自动控制原理配套实验指导

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1、控制工程基础实验指示书控制工程基础实验指示书郭美凤郭美凤赵长德赵长德清华大学精密仪器与机械学系清华大学精密仪器与机械学系2003-5-51实验一实验一 Matlab 仿真实验仿真实验一、基本实验一、基本实验1、 对于一阶惯性系统G ss( ) K T1 当分别取以下几组参数时，试画出系统单位阶跃响应曲线、频率特性乃氏图和伯德图。 1).K=1,T=10;2).K=1,T=1;3).K=1,T=0.1 2、 对于二阶系统G sss( ) 1 2122TT分别就 T=1 和 T=0.1，分别取 0, 0.2, 0.5, 0.7, 1, 10 时，画出系统单位阶跃响应曲线、频率特性乃氏图和伯德图。

2、3、 自构造高阶系统，试利用 Matlab 软件工具分析其时域、频域特性。 4、 对于下列系统，试画出其伯德图，求出相角裕量和增益裕量，并判其稳定性（1）) 10047. 0)(103. 0(250)()(ssssHsG（2）) 10047. 0)(103. 0)(110() 15 . 0(250)()(ssssssHsG二、结合二、结合“运动控制系统运动控制系统”实验，熟悉实验，熟悉 MATLABMATLAB 的控制系统的控制系统图形输入与仿真工具图形输入与仿真工具 SIMULINKSIMULINK。 并把仿真结果与并把仿真结果与“运动控制运动控制系统系统”实验结果进行比较实验结果进行比较1

3、实验目的1）熟悉直流伺服电机控制系统各环节的传递函数模型；2）根据给定的性能指标，设计速度环与位置环的控制器参数。2实验内容及要求2.1 速度环仿真实验2图 1-1双环调速系统方框图(图中用 b 表示)速度环的传递函数方框图见图 1。测速发电机系数rpmVKf1000/24=0.024V/rpm=0.229)/(sradV，而电动机反电势系数rpmAV nECe10005 . 47 . 1300.213sradV/,所以JCM 213. 01 105 .147 . 113eMa CTR=5502/sAradVAK0.5A/V测速机滤波时间常数msFKCRT29. 422. 05 .19233

4、2（也可以重新设计）nrad/s为电机转速，最大转速为 1000rpm，反馈系数 1 , 0，)(ncsG为速度环的校正网络。饱和环节的幅度为120 rad/s120 rad/s当)(ncsG为比例积分（PI）调节器时，其传递函数为sTssGnn nc1)(（1）当)(ncsG为比例（P）调节器时，其传递函数为nnc)(KsG（2）1给定速度环的性能指标如下：Gi(s)Kpwm1/Ra TaS+1CM1 JSCe0.5*b T2S+1RM 10001 1S+1Gnc(s)UaE+UiEnUr(s)Ia +Mfz速度 调节器电流 调节器PWM功放测速发电机及滤波滤波器霍尔电流 传感器负载力矩转速

5、n+饱和 环节kf31）单位阶跃响应的超调量小于 30；2）单位阶跃响应的调整时间小于 0.06s；3）闭环带宽不小于 10Hz。当速度环分别采用 P 与 PI 调节器时，设计满足给定指标的调节器参数。提示：有关参数的参考取值为：5 . 0，6nK； （P 校正）5 . 0sT004. 0n，s02. 0n。 （PI 校正）2根据设计的调节器参数，给出速度环采用 P 与 PI 调节器时的波特图，比较二者的稳定裕量和剪切频率。3给出速度环分别采用P与PI调节器时的闭环频率特性及频域指标 （闭环带宽，谐振峰值，谐振频率） 。4比较速度环采用 P 与 PI 调节器时的阶跃响应及瞬态响应指标 （超调量

