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1、机械工程控制基础实验报告姓名：周毅班级：机制 122学号：5801212059目录实验一：典型环节的电路模拟与软件仿真研究 1实验二：典型系统动态性能和稳定性分析9实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真研究一实验目的1通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。2通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方 法。二实验内容1设计各种典型环节的模拟电路。2完成各种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在上位机界面上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶 跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。三
2、实验步骤1 熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录设计并连接各种典型 环节（包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。 注意实验接线前必须先将实验箱上电，以对运放仔细调零。然后断电，再接线。接线时要注 意不同环节、不同测试信号对运放锁零的要求。在输入阶跃信号时，除比例环节运放可不锁 零（G可接T5V）也可锁零外，其余环节都需要考虑运放锁零。2利用实验设备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。无上位机时，利用实验箱上的信号源单元U2所输出的周期阶跃信号作为环节输入，即 连接箱上U2的“阶跃”与环节的输入端（
3、例如对比例环节即图1.1.2的Ui）,同时连接U2 的“锁零（G）”与运放的锁零G。然后用示波器观测该环节的输入与输出（例如对比例环节 即测试图1.1.2的Ui和U。）。注意调节U2的周期阶跃信号的“频率”电位器RP5与“幅值” 电位器RP2，以保证观测到完整的阶跃响应过程。有上位机时，必须在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器 与信号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能，接线方式将不同 于上述无上位机情况。仍以比例环节为例，此时将Ui连到实验箱U3单元的O1 （D/A通道 的输出端），将Uo连到实验箱U3单元的I1（A/D通道的输入端），将运放的锁
4、零G连到实 验箱U3单元的G1 （与01同步），并连好U3单元至上位机的并口通信线。接线完成，经检 查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。界面上的操作步骤如下： 按通道接线情况完成“通道设置” :在界面左下方“通道设置”框内，“信号发生通道” 选择“通道01#”，“采样通道X”选择“通道11#”，“采样通道Y”选择“不采集”。 进行“系统连接”（见界面左下角），如连接正常即可按动态状态框内的提示（在界面 正下方）“进入实验模式”；如连接失败，检查并口连线和实验箱电源后再连接，如再失败则 请求指导教师帮助。 进入实验模式后，先对显示进行设置：选择“显示模式”（在主界面左上角）为“
5、X-1”； 选择“量程”（在“显示模式”下方）为100ms/div；并在界面右方选择“显示”“系统输入 信号”和“采样通道X”。 完成实验设置，先选择“实验类别”（在主界面右上角）为“时域”然后点击“实验 参数设置”，在弹出的“系统测试信号设置”框内，选择“输入波形类别”为“周期阶跃信 号”，选择“输入波形占空比”为50%，选择“输入波形周期”为“1000ms”，选择“输入持 续时间”为“1000ms”，选择波形不“连续”，选择“输入波形幅值”为“ 1V”，将零位偏移 设为“0”。以上除必须选择“周期阶跃信号”外，其余的选择都不是唯一的。要特别注意， 除单个比例环节外，对其它环节和系统都必须考
6、虑环节或系统的时间常数，如仍选择“输入 波形占空比”为50%，那么“输入波形周期”至少是环节或系统中最大时间常数的68倍。 这样，实验中才能观测到阶跃响应的整个过程。 以上设置完成后，按“实验启动”启动实验，动态波形得到显示，直至“持续时间” 结束，实验也自动结束，如上述参数设置合理就可以在主界面中间得到环节的“阶跃响应”。 利用“红线数值显示”功能（详见软件使用说明书）观测实验结果；改变实验箱上环 节参数，重复的操作；如发现实验参数设置不当，看不到“阶跃响应”全过程，可重复、 的操作。 按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件，操作方法参阅软件使用说明书。3. 利用上位机完成环节阶跃特性软件
7、仿真的操作，前步骤与2相同，其后操作步 骤如下： 进入实验模式后，先对显示进行设置：选择“显示模式”（在主界面左上角）为“X-1”； 选择“量程”（在“显示模式”下方）为100ms/div；并在界面右方选择“显示”“系统仿真”。 在上位机界面右上角“实验类别”中选择“软件仿真”。 然后点击“实验参数设置”，在弹出的“仿真设置”框内，先作“系统仿真输入信号 设定”，选择“输入波形类别”为“周期阶跃信号”，选择“输入波形幅值”为“ 1V”，选择“输入波形占空比”为50%，选择“输入波形周期”为“ 1000ms”，选择“输入持续时间” 为“ 1000ms” ,选择波形不“连续”。以上除必须选择“周期
