1、机械工程控制基础实机械工程控制基础实验验主讲人主讲人:荣军荣军E-mail:rj1219E-mail:rj1219 实验一实验一 典型环节的电路模拟典型环节的电路模拟 与软件仿真与软件仿真 一、实验目的一、实验目的 熟悉并掌握熟悉并掌握THBCC-1THBCC-1型型 信号与系统信号与系统控制理论及控制理论及 计算机控制技术实验平台及上位机软件的使用方法。计算机控制技术实验平台及上位机软件的使用方法。2 2熟悉各典型环节的电路传递函数及其特性，掌握熟悉各典型环节的电路传递函数及其特性，掌握 典型环节的电路模拟与软件仿真研究。典型环节的电路模拟与软件仿真研究。3 3测量各典型环节的阶跃响应曲线，
2、了解参数变化对测量各典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对 其动态特性的影响。其动态特性的影响。二、实验设备二、实验设备1 1THBCC-1THBCC-1型型 信号与系统信号与系统控制理论及计算机控制理论及计算机 控制技术实验平台控制技术实验平台2 2PCPC机机1 1台台(含上位机软件含上位机软件)37)37针通信线针通信线1 1根根 3 3双踪慢扫描示波器双踪慢扫描示波器1 1台台(可选可选)三、实验内容三、实验内容1 1设计并组建各典型环节的模拟电路设计并组建各典型环节的模拟电路；2 2测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化 对其输出响应的影响对
3、其输出响应的影响 3 3上位机界面上，填入各典型环节数学模型的实上位机界面上，填入各典型环节数学模型的实 际参数，据此完成它们对阶跃响应的软件仿真，际参数，据此完成它们对阶跃响应的软件仿真，并与模拟电路测试的结果相比较。并与模拟电路测试的结果相比较。四、实验原理四、实验原理 自控系统是由比例、积分、惯性环节等按一定的关自控系统是由比例、积分、惯性环节等按一定的关系连接而成。熟悉这些惯性环节对阶跃输入的响应，对系连接而成。熟悉这些惯性环节对阶跃输入的响应，对分析线性系统将是十分有益。分析线性系统将是十分有益。在附录中介绍了典型环节的传递函数、理论上的阶跃在附录中介绍了典型环节的传递函数、理论上的
4、阶跃响应曲线和环节的模拟电路图。响应曲线和环节的模拟电路图。五、实验步骤五、实验步骤 熟悉实验台，利用实验台上的模拟电路单元，熟悉实验台，利用实验台上的模拟电路单元，构建所设计的构建所设计的(可参考本实验附录可参考本实验附录)并连接各典并连接各典 型环节（包括比例、积分、比例积分、比例微型环节（包括比例、积分、比例积分、比例微 分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。待检查电路接线无误后待检查电路接线无误后,接通实验台的电源总开关，接通实验台的电源总开关，并开启并开启5V5V，15V15V直流稳压电源。直流稳压电源。2 2对相关的实验单元的运放进行调
5、零（令运放各输对相关的实验单元的运放进行调零（令运放各输入端接地，调节调零电位器，使运放输出端为入端接地，调节调零电位器，使运放输出端为0V0V）注意：积分、比例积分、比例积分微分实验中所用注意：积分、比例积分、比例积分微分实验中所用到的积分环节单元）不需要锁零（令积分电容放电）时到的积分环节单元）不需要锁零（令积分电容放电）时,需将锁零按钮弹开，使用锁零按扭时需要共地，则需要需将锁零按钮弹开，使用锁零按扭时需要共地，则需要把信号发生器的地和电源地用导线相连。把信号发生器的地和电源地用导线相连。3 3测试各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对输测试各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对输 出响
6、应的影响出响应的影响 1)1)不用上位机时，将实验平台上不用上位机时，将实验平台上“阶跃信号发生阶跃信号发生器器”单元的输出端与相关电路的输入端相连，选择单元的输出端与相关电路的输入端相连，选择“正正输出输出”然后按下按钮，产生一个阶跃信号然后按下按钮，产生一个阶跃信号(用万用表测用万用表测试其输出电压试其输出电压,并调节电位器并调节电位器,使其输出电压为使其输出电压为“1”V“1”V，用示波器用示波器x-tx-t显示模式观测该电路的输入与输出曲线显示模式观测该电路的输入与输出曲线如果效果不好要做新做则只要按一下锁零开关对电容如果效果不好要做新做则只要按一下锁零开关对电容放电，在重新做即可。放
