實(shí)驗(yàn)(自動(dòng)控制部分)

1、機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)主講人主講人: :榮軍榮軍E-mail:rj1219E-mail:rj1219 機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬典型環(huán)節(jié)的電路模擬 與軟件仿真與軟件仿真 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?、?shí)驗(yàn)?zāi)康?熟悉并掌握熟悉并掌握THBCC-1THBCC-1型型 信號(hào)與系統(tǒng)信號(hào)與系統(tǒng)控制理論及控制理論及 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及上位機(jī)軟件的使用方法。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及上位機(jī)軟件的使用方法。2 2熟悉各典型環(huán)節(jié)的電路傳遞函數(shù)及其特性，掌握熟悉各典型環(huán)節(jié)的電路傳遞函數(shù)及其特性，掌握 典型環(huán)節(jié)的電路模擬與

2、軟件仿真研究。典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究。 3 3測(cè)量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，了解參數(shù)變化對(duì)測(cè)量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，了解參數(shù)變化對(duì) 其動(dòng)態(tài)特性的影響。其動(dòng)態(tài)特性的影響。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1 1THBCC-1THBCC-1型型 信號(hào)與系統(tǒng)信號(hào)與系統(tǒng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制理論及計(jì)算機(jī) 控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2 2PCPC機(jī)機(jī)1 1臺(tái)臺(tái)( (含上位機(jī)軟件含上位機(jī)軟件)37)37針通信線針通信線1 1根根 3 3雙蹤慢掃描示波器雙蹤慢掃描示波器1 1臺(tái)臺(tái)( (可選可選) )機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)

3、容1 1設(shè)計(jì)并組建各典型環(huán)節(jié)的模擬電路設(shè)計(jì)并組建各典型環(huán)節(jié)的模擬電路； 2 2測(cè)量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)，并研究參數(shù)變化測(cè)量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)，并研究參數(shù)變化 對(duì)其輸出響應(yīng)的影響對(duì)其輸出響應(yīng)的影響 3 3上位機(jī)界面上，填入各典型環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型的實(shí)上位機(jī)界面上，填入各典型環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型的實(shí) 際參數(shù)，據(jù)此完成它們對(duì)階躍響應(yīng)的軟件仿真，際參數(shù)，據(jù)此完成它們對(duì)階躍響應(yīng)的軟件仿真， 并與模擬電路測(cè)試的結(jié)果相比較。并與模擬電路測(cè)試的結(jié)果相比較。 機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)四、實(shí)驗(yàn)原理四、實(shí)驗(yàn)原理 自控系統(tǒng)是由比例、積分、慣性環(huán)節(jié)等按一定的關(guān)自控系統(tǒng)是由比例、積分、慣性環(huán)節(jié)等按一定的關(guān)系連接而成。

4、熟悉這些慣性環(huán)節(jié)對(duì)階躍輸入的響應(yīng)，對(duì)系連接而成。熟悉這些慣性環(huán)節(jié)對(duì)階躍輸入的響應(yīng)，對(duì)分析線性系統(tǒng)將是十分有益。分析線性系統(tǒng)將是十分有益。 在附錄中介紹了典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、理論上的階躍在附錄中介紹了典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、理論上的階躍響應(yīng)曲線和環(huán)節(jié)的模擬電路圖。響應(yīng)曲線和環(huán)節(jié)的模擬電路圖。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)五、實(shí)驗(yàn)步驟五、實(shí)驗(yàn)步驟 熟悉實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的模擬電路單元，熟悉實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的模擬電路單元， 構(gòu)建所設(shè)計(jì)的構(gòu)建所設(shè)計(jì)的( (可參考本實(shí)驗(yàn)附錄可參考本實(shí)驗(yàn)附錄) )并連接各典并連接各典 型環(huán)節(jié)（包括比例、積分、比例積分、比例微型環(huán)節(jié)（包括比例、積分、比例積分、比

