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1、控制工程基础1- 0 -实验一 传递函数的测定一、实验准备知识1.一阶系统传递函数及其特征参数对其性能的影响；2.一阶系统的阶跃响应；3.直流电动机工作原理；4.直流发电机的工作原理。 二、实验目的1.掌握直流电动机系统工作框图，并推导其传递函数；2.掌握一阶系统（以直流电动机为例）传递函数的测试方法；3.学会相关实验仪器的使用方法，包括：低频示波器、光电测速仪、稳压电源等。 三、实验仪器1.直流电动机-测速发电机组一套；2.低频示波器一台；3.光电测速仪一套；4.三路稳压电源一台；5.连接导线若干。 四、实验原理1.直流电机工作原理2.电枢控制式直流电机传递函数的建立(1) 电网络平衡方程控
2、制工程基础- 1 -负载LM RaiMLaude1 LsR ( )dEs( )aIsmk( ) s( )M sdk1 Js( )aU s( )LMsa adadiLRieudt式中，为电动机的电枢电流；ai电动机的电阻；R电动机的电感；L电枢绕组的感应电动势。de工作原理图： 系统方框图：(2) 电动势平衡方程ddek式中，为电动势常数，由电动机的结构参数确定。dk(3) 机械平衡方程LdJMMdt式中，电动机转子的转动惯量；J电动机的电磁转矩；M折合阻力矩。LM(4) 转矩平衡方程amiKM 式中，表示电磁力矩常数，由电动机的结构参数确定。mK将上述四个方程联立，因为空载下的阻力矩很小，略去
3、，并消去中间变量、LMai控制工程基础- 2 -、，得到关于输入输出的微分方程式：deM22da mmJL dJR dkuKdtKdt这是一个二阶线性微分方程，因为电枢绕组的电感一般很小，若略去，则可以得L到简化的一阶线性微分方程为：da mJR dKuKdt则转速 n 与输入电压之间的一阶线性微分方程为：au22 6060da mJR dnK nuKdt令初始条件为零，两边拉氏变换，求得传递函数为：30 11/( )( )( )damdKN sKG sJRUsTSSK K五、实验测试方法1.测试原理直流电动机当输入给定电枢电压信号而输出为转速时,其其传递函数为：( )( )( )1N sKG
4、 sU sTs2.测试方法实验测定出 T 和 K 值，则系统的传递函数即可取定。通过一个开关 s 把一直流电压加入到直流电动机的电枢上,则直流电机的速度变化如图所示。（1）T 的测定：图中最大幅值的 63.2%对应的横坐标即为时间常数 T。注：记录 5 测量值，求其平均。（2）K 值的测定：由于直流电动机转速变化情况无法记录，采用了测速发电机装置进行测试。发电机的输出电压正比于轴的转速，将其轴与直流电动机轴机械地连接在一起，这样直流电动机的转速变化，可由测速发电机输出电压间接地反映出来。此电压送入示波器，记录下电压变化的波形。由于，所以输出曲线如图所示。( )cukn t( )n t用测速仪测
5、出直流电动机的转速，及稳压电源加于直流电动机电枢的电压，两者的比值，即为所求的 K 值。0tT( )n t( )n 0 632.( )n 0t( )u t( )u 输入与输出信号控制工程基础- 3 -( ) ( )nKu注：改变输入电压大小，记录 5 次测量值，求其平均。六、实验路线图稳 压 电 源DSC-16 光 线 示波器稳 压 电 源TG220V5VSLDLTG220V15V220V39k光电盘光电转换器速度显示仪220V七、实验步骤1.实验前注意事项，认真检查实验台面的仪器设备状态及其放置位置，实验后要回归原处。2.按实验路线图连接好线路，并确定 220V 电源供电。3.调整示波器使之
6、显示状态最利于观察测试曲线，时间档为 0.1s，电压档为 1V；打开示波器，稍后按开关 s，观察从启动到稳态时 63.2%处 T 值。4.利用测速仪正确测定电动机稳定转速，并记下此时输入电压值，以获取增益 K 的值。5.重复以上步骤，获取 T 和 K 的平均值。6.实验完毕，拆除实验线路，整理好实验设备。 八、实验报告实验名称：实验日期： 年 月 日 指导教师：控制工程基础- 4 -同组人：1.实验目的2.实验原理 3.实验所用仪器名称及其型号：4.实验线路：5.实验数据：直流电动机及测速发电机所加激磁电压 伏；直流电动机电枢所加电压 伏；速度显示仪测量时间选择开关 秒；低频示波器时间档为 s
7、/div(秒/格)；低频示波器电压档为 v/div(伏/格)；记录曲线：T= 秒6.理论计算：传递函数为： 7.思考题（1）K 值计算中，转速的单位是什么，为什么？（2）实验中测试目的为电动机的传递函数，而测试的却是发电机的输出，为什么？8.实验总结、体会及建议：控制工程基础- 5 -1100Rk1Cfiu0u251Rki实验二 无源网络频率特性的测试一、实验准备知识1.频率特性的相关知识；2.二阶系统（电学）及其传递函数；3.系统的频率特性图（伯德图） 。 二、实验目的1.深入理解无源网络系统频率特性。2.掌握实验法获取系统频率特性的方法和步骤，并画出其频率特性图。3.学会 TD4010 型
8、低频频率测试仪的使用方法及其注意的问题 三、实验仪器1.TD4010 型低频频率测试仪一台；2.无源网络二阶系统一套；3.打印机一台；4.导线若干。 四、实验原理1.无源网络传递函数的建立微分方程：（1）121 iRiR iidtuC（2） 201R iidtuC拉氏变换：12201( )( )( )( )1( )( )( )iR I sR I sI sU sCsR I sI sUsCs传递函数：02121 1( )( )( )()iUsR CSG sU sRR CS2.频率特性的求解2121 1()()jR CG jj RR C由个典型环节组成：一个导前环节、一个惯性环节，由频率特性知其转角
