机电控制工程实验指导书全.docx

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机电控制工程实验指导书全

机电控制工程基础实验指导书

主编宋又廉

适用专业：

机械设计制造及其自动化

机械电子工程

上海电机学院

2008年10月

前言

本实验运用数字仿真技术对一阶、二阶和高阶系统进