控制工程基础(I)实验指导书

Tip：正常的模块识别功能开始时将有继电器弹片吸合的声音，若按下Refresh后没有 吸合音，请查看数据采集卡是否选择正确以及线缆是否正确连接。
实验步骤
（1）实验接线：按照图 4-8 搭建实验电路。在可选器件中取R0=R1=200k，C=1uF（或 2.2uF）接入电路。参考接法：将Vout（阶跃信号输出端）接入 P1（信号输入端），将P1 与P21连接，P2与P22连接，P2 与 P23连接，P24与 P7 连接，P7 与 P9 连接，P23与 P25 连接， P24与 P26连接， 将输出信号 P10 与 Ai1+连接， 为了跟踪输入信号， 将Vout 与 AI0+ 连接，AI0-和 AI1-分别接 GND，完成实验电路。接线完毕请再次检查接线是否正确，然 后上电。 （2）软件设置：该环节设置为单次采集，采样长度为20k，采样率为10k/s。如果信
实验原理及内容
(1)方框图：见图 1-1。
图 1.1 惯性环节方框图
（2）传递函数：
Uo(S) K = Ui (S) TS + 1
（3）模拟电路图：见图1.2。
图 1.2 惯性环节模拟电路
（4）阶跃响应 其 中 ： K = R1 R0
T = R 1C
（5）理想与实际阶跃响应曲线对照。
3
控制工程基础（I）实验指导书
：设置阶跃信号输出的幅值，可以设置1V，2V，3V，4V，5V。信号输出按 钮独立控制信号的输出，在程序运行后，可以用该按钮控制阶跃信号的输出。软件默认 为1V输出。 ：勾选“通道1”、“通道0”，可以使通道0和通道1的波形显示。 勾选“光标”，使光标处于活动状态。
：“幅值”表示光标1和光标2在幅值上差值的绝对值，“时间”表示 光标1和光标2在时间上差值的绝对值，利用该数据可以测量系统的Ts、Tp、Mp等参数。 通过移动光标1和光标2的位置进行测试，光标测试数据会自动新。
实验设备
PC 机一台，nextcontrol_02 模块一个，nextboard 一套或者 ELVIS 以及 Elvisboard 一套，导线若干。
实验步骤
电路图如下图所示。
（1）实验接线。按照上图搭建实验电路。将资源区域的Vout（阶跃信号输出端）接 入P1（信号输入端），P3接P6，在可选器件中取R=10k接入P6和P7，将P19和P20分别接入 P7和P8，再将P8与P2连接，P8与P9连接，再将输出端P10与AI1+连接，为了跟踪输入信号， 将Vout与AI0+连接，AI0-和AI1-分别接GND，完成实验电路。接线完毕请再次检查接线是 否正确，然后上电。 （2）软件设置：在nextpad中进入“典型环节的时域响应和稳定性分析”界面（如果 有多个设备存在，Dev会提示“请选择实验设备”，如果只有一个实验设备，系统会自动 加载并且显示该实验设备。当计算机上的实验设备有变化的时候，请点Refresh，更新后 的设备会自动更新到Dev中。）设置采集方式为“单次运行”，采样长度为40k~60k，采样 率为10k，信号幅值为1V。
第一步：关闭平台电源（nextboard或者myboard或者ELVISboard），插上声典型环节 的时域响应和稳定性分析模块，开启平台电源，此时可以看到模块左上角电源指示灯亮。
4
控制工程基础（I）实验指导书
第二步：运行典型环节的时域响应实验应用程序。
课程操作说明
典型环节的时域响应和稳定性分析实验软面板的主体是课程选项卡，它共由三个部分 组成： 实测面板、 实验电路、 例程演示。 按钮分为： 功能按钮 以及硬件刷新按钮 。 和 ， 帮助按钮 ，
号输出没有开启，请先按下“ 信号设置为1V。
”按钮（默认情况下该按钮为输出状态）。输出
（3）运行软件：本环节中，将S101和S102始终拨到off状态。为了更好的观察输出信 号，可以手动设置波形图的幅值范围。如果需要存储波形，可以在波形图上右键选择 Export Simplified Image，在弹出的对话框中选择 Save to file，然后选择要保存的
Tp (s)
ts (s)
