机械工程控制基础实验指导书.docx
机械工程控制基础实验指导书机械工程学院该二阶系统的阶跃响应如下图：图2-3-1, 2-3-2, 2-3-3, 2-3-4和2-3-5分别对应二阶 系统在过阻尼（& >1）,临界阻尼（& =1）,欠阻尼（0<<1）,不等幅阻尼振荡（W接近于0） 和零阻尼（& =0）几种状态下的阶跃响应曲线。图 2-3-5 （阻尼为 0） （m=0）2、在图2-2的实验电路中，改变元件参数%大小，可研究不同参数特征下的时域响应。 留神为50KQ时，二阶系统工作在临界阻尼状态；当& V50KC时，二阶系统工作在过阻尼状态；当q >50KQ时，二阶系统工作在欠阻尼状态；当R%继续增大时，&趋近于零，二阶 系统输出表现为不等幅阻尼振荡；当m=0时，二阶系统的阻尼为零，输出表现为等幅振荡（因 导线均有电阻值，各种损耗总是存在的，实际系统的阻尼比&不可能为零）。观测系统在不稳 定状态，临界状态和稳定状态下的阶跃特性曲线，记录各状态下的波形结果。五、实验步骤1、利用实验仪器，按照实验原理设计并连接由一个比例环节、一个积分环节和一个惯性 环节组成的二阶闭环系统的模拟电路。此实验可使用运放单元（一），（二），（三），（五）及 元器件单元中的可调电阻。（1）同时按下电源单元中的按键开关S001, S002,再按下S003,调节可调电位器W001, 使T006 （-12V+12V）输出电压为+1V,形成单位阶跃信号电路，然后将S001,S002再次按 下关闭电源。（2）按照图2.2连接好电路，按下电路中所用到运放单元的按键开关。（3）用导线将连接好的模拟电路的输入端于T006相连接，电路的输出端与示波器相连 接。（4）同时按下按键开关S00LS002时: 利用示波器观测该二阶系统模拟电路的阶跃特性 曲线，并由实验测出响应的超调量和调节时间，将结果记录下来。2、调节可调电阻，重复以上步骤，观测系统在过阻尼，临界阻尼和欠阻尼等状态下的阶 跃特性曲线，记录各状态下的波形结果。六、实验报告1、完成二阶系统的响应曲线。2、求出不同和q条件下的最大超调量MP和调节时间ts值，观察测量结果得出相应结 论。10实验一典型环节的阶跃响应一、实验目的1、学习构成典型线性环节的模拟电路。2、学习典型线性环节阶跃响应的测量方法，观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线二、实验内容1、完成比例环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响2、完成积分环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。3、完成比例积分环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。4、完成比例微分环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。5、完成惯性环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。6、完成比例积分微分环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。三、实验仪器1、ZY17AutoC12BB自动控制原理实验箱。2、双踪低频慢扫描示波器。3、数字万用表。四、实验原理1、比例环节比例环节的传递函数为：黑 =K。比例环节的方块图、阶跃响应图及模拟电路图分别如图1-1-1、图1-1-2和图1-1-3所示。其中K =J,实验参数取 R2=200K, R1 = 1OOK, R0=100K, R=10K 或 100K。Ri+Ro图1-1-2比例环节阶跃响应图所以输出响应为=K （t0）o当输入为单位阶跃信号，即a«）= i（t）时，a（s）= p那么由其传递函数可得图1-1-1比例环节方块图2、积分环节积分环节的传递函数为：霖 =*U j （3）/ o积分环节的方块图、阶跃响应图及模拟电路图分别如图l-2-k图1-2-2和图1-2-3所示。 其中T = （Ro+ RDG，实验参数取 R0=100K 可调，Rl = 100K, Cl = luF, R=10K 或 100K图1-2-2积分环节阶跃响应图图1-2-2积分环节阶跃响应图Ui(s)41Uo(s)4hT.s图1-2-1积分环节方块图当输入为单位阶跃信号，时，s（s）= 9那么由其传递函数可得生二今注余,所以输出响应为日（。=9（t三0）。 1 O O 1013、比例积分环节比例积分环节的传递函数为： 黑="三Ui TS比例积分环节的方块图、阶跃响应图及模拟电路图分别如图1-3-1、图1-3-2和图1-3-3所示。