机械控制工程基础实验报告.doc

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中北大学机械与动力工程学院
实验报告

专业名称__________________________________
实验课程名称______________________________
实验项目数_______________总学时___________
班级______________________________________
学号______________________________________
姓名______________________________________
指导教师__________________________________
协助教师__________________________________

日期______________年________月______日____

实验二 二阶系统阶跃响应

一、实验目的
1．研究二阶系统的特征参数如阻尼比z和无阻尼自然频率wn对系统动态性能的影响；定量分析 z 和wn与最大超调量Mp、调节时间tS之间的关系。
2．进一步学习实验系统的使用方法。
3．学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。
二、实验仪器
1． EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台
2． PC计算机一台
三、实验原理
1．模拟实验的基本原理：
控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。
2. 时域性能指标的测量方法：超调量：
1) 启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。
2) 测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。
3) 连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。
4) 在实验课题下拉菜单中选择实验二[二阶系统阶跃响应] 。
5) 鼠标双击实验课题弹出实验课题参数窗口。在参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。
6) 利用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，带入下式算出超调量：
YMAX - Y∞
=——————×100%
Y∞
tP与ts:利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达95%稳态值所需的时间值，便可得到tP与ts。
四、实验内容
典型二阶系统的闭环传递函数为
w2n
j（S）= （1）
s2＋2zwns＋w2n

其中 z 和wn对系统的动态品质有决定的影响。
图2-1为典型二阶系统的模拟电路，要求测量其阶跃响应：

图2-1 二阶系统模拟电路图
电路的结构图如图2-2：

图2-2 二阶系统结构图
系统闭环传递函数为
（2）
式中 T=RC，K=R2/R1。比较（1）、（2）二式，可得
wn=1/T=1/RC z=K/2=R2/2R1 （3）
由（3）式可知，改变比值R2/R1，可以改变二阶系统的阻尼比。改变RC值可以改变无阻尼自然频率wn。
今取R1=200K，R2=100KW和200KW，可得实验所需的阻尼比。电阻R取100KW，电容C分别取1mf和0.1mf,可得两个无阻尼自然频率wn。
五、实验步骤
1.连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。
2.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。
3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。
4.在实验课题下拉菜单中选择实验二[二阶系统阶跃响应], 鼠标双击该选项弹出实验课题参数窗口。

5.取wn=10rad/s, 即令R=100KW，C=1mf；分别取z=0.5、1、2，即取R1=100KW，R2分别等于100KW、200KW、400KW。输入阶跃信号，测量不同的z时系统的阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量s%和调节时间ts的数值和响应动态曲线，并与理论值比较。
6.取z=0.5,即取R1=R2=100KW；wn=100rad/s, 即取R=100KW，改变电路中的电容C=0.1mf(注意：二个电容值同时改变)。输入阶跃信号测量系统阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量s%和调节时间ts。
7.取R=100KW；改变电路中的电容C=1mf,R1=100KW,调节电阻R2=50KW。输入阶跃信号测量系统阶跃响应，记录响应曲线，特别要记录tp和s%的数值。
8.测量二阶系统的阶跃响应并记入表中：
实验结果
参数
Mp
tp（ms）
ts（ms）
R =100K
C =1μf
ωn=10rad/s
R1=100K
R2=0K
ζ=0
此处填写
所记录的
数据
R1=100K
R2=50K
ζ=0.25

R1=100K
R2=100K
ζ=0.5

R1=100K
R2=200K
ζ=2

R1=100K
C1=C2=0.1μf
ωn=100rad/s
R1= 100K
R2=100K
ζ=0.5

R1=50K
R2=200K
ζ=2

此处附截图

六、实验报告
1.画出二阶系统的模拟电路图,讨论典型二阶系统性能指标与ζ,ωn的关系.
2.把不同z和wn条件下测量的s%和ts值列表,根据测量结果得出相应结论. 3.画出系统响应曲线,再由ts和s%计算出传递函数,并与由模拟电路计算的传递函数相比较。

实验五 连续系统串联校正

一、实验目的
1. 加深理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用。
2. 对给定系统进行串联校正设计，并通过模拟实验检验设计的正确性。
二、实验仪器
1．EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台
2．计算机一台
三、实验内容
1．串联超前校正
（1）系统模拟电路图如图5-1，图中开关S断开对应未校情况，接通对应超前校正。
图5-1 超前校正电路图
（2）系统结构图如图5-2

图5-2 超前校正系统结构图
图中 Gc1（s）=2
2（0.055s+1）
Gc2（s）=
0.005s+1

2．串联滞后校正
（1） 模拟电路图如图5-3，开关s断开对应未校状态，接通对应滞后校正。
图5-3 滞后校正模拟电路图
（2）系统结构图示如图5-4
图5-4 滞后系统结构图
图中 Gc1(s）=10
10（s+1）
Gc2（s）=
11s+1
3．串联超前—滞后校正
（1） 模拟电路图如图5-5，双刀开关断开对应未校状态，接通对应超前—滞后校正。
图5-5 超前—滞后校正模拟电路图

（2） 系统结构图示如图5-6。

图5-6超前—滞后校正系统结构图

图中 Gc1（s）=6
6（1.2s+1）（0.15s+1）
Gc2（s）=
（6s+1）（0.05s+1）
四、实验步骤
超前校正：
1.连接被测量典型环节的模拟电路(图5-1)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将将纯积分电容两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。
2.开关s放在断开位置。-
3.在实验项目的下拉列表中选择实验五[五、连续系统串联校正]。鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果，并记录超调量sp和调节时间ts。
6.开关s接通，重复步骤5,将两次所测的波形进行比较。并将测量结果记入下表中：
超前校正系统
指标
校正前
校正后
阶跃响应曲线

Mp

Tp（秒）

Ts（秒）

此处附图

滞后校正：
1.连接被测量典型环节的模拟电路(图5-3)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将纯积分电容两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。
2.开关s放在断开位置。
3.在实验项目的下拉列表中选择实验五[五、连续系统串联校正]。鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框，在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果，并记录超调量sp和调节时间ts。
4.开关s接通，重复步骤9,将两次所测的波形进行比较。并将测量结果记入下表中：

滞后校正系统
指标
校正前
校正后
阶跃响应曲线

Mp

Tp（秒）

Ts（秒）

此处附图

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