C C 理 R K ωn ξ (tp) (∞) 论 量 论 量 论 量 响应 测 理 测 理 测 阶跃
项目 (KΩ) 值 值 值 值 值 值 情况
11
控制工程基础（I）实验指导书
二、系统频率响应实验
2.1 一阶系统的频率响应 实验目的
1．掌握波特图的绘制方法及由波特图来确定系统开环传函。 2．掌握实验方法测量系统的波特图。
二、系统频率响应实验.......................12
2.1 一阶系统的频率响应 ......................... 12 2.2 二阶系统的频率响应 ......................... 16
三、系统稳定性分析 ........................19 四、线性系统的校正实验 .....................22 五、经典控制理论实验模块 ...................27
六、机械臂创新控制模块实验 .................34 维护保养 ..................................37
2来自百度文库
控制工程基础（I）实验指导书
一、 典型系统的时域响应实验
1.1 一阶系统时域响应分析
实验目的
1．掌握惯性环节模拟电路的构成方法，掌握nextcontrol实验课件系统的使用方法。 2．熟悉惯性环节的理想阶跃响应曲线和实际阶跃响应曲线。 3．了解参数变化对惯性环节动态特性的影响。
1.取R0=R1=200K；C=1uF。 理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线
2.取R0=R1=200K；C=2.2uF。 理想阶跃响应曲线 实测阶跃响应曲线
实验设备
PC机一台， nextcontrol_01模块一个， nextboard一套或者ELVIS以及Elvisboard一套， 导线若干。
准备实验：
实验原理
1 频率特性
当输入正弦信号时，线性系统的稳态响应具有随频率（ω由 0 变至∞）而变化的特 性。频率响应法的基本思想是：实际上输入的周期信号，都能满足狄利克莱条件，可以 用富氏级数展开为各种谐波分量；而非周期信号也可以使用富氏积分表示为连续的频谱 函数。因此，根据控制系统对正弦输入信号的响应，可推算出系统在任意周期信号或非 周期信号作用下的运动情况。
控制工程基础（I）实验指导书
作者：柏林、黄国勤
2015.10
控制工程基础（I）实验指导书
前言
控制工程基础（I）实验是高等工科学校开设的一门实验课程。是机械工程专业教育的重 要环节。其目的是： （1） 培养学生综合运用机械控制工程基础相关课程知识的能力，并使所学知识得到巩固和 发展； （2） 学习机械控制的一般方法和步骤； （3） 进行机械控制的一般操作技能的训练。 此外，控制工程基础（I）实验还为毕业设计奠定了基础。
5
控制工程基础（I）实验指导书
实验电路
实测面板
：点击使用帮助按钮可以打开使用手册。 ：点击运行按钮，将开始采集数据。 ：点击停止按钮，停止采集数据。
6
控制工程基础（I）实验指导书
：当模块就位并且上电后，软件会自动识别模块所在槽位，
“采集通道”和“输出通道”会显示所用到的资源。
：在运行软件之前，要先进行采集设置。 运行模式：包括单次运行和连续运行。运行模式如果选择单次运行，则只运行单次 采样时间，采集时间=采样长度/采样，合理设置采样率和采样点，使采集时间（采样点 数/采样率=采样时间）足够采集到反馈波形。如果输出信号是振荡信号，建议采用单次 运行的模式， 这样可以捕捉到最佳的衰减振荡或者发散信号， 如果输出信号是等幅信号， 则可以选择连续运行模式。
实验原理和内容
(1)结构框图：见图 1.3。
图1.3 典型二阶系统结构框图
（2）模拟电路图如图所示：
（3）理论分析
K1 K T0 K1 系统的开环传递函数为 G ( S ) = ,开环增益 K = 1 = T0 T0 S (T1S + 1) S (T 1S + 1)
（4）实验内容 先算出临界阻尼、欠阻尼、过阻尼时电阻R的理论值，再将理论值应用于模拟电路中， 观察二阶系统的动态性能及稳定性，应与理论分析基本吻合。在此实验中（图4-2），
