控制工程实验指示书.
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控制工程基础实验指示书
郭美凤赵长德
清华大学精密仪器与机械学系
2003-5-5
实验一 Matlab 仿真实验
一、基本实验
1、 对于一阶惯性系统
G s s ()=
+K
T 1
当分别取以下几组参数时，试画出系统单位阶跃响应曲线、频率特性乃氏图和伯德图。
1).K=1,T=10; 2).K=1,T=1; 3).K=1,T=0.1
2、 对于二阶系统
G s s s ()=
++1
2122T T ζ
分别就T=1和T=0.1，ς分别取0, 0.2, 0.5, 0.7, 1, 10时，画出系统单位阶跃响应曲线、频率特性乃氏图和伯德图。
3、 自构造高阶系统，试利用Matlab 软件工具分析其时域、频域特性。
4、 对于下列系统，试画出其伯德图，求出相角裕量和增益裕量，并判其稳定性
（1）
)10047.0)(103.0(250
)()(++=
s s s s H s G （2） )
10047.0)(103.0)(110()
15.0(250)()(++++=
s s s s s s H s G
二、结合“运动控制系统”实验，熟悉MATLAB 的控制系统图形输入与仿真工具SIMULINK 。
实验目的
1）熟悉直流伺服电机控制系统各环节的传递函数模型； 2）根据给定的性能指标，设计速度环与位置环的控制器参数。 1．实验内容及要求 2.1 速度环仿真实验
图1 双环调速系统方框图
速度环的传递函数方框图见图1。
测速发电机系数 r p m V K n 1000/24==0.02235V/rpm =0.213)//(s rad V ，
而电动机反电势系数 =⨯Ω-==rpm
A V n E C e 10005.47.1300.213s rad V // ,所以
=J C M 213
.01
105.147.113⋅⋅=⋅-e M a C T R =550 2/s A rad ⋅ VA K ＝0.5A/V 测速机滤波时间常数ms F K C R T 95.11.05.192
33
2=⨯Ω=⋅=
μ（也可以重新设计）n [rad/s]为电机转速，最大转速为1000rpm ，反馈系数]1,0[∈β，)(nc s G 为速度环的校正网络。
当)(nc s G 为比例－积分（PI ）调节器时，其传递函数为
s
T s s G n n nc 1
)(+=
τ
（1）
当)(nc s G 为比例（P ）调节器时，其传递函数为
n nc )(K s G =
（2）
1．给定速度环的性能指标如下： 1）单位阶跃响应的超调量小于30％； 2）单位阶跃响应的调整时间小于0.06s ； 3）闭环带宽不小于10Hz 。
滤波器
霍尔电流
当速度环分别采用P 与PI 调节器时，设计满足给定指标的调节器参数。 提示：
有关参数的参考取值为：5.0=β，6n =K ，s T 02.0n ≈，s 004.0n ≈τ。 2．根据设计的调节器参数，给出速度环采用P 与PI 调节器时的波特图，比较二者的稳定裕量和剪切频率。
3．给出速度环分别采用P 与PI 调节器时的闭环频率特性及频域指标（闭环带宽，谐振峰值，谐振频率）。
4．比较速度环采用P 与PI 调节器时的阶跃响应及瞬态响应指标（超调量与调整时间）。 2.2 位置环仿真实验
位置环的传递函数方框图见图2。
图2中pi V [V]为位移命令输入，x [mm]为工作台位移，pf V [V]为电子电位计测得的工作台
位移电压，)(pc s G 为位置环的校正网络，)(n s G 为速度环的闭环传递函数。
当)(pc s G 为近似比例－积分（PI ）调节器时，其传递函数为
1
1
)(p p p
pc ++=s T s K s G τ
（3）
当)(pc s G 为比例（P ）调节器时，其传递函数为
p pc )(K s G =
（4）
1. 给定位置环的性能指标如下： 1) 单位阶跃响应的超调量小于30％； 2) 单位阶跃响应的调整时间小于0.2s ； 3) 闭环带宽不小于4Hz 。
当位置环分别采用P 与PI 调节器时，设计满足给定指标的调节器参数。
图2 伺服电机控制系统方框图（位置环）
提示：1. 速度环可任选P 或PI 调节器（建议选PI 调节器）；
2．位置环调节器参数参考取值: 100p ≈K ，s 0047.0p ≈τ，s T 02.0p ≈。 2. 根据设计的调节器参数，给出位置环采用P 与PI 调节器时的波特图，比较二者的稳定裕量和剪切频率。
3. 给出位置环分别采用P 与PI 调节器时的闭环频率特性及频域指标（闭环带宽，谐振峰值，谐振频率）。
4. 比较位置环采用P 与PI 调节器时的阶跃响应及瞬态响应指标（超调量与调整时间）。
关于伺服电机控制系统的详细资料参见附录1。
实验二 直流电动机调速系统
一、实验目的
1. 熟悉直流伺服电机控制系统各环节的传递函数模型；
2. 掌握速度环的设计和实验调试方法，从而从理论与实际的结合上掌握自动控
制系统的设计与校正方法。
二、实验原理
见附录1
三、实验要求
速度环的传递函数方框图见下图，因为电机最大转速1000rpm ，故传递函数方框图中加一饱和环节。
当)(nc s G 为比例－积分（PI ）调节器时，其传递函数为
s
T s s G n n nc 1
)(+=
τ
（1）
当)(nc s G 为比例（P ）调节器时，其传递函数为
滤波器
霍尔电流