機(jī)械控制工程實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、機(jī)械控制工程實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué) 院：機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué) 號(hào)： _姓 名： _得 分： _指 導(dǎo)： _日 期： _合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院機(jī)械電子工程系實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)的模擬研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握各典型環(huán)節(jié)模擬電路的構(gòu)成方法、傳遞函數(shù)表達(dá)式及輸出時(shí)域函數(shù)表達(dá)式。2、 觀察和分析各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，了解各項(xiàng)電路參數(shù)對(duì)典型環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理比例P）積分I ）比例積分PI）比例微分PD）慣性環(huán)節(jié)T）比例積分微分PID ）方塊圖傳遞函數(shù)U0(s)kUi(s)U0(s)1Ui(s)T SU0(s)（1）UiK1T S(s)U0(s)T S)K(1Ui(

2、s)U0(s)KUi(s)1T SU0(s)KpUiKpKpTdS(s)TiS2三、實(shí)驗(yàn)步驟選用虛擬示波器，運(yùn)行LABACT程序，選擇 自動(dòng)控制 菜單下的 線(xiàn)性系統(tǒng)的時(shí)域分析下的典型環(huán)節(jié)的模擬研究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 ，再選擇 開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，就會(huì)彈出虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開(kāi)始即可使用本實(shí)驗(yàn)機(jī)配套的虛擬示波器（B3 ）單元的CH1 測(cè)孔測(cè)量波形。1)觀察比例環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)2)觀察慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)3)觀察積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)4)觀察比例積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)5)觀察比例微分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)6)觀察 PID （比例積分微分）環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線(xiàn)具體用法參見(jiàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)第二章虛擬示波器部分。四、實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)及結(jié)果分

3、析1)比例環(huán)節(jié)32)慣性環(huán)節(jié)3)積分環(huán)節(jié)4)比例積分環(huán)節(jié)45)比例微分環(huán)節(jié)6)PID （比例積分微分）環(huán)節(jié)5實(shí)驗(yàn)二二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握典型二階系統(tǒng)模擬電路的構(gòu)成方法，型二階閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)式。2.研究二階閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)-無(wú)阻尼振蕩頻率n, 阻尼比 對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響。3.掌握欠阻尼二階閉環(huán)系統(tǒng)在階躍信號(hào)輸入時(shí)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)Mp 、tp、ts 的計(jì)算。4.觀察和分析典型二階閉環(huán)系統(tǒng)在欠阻尼，臨界阻尼，過(guò)阻尼的瞬態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)，欠阻尼二階閉環(huán)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)參數(shù) -自然頻率（無(wú)阻尼振蕩頻率）n, 阻尼比 對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理圖 3-1-7 是典型二階系統(tǒng)原理方

4、塊圖。圖 3-1-7典型二階系統(tǒng)原理方塊圖型二階系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：G(S)KTiS(TS 1)G( S)2型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)式：(s)2n2G(S)SnS12n自然頻率（無(wú)阻尼振蕩頻率）：nK阻尼比：1TiTiT2KT有二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路如圖3-1-8 所示。它由積分環(huán)節(jié)（A2 ）和慣性環(huán)節(jié)（A3）構(gòu)成。圖 3-1-8 典型二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路圖 3-1-8 的二階系統(tǒng)模擬電路的各環(huán)節(jié)參數(shù)及系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：積分環(huán)節(jié)（ A2 單元）的積分時(shí)間常數(shù)Ti=R1*C1=1S慣性環(huán)節(jié)（ A3 單元）的慣性時(shí)間常數(shù)T=R2*C2=0.1S該閉環(huán)系統(tǒng)在A3 單元中改變輸入電阻R 來(lái)調(diào)整增益K

5、，R 分別設(shè)定為10k、40k 、100k 。G(S)KKR2100k1)S(0.1S1)其中 KRTiS(TSR210K( s)n22nS2210S10KSnS6nK10K1 T1 10TiT2KT2 K當(dāng)R=100k，K=1=1.58 1為過(guò)阻尼響應(yīng)，當(dāng) R=40k ，K=2.5=1為臨界阻尼響應(yīng)，當(dāng) R=10k ，K=10=0.50 1為欠阻尼響應(yīng)。欠阻尼二階閉環(huán)系統(tǒng)在階躍信號(hào)輸入時(shí)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)Mp 、tp、ts 的計(jì)算：（ K=10=0.5）：MPe12超調(diào)量100% 16.3%峰值時(shí)間：tp120.36n：ts4調(diào)節(jié)時(shí)間0.8n三、實(shí)驗(yàn)步驟選用虛擬示波器，運(yùn)行LABACT程序，選擇