9、频率 为：为：导前环节： 1 21TR C控制工程基础- 6 -iiuouR=100kC=1FiHiHiHiHoLoLoLoL相关仪信号发生器TD4010频率响应分析仪惯性环节：2 121TRCR C五、实验步骤1.按右图联好实验线路2.打开频率测试仪开关，首先进行面板设定：输出波形输入量程 AUTO延迟时间 积分周期 显示方式0.1SAUTOLOGR 3.无源网络的输入电压调至 5VVOLTCLEAR5ENTER4.输入所要求的频率，然后测量，从显示窗口处直接读出幅值比、相角差。测量方 法如下： （1）单次测量：对应一个输入频率，测一个输出值，以为例，1fHzFREQCLEAR1ENTERS
10、INGLE（2）步进测量，可测一组，若连打印机直接打印出结果，以，100maxfHz，步长为 10Hz 为例，10minfHzFmaxCLEAR100ENTERFminCLEAR10ENTERLINF/STEPCLEAR10ENTERLIN PRINTRECYCLE5.分别输入三组数据，按输入频率 f 为：，每隔 0.1Hz 测一次；0 12. HzHz: ，220HzHz: 每隔 1Hz 测一次；，每隔 10Hz 测一次。然后分别记录结果。2020HzHz:6.实验完毕后，切断电源，拆除线路。并整理好实验设备。 六、实验报告要求实验名称：控制工程基础- 7 -实验日期： 年 月 日 指导教师
11、：同组人：1.实验所用仪器名称及型号：2.实验线路： 3.无源网络的传递函数： 4.理论计算与实测波德图比较：理论计算求出，的值，用坐标纸绘出理论计算波德图及实验测得波德图。12波德图：5.实测数据：频率幅值比相角差频率幅值比相角差Hzrad/s分贝度Hzrad/s分贝度0.18.00.29.00.310.00.411.00.512.00.613.00.714.00.815.00.916.01.017.01.118.01.219.01.320.01.430.01.540.01.650.01.760.01.870.01.980.02.090.0控制工程基础- 8 -3.0100.04.0110.
12、05.0120.06.0130.07.0140.06.思考题(1)系统频率特性的含义及其求解方法（最少讲述 3 种） 。(2)频率特性伯德图的画法及其优点。(3)无源网络参数 R2 变化对系统特性的影响。7.实验总结、体会与建议。控制工程基础- 9 -实验三 典型环节与典型系统模拟一、实验准备知识1.典型环节的单位阶跃输入响应；2.振荡环节的时域响应的性能指标；3.比例环节、积分环节、惯性环节和振荡环节的传递函数。 二、实验目的1.掌握典型环节含义、传递函数及其工程中的应用。2.定性了解参数变化对典型环节的影响。3.学会典型环节的模拟实现。 三、实验仪器1.KJ82-3 型控制系统学习机一台；
13、2.低频示波器一台；3.万用电表一块；4.连接导线若干。 四、实验原理1.1.典型环节及其传递函数典型环节及其传递函数a.a. 比例环节：比例环节：0( )( )ix tkx t0( )( )( )iXsG skX s1 1 1）动力学方程：）动力学方程：）动力学方程：2 2 2）传递函数：）传递函数：）传递函数：k k k - - -环节的放大系数环节的放大系数环节的放大系数iu0u1R2Rb. 积分环节：积分环节：控制工程基础- 10 -0( )1( )( )iXsG sX sTs1 1 1）动力学方程）动力学方程）动力学方程：2 2 2）传递函数：）传递函数：）传递函数：01( )( )
14、ix tx t dtTT-T-T-时间常数时间常数时间常数iu 0u1RC2Rc. 惯性环节惯性环节0 0( )( )( )idx tTx tKx tdt0( )( )( )1iXsKG sX sTs1 1 1）动力学方程：）动力学方程：）动力学方程：2 2 2）传递函数：）传递函数：）传递函数：K K K- - -放大系数放大系数放大系数T T T- - -时间常数时间常数时间常数iu 0u1RC2RRd. 振荡环节振荡环节传递函数：传递函数：传递函数：22222( )2 1 21nnnG sssT sTs 控制工程基础- 11 -A1 A2 A3 100k 100k 100k 100k 5
15、0k C1 C2 R1 R2 R3 2.单位阶跃信号单位阶跃信号 阶跃信号阶跃信号000( ) ( )( )11stststU sL u tu t edtedtess tx(t)13.单位阶跃输入下典型环节的响应单位阶跃输入下典型环节的响应比例环节：比例环节：0( )x tK积分环节：积分环节：01( )x ttT惯性环节：惯性环节：/ 0( )1t Tx te 振荡环节：2021( )1sin() 1nex ttarctg 五、实验数据记录1.比例环节模拟：比例环节模拟：比例调节器电阻增大电阻减小输入阶跃响应波形输出2.积分环节模拟：积分环节模拟：控制工程基础- 12 -积分调节器0.01u0.1u1u10u 输入 输出3.惯性环节模拟惯性环节模拟： 0.01s0.1s1s10s时间常数 调节器C=0.1；R=100 KC=1；R=100KC=1；R=1000KC=10；R=1000 K 输入 输出六、实验报告要求严格按照实验报告格式完成，且必须认真独立完成！1.实验目的2.实验原理 3.实验技术路线图1）实验仪器2）接线方法3）测试原理4.实验数据记录及分析1）记录各个典型环节在不同参数下单位阶跃
