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1、机械工程控制基础实验指导书青岛科技大学、几前l=F机械工程控制基础是针对过程装备与控制工程专业而开设的一 门专业基础课，主要讲解自动控制原理的主要内容，是一门理论性较 强的课程，为了帮助学生学好这门课，能够更好的理解理论知识，在 课堂教学的基础上增加了该实验环节。机械工程控制基础实验指导书共编写了4 个实验，有 实验一、典型环节模拟研究 实验二、典型系统动态性能和稳定性分析 实验三、控制系统的频率特性分析 实验四、调节器参数对系统调节质量的影响 机械工程控制基础实验指导书的编写主要依据“控制工程基 础”教材的内容，结合本课程教学大纲的要求进行编写。利用计算机 和 MATLAB 程序完成实验。注
2、：1）每个实验的实验报告均由 5 部分组成，最后一部分“实验数 据分析”或“思考题”必须写。2）每个实验所记录的图形均需标出横轴和纵轴上的关键坐标点。目录实验一 典型环节模拟研究 4一、实验目的二、实验要求三、实验原理四、实验内容及步骤五、实验报告要求实验二 典型系统动态性能和稳定性分析 7一、实验目的二、实验要求三、实验原理四、实验内容及步骤五、实验报告要求实验三 控制系统的频率特性分析 9一、实验目的二、实验要求三、实验原理四、实验内容及步骤五、实验报告要求实验四 调节器参数对系统调节质量的影响 11一、实验目的二、实验要求三、实验原理四、实验内容及步骤五、实验报告要求附录一：MATLAB
3、6.5的使用13实验一 典型环节模拟研究一、实验目的1熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线 2了解参数变化对典型环节动态特性的影响。二、实验要求1观测并记录各种典型环节的阶跃响应曲线 2观测参数变化对典型环节阶跃响应的影响，测试并记录相应的曲线三、实验原理1惯性环节(一阶环节)，如图 1-1 所示。(a) 只观测输出曲线(b) 可观测输入、输出两条曲线图 1-1 惯性环节原理图2二阶环节，如图1-2 所示。图 1-2 二阶环节原理图 3积分环节，如图 1-3 所示。图 1-3 积分环节原理图4比例积分环节，如图 1-4 所示。图 1-4 比例积分环节原理图 5比例微分环节，如图 1-5 所示。图 1
4、-5 比例微分环节原理图6比例积分微分环节，如图1-6 所示。图 1-6 比例积分微分环节原理图四、实验内容及步骤1进入 Windows 操作系统。2.进入MATLAB Command Window （双击桌面上的MATLAB图标）。3进入 Simulink Library Browser 窗口（在 MATLAB Command Window 窗口中键入simulink 后按回车键，图标)。4将光标移到“File”菜单，并单击鼠标左键，打开“File”子菜单。5. 将“亮条”移到“New”，再移到“New”子菜单的“Model”子菜单并单击左键， 建立一个新的编辑窗口。6. 根据第三部分的原理
5、图，在 Simulink Library Browser 窗口中分别将要做的环节中的 各模块用鼠标拖到右边的Model窗口中；具体操作如下：(1) 单击 Simulink Library Browser 窗口中的 Simulink 模块库中的“Sources”打开 “Sources”模块子库，单击“Step”模块(阶跃信号)并按住鼠标左键将此模块拖动到untitled窗口；(2) 单击 Simulink Library Browser 窗 口中的 Simulink 模块库中的“Continuous” 打开“Continuous”模块子库，单击“Transfer Fen”模块（传递函数）并按住鼠
6、标左键将此模块 拖动到 untitled 窗口；（3）单击 Simulink Library Browser 窗口中的 Simulink模块库中的“Sinks”打开“Sinks” 模块子库，单击“Scope”模块（示波器）并按住鼠标左键将此模块拖动到untitled窗口；（4）用同样的方法可将其它所需模块拖到untitled窗口；其中，“Gain”模块（比例环 节）和“Sum”模块（比较环节）在Math Operations”模块子库中，“Mux”模块在Signal Routing”模块子库中，“Integrator”模块（积分环节）和“Derivative”模块（微分环节）在Continuo
7、us ”中。7用鼠标双击被拖到untitled窗口中的模块，都会出现属性对话框，例如在Step”属 性对话框中可以设置阶跃起始时间、初始值、阶跃值；在“Transfer Fcn”的属性对话框中 可以设置传递函数的阶次、时间常数、放大系数。8. 模块连接，方法如下：（1）将光标移到所要连接的初始模块的输出端（“”），按下左键并拖动鼠标到目标模 块的输入端（“”），松开左键即完成两个模块的连接；（2）或者选中初始模块，然后按下Ctrl键并同时鼠标双击目标模块也可进行两个模块 的连接。（3）若需要从某连接线上引出端子，需要按下Ctrl键并按下鼠标左键拖动鼠标到目标 模块。9. 模块连接好，并且各模块