6、 自動(dòng)控制 菜單下的 線(xiàn)性系統(tǒng)的時(shí)域分析下的二階典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 ， 再選擇 開(kāi)始實(shí)驗(yàn)， 就會(huì)彈出虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊 開(kāi)始即可使用本實(shí)驗(yàn)機(jī)配套的虛擬示波器（B3）單元的CH1 測(cè)孔測(cè)量波形。典型二階系統(tǒng)模擬電路見(jiàn)圖3-1-8 。該環(huán)節(jié)在 A3 單元中改變輸入電阻R 來(lái)調(diào)整衰減時(shí)間。具體用法參見(jiàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)第二章虛擬示波器部分。7四、實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)及結(jié)果分析8實(shí)驗(yàn)三三階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握典型三階系統(tǒng)模擬電路的構(gòu)成方法，型三階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)表達(dá)式。2.熟悉勞斯（ ROUTH ）判據(jù)使用方法。3.應(yīng)用勞斯（ ROUTH ）判據(jù)，觀察和分析型三階系統(tǒng)在階躍信號(hào)輸入

7、時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定及不穩(wěn)定三種瞬態(tài)響應(yīng)二、實(shí)驗(yàn)原理典型三階系統(tǒng)的方塊圖見(jiàn)圖3-1-10 。圖 3-1-10典型三階系統(tǒng)的方塊圖典型三階系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)（單位反饋）：G(S)K1K2TiS(T1S 1)(T2S 1)閉環(huán)傳遞函數(shù)：( S)K1K21)(T2S1)K1K2TiS (T1S有三階系統(tǒng)模擬電路如圖3-1-11所示。它由積分環(huán)節(jié)（A2 ）、慣性環(huán)節(jié)（A3 和 A5 ）構(gòu)成。圖 3-1-11典型三階系統(tǒng)模擬電路圖圖 3-1-11 的三階系統(tǒng)模擬電路的各環(huán)節(jié)參數(shù)及系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：積分環(huán)節(jié)（ A2 單元）的積分時(shí)間常數(shù) Ti=R1*C1=1S，慣性環(huán)節(jié)（ A3單元）的慣性時(shí)間常數(shù)T1=

8、R3*C =0.1S， K1=R3/R2=12慣性環(huán)節(jié)（ A5單元）的慣性時(shí)間常數(shù)T2=R4*C =0.5S， K2=R4/R=500k/R3該系統(tǒng)在A5 單元中改變輸入電阻R 來(lái)調(diào)整增益 K ，R 分別為30K 、41.7K 、100K 。圖 3-1-11 的三階系統(tǒng)模擬電路傳遞函數(shù)為：開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：G(S)=KKK1* K2500kS(0.1S 1)(0.5S 1)TiR閉環(huán)傳遞函數(shù)：( S)G(S)K1 G(S)S(0.1S1)(0.5S1)KS312S2閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為：1( )0,31222020SSSKG S9特征方程標(biāo)準(zhǔn)式：a0S3a1S2a2Sa30由 Routh 穩(wěn)定判據(jù)

9、判斷得Routh 行列式為：S3a0a2S3120S2a1a3S21220KS1a1a2a0a301240 20K0a1S12S0S0a3020K0為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，第一列的系數(shù)都為正值，所以24020K012020K由 ROUTH 判據(jù)，得0K12R41.7K系統(tǒng)穩(wěn)定K12R41.7K 系統(tǒng)臨界穩(wěn)定K12R41.7K系統(tǒng)不穩(wěn)定三、實(shí)驗(yàn)步驟在實(shí)驗(yàn)中欲觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，可用普通示波器，也可選用本實(shí)驗(yàn)機(jī)配套的虛擬示波器。如果選用虛擬示波器，只要運(yùn)行LABACT程序，選擇 自動(dòng)控制 菜單下的 線(xiàn)性系統(tǒng)的時(shí)域分析 下的三階典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 ，再選擇 開(kāi)始實(shí)驗(yàn)， 就會(huì)彈出虛擬示波器的界面，