5、例微 分、比例積分微分以及慣性環(huán)節(jié)）的模擬電路。分、比例積分微分以及慣性環(huán)節(jié)）的模擬電路。 待檢查電路接線無誤后待檢查電路接線無誤后, ,接通實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電源總開關(guān)，接通實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電源總開關(guān)， 并開啟并開啟5V5V，15V15V直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)2 2對(duì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)單元的運(yùn)放進(jìn)行調(diào)零（令運(yùn)放各輸對(duì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)單元的運(yùn)放進(jìn)行調(diào)零（令運(yùn)放各輸入端接地，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使運(yùn)放輸出端為入端接地，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使運(yùn)放輸出端為0V0V） 注意：積分、比例積分、比例積分微分實(shí)驗(yàn)中所用注意：積分、比例積分、比例積分微分實(shí)驗(yàn)中所用到的積分環(huán)節(jié)單元）不需要鎖零（令積分電容

6、放電）時(shí)到的積分環(huán)節(jié)單元）不需要鎖零（令積分電容放電）時(shí), ,需將鎖零按鈕彈開，使用鎖零按扭時(shí)需要共地，則需要需將鎖零按鈕彈開，使用鎖零按扭時(shí)需要共地，則需要把信號(hào)發(fā)生器的地和電源地用導(dǎo)線相連。把信號(hào)發(fā)生器的地和電源地用導(dǎo)線相連。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)3 3測(cè)試各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)，并研究參數(shù)變化對(duì)輸測(cè)試各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)，并研究參數(shù)變化對(duì)輸 出響應(yīng)的影響出響應(yīng)的影響 1) 1) 不用上位機(jī)時(shí)，將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上不用上位機(jī)時(shí)，將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上 “ “階躍信號(hào)發(fā)生階躍信號(hào)發(fā)生器器”單元的輸出端與相關(guān)電路的輸入端相連，選擇單元的輸出端與相關(guān)電路的輸入端相連，選擇“正正輸出輸出”然后按下按

7、鈕，產(chǎn)生一個(gè)階躍信號(hào)然后按下按鈕，產(chǎn)生一個(gè)階躍信號(hào)( (用萬用表測(cè)用萬用表測(cè)試其輸出電壓試其輸出電壓, ,并調(diào)節(jié)電位器并調(diào)節(jié)電位器, ,使其輸出電壓為使其輸出電壓為“1”V“1”V，用示波器用示波器x-tx-t顯示模式觀測(cè)該電路的輸入與輸出曲線顯示模式觀測(cè)該電路的輸入與輸出曲線如果效果不好要做新做則只要按一下鎖零開關(guān)對(duì)電容如果效果不好要做新做則只要按一下鎖零開關(guān)對(duì)電容放電，在重新做即可。放電，在重新做即可。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 2) 2) 用上位機(jī)時(shí)，由上位機(jī)提供的虛擬示波器代替用上位機(jī)時(shí)，由上位機(jī)提供的虛擬示波器代替步驟步驟1 1）中的慢掃描示波器。接線時(shí)還需要將該電路的

8、）中的慢掃描示波器。接線時(shí)還需要將該電路的輸出端與采集卡接口單元的輸入端輸出端與采集卡接口單元的輸入端AD1AD1（也可選取其它（也可選取其它任意輸入通道）相連（用雙通道時(shí)電路的輸出端還的任意輸入通道）相連（用雙通道時(shí)電路的輸出端還的和和AD2AD2相連），并接好采集卡接口單元與上位相連），并接好采集卡接口單元與上位PCPC機(jī)的并機(jī)的并口通訊線。待接線完成并檢查無誤后，上位機(jī)啟動(dòng)口通訊線。待接線完成并檢查無誤后，上位機(jī)啟動(dòng)“THTHBCC-1”BCC-1”軟件，出現(xiàn)軟件，出現(xiàn)“登錄窗口登錄窗口”。具體操作步驟如下。具體操作步驟如下: : 機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 用戶在用戶在“

