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1、机械控制工程实验报告学 院： 机械与汽车工程学院专 业： 机械设计制造及其自动化学 号： 姓 名： 得 分： 指 导： 日 期： 合肥工业大学机械与汽车工程学院机械电子工程系实验一 典型环节的模拟研究一、实验目的1、掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式。2、观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的 影响。二、实验原理三、实验步骤选用虚拟示波器，运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下 的典型环节的模拟研究实验项目,再选择开始实验,就会弹出虚拟示波器的界面，点击开 始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元
2、的CH1测孔测量波形。1）观察比例环节的阶跃响应曲线2）观察惯性环节的阶跃响应曲线3）观察积分环节的阶跃响应曲线4）观察比例积分环节的阶跃响应曲线5）观察比例微分环节的阶跃响应曲线6）.观察PID （比例积分微分）环节的响应曲线具体用法参见实验指导书第二章虚拟示波器部分。四、实验曲线及结果分析1）比例环节I AEDItHSftaJlitRflLCALABACr 实套一典衆坏卩叫豪仪研只EEEI文f（E）xt（y）设量 n（r 3ds*!va（）冊(H O1! V2）惯性环节3）积分环节4）比例积分环节5）比例微分环节6）PID （比例积分微分）环节AEDX系刿实食机试软flLcgxi-邑圜Xf
3、t(E) Xt(y)iftl 11(1) 3dSMsw wag) 他二I刮 X|-ill J幻妃黑t实验二 二阶系统瞬态响应和稳定性分析、实验目的1. 掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法，1型二阶闭环系统的传递函数标准式。2. 研究二阶闭环系统的结构参数-无阻尼振荡频率3 n,阻尼比对过渡过程的影响。3. 掌握欠阻尼二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标Mp、tp、ts的计算。4. 观察和分析典型二阶闭环系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼的瞬态响应曲线，欠阻 尼二阶闭环系统中的结构参数-自然频率（无阻尼振荡频率）3 n,阻尼比对瞬态 响应的影响。、实验原理图 3-1-7 是典型二阶系统原理方块
4、图。图 3-1-7 典型二阶系统原理方块图I型二阶系统的开环传递函数：G（S） = TiS（TS +1）I型二阶系统的闭环传递函数标准式:e（s）二G( S)1 + G(S)2nS2 + 2)o S + o2nn自然频率（无阻尼振荡频率）：o n = %T阻尼比： 2有二阶闭环系统模拟电路如图3-1-8所示。它由积分环节（A2）和惯性环节（A3） 构成。luC2A2A6A3CH110KRR2 100kCl 11 2u10K0+5V阶麻200KR1500k熾 200K图 3-1-8 典型二阶闭环系统模拟电路图3-1-8的二阶系统模拟电路的各环节参数及系统的传递函数：积分环节（A2单元）的积分时间
5、常数Ti=Ri*Ci=1S惯性环节（A3单元）的惯性时间常数T=R2*C2=0.1S该闭环系统在A3单元中改变输入电阻R来调整增益K,R分别设定为10k、40k、100k。G(S)- TiS(TS +1)KS (0.1S +1)100kRe（s）=o2nS 2 + 2go S + o 2nn10KS 2 + 10S + 10K当R=100k,K=1 g =1.58 1 为过阻尼响应，当R=40k,K=2.5 g =1为临界阻尼响应，当 R=10k，K=10 g =0.50g1厂频率特性fr相频特性 r幅相特性-显不方式一*不饭 r xY前一屏4后T刷新开始|计算公式:U004 Ek4|I护开始
6、|导实脸帮助文件I AEDKU实脸机耐.|國| 卷） ft-! 夕 19:213凶AEDK系列实雅机谓试软件LCALABACT -典型系狡瞬态响应和穏定性C相频特性 r幅相特性量程三位移二D硏口耳| %瞻暉#4嵩舄軸|顧因材? ? ! *昌文件查看 设置 XM 自动控制徽机控制控制系统窗口呦帮助METLKSPiT一-1SJH1：.：B-7 E-频率特性一零点揑制 电压 CH1|计算公式:LH实验三 三阶系统瞬态响应和稳定性分析、实验目的1. 掌握典型三阶系统模拟电路的构成方法，1型三阶系统的传递函数表达式。2. 熟悉劳斯（ROUTH ）判据使用方法。3. 应用劳斯（ROUTH）判据，观察和分析
7、I型三阶系统在阶跃信号输入时，系统的 稳定、临界稳定及不稳定三种瞬态响应、实验原理典型三阶系统的方块图见图 3-1-10。图 3-1-10 典型三阶系统的方块图典型三阶系统的开环传递函数（单位反馈）：G（S） _ K1K2TiS（T1S +1）（T 2S +1）图3-1-11典型三阶系统模拟电路图图3-1-11的三阶系统模拟电路的各环节参数及系统的传递函数:闭环传递函数：e（s） _12-TiS（T S +1）（T S+1）+K K1 2 1 2 有三阶系统模拟电路如图3-1-11所示。它由积分环节（A2）、惯性环节（A3和A5）构成。R1500KC2 7积分环节（A2单元）的积分时间常数Ti
8、=R1*C1=1S,惯性环节（A3单元）的惯性时间常数T1=R3*C2=0.1S,K1=R3/R2=1惯性环节（A5单元）的惯性时间常数T2=R4*C3=0.5S, K2=R4/R=500k/R该系统在A5单元中改变输入电阻R来调整增益K, R分别为30K、41.7K、100K。 图3-1-11的三阶系统模拟电路传递函数为：开环传递函数：G（S）=KS (0.1S + 1)(0.5S +1)K1* K2 _ 500kTi _ R闭环传递函数：e(S) _ +丽 _ S(0.1S + 1)(0.5S +1) + K20 KS 3 + 12S 2 + 20S + 20 K闭环系统的特征方程为：1
9、+ G(S) _ 0,n S3 + 12S2 + 20S + 20K _ 0特征方程标准式：aos3+ais2+aS+a3二0由 Routh 稳定判据判断得 Routh 行列式为：s3aas302s2aas213a a -a ans11 2-30s1as01a0s031 2012240 - 20K1220K20K00为了保证系统稳定，第一列的系数都为正值，所以J240- 20K12由 ROUTH 判据，得0 K 0n R 41.7K0系统稳定n R = 41.7KQ系统临界稳定K 12n R 41.7KQ 系统不稳定三、实验步骤在实验中欲观测实验结果时，可用普通示波器，也可选用本实验机配套的虚
10、拟示波器。如果选用虚拟示波器，只要运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时 域分析下的三阶典型系统瞬态响应和稳定性实验项目,再选择开始实验,就会弹出虚拟示 波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波 形。有三阶系统模拟电路图参见图3-1-11，环节在A5单元中分别选取输入电阻R=30K、1.7K 和100K,改变系统开环增益。具体用法参见实验指导书第二章虚拟示波器部分。四、实验曲线及结果分析实验四 线性控制系统的频率响应分析一、实验目的1掌握对数幅频曲线和相频曲线（波德图）、幅相曲线（奈奎斯特图）的构造及绘制 方法。2. 研究二阶闭环系统的结构参数-自然频率或无阻尼振荡频率3 n,阻尼比对对数 幅频曲线和相频曲线的影响，及渐近线的绘制。3.掌握欠阻尼二阶闭环系统中的幅频特性L（）错误！未
