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1、控制工程基础实验指示书郭美凤 赵长德清华大学精密仪器与机械学系2004-5-5实验一 Matlab仿真实验一、基本实验1、 对于一阶惯性系统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=0.12、 对于二阶系统 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。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） （2）
2、 二、结合“运动控制系统”实验，熟悉MATLAB的控制系统图形输入与仿真工具SIMULINK。并把仿真结果与“运动控制系统”实验结果进行比较1 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 速度环仿真实验图1-1 双环调速系统方框图速度环的传递函数方框图见图1。测速发电机系数 =0.024V/=0.229，而电动机反电势系数 0.213 ,所以 =550 0.5A/V测速机滤波时间常数（也可以重新设计）rad/s为电机转速，最大转速为1000rpm，反馈系数，为速度环的校正网络。当为比例积分（PI
3、）调节器时，其传递函数为 （1）当为比例（P）调节器时，其传递函数为 （2）1 给定速度环的性能指标如下：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：，。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（超调量与调整时间）。2.2 位置环仿
4、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V为位移命令输入，mm为工作台位移，V为电子电位计测得的工作台位移电压，为位置环的校正网络，为速度环的闭环传递函数。当为近似比例积分（PI）调节器时，其传递函数为 （3）当为比例（P）调节器时，其传递函数为 （4）1. 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: ，。2. 根据
5、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）。关于伺服电机控制系统的详细资料参见附录1。实验二 直流电动机调速系统一、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
6、器测试的点； 图21 速度环接线图三、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）：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。当为比例积分（PI）调节器时，其传递函数为（1）当为比例（P）调节器时，其传递函数为 （2）1. 按图接线，掌握速度反馈极性的判断方法。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
7、度与系统参数和结构的关系。采用比例调节器，且为最小（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（最小）的静特性，即，电机转速可测量测速机电压计算，至少正反
8、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，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（）,采用P校正，为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。再继续加大输入电压（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，测量测速机两端电压的阶跃响应曲线，记录之，并计算其斜率 ，系统的速度品质系数为 已知 ） 式中，,从而可计算以及不同时的速度品质系数了；另外，已知，即可计算值，此参数可用于系统分析和仿
9、真。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？4 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的转向，幅值不同而改变转速？5
10、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？6 PWM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，并与仿真结果对比。3. 采用P和PI调节器时，给出速度环的数
11、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（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；2. 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、实验原理见附录1三、实验步骤与要求图31 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，V为位移命令输入，mm为工作台位移，V为电子电位计测得的工作台位移电压，为位置环的校正网络，为速度环的闭环传递函数。但要注意电动机
12、速度有一个饱和环节，最大速度为1170，此时测速机两端电压为2829V.图32 位置环方框图当为比例（P）调节器时，其传递函数为 ,采用图31接线时,其值为 (1)当为近似比例积分（PI）调节器时，其传递函数为（2）1. 通晓位置反馈的原理后，按图31接线。可调到1，将连轴节脱开。2. 系统正常工作后，测试输入电压为1V时，反馈电位计的电压阶跃响应曲线，测试调整时间和变化斜率，同时观察测速机电压波形，说明电动机速度是否饱和。3. 当继续加大输入电压到2V、3V时，重复上述实验。适当调整输入电压，使系统工作在线性区，再测试阶跃响应曲线并记录。4. 选择较好的位置环PI调节器参数，观察此时的阶跃响
13、应及瞬态响应指标（超调量与调整时间）。5. 采用较好的调节器参数，断开使能，把连轴节接好，且保证输入电压为0时，工作台处于零位（按复位按钮，反馈电压为0，再闭环），测试位置环的静态特性，从80 80至少测试12点。计算系统的传递系数（）。6. 观察位置锁定后，在负载力矩（用手扭动）作用下，工作台的位移，其位移越小，系统刚度越大。*位置环实际是转动惯量电弹簧阻尼系统，在P校正时，逐渐减小速度反 馈值，系统就会振荡，请记下振荡频率和值，说明速度反馈的阻尼作用。四、实验思考1 CPLD是什么器件？采用光电编码器作为位置反馈是计算机控制系统普遍采用的方法，为了与“机电控制系统”课程实验兼容，“控制工程
14、基础”实验也采用了此元件，但利用CPLD和D/A转换实现线性位置反馈，计数器复位时，该计数器值是XXXXH?对应的D/A值是多少？位置反馈系数如何分析计算？2 根据光电编码器的那2个信号可以判断转向？3 运算放大器，功率放大器、电动机转速都具有饱和特性，试根据采用的位置调节器参数分析位置伺服系统的线性范围！这时如何仿真？4 这个实验的连轴节什么时候可以连接上？5 线性系统调整时间与输入大小无关，实际上，实用的系统都是非线性系统，说明这个实验，为说明为什么调整时间与输入大小有关？画出反映实际的位置环方框图和参数，再进行仿真，与实验现象对比。6 如果加上积分校正，位置会产生过冲？为什么？机床进给系统是否允许过冲？7 系统的静态传递系数（输入1V单轴工作台移动的位移）如何计算？取决于什么？8 系统位置环，速度环，电流环（力矩环）各有什么特点？其频带如何分布？9 试画出利用现在的元部件加上计算机组成数字式位置控制系统的原理图？系统分辨率能够达到多高？ 对于运动控制来说，什么叫全闭环？什么叫半闭环？五、实