6、与调整时间） 。2.2 位置环仿真实验位置环的传递函数方框图见图 1-2。图 12位置环简化函数方框图图 1-2 中piVV为位移命令输入，xmm为工作台位移，pfVV为电子电位计测得的工作台位移电压，)(pcsG为位置环的校正网络，)(nsG为速度环的闭环传递函数。当)(pcsG为近似比例积分（PI）调节器时，其传递函数为11)(pp ppcsTsKsG（3）当)(pcsG为比例（P）调节器时，其传递函数为ppc)(KsG（4）)(pcsGpiV)(sGn)s/radmm(22s)V/mm(076. 0pfVx41. 给定位置环的性能指标如下：1) 单位阶跃响应的超调量小于 30；2) 单位

7、阶跃响应的调整时间小于 0.2s；3) 闭环带宽不小于 4Hz。当位置环分别采用 P 与 PI 调节器时，设计满足给定指标的调节器参数。提示：1. 速度环可任选 P 或 PI 调节器（建议选 PI 调节器） ；2位置环调节器参数参考取值:60pK，s0047. 0p，sT02. 0p。2. 根据设计的调节器参数，给出位置环采用 P 与 PI 调节器时的波特图，比较二者的稳定裕量和剪切频率。3. 给出位置环分别采用P与PI调节器时的闭环频率特性及频域指标 （闭环带宽，谐振峰值，谐振频率） 。4. 比较位置环采用 P 与 PI 调节器时的阶跃响应及瞬态响应指标 （超调量与调整时间） 。关于伺服电机

8、控制系统的详细资料参见附录 1。5实验二实验二 直流电动机调速系统直流电动机调速系统一、实验目的一、实验目的1. 熟悉直流伺服电机控制系统各环节的传递函数模型；2.掌握速度环的设计和实验调试方法， 从而从理论与实际的结合上掌握自动控制系统的设计与校正方法。二、实验原理二、实验原理请仔细阅读见教材 P248261 或附录 1。接线图参考图 2-1,其中 S 是实验中需要用万用表和示波器测试的点；MC单 轴 工 作 台跨 导 功率 放大器使能开关接限位开关 给 定 电 位 计阶跃输入开关速度 调节器47K470K100KC40.1或0.47F0.22R 4C339K39K39KR3 R3R382K

9、测试点 SSSSSF图 21速度环接线图6三、实验步骤与要求三、实验步骤与要求：把图 11 进行简化，得到双环调速系统简化方框图（图 22） ：MC1fzMSCRSCR43441 VAKSTCRMeafK12/12STviU+- +vfxU)(snfUfUiU图 22双环调速系统简化方框图图中，因电机最大转速 1000rpm，故传递函数方框图中应再加一个饱和环节。当)(ncsG为比例积分（PI）调节器时，其传递函数为SCRSCR sTssG4344nn nc11)( （1）当)(ncsG为比例（P）调节器时，其传递函数为34 nnc)(RRKsG（2）1.按图接线，掌握速度反馈极性的判断方法。

10、一般用开环判断，当输入为正，反馈电压为负。当正反馈时，输入电压趋于 0 时，电动机仍然高速转动。2.掌握速度环静态传递特性的调试方法。采用 PI 调节器，要求输入为 8V。调节，使电机输出为 1000rpm，即此时测速发电机输出为 24V。3.了解调速系统刚度与系统参数和结构的关系。采用比例调节器，且4R为最7小（100K）,调节输入电压，使电机转速很低，可用手使电机停转。而采用PI 调节器，同是电机转速很低，用手不能使电机停转。试从理论上分析之4掌握速度环动态特性的测试方法。掌握数字示波器的使用方法。当阶跃输入为 2V，用数字示波器测试采用 P 与 PI 调节器时的阶跃响应波形，记录最佳阻尼

11、比附近的阶跃时域响应波形及瞬态响应指标（超调量与调整时间，峰值时间， 振荡周期） ，并记录对应的参数，与仿真结果对比。观察速度调节器输出波形是否饱和？调整时间与输入电压有什么关系？5别测试速度环采用 PI 调节器和 P 调节器（4R最小）的静特性，即 )(viUfn ，电机转速可测量测速机电压计算，至少正反两个方向,输入电压从8V+8V 测试 10 多点,计算传递系数。 这两条曲线有什么不同， 为什么？6*(选做)测试一阶无差系统的速度品质系数。进一步计算JCM/，确定了系统的各个参数后，可供系统分析和仿真时使用。方法是将速度环开环，利用82K 作为输入电阻（3R ）,采用 P 校正，4R 为