9、登錄窗口登錄窗口”中輸出自己的學(xué)號(hào)，并點(diǎn)擊中輸出自己的學(xué)號(hào)，并點(diǎn)擊“登登錄錄”按鈕（若是第一次登錄該軟件，則需點(diǎn)擊按鈕（若是第一次登錄該軟件，則需點(diǎn)擊“注冊(cè)注冊(cè)”按鈕進(jìn)按鈕進(jìn) 行注冊(cè)，即需按要求填入自己的行注冊(cè)，即需按要求填入自己的“姓名姓名”、“學(xué)號(hào)學(xué)號(hào)”、“系系 別別”和和“班級(jí)班級(jí)”）進(jìn)入軟件主窗口。）進(jìn)入軟件主窗口。 點(diǎn)擊工具欄上的點(diǎn)擊工具欄上的“實(shí)驗(yàn)選擇實(shí)驗(yàn)選擇”按鈕，選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)按鈕，選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目項(xiàng)目。 點(diǎn)擊點(diǎn)擊 “通道設(shè)置通道設(shè)置”按鈕，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集通道按鈕，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集通道(單通道單通道)或（雙通道），然后點(diǎn)擊或（雙通道），然后點(diǎn)擊“開始采集開始采集”按鈕，

10、按鈕，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 點(diǎn)擊點(diǎn)擊“虛擬示波器虛擬示波器”按鈕，首先選擇按鈕，首先選擇X-tX-t顯示模式及顯示模式及相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示通道（同時(shí)需在相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示通道（同時(shí)需在“虛擬示波器虛擬示波器”窗口右窗口右側(cè)點(diǎn)擊相應(yīng)的側(cè)點(diǎn)擊相應(yīng)的“顯示顯示”按鈕），然后順序點(diǎn)擊按鈕），然后順序點(diǎn)擊“啟動(dòng)啟動(dòng)”、“開始開始”按鈕，（若是選擇雙通道則還要點(diǎn)按鈕，（若是選擇雙通道則還要點(diǎn)Y-tY-t顯示）顯示）在按下階越信號(hào)按扭即可觀測(cè)實(shí)驗(yàn)波形。同時(shí)還可在按下階越信號(hào)按扭即可觀測(cè)實(shí)驗(yàn)波形。同時(shí)還可改變示波器的顯示量程改變示波器的顯示量程(ms(ms或或s/dim

11、)s/dim)及輸入波形的放及輸入波形的放大系數(shù)，以便更清晰的觀測(cè)波形。大系數(shù)，以便更清晰的觀測(cè)波形。點(diǎn)擊點(diǎn)擊“暫停暫?！比缓簏c(diǎn)然后點(diǎn)“存儲(chǔ)存儲(chǔ)”按鈕，保存實(shí)驗(yàn)波形和數(shù)據(jù)。按鈕，保存實(shí)驗(yàn)波形和數(shù)據(jù)。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)4點(diǎn)擊點(diǎn)擊“仿真平臺(tái)仿真平臺(tái)”按鈕，根據(jù)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，在按鈕，根據(jù)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，在“傳傳遞函數(shù)遞函數(shù)”欄中填入該環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)，如比例積分環(huán)節(jié)欄中填入該環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)，如比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為的傳遞函數(shù)為:0.1S10.1SCSR1CSR(s)u(s)uG(s)12io 則在則在“傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)”欄的分子中填入欄的分子中填入“0.1,1”, 分母中填入

12、分母中填入“0.1,0”即可，然后點(diǎn)擊即可，然后點(diǎn)擊“仿真仿真”按鈕，即可觀測(cè)到該環(huán)節(jié)按鈕，即可觀測(cè)到該環(huán)節(jié)的仿真曲線，并可與電路模擬研究的結(jié)果相比較。的仿真曲線，并可與電路模擬研究的結(jié)果相比較。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 注：仿真實(shí)驗(yàn)只針對(duì)傳遞函數(shù)的分子階數(shù)小于等于注：仿真實(shí)驗(yàn)只針對(duì)傳遞函數(shù)的分子階數(shù)小于等于分母階數(shù)的情況，若分子階數(shù)大于分母階數(shù)（如含有微分母階數(shù)的情況，若分子階數(shù)大于分母階數(shù)（如含有微分項(xiàng)的傳遞函數(shù)），則不能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，否則出錯(cuò)。分項(xiàng)的傳遞函數(shù)），則不能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，否則出錯(cuò)。5點(diǎn)擊點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)報(bào)告”，根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)存儲(chǔ)的波形和數(shù)據(jù)完成，根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)存儲(chǔ)的波