其中 k = _L, T=(R0 + Ri)Ci，实验参数取 R0=100K 可调，Rl = 100K, R2=200K, Ri+R。Cl = luF, R=10K 或 100K。当输入为单位阶跃信号，即= 1(。时，a(s)= 那么由其传递函数可得U0(S) =(K +U0(S) =(K +1 _ 1S = TS所以输出响应为Uo(t) = K+"t (t三0)。图1-3-1比例积分环节方块图图1-3-2比例积分环节阶跃响应图4、比例微分环节比例微分环节的传递函数为：需 = K(1 + TS)。%比例微分环节的方块图、阶跃响应图及模拟电路图分别如图1-4-1、图1-4-2和图1-4-3所示。其中K =文士T =实验参数取 R0=10K 可调，Rl = 10K, R2=10K, R3=10K,Ri+Ro (R2+R3)R4=200Q, Cl = luF, R=10K 或 100K。图1-4-1比例微分环节方块图图l4-2a比例微分环节阶跃响应图(理想)T图142b比例微分环节阶跃响应图(实际)对应理想的和实际的比例微分环节的阶跃响应图分别如图l-4-2a和图142b所示。当输入为单位阶跃信号，即a= 1。)时，a(s)= 1那么由其传递函数可得1 KUu(S) = K(1 + TS)r = + KT所以输出响应为4(。= KTSb(t) + K (tO)o式中3为单位脉冲函数。5、惯性环节惯性环节的传递函数为：霜二急U j (5 )1 I 1Ui(s)Ui(s)Uo(s)T.S4-1图15.1惯性环节方块图图1-5-2惯性环节阶跃响应图惯性环节的方块图、阶跃响应图及模拟电路图分别如图1-5-1、图1-5-2和图1-5-3所示。其中K =箴，T = &6,实验参数取 RgOOK 可调'Rl= lOOK, R2=200K, Cl = luF, R= 1OK 或 lOOKo图l-5-3惯性环节模拟电路图当输入为单位阶跃信号，即4（。= 1（。日寸，a（s）= 9那么由其传递函数可得K 1% =Ts+1's所以输出响应为4。）= /（1一？一9（住0）。6、比例积分微分环节比例积分微分环节的传递函数为：需 =。+白+ S。比例积分微分环节的方块图、阶跃响应图及模拟电路图分别如图1-6-6、图1-6-2和图1-6-3所示。其中勺=答7=R +&居，兀实验参数取R0=100K可调，Rl = 100K, Ro（Ri+Ro）R2=100K, R3=10K, R4=1K, Cl = luF, C2=10uF, R=10K 或 100K。当输入为单位阶跃信号，即UjQ） = lQ）时，q（s）= ；。那么由其传递函数可得U0（S） = （Kp+2所以输出响应为Uo(t) = Qb(t) + Kp+*Q工0)。式中3(。为单位脉冲函数。图16-2比例积分微分环节阶跃响应图图1-6-1比例积分微分环节方块图对应理想的和实际的比例积分微分环节的阶跃响应图分别如图1.62a和图162b所示。五、实验步骤1、熟悉实验仪器，按照实验原理设计并连接各种典型环节(比例环节、积分环节、比列6积分环节、比例微分环节、惯性环节以及比例积分微分环节）的模拟电路。2、利用实验仪器完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节 阶跃特性的影响。3、分别按照各典型环节模拟电路图链接电路：比例环节（图1-1-3）可使用运放单元（一）、（二）；积分环节（图1-2-3）可使用运放单元（一）、（二）；比例积分环节（图1-3-3）可使用运放单元（一）、（二）；比例微分环节（图1-4-3）可使用运放单元（二）、（三）；惯性环节（图1-5-3）可使用运放单元（一）、（二）；比例积分微分环节（图1-6-3）可使用运放单元（三）、（六）及元器件单元。4、分析实验结果，完成实验报告。实验二 控制系统的稳定性分析一.实验目的1、熟悉二阶模拟系统的组成。2、研究二阶系统分别工作在彳=1、0孑1、孑1、孑=0等几种状态下的阶跃响应。3、学习掌握动态性能指标的测试方法，研究典型系统参数对系统动态性能和稳定性的影 响。二、实验仪器1、ZY17AutoC12BB自动控制原理实验箱。2、双踪低频慢扫描示波器。3、数字万用表。三、实验原理观察典型二阶系统的阶跃响应，测出系统的超调量和调节时间，并研究其参数变化对系 统动态性能和稳定性的影响。典型二阶系统的方块结构图如图2-1所示：其开环传递函数为G(S)=，K = F，为开环增益。乂75 + 1)1q其闭环传递函数为W(S)=其闭环传递函数为W(S)=%其中37T =Bo'R(S)$2 + 2f 3nS + tO九223n图2.1典型二阶系统的方块结构图四、实验内容1、按照图2-2连接好二阶系统的模拟电路,8