7、电，在重新做即可。2)2)用上位机时，由上位机提供的虚拟示波器代替用上位机时，由上位机提供的虚拟示波器代替步骤步骤1 1）中的慢扫描示波器。接线时还需要将该电路的）中的慢扫描示波器。接线时还需要将该电路的输出端与采集卡接口单元的输入端输出端与采集卡接口单元的输入端AD1AD1（也可选取其它（也可选取其它任意输入通道）相连（用双通道时电路的输出端还的任意输入通道）相连（用双通道时电路的输出端还的和和AD2AD2相连），并接好采集卡接口单元与上位相连），并接好采集卡接口单元与上位PCPC机的并机的并口通讯线。待接线完成并检查无误后，上位机启动口通讯线。待接线完成并检查无误后，上位机启动“THTHB
8、CC-1”BCC-1”软件，出现软件，出现“登录窗口登录窗口”。具体操作步骤如下。具体操作步骤如下:用户在用户在“登录窗口登录窗口”中输出自己的学号，并点击中输出自己的学号，并点击“登登录录”按钮（若是第一次登录该软件，则需点击按钮（若是第一次登录该软件，则需点击“注册注册”按钮进按钮进 行注册，即需按要求填入自己的行注册，即需按要求填入自己的“姓名姓名”、“学号学号”、“系系 别别”和和“班级班级”）进入软件主窗口。）进入软件主窗口。点击工具栏上的点击工具栏上的“实验选择实验选择”按钮，选择相应的实验按钮，选择相应的实验项目项目。点击点击“通道设置通道设置”按钮，选择相应的数据采集通道按钮，
9、选择相应的数据采集通道(单通道单通道)或（双通道），然后点击或（双通道），然后点击“开始采集开始采集”按钮，按钮，进行数据采集。进行数据采集。点击点击“虚拟示波器虚拟示波器”按钮，首先选择按钮，首先选择X-tX-t显示模式及显示模式及相应的数据显示通道（同时需在相应的数据显示通道（同时需在“虚拟示波器虚拟示波器”窗口右窗口右侧点击相应的侧点击相应的“显示显示”按钮），然后顺序点击按钮），然后顺序点击“启动启动”、“开始开始”按钮，（若是选择双通道则还要点按钮，（若是选择双通道则还要点Y-tY-t显示）显示）在按下阶越信号按扭即可观测实验波形。同时还可在按下阶越信号按扭即可观测实验波形。同时还可
10、改变示波器的显示量程改变示波器的显示量程(ms(ms或或s/dim)s/dim)及输入波形的放及输入波形的放大系数，以便更清晰的观测波形。大系数，以便更清晰的观测波形。点击点击“暂停暂停”然后点然后点“存储存储”按钮，保存实验波形和数据。按钮，保存实验波形和数据。4点击点击“仿真平台仿真平台”按钮，根据环节的传递函数，在按钮，根据环节的传递函数，在“传传递函数递函数”栏中填入该环节的相关参数，如比例积分环节栏中填入该环节的相关参数，如比例积分环节的传递函数为的传递函数为:0.1S10.1SCSR1CSR(s)u(s)uG(s)12io 则在则在“传递函数传递函数”栏的分子中填入栏的分子中填入“
11、0.1,1”,分母中填入分母中填入“0.1,0”即可，然后点击即可，然后点击“仿真仿真”按钮，即可观测到该环节按钮，即可观测到该环节的仿真曲线，并可与电路模拟研究的结果相比较。的仿真曲线，并可与电路模拟研究的结果相比较。注：仿真实验只针对传递函数的分子阶数小于等于注：仿真实验只针对传递函数的分子阶数小于等于分母阶数的情况，若分子阶数大于分母阶数（如含有微分母阶数的情况，若分子阶数大于分母阶数（如含有微分项的传递函数），则不能进行仿真实验，否则出错。分项的传递函数），则不能进行仿真实验，否则出错。5点击点击“实验报告实验报告”，根据实验时存储的波形和数据完成，根据实验时存储的波形和数据完成实验报
12、告。实验报告。六、实验报告要求六、实验报告要求1.1.画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。2 2写出各典型环节的传递函数。写出各典型环节的传递函数。3 3根据测得的典型环节单位阶跃响应曲线，分析参根据测得的典型环节单位阶跃响应曲线，分析参数变化对动态特性的影响？数变化对动态特性的影响？七、实验思考题七、实验思考题1 1用运放模拟典型环节时，其传递函数是在什么假设用运放模拟典型环节时，其传递函数是在什么假设条件下近似导出的？条件下近似导出的？2 2积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可