13、形和數(shù)據(jù)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.1.畫出各典型環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)電路圖，并注明參數(shù)。畫出各典型環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)電路圖，并注明參數(shù)。2 2寫出各典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。寫出各典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。3 3根據(jù)測(cè)得的典型環(huán)節(jié)單位階躍響應(yīng)曲線，分析參根據(jù)測(cè)得的典型環(huán)節(jié)單位階躍響應(yīng)曲線，分析參數(shù)變化對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響？數(shù)變化對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響？機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)七、實(shí)驗(yàn)思考題七、實(shí)驗(yàn)思考題1 1用運(yùn)放模擬典型環(huán)節(jié)時(shí)，其傳遞函數(shù)是在什么假設(shè)用運(yùn)放模擬典型環(huán)節(jié)時(shí)，其傳遞函數(shù)是在什么假設(shè)條件下近似導(dǎo)出的？條件下近似導(dǎo)出的？2 2積分環(huán)節(jié)

14、和慣性環(huán)節(jié)主要差別是什么？在什么條件下，積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差別是什么？在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為積分環(huán)節(jié)？而又在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為積分環(huán)節(jié)？而又在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為比例環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為比例環(huán)節(jié)？3 3在積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)中，如何根據(jù)單位階躍在積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)中，如何根據(jù)單位階躍響應(yīng)曲線的波形，確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)響應(yīng)曲線的波形，確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)？機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)八、附錄八、附錄1 1比例（比例（P P）環(huán)節(jié)）環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為

15、:K)s(u)s(u)s(Gio 其模擬電路（后級(jí)為反相器）和單位階躍響應(yīng)曲線其模擬電路（后級(jí)為反相器）和單位階躍響應(yīng)曲線分別如圖分別如圖1-11-1所示。所示。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)12RR其中其中K=K=通過改變電路中通過改變電路中R1R1、R2R2的阻值，可改變放大系數(shù)。的阻值，可改變放大系數(shù)。 ,這里取這里取 R1=100KR1=100K，R2=200KR2=200K，R0=200KR0=200K。 圖圖1-1 比例環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線比例環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為積分環(huán)節(jié)

16、的傳遞函數(shù)與方框圖分別為:2 2積分積分(I)環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)Ts1(s)u(s)uG(s)io其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖1-31-3所示所示圖圖1-2 1-2 積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 其中其中 T=RCT=RC，這里取，這里取 C=10uF,R=100K,R0=200KC=10uF,R=100K,R0=200K。通過。通過改變改變R R、C C的值可改變響應(yīng)曲線的上升斜率。的值可改變響應(yīng)曲線的上升斜率。3 3比例積分比例積分(PI)(PI)環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方

17、框圖分別為積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為:)CSR11 (RRCSR1RRCSR1CSR)s(u)s(u)s(G21211212io機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖1-31-3所示所示其中其中 12RRK ，T=R1CT=R1C，這里取，這里取C=10uF, R1=100KC=10uF, R1=100K，R2=100KR2=100K，R0=200KR0=200K。通過改變通過改變R2R2、 R1R1、C C的值的值 比例積分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)比例積分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K K和積分時(shí)間常數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)T T。 可改變可改變 圖圖

18、1-3 1-3 比例積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線比例積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)4 4比例微分比例微分(PD)(PD)環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：)CSR1 (RR)TS1 (K)s(G112其中其中CRT,R/RK112機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖1-41-4所示：所示： 圖圖1-4 1-4 比例微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線比例微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線 這里取這里取C=1uF,

