机械控制工程实验报告

《机械控制工程》

实验报告

学院：机械与汽车工程学院

专业：机械设计制造及其自动化

学号： ____________________

姓名： ____________________

得分： ____________________

指导： ____________________

日期： ____________________合肥工业大学机械与汽车工程学院

机械电子工程系

实验一典型环节的模拟研究

一、实验目的

1、掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式。

2、观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影

响。

二、实验原理

比例

（P）

积分（I ）

比例积分（P I）

比例微分（PD）

惯性环节（T）

比例积分

微分（PID ）方块图

传递函数

U 0 (s)

k

U i (s)

U 0 (s)1

U i (s)T S

U 0(s)（ 1 ）

U i

K1

T S

(s)

U 0(s)

T S)

K(1

U i (s)

U 0 (s)K

U i (s) 1T S

U 0(s)K p

U i

K p K p T d S

(s)T i S

三、实验步骤

选用虚拟示波器，运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究实验项目，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 测孔测量波形。

1)．观察比例环节的阶跃响应曲线

2)．观察惯性环节的阶跃响应曲线

3)．观察积分环节的阶跃响应曲线

4)．观察比例积分环节的阶跃响应曲线

5)．观察比例微分环节的阶跃响应曲线

6)．观察 PID （比例积分微分）环节的响应曲线

具体用法参见实验指导书第二章虚拟示波器部分。

四、实验曲线及结果分析

1)比例环节

2)惯性环节

3)积分环节

4)比例积分环节

5)比例微分环节

6)PID （比例积分微分）环节

实验二 二阶系统瞬态响应和稳定性分析

一、实验目的

1. 掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法，Ⅰ型二阶闭环系统的传递函数标准式。

2. 研究二阶闭环系统的结构参数 --无阻尼振荡频率 ω n, 阻尼比 ξ 对过渡过程的影响。

3. 掌握欠阻尼二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标 Mp 、 t p 、 t s 的计算。

4. 观察和分析典型二阶闭环系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼的瞬态响应曲线，欠阻

尼二阶闭环系统中的结构参数 --自然频率（无阻尼振荡频率） ωn, 阻尼比 ξ对瞬态响应

的影响。

二、 实验原理

图 3-1-7 是典型二阶系统原理方块图。

图 3-1-7

典型二阶系统原理方块图

Ⅰ型二阶系统的开环传递函数：

G(S)

K

TiS(TS 1)

G( S)

2

Ⅰ型二阶系统的闭环传递函数标准式：

(s)

2

n

2

G(S)

S n

S

1 2

n

自然频率（无阻尼振荡频率） ： n

K

阻尼比：

1 Ti

TiT

2 KT

有二阶闭环系统模拟电路如图

3-1-8 所示。它由积分环节（

A2 ）和惯性环节（ A3 ）

构成。

图 3-1-8 典型二阶闭环系统模拟电路图 3-1-8 的二阶系统模拟电路的各环节参数及系统的传递函数：

积分环节（ A2 单元）的积分时间常数 Ti=R 1*C 1=1S 惯性环节（ A3 单元）的惯性时间常数

T=R 2*C 2=0.1S

该闭环系统在 A3 单元中改变输入电阻

R 来调整增益 K ，R 分别设定为 10k 、40k 、100k 。

G(S)

K

K

R 2 100k

1) S(0.1S

1)

其中 K

R

TiS(TS R

2 10K

( s)

n

2

2

2

n K10K1T110

TiT2KT2K

当 R=100k ，K=1=1.58 >1 为过阻尼响应，

当 R=40k ，K=2.5=1为临界阻尼响应，

当 R=10k ，K=10=0.50< <1 为欠阻尼响应。

欠阻尼二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标Mp 、t p、t s 的计算：（ K=10 =0.5）

：

M P e12

超调量100% 16.3%峰值时间：

t p

120.36

n

：t s4

调节时间0.8

n

三、实验步骤

选用虚拟示波器，运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的二阶典型系统瞬态响应和稳定性实验项目，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 测孔测量波形。典型

二阶系统模拟电路见图3-1-8 。该环节在A3 单元中改变输入电阻R 来调整衰减时间。

具体用法参见实验指导书第二章虚拟示波器部分。