13、以近似地视为积分环节？而又在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节？而又在什么条件下，惯性环节可以近似地视为比例环节惯性环节可以近似地视为比例环节？3 3在积分环节和惯性环节实验中，如何根据单位阶跃在积分环节和惯性环节实验中，如何根据单位阶跃响应曲线的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数响应曲线的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？八、附录八、附录1 1比例（比例（P P）环节）环节比例环节的传递函数与方框图分别为比例环节的传递函数与方框图分别为:K)s(u)s(u)s(Gio 其模拟电路（后级为反相器）和单位阶跃响应曲线其模拟电路（后级为反相器）和单位阶跃响应曲线分别如图分别如图1
14、-11-1所示。所示。12RR其中其中K=K=通过改变电路中通过改变电路中R1R1、R2R2的阻值，可改变放大系数。的阻值，可改变放大系数。,这里取这里取 R1=100KR1=100K，R2=200KR2=200K，R0=200KR0=200K。图图1-1 比例环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线比例环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线 积分环节的传递函数与方框图分别为积分环节的传递函数与方框图分别为:2 2积分积分(I)环节环节Ts1(s)u(s)uG(s)io其模拟电路和单位阶跃响应分别如图其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-31-3所示所示图图1-2 1-2 积分环节的模拟电路图和单位阶跃响
15、应曲线积分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线 其中其中 T=RCT=RC，这里取，这里取 C=10uF,R=100K,R0=200KC=10uF,R=100K,R0=200K。通过。通过改变改变R R、C C的值可改变响应曲线的上升斜率。的值可改变响应曲线的上升斜率。3 3比例积分比例积分(PI)(PI)环节环节积分环节的传递函数与方框图分别为积分环节的传递函数与方框图分别为:)CSR11(RRCSR1RRCSR1CSR)s(u)s(u)s(G21211212io其模拟电路和单位阶跃响应分别如图其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-31-3所示所示其中其中 12RRK，T=R1CT=R1C，这里
16、取，这里取C=10uF,R1=100KC=10uF,R1=100K，R2=100KR2=100K，R0=200KR0=200K。通过改变通过改变R2R2、R1R1、C C的值的值 比例积分环节的放大系数比例积分环节的放大系数K K和积分时间常数和积分时间常数T T。可改变可改变 图图1-3 1-3 比例积分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线比例积分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线4 4比例微分比例微分(PD)(PD)环节环节比例微分环节的传递函数与方框图分别为：比例微分环节的传递函数与方框图分别为：)CSR1(RR)TS1(K)s(G112其中其中CRT,R/RK112其模拟电路和单位阶跃响
17、应分别如图其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-41-4所示：所示：图图1-4 1-4 比例微分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线比例微分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线 这里取这里取C=1uF,R1=100KC=1uF,R1=100K，R2=200KR2=200K，R0=200KR0=200K。通。通过改变过改变R2R2、R1R1、C C的值可改变比例微分环节的放大系数的值可改变比例微分环节的放大系数K K和微分时间常数和微分时间常数T T。5 5比例积分微分比例积分微分(PID)(PID)环节环节比例积分微分比例积分微分(PID)环节的传递函数与方框图分别为：环节的传递函数与方框图分别为：