19、R1=100KC=1uF, R1=100K，R2=200KR2=200K，R0=200KR0=200K。通。通過改變過改變R2R2、R1R1、C C的值可改變比例微分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)的值可改變比例微分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K K和微分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)T T。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)5 5比例積分微分比例積分微分(PID)(PID)環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)比例積分微分比例積分微分(PID)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：STST1Kp)s(Gdi 其中其中 212211CRCRCRKp21iCRT 12dCRTSCR)1SCR)(1SCR(211122SCRSCR1CRC

20、RCR1221211122S1 .0S1 .012（當(dāng)（當(dāng)Kp=2=2 iT =0.1, =0.1, dT =0.1 =0.1時(shí)）時(shí)）機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖1-51-5所示所示圖圖1-5 1-5 比例積分微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線比例積分微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 其中其中 C1=1uF, C2=1uF,R1=100KC1=1uF, C2=1uF,R1=100K，R2=100K, R0=200KR2=100K, R0=200K。通過改變通過改變R2R

21、2、R1R1、C1C1、C2C2的值可改變比例積分微分環(huán)節(jié)的的值可改變比例積分微分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)放大系數(shù)K K、微分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù) 和積分時(shí)間常數(shù)和積分時(shí)間常數(shù) 。dTiT機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 6 6慣性環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié) 慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為： 1TSK)s(u)s(u)s(Gio其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖1-61-6所示：所示： 其中其中 12RRK R2=100K, R0=200KR2=100K, R0=200K。通過改變。通過改變R2R2、R1R1、C C的的值可改變慣性環(huán)節(jié)的放大

22、系數(shù)值可改變慣性環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K K和時(shí)間常數(shù)和時(shí)間常數(shù)T T。T=R2CT=R2C，這里取，這里取C=1uF,R1=100KC=1uF,R1=100K，機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)圖圖1-61-6慣性環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線慣性環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)二實(shí)驗(yàn)二 線性定常系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)線性定常系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?、?shí)驗(yàn)?zāi)康?. 1. 掌握線性定常系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的測(cè)試方法；掌握線性定常系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的測(cè)試方法； 2.2.研究線性定常系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定研究線性定常系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定 性的影響

23、。性的影響。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1 1THBCC-1THBCC-1型型 信號(hào)與系統(tǒng)信號(hào)與系統(tǒng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2 2PCPC機(jī)機(jī)1 1臺(tái)臺(tái)( (含上位機(jī)軟件含上位機(jī)軟件)37)37針通信線針通信線1 1根根3 3雙蹤慢掃描示波器雙蹤慢掃描示波器1 1臺(tái)臺(tái)( (可選可選) )機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 1觀測(cè)二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，并測(cè)出其超調(diào)量和觀測(cè)二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，并測(cè)出其超調(diào)量和 調(diào)整時(shí)間；調(diào)整時(shí)間；2 2調(diào)節(jié)二階系統(tǒng)的開環(huán)增益調(diào)節(jié)二階系統(tǒng)的開環(huán)增益K K，使系

24、統(tǒng)的阻尼比，使系統(tǒng)的阻尼比= = ， 測(cè)出此時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間；測(cè)出此時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間；213. 3. 研究三階系統(tǒng)的開環(huán)增益研究三階系統(tǒng)的開環(huán)增益K K，或一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常，或一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常 數(shù)數(shù)T T的變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響；的變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響；4 4由實(shí)驗(yàn)確定三階系統(tǒng)穩(wěn)定的臨界由實(shí)驗(yàn)確定三階系統(tǒng)穩(wěn)定的臨界K K值。值。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)四、實(shí)驗(yàn)原理四、實(shí)驗(yàn)原理 本實(shí)驗(yàn)是研究二階和三階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。為了使本實(shí)驗(yàn)是研究二階和三階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。為了使二階系統(tǒng)的研究具有普遍性意義，通常把它的閉環(huán)傳遞二階系統(tǒng)的研究具有普遍性意義，通常把它

