机电控制工程试验指导书白城师范学院机电系编者李冰前言本.DOCVIP

《机电控制工程》实验指导书 白城师范学院机电系 编者：李冰 前 言 本实验指导书目前收录了典型环节及其阶跃响应、二阶系统阶跃响应、控制系统的稳定性分析、线性系统稳态误差的研究、控制系统频率特性实验、控制系统的校正、采样系统分析等七个实验项目。 由于水平有限，加之时间仓促，不足之处还望读者批评指正。 编者 于2007年9月 实验一 典型环节及其阶跃响应 一、实验目的：1.构建典型环节的模拟电路。 2. 掌握典型环节阶跃响应测量方法。 二、实验内容：1.设计并构建控制系统典型环节电路。 2.设计实验,测量典型环节的阶跃响应。 三、仪器与材料：自动控制实验系统 微型计算机 示波器 万用表 各种连线 四、实验原理： 自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分有益。 本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图 如图1-1所示。图中Z1和Z2表示由R、C构成的复数阻抗。 1. 比例（P）环节 比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。 图1-1 它的传递函数与方框图分别为：  2. 积分（I）环节 积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。它的传递函数与方框图分别为： 3. 比例积分(PI)环节 比例积分环节的传递函数与方框图分别为： 其中T=R2C，K=R2/R1 4. 比例微分(PD)环节 比例微分环节的传递函数与方框图分别为： 其中 5. 比例积分微分(PID)环节 比例积分微分(PID)环节的传递函数与方框图分别为： 其中，， 6. 惯性环节 惯性环节的传递函数与方框图分别为： 五、实验步骤: 1. 构建比例（P）环节模拟电路, 测量其阶跃响应。（选做） 2. 构建积分（I）环节模拟电路, 测量其阶跃响应。（选做） 3. 构建比例积分(PI)环节模拟电路, 测量其阶跃响应。（选做） 4. 构建比例微分(PD)环节模拟电路, 测量其阶跃响应。（选做） 5. 构建比例积分微分(PID)环节模拟电路, 测量其阶跃响应。（选做） 6. 构建惯性环节模拟电路, 测量其阶跃响应。（选做） 7. 根据实验结果完成实验报告。 六、实验报告要求 1. 构建各典型环节的实验电路图，并注明参数。 2. 测出典型环节的单位阶跃响应曲线。 实验二 二阶系统阶跃响应 一、实验目的：1.了解构成典型二阶系统的模拟电路。 2.掌握二阶系统的重要参数对系统动态性能的影响。 二、实验内容：1.组成二阶系统的电路。 2.测量二阶系统的阶跃响应。 三、仪器与材料：自动控制实验系统 微型计算机 示波器 万用表 各种连线 四、实验原理： 1. 二阶系统的瞬态响应 用二阶常微分方程描述的系统，称为二阶系统，其标准形式的闭环传递函数为 (2-1) 闭环特征方程： 其解 ， 针对不同的值，特征根会出现下列三种情况： 1）01（欠阻尼）， 此时，系统的单位阶跃响应呈振荡衰减形式，其曲线如图2-1的(a)所示。它的数学表达式为： 式中，。 2）（临界阻尼） 此时，系统的单位阶跃响应是一条单调上升的指数曲线，如图2-1中的(b)所示。 3）（过阻尼）， 此时系统有二个相异实根，它的单位阶跃响应曲线如图2-1的(c)所示。 (a) 欠阻尼(01) (b)临界阻尼() (c)过阻尼() 图2-1 二阶系统的动态响应曲线 虽然当=1或1时，系统的阶跃响应无超调产生，但这种响应的动态过程太缓慢，故控制工程上常采用欠阻尼的二阶系统，一般取=0.6~0.7，此时系统的动态响应过程不仅快速，而且超调量也小。 2. 二阶系统的典型结构 典型的二阶系统结构方框图和模拟电路图如2-2、如2-3所示。 图2-2 二阶系统的方框图 图2-3 二阶系统的模拟电路图（电路参考单元为：U3、U5、U11、反相器单元） 图2-3中最后一个单元为反相器。 由图2-4可得其开环传递函数为： ，其中：， (，) 其闭环传递函数为： 与式2-1相比较，可得 ， 五、实验步骤 根据图2-3，选择实验台上的通用电路单元设计并组建模拟电路。 1. 值一定时，图2-3中取C=1uF，R=100K(此时)，Rx阻值可调范围为0～470K。系统输入一单位阶跃信号，在下列几种情况下，用“THBCC-1”软件观测并记录不同值时的实验曲线。 1.1当可调电位器RX=250K时，=0.2，系统处于欠阻尼状态，其超调量为