18、STST1Kp)s(Gdi 其中其中 212211CRCRCRKp21iCRT 12dCRTSCR)1SCR)(1SCR(211122SCRSCR1CRCRCR1221211122S1.0S1.012（当（当Kp=2=2 iT=0.1,=0.1,dT=0.1=0.1时）时）其模拟电路和单位阶跃响应分别如图其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-51-5所示所示图图1-5 1-5 比例积分微分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线比例积分微分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线 其中其中 C1=1uF,C2=1uF,R1=100KC1=1uF,C2=1uF,R1=100K，R2=100K,R0=200KR
19、2=100K,R0=200K。通过改变通过改变R2R2、R1R1、C1C1、C2C2的值可改变比例积分微分环节的的值可改变比例积分微分环节的放大系数放大系数K K、微分时间常数、微分时间常数 和积分时间常数和积分时间常数 。dTiT 6 6惯性环节惯性环节 惯性环节的传递函数与方框图分别为：惯性环节的传递函数与方框图分别为：1TSK)s(u)s(u)s(Gio其模拟电路和单位阶跃响应分别如图其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-61-6所示：所示：其中其中 12RRK R2=100K,R0=200KR2=100K,R0=200K。通过改变。通过改变R2R2、R1R1、C C的的值可改变惯性环节的
20、放大系数值可改变惯性环节的放大系数K K和时间常数和时间常数T T。T=R2CT=R2C，这里取，这里取C=1uF,R1=100KC=1uF,R1=100K，图图1-61-6惯性环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线惯性环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线实验二实验二 线性定常系统的瞬态响应线性定常系统的瞬态响应一、实验目的一、实验目的1.1.掌握线性定常系统动态性能指标的测试方法；掌握线性定常系统动态性能指标的测试方法；2.2.研究线性定常系统的参数对其动态性能和稳定研究线性定常系统的参数对其动态性能和稳定 性的影响。性的影响。二、实验设备二、实验设备1 1THBCC-1THBCC-1型型 信号与
21、系统信号与系统控制理论及计算机控制技术控制理论及计算机控制技术 实验平台实验平台2 2PCPC机机1 1台台(含上位机软件含上位机软件)37)37针通信线针通信线1 1根根3 3双踪慢扫描示波器双踪慢扫描示波器1 1台台(可选可选)三、实验内容三、实验内容1 1观测二阶系统的阶跃响应，并测出其超调量和观测二阶系统的阶跃响应，并测出其超调量和 调整时间；调整时间；2 2调节二阶系统的开环增益调节二阶系统的开环增益K K，使系统的阻尼比，使系统的阻尼比=，测出此时系统的超调量和调整时间；测出此时系统的超调量和调整时间；213.3.研究三阶系统的开环增益研究三阶系统的开环增益K K，或一个惯性环节的
22、时间常，或一个惯性环节的时间常 数数T T的变化对系统动态性能的影响；的变化对系统动态性能的影响；4 4由实验确定三阶系统稳定的临界由实验确定三阶系统稳定的临界K K值。值。四、实验原理四、实验原理 本实验是研究二阶和三阶系统的瞬态响应。为了使本实验是研究二阶和三阶系统的瞬态响应。为了使二阶系统的研究具有普遍性意义，通常把它的闭环传递二阶系统的研究具有普遍性意义，通常把它的闭环传递函数写如下的标准形式：函数写如下的标准形式：2nn22nS2S)S(R)S(C式中式中系统的阻尼比系统的阻尼比 n和所包含的内容也是不同的。和所包含的内容也是不同的。系统的无阻尼自然频率。系统的无阻尼自然频率。他们的
23、他们的和和 n的内容也是不同的。的内容也是不同的。所包含所包含 调节系统的开环增益调节系统的开环增益K K，可使系统的阻尼比分别为：，可使系统的阻尼比分别为：01011三种。对应于这三那种情况下系统三种。对应于这三那种情况下系统的阶跃响应曲线，在实验中都能观测到，他们分别为附录的阶跃响应曲线，在实验中都能观测到，他们分别为附录中的图中的图2 23 3所示。所示。本实验中的三阶系统，其开环传递函数是由两个惯性环本实验中的三阶系统，其开环传递函数是由两个惯性环节和一个积分环节相串连组成。由控制理论中的劳斯判据节和一个积分环节相串连组成。由控制理论中的劳斯判据可知，调节系统的开环增益可知，调节系统的
