参数设置合理就可以在主界面图形显示控件中间得到环节的“阶跃响应”。
⑥利用LabVIEW软件中的图形显示控件中光标“Cursor”功能观测实验结果；改变实验箱上环节参数，重复⑤的操作；如发现实验参数设置不当，看不到“阶跃响应”全过程，可重复④、⑤的操作。
⑦按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件。
3．分析实验结果，完成实验报告。
四．附录1．比例(P)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例环节的传递函数为：K s U s U i O =)()(其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.1.1、图1.1.2和图1.1.3所示，于是01R R K =。
实验参数取R 0＝100k ，R 1＝200k ，R=10k 。
实验接线如下图：2．积分(I)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应积分环节的传递函数为：Tss U s U i O 1)()(=其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.2.1、图1.2.2和图1.2.3所示，于是C R T 0=， 实验参数取R 0＝100k ，C ＝1uF ，R=10k 。
实验接线如下图：3．比例积分(PI)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例积分环节的传递函数为： Ts K U U i O 1+=其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.3.1、图1.3.2和图1.3.3所示，于是01R RK =，C R T 0=4．比例微分(PD)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例微分环节的传递函数为：)1(Ts K U UiO +=其方块图和模拟电路分别如图1.4.1、图1.4.2所示。
其模拟电路是近似的（即实际PD环节），取321,R R R >>，则有C R R RR T R R R K 2121021,+=+=，实验参数取R 0＝10k ，R 1＝10k ，R 2＝10k ，R 3＝1K ，C ＝10uF ，R=10k 。