25、的閉環(huán)傳遞函數(shù)寫如下的標(biāo)準(zhǔn)形式：函數(shù)寫如下的標(biāo)準(zhǔn)形式：2nn22nS2S)S(R)S(C式中式中系統(tǒng)的阻尼比系統(tǒng)的阻尼比 n和所包含的內(nèi)容也是不同的。和所包含的內(nèi)容也是不同的。 系統(tǒng)的無阻尼自然頻率。系統(tǒng)的無阻尼自然頻率。他們的他們的和和 n的內(nèi)容也是不同的。的內(nèi)容也是不同的。所包含所包含機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益K K，可使系統(tǒng)的阻尼比分別為：，可使系統(tǒng)的阻尼比分別為：01011三種。對(duì)應(yīng)于這三那種情況下系統(tǒng)三種。對(duì)應(yīng)于這三那種情況下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，在實(shí)驗(yàn)中都能觀測(cè)到，他們分別為附錄的階躍響應(yīng)曲線，在實(shí)驗(yàn)中都能觀測(cè)到，他們分別為附錄中的

26、圖中的圖2 23 3所示。所示。 本實(shí)驗(yàn)中的三階系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)是由兩個(gè)慣性環(huán)本實(shí)驗(yàn)中的三階系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)是由兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)積分環(huán)節(jié)相串連組成。由控制理論中的勞斯判據(jù)節(jié)和一個(gè)積分環(huán)節(jié)相串連組成。由控制理論中的勞斯判據(jù)可知，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益可知，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益K K和某一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常和某一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)數(shù)T T，都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能的明顯變化。，都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能的明顯變化。 有關(guān)二階和三階系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)系有關(guān)二階和三階系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模擬電路請(qǐng)參閱附錄。統(tǒng)的模擬電路請(qǐng)參閱附錄。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)五、實(shí)驗(yàn)

27、步驟五、實(shí)驗(yàn)步驟1 1利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的模擬電路單元利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的模擬電路單元, ,設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)( (具體可參考具體可參考本實(shí)驗(yàn)附錄的圖本實(shí)驗(yàn)附錄的圖2-2)2-2)一個(gè)由積分環(huán)節(jié)（積分環(huán)節(jié)鎖零端一個(gè)由積分環(huán)節(jié)（積分環(huán)節(jié)鎖零端的使用請(qǐng)參考實(shí)驗(yàn)一的相關(guān)步驟）和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串的使用請(qǐng)參考實(shí)驗(yàn)一的相關(guān)步驟）和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)組成的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。待檢查電路接線無聯(lián)組成的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。待檢查電路接線無誤后誤后, ,接通實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電源總開關(guān)，并開啟接通實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電源總開關(guān)，并開啟5V5V，15V15V直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源。2 2利用示波器（慢掃描示波器或虛擬示波器）觀測(cè)二利用示波

28、器（慢掃描示波器或虛擬示波器）觀測(cè)二階模擬電路的階躍響應(yīng)特性，并測(cè)出其超調(diào)量和調(diào)整階模擬電路的階躍響應(yīng)特性，并測(cè)出其超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間。時(shí)間。3 3改變二階系統(tǒng)模擬電路的開環(huán)增益改變二階系統(tǒng)模擬電路的開環(huán)增益K K，觀測(cè)當(dāng)阻尼比，觀測(cè)當(dāng)阻尼比 為不同值時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。為不同值時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)4 4利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上模擬電路單元利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上模擬電路單元, ,設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)( (具體可參考本具體可參考本實(shí)驗(yàn)附錄的圖實(shí)驗(yàn)附錄的圖2-5)2-5)一個(gè)由積分環(huán)節(jié)和兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)組一個(gè)由積分環(huán)節(jié)和兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)組成的三階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。成的三階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。5 5利用示波器觀測(cè)三階模擬電路的階躍響應(yīng)特性，并測(cè)利用示波器觀測(cè)三階模擬電路的階躍響應(yīng)特性，并測(cè)出其超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間。出其超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間。6 6改變?nèi)A系統(tǒng)模擬電路的開環(huán)增益改變?nèi)A系統(tǒng)模擬電路的開環(huán)增益K K，觀測(cè)增益，觀測(cè)增益K K的的變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響