清华大学 控制工程 实验指导书教案.doc

PAGE 1 PAGE 15 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 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。 .K=1,T=10; 2).K=1,T=1; 3).K=1,T=0.1 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。 自构造高阶系统，试利用Matlab软件工具分析其时域、频域特性。 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） 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 实验目的 熟悉直流伺服电机控制系统各环节的传递函数模型； 根据给定的性能指标，设计速度环与位置环的控制器参数。 实验内容及要求 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）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） 给定速度环的性能指标如下： 单位阶跃响应的超调量小于30％； 单位阶跃响应的调整时间小于0.06s； 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：，，，。 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。 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）。 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）。 位置环仿真实验 位置环的传递函数方框图见图1-2。 图1－2 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： 单位阶跃响应的超调量小于30％； 单位阶跃响应的调整时间小于0.2s； 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: ，，。 根据设计的调节器参数，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。 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）。 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 熟悉直流伺服电机控制系统各环节的传递函数模型； 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P248~261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器测试的点； 图2－1 速度环接线图 三、实验步骤与要求： 把图1－1进行简化，得到双环调速系统简化方框图（图2－2）： 图2－2 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） 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。 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。 了解调速系统刚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