《机电控制工程》实验指导书

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1、《机电控制工程》实验指导书白城师范学院机电系编者：李冰、八・、■冃Us木实验指导书目前收录了典型环节及其阶跃响应、二阶系统阶跃响应、控制系统的稳定性分析、线性系统稳态误差的研究、控制系统频率特性实验、控制系统的校止、采样系统分析等七个实验项目。由于水平有限，加之时间仓促，不足之处还望读者批评指止。编者于2007年9月实验一典型环节及其阶跃响应一、实验目的：1.构建典型环节的模拟电路。2.掌握典型环节阶跃响应测量方法。二、实验内容：1•设计并构建控制系统典型环节电路。2.设计实验，测量典型环节的阶跃响应。三、仪器与材料：自动控制实验系统微型计算机示波器万用表各种连线四、实验原理：自控系统是山比例

2、、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。熟悉这些典型环图i-i节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分冇益。本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图如图1・1所示。图中乙和乙表示由R、C构成的复数阻抗。1.比例(P)环节比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输岀信号的变化。它的传递函数与方框图分别为：g(s)二S(S)2.积分(I)环节积分环节的输出量与其输入赧对时间的积分成正比。它的传递函数与方框图分别为:U(s)i~~Uo(s)3.比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方松图分别为：血二空亠色+丄二色丄U©)RCSRRCS/?!R1CS

3、其中T=R2C,K=R2/R

4、4.比例微分(PD)环节比例微分环节的传递函数与方松图分别为：G($)=K(1+TS)=—(1+RCS)其中K=RiIRxJn=RCKG+RG-5.比例积分微分(PID)坏节比例积分微分(PID)环节的传递函数与方框图分别为:G⑴询++©S11S_(R2C2S+1)(RiCiS+1)RQS5.惯性环节惯性环节的传递函数与方框图分别为:g（沪吨=丄里斗工U£S）TS+…•LTs和五、实验步骤：1.构建比例（P）环节模拟电路，测量其阶跃响应。（选做）2.构建积分（I）环节模拟电路，测量其阶跃响应。（选做）3.构建比例积分（PI）环节模拟电路，测最其阶跃响应。（

5、选做）4.构建比例微分（PD）环节模拟电路，测虽:其阶跃响应。（选做）5.构建比例积分微分（PID）环节模拟电路，测量其阶跃响应。（选做）6.构建惯性环节模拟电路，测量其阶跃响应。（选做）7.根据实验结果完成实验报告。六、实验报告要求1.构建各典型环节的实验电路图，并注明参数。2.测出典型环节的单位阶跃响应曲线。实验二二阶系统阶跃响应一、实验目的：1.了解构成典型二阶系统的模拟电路。2.掌握二阶系统的重要参数对系统动态性能的影响。二、实验内容：1•组成二阶系统的电路。2.测量二阶系统的阶跃响应。三、仪器与材料：口动控制实验系统微型计算机示波器万用表各种连线四、实验原理：1.二阶系统的瞬态响应川

6、二阶常微分方程描述的系统，称为二阶系统，其标准形式的闭环传递函数为W)=仏(2-1)R(S)S2+2$©S+©；闭环特征方程：S<=1(临界阻尼)此时，系统的单位阶跃响应是-•条单调上升的指数曲线，如图2・1中的(b)所示。<>1(过阻尼)，兀=_的土此吋系统有二个相开实根，它的单位阶跃响应曲线如图2-1的(c)所示。+2^y„+6y;=0其解兀一的±©7?口，针对不同的：值，特征根会出现下列三种情况：1)0<^<1(欠阻尼)，S、,2=S土辺』-了此时，系统的单位阶跃响应呈振荡衰减形式，其曲线如图2・1的(a)所示。它的数学表达式为:C(t)=l--严Sn(codt+f3)式屮®-了⑻欠阻尼

7、(Ov：vl)(b)临界阻尼(彳二1)(c)过阻尼(彳〉1)图2-1二阶系统的动态响应曲线虽然当或：>1时，系统的阶跃响应无超调产生，但这种响应的动态过程A缓慢，故控制工程上常采用欠阻尼的二阶系统，-•般収：=0.6〜().7,此吋系统的动态响应过程不仅快速，而且超调蜃也小。1.二阶系统的典型结构典型的二阶系统结构方框图和模拟电路图如2-2、如2-3所示。图2・3二阶系统的模拟电路图(电路参考单元为：U3、U5、U,反相器单元)图2-3中最后一•个单元为反相器。山图2-4可得其开环传递函数为：(Ty=RXC,T2=RC)其闭环传递函数为:W(S)=与式2・1相比较,可得RC五、实验步骤根据图2

8、-3,选择实验台上的通用电路单元设计并组建模拟电路。1.©值一定时，图2・3屮取C=luF,R=1()()K(此时®=10),Rx阻值可调范I：节

9、为()〜470Ko系统输入一单位阶跃信号，在下列儿种情况下，用“THBCC-1”软件观测并记录不同歹值吋的实验曲线。1」肖可调电位器RX=25()K时，＜=0.2,系统处于欠阻尼状态，其超调量为53%左右；1.2若可调电位器Rx=50K时，＜=1,系统