8、阶跃信号”夕卜，其余的选择都 不是唯一的。要特别注意，除单个比例环节外，对其它环节和系统都必须考虑环节和系统的 时间常数，如仍选择“输入波形占空比”为50%，那么“输入波形周期”至少是环节或系统 中最大时间常数的68倍。 在“仿真设置”框内的“传递函数”栏目中填入各个环节的实际（非理想）传递函数 参数。完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。 在“仿真设置”框内的“其它设置”栏目中选择“时域仿真”。 以上设置完成后，按“实验启动”启动实验，动态波形得到显示，直至“持续时间” 结束，实验也自动结束，如设置合理就可以在主界面中间得到环节的“阶跃响应”。 利用“红线数值显示
9、”功能（详见软件使用说明书）观测实验结果；在“仿真设置” 框内的“传递函数”栏目中改变原填入的环节传递函数参数，重复的操作；如发现“系统 仿真输入信号设定”中的实验参数设置不当，看不到“阶跃响应”全过程，可重复、的 操作。 按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件，操作方法参阅软件使用说明书。4. 分析实验结果，完成实验报告。四附录200k,实验参数取R0=100k, R=U s-L+s堀哩0t1.比例(P)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 比例环节的传递函数为：o=KU.(s)I其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.1.1、图1.1.2和图1.1.3所示，于是K = 1 ,R0
10、图 1.2.32积分环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 积分环节的传递函数为：Uo(s)=丄U (s) Tsi其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图121、图122和图123所示，于是T = R0C, 实验参数取 R0=1OOk, C=1uF, R=10k。3 比例积分(PI)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.3.1、图 1.3.2 和图 1.3.3 所示，于是4.比例微分(PD )环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例微分环节的传递函数为：传=K(1 + Ts)Ui其方块图和模拟电路分别如图 1.4.1、图 1.4.2 所示。
11、其模拟电路是近似的(即实际 PD环节)，取 R, R R，则有 K =虽込,T = RR2 C，实验参数取 R0=lOk, R1 = 10k, R2 1 23RR + R0120 1 2= 10k, R3 = 200, C=1uF, R=10k。对应理想的和实际的比例微分(PD)环节的阶跃响应分别如图1.4.3a、图1.4.3b所示。图 1.4.3a实际PD环节的传递函 数为：图 1.4.3bU (s)R + Ro= 12U (s)Ri0RR Cs121 + 1_2(R + R )(RCs +1)123(RR + RR + RR )Cs + (R + R )CCC11C12233112R R
12、Cs + R0 30供软件仿真参考）其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.5.1、图1.5.2和图1.5.3所示，其中 K =生,T = RC，实验参数取 R0=2OOk, R=200k, C=1uF, R=10k。R 1 0 1图 1.6.16 比例积分微分(PID )环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例积分微分环节的传递函数为：Uo(s) = K + +T sU (s)P Ts dii其方块图和模拟电路分别如图161、图 1.6.2所示。其模拟电路是近似的(即实际PID 环节)，取叫R2 R3 ,将近似上述理想PID 环节有K =俾,T = R0C. T = RiR2 C2,
13、实验参P R i 0 1 d R 20 0数取 R0=200k, R = 100k, R2=10k, R3 = 1k, q = 1uF, C2=10uF, R=10k。对应理想的和实际的比例积分微分(PID) 环节的阶跃响应分别如图1.6.3 a、图1.6.3 b 所示。实际 PID 环节的传递函数为：U (s) R +R 1R C(RCs+1)O = 1缶 + + 2 一 RC；+Rc2（rC1 s+1）（供软件仿真参考）010132结果分析：实验总结:图 1.6.3bPID图 1.6.2Uo t图 1.6.3a实验二 典型系统动态性能和稳定性分析一实验目的1学习和掌握动态性能指标的测试方法
14、。 2研究典型系统参数对系统动态性能和稳定性的影响。二实验内容1观测二阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性 能和稳定性的影响。2观测三阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性 能和稳定性的影响。三实验步骤1熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录中的图2.1.1 和图 2.1.2，设计并连接由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（如 用 U9 、U15、 U11 和 U8 连成）。注意实验接线前必须对运放仔细调零。接线时要注意对运 放锁零的要求。2利用实验设备观测该二阶系统模拟电路的阶跃特性，并测出其超调量和调节时间。 3改变该二阶系统模拟电路的参数，观测参数对系统动态性能的影响。4利用实验箱上