8、参数设定好后可进行仿真，单击工具栏中的三角形图标， 即图标，计算机开始仿真，双击示波器“Scope”可观察仿真曲线。10. 仿真时间的设定，在untitled窗口中，将光标移到Simulation菜单，按下鼠标左键, 打开子菜单，将高亮条移到 Simulation Parameters 子菜单并单击鼠标左键，出现属性对话框， 可修改仿真时间。重复步骤 49，完成其它环节的仿真，并做好记录。五、实验报告要求实验报告由五部分组成： 1）实验目的； 2）实验要求； 3）实验原理； 4）实验数据； 5） 思考题。六、思考题1. 画出当输入为单位阶跃信号时，一阶系统的输出草图。2. 对于二阶系统，当输入
9、为单位阶跃信号时1）特征根为实根时，系统输出是否振荡？2）特征根为共轭复根时，系统输出是否振荡？3. 比较特征根为实根时二阶系统与一阶系统的单位阶跃响应曲线不同之处。实验二 典型系统动态性能和稳定性分析、实验目的1. 学习瞬态性能指标的测试方法（b ,t ,t ）。sp2. 了解参数变化对典型环节动态性能和稳定性的影响、实验要求1. 观测并记录二阶系统阶跃响应曲线并测试出性能指标（如b,t,t等）。sp2. 观测增益变化对三阶系统稳定性的影响，测试并记录相应的曲线。三、实验原理1. 二阶系统，如图 2-1 所示。图 2-1 二阶系统原理图2. 三阶系统，如图2-2 所示。图 2-2 三阶系统原
10、理图四、实验内容及步骤1. 典型二阶系统瞬态响应指标的测试。（1）参考实验一建立如图 2-1 所示的实验方块图。（2）单击一图标，计算机开始仿真，观测示波器的输出值。调整“Gain”模块的增益分别为 0.3、1、4、10，观测增益对二阶系统输出波形的影响并记录各次输出曲线。并记录增益为1和4时的超调量b，峰值时间t，上升时间t，调整时间t及此时的增益于附 prs表一。2典型三阶系统的稳定性分析 （1）参考实验一建立如图2-2 所示的实验方块图进行仿真。（2）调整仿真参数中的停止时间。点击“ Simulation ”菜单出现下拉子菜单，点击 “Simulation parameters” 出现参
11、数调整界面，修改 “Stop time” 为 20。（3）调整“Gain”模块增益为0.8、2、5,观测系统输出值的波形，并记录输出曲线图, 分析增益对系统稳定性的影响。五、实验报告要求实验报告由五部分组成：1）实验目的；2）实验要求；3）实验原理；4）实验数据；5） 实验结果分析。附表增益超调里上升时间tr峰值时间tp调整时间ts14注：附表一所填数据必须与所记录的输出曲线图形相符合。实验三 控制系统的频率特性分析一、实验目的1学习测量系统(或环节)频率特性曲线的方法和技能。 2学习根据频率特性的实验曲线求取传递函数的方法。3. 学习利用MATLAB语言绘制伯德图和奈奎斯特图的方法。4学习利
12、用伯德图和奈奎斯特图判断系统稳定性。二、实验要求1. 测量并记录模拟系统输入为正弦信号时的输出曲线和数据2. 绘制并记录伯德图和奈奎斯特图。3. 判断系统稳定性。三、实验原理1.利用 SIMULINK 对系统进行频率特性分析1)原理图如 3-1 所示。1121IV1rO.tis+10.2SM-1O.OBs+11S L：U p HSine WaveT ransfer F :：nT ransfer F crrlT ransfer F cn2图 3-1(2)实验原理 设上述开环系统等效为下列系统：则，当x(t)二 X sin t 时，x (t)二 X sinet + Q(),iooX ()i2. 利
13、用MATLAB命令语句绘制控制系统奈奎斯特图和伯德图。对如图3-1表示的系统，其传递函数为G(s)=2(0.6 s + 1)(0.2s + l)(0.06s +1)MATLAB命令语句：b=2%确定开环传递函数的分子系数向量a1=0.6 1%确定开环传递函数分母第一个因子的系数a2=0.2 1%确定开环传递函数分母第二个因子的系数 a3=0.06 1%确定开环传递函数分母第三个因子的系数 a=conv(a1,a2)%确定开环传递函数分母前两个因子乘积的系数a=conv(a, a3)%确定开环传递函数分母三个因子乘积的系数 margin(b,a)%绘制伯德图且描绘出幅值和相位裕度，也可用bode
14、(b,a)语句 nyquist(b,a)%绘制奈奎斯特图四、实验内容及步骤1按图 3-1 连接好系统方块图。2. 改变系统输入正弦信号的频率。双击Sine Wave图标，出现参数设定对话框，改变 “Frequency”的值为1、2.4、5、11、15rad/sec，观测系统的输出并记录输出曲线和各参数值到附表二中。3. 在MATLAB Command Window窗口中，输入实验原理提供的MATLAB语句，画出 伯德图和奈奎斯特图，观察并记录曲线。4. 结合上述 MATLAB 命令语句，绘制如下两个系统的开环频率特性伯德图和奈魁斯 特图。记录曲线图，并确定系统稳定性。(1)开环传递函数为G(s)=10s( s + 1)(s + 10)(2)开环传递函数为G(s)=250s(0.02 s + 1)(0.005s +1)五、实验报告要求实验报告由五部分组成：1)实验目的；2)实验要求；3)实验原理；4)实验数据；5)实验结果分析。附表二Frequency12.451115X
