文档介绍：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
2003-5-5
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=
对于二阶系统

分别就T=1和T=,分别取0, , , , 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 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=/=,
而电动机反电势系数 ,所以
=550
=
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%;
;
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2。
图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%;
;
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);
: ,,。
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
见附录1
三、实验要求
速度环的传递函数方框图见下图,因为电机最大转速1000rpm,故传递函数方框图中加一饱和环节。
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)
掌握速度反馈极性的判断方法。
掌握速度环静态传递特性的调试方法(例如输入为9V。电机输出为1000rpm)。
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)。
测试速度环的静态特性。
掌握数字记忆示波器记录动态波形的使用方法。
四、实验思考
如何判断系统的反馈极性?
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。
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?
当不用速度反馈时,电动