3 频率特性的表达式
12
控制工程基础（I）实验指导书
(1)对数频率特性： 又称波特图， 它包括对数幅频和对数相频两条曲线， 是频率响 应 法中广泛使用的一组曲线。这两组曲线连同它们的坐标组成了对数坐标图。 对数频率特性图的优点：①它把各串联环节幅值的乘除化为加减运算，从而简化了 开环频率特性的计算与作图。②利用渐近直线来绘制近似的对数幅频特性曲线，而且对 数相频特性曲线具有奇对称于转折频率点的性质，这些可使作图大为简化。③通过对数 的表达式，可以在一张图上既能绘制出频率特性的中、高频率特性，又能清晰地画出其 低频特性。本次实验中，采用对数频率特性图来进行频域响应的分析研究。
:Ai0和Ai1通道的测试数据。
7
控制工程基础（I）实验指导书
RMS：均方根值。 P-P：峰峰值。 Feq:计算出的波形频率。 ：当模块更换插槽或者数据采集设备更换时需要点击硬件按刷新按钮重新识别。 当系统中有多个数据采集卡时， 设备栏将出现“请选择设备”的提示， 正确选择平台 连接的采集设备后，软件开始自动识别模块对应数据采集通道。
2 线性系统的频率特性
系统的正弦稳态响应具有和正弦输入信号的幅值比 φ ( jω ) 和相位差 ∠φ ( jω ) 随角频 率（ω由 0 变到∞）变化的特性。而幅值比 φ ( jω ) 和相位差 ∠φ ( jω ) 恰好是函数 φ ( jω ) 的 模和幅角。 所以只要把系统的传递函数 φ ( S ) ， 令 s=jw， 即可得到 φ ( jω ) 。 我们把 φ ( jω ) 称 为系统的频率特性或频率传递函数。当ω由 0 到∞变化时， φ ( jω ) 随频率ω的变化特性 成为幅频特性， ∠φ ( jω ) 随频率ω的变化特性称为相频特性。幅频特性和相频特性结合 在一起时称为频率特性。
路径，可以将波形保存成简化图的bmp格式文件。 （4）更换电容 C 的容值，观察惯性环节特性，移动光标测试输出信号到达输入信号 的0.632倍时的时间。（由于电子器件的精度有限，实测值跟理论值会有微小偏差）
实验报告要求
8
控制工程基础（I）实验指导书
1.2 二阶系统的时域响应
实验目的
1.研究二阶系统的特征参量（ξ、ωn）对过渡过程的影响。 2.研究二阶系统的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。
9
控制工程基础（I）实验指导书
T0 = 1s ，T1 = 0.2s ， K1 = 200 ⇒ K = 200 R R
系统闭环传递函数为 W (S ) =
2 ωn 5K = 2 2 2 S + 2ζω n S + ωn S + 5S + 5K
其中自然震荡角频率： ωn =
5 10 R K 10 ，阻尼比： ζ = . = = 10 2ωn 40 T1 R
5.1 温度控制模块 ............................... 27 5.2 光亮度控制模块 ............................. 29 5.3 速度控制模块 ............................... 31 5.4 位置控制模块 ............................... 33
10
控制工程基础（I）实验指导书
（3）运行软件：设置好参数以后，请先按下“信号输出”按钮，再按下“运行”按 钮，观察系统响应曲线。 （4）更换阻值，分别使R=49.9k、160k、200k，观察不同R值下的系统响应。
实验报告要求
将典型二阶系统瞬态性能指标实验数据填入表1.1。
表 1.1
Mp (%) 参数
1
控制工程基础（I）实验指导书
目录
前言 ...................................... 1 一、 典型系统的时域响应实验 ............... 3
1.1 一阶系统时域响应分析 ........................ 3 1.2 二阶系统的时域响应 .......................... 9