24、开环增益K K和某一个惯性环节的时间常和某一个惯性环节的时间常数数T T，都会导致系统的稳态性能的明显变化。，都会导致系统的稳态性能的明显变化。有关二阶和三阶系统相关参数的理论计算和实验系有关二阶和三阶系统相关参数的理论计算和实验系统的模拟电路请参阅附录。统的模拟电路请参阅附录。五、实验步骤五、实验步骤1 1利用实验平台上的模拟电路单元利用实验平台上的模拟电路单元,设计设计(具体可参考具体可参考本实验附录的图本实验附录的图2-2)2-2)一个由积分环节（积分环节锁零端一个由积分环节（积分环节锁零端的使用请参考实验一的相关步骤）和一个惯性环节相串的使用请参考实验一的相关步骤）和一个惯性环节相串联
25、组成的二阶闭环系统的模拟电路。待检查电路接线无联组成的二阶闭环系统的模拟电路。待检查电路接线无误后误后,接通实验平台的电源总开关，并开启接通实验平台的电源总开关，并开启5V5V，15V15V直流稳压电源。直流稳压电源。2 2利用示波器（慢扫描示波器或虚拟示波器）观测二利用示波器（慢扫描示波器或虚拟示波器）观测二阶模拟电路的阶跃响应特性，并测出其超调量和调整阶模拟电路的阶跃响应特性，并测出其超调量和调整时间。时间。3 3改变二阶系统模拟电路的开环增益改变二阶系统模拟电路的开环增益K K，观测当阻尼比，观测当阻尼比 为不同值时系统的动态性能。为不同值时系统的动态性能。4 4利用实验平台上模拟电路单
26、元利用实验平台上模拟电路单元,设计设计(具体可参考本具体可参考本实验附录的图实验附录的图2-5)2-5)一个由积分环节和两个惯性环节组一个由积分环节和两个惯性环节组成的三阶闭环系统的模拟电路。成的三阶闭环系统的模拟电路。5 5利用示波器观测三阶模拟电路的阶跃响应特性，并测利用示波器观测三阶模拟电路的阶跃响应特性，并测出其超调量和调整时间。出其超调量和调整时间。6 6改变三阶系统模拟电路的开环增益改变三阶系统模拟电路的开环增益K K，观测增益，观测增益K K的的变化对系统动态性能和稳定性的影响。变化对系统动态性能和稳定性的影响。7 7利用上位机界面提供的软件仿真功能，完成上述两个利用上位机界面提
27、供的软件仿真功能，完成上述两个典型线性定常系统的动态性能研究，并与模拟电路的研究典型线性定常系统的动态性能研究，并与模拟电路的研究结果相比较。结果相比较。注意：以上实验步骤中的注意：以上实验步骤中的2 2、与、与5 5、的具体操作、的具体操作方法，请参阅方法，请参阅“实验一实验一”中的实验步骤中的实验步骤3 3；实验步骤中；实验步骤中7 7的具体操作方法，请参阅的具体操作方法，请参阅“实验一实验一”中的实验步骤中的实验步骤4 4。六、实验报告要求六、实验报告要求1 1根据附录中的图根据附录中的图2-12-1和图和图2-32-3画出二阶和三阶线性画出二阶和三阶线性定常系统的实验电路图，写出它们的
28、闭环传递函数，定常系统的实验电路图，写出它们的闭环传递函数，并标明电路中的各参数。并标明电路中的各参数。2 2根据测得的系统单位阶跃响应曲线，分析开环增根据测得的系统单位阶跃响应曲线，分析开环增益益K K和时间常数和时间常数T T对系统动态特性及稳定性的影响。对系统动态特性及稳定性的影响。3 3设计一个一阶线性定常闭环系统，并根据系统的设计一个一阶线性定常闭环系统，并根据系统的阶跃输入响应确定该系统的时间常数。阶跃输入响应确定该系统的时间常数。七、实验思考题七、实验思考题1 1如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？产生什么后果？2 2在电路模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈？在电路模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈？3 3为什么本实验中二阶及三阶系统对阶跃输入信号的为什么本实验中二阶及三阶系统对阶跃输入信号的稳态误差都为零？稳态误差都为零？4 4三阶系统中，为使系统能稳定工作，开环增益三阶系统中，为使系统能稳定工作，开环增益K K应应适量取大还是取小？适量取大还是取小？系统中的小惯性环节和大惯性环系统中的小惯性环节和大惯性环节哪个对系统稳定性的影响大，为什么？节哪个对系统稳定性的影响大，为什么？