10、點(diǎn)擊開(kāi)始即可使用本實(shí)驗(yàn)機(jī)配套的虛擬示波器（B3 ）單元的 CH1 測(cè)孔測(cè)量波形。有三階系統(tǒng)模擬電路圖參見(jiàn)圖3-1-11，環(huán)節(jié)在 A5 單元中分別選取輸入電阻R=30K 、41.7K和 100K ，改變系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益。具體用法參見(jiàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)第二章虛擬示波器部分。10四、實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)及結(jié)果分析R=30KR=41.7KR=100K11實(shí)驗(yàn)四線(xiàn)性控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 掌握對(duì)數(shù)幅頻曲線(xiàn)和相頻曲線(xiàn)（波德圖）、幅相曲線(xiàn)（奈奎斯特圖）的構(gòu)造及繪制方法。2 研究二階閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)-自然頻率或無(wú)阻尼振蕩頻率n, 阻尼比 對(duì)對(duì)數(shù)幅頻曲線(xiàn)和相頻曲線(xiàn)的影響，及漸近線(xiàn)的繪制。3 掌握欠阻尼二階閉環(huán)系統(tǒng)中的幅

11、頻特性L ()錯(cuò)誤！未指定書(shū)簽。 、相頻特性( )、諧振頻率r和諧振峰值L (r)的計(jì)算。4.研究表征系統(tǒng)穩(wěn)定程度的相位裕度和幅值裕度h（ dB）對(duì)系統(tǒng)的影響。5.觀察和分析欠阻尼二階閉環(huán)系統(tǒng)諧振頻率r和諧振峰值L (r)。6.觀察和分析型三階系統(tǒng)中，相位裕度 和幅值裕度 h（ dB）對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理被測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)原理方塊圖見(jiàn)圖3-2-1。圖 3-2-1被測(cè)系統(tǒng)方塊圖系統(tǒng)（環(huán)節(jié)）的頻率特性G(j )是一個(gè)復(fù)變量，可以表示成以角頻率為參數(shù)的幅值和相角：G（j ）=| G（j ）| G(j )(式 3-2-1)圖 3-2-1 所示被測(cè)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：C SG1S G2S（式 3

12、-2-2） SRS 1 G1SG2SHS如被測(cè)系統(tǒng)的反饋傳遞函數(shù)H S=1 ，則（式3-2-2 ）可簡(jiǎn)化為： SC SG1SG2S（式 3-2-3 ）RS 1 G1SG2S式 3-2-3 以角頻率為參數(shù)的幅值和相角：L( ) 20 lg ( j )( )( j )由于型系統(tǒng)含有一個(gè)積分環(huán)節(jié)， 它在開(kāi)環(huán)時(shí)響應(yīng)曲線(xiàn)是發(fā)散的， 因此欲獲得其開(kāi)環(huán)頻率特性時(shí)， 還是需構(gòu)建成閉環(huán)系統(tǒng)， 測(cè)試其閉環(huán)頻率特性，然后通過(guò)公式換算，獲得其開(kāi)環(huán)頻率特性，算法如下：圖 3-2-1 所示被測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性為：G1SG2S S（式 3-2-4） S112圖 3-2-1 所示被測(cè)系統(tǒng)以角頻率為參數(shù)表示成的開(kāi)環(huán)頻率特性為

13、： j( j)( j )G1( j )G2( j )(式 3-2-5)1 j1-( j ) 1-( j )式（ 3-2-5）亦可以角頻率為參數(shù)表示為對(duì)數(shù)幅頻特性和相頻特性：20lg G1( j )G2( j )20lg( j )( j )G1( j )G2( j )1 -( j )1 -( j )三、實(shí)驗(yàn)步驟在實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)行LABACT 程序，選擇 自動(dòng)控制 菜單下的 線(xiàn)性控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析-實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 ，再分別選擇 一階系統(tǒng)、 或二階系統(tǒng)、 或三階系統(tǒng)、 或時(shí)域分析 ，就會(huì)彈出虛擬示波器的界面，點(diǎn)擊開(kāi)始 即可使用本實(shí)驗(yàn)機(jī)配套的虛擬示波器（B3 ）顯示波形。具體用法參見(jiàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)第二章虛擬示波器部分。1、一階系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻曲線(xiàn)、相頻曲線(xiàn)和幅相曲線(xiàn)將數(shù) /模轉(zhuǎn)換器（ B2 ）單元作為信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生的超低頻正弦信號(hào)的頻率從低到高變化0.5Hz64Hz ），施加于被測(cè)系統(tǒng)的輸入端 r（ t） ，然后分別測(cè)量被測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)的