12、 100K，先输入较小的电压，使之刚刚克服死区,记录这时的启动输入电压启动U。 再继续加大输入电压viU （例如 2.0V）,发现电机速度呈单调上升直至最大。这时，改用阶跃输入，测量测测速机两端电压速机两端电压的阶跃响应曲线，记录之，并计算其斜率xkdtdV/，系统的速度品质系数为)2/1 ()()/()/(34fMeaVAVKTCRKRRK已知fMeaVAKTCRKRR()/()/(314）)/(启动UUkvix式中，22. 182/100/314RR,从而可计算KR393以及不同4R 时的速度品质系数VK 了；另外，已知)2/1 ()(fK，即可计算)/(MeaVATCRK值，此参数可用于

13、系统分析和仿真。四、实验思考四、实验思考1如何判断系统的反馈极性？2当速度调节器采用比例环节时， 把增益调节到最小 （电位计逆时针转动到头） ，给定较低的速度，这时可以用手捏住电动机轴，使其转速为 0（尽管系统是一阶无差系统） ；但当速度调节器采用 PI 环节时，即使用很大的劲，电动机仍然可以低速转动！为什么？我们把转速对于电动机负载力矩的变化率叫做刚度。请分析采用两种调节器时的系统刚度。3不用测速发电机作为角速度测量元件，本实验还可以用什么作为速度反馈？84当不用速度反馈时，电动机使用电压源驱动也可以调节转速，本实验中是否可以只用比例环节组成速度调节器，使该运算放大器的电压极性不同改变电动机

14、的转向，幅值不同而改变转速？5什么叫跨导放大器？驱动电动机什么时候用定压源，什么时候用定流源？6PWM 方式与线性功率放大器 （如 OPA541,LM12） 的驱动器各有什么优缺点？7本实验为什么要把电动机到丝杠的连轴节断开？8你认为 TEK 公司的 TDS1000 数字式记忆示波器应用的关键是什么？9当示波器探头选择 10：1 时，其等值电路是什么？传递函数为 0.1 的条件是什么?10系统存在哪些非线性环节？对系统性能有什么影响？五、实验报告要求五、实验报告要求1.速度环静态特性曲线，并分析两种调节器下的特性有什么不同？2.速度环动态特性曲线。比较不同调节器以及参数不同的阶跃响应曲线，并与

15、仿真结果对比。3.采用 P 和 PI 调节器时，给出速度环的数学模型，在此基础上，理解速度环的构成。4.简单分析调速系统的刚度，即fzMn （负载力矩作用下，速度的变化） 。刚度与系统结构和参数有什么关系？实验三 直流电动机位置伺服系统一、实验目的一、实验目的1. 熟悉直流伺服电机位置控制系统各环节的传递函数模型；92.掌握位置环的设计和实验调试方法，从而从理论与实际的结合上掌握自动控制系统的设计与校正方法。二、实验原理二、实验原理见附录 1三、实验步骤与要求三、实验步骤与要求给 定 电 位 计CPLD 可逆计数器0.1F47k100k470k24k24k100k470k光电编码器 ABZAD

16、669(D/A)数字电位 计输出470kAD669(D/A)SSSS速度环输入1139KR2R1图图 31位置环部分接线图位置环部分接线图位置环部分接线图见图 31，速度环部分见图 21。位置环的传递函数方框图见 32 图，piVV为位移命令输入，xmm为工作台位移，pfVV为电子电位计测得的工作台位移电压，)(pcsG为位置环的校正网络，)(nsG为速度环的闭环传递函数。但要注意电动机速度有一个饱和环节，最大速度为 1170rpm，此时测速机两端电压为 2829V.)(pcsGpiV )(sGn)s/radmm(22s)V/mm(076. 0pfVx饱和环节10图 32位置环方框图当)(pcsG为比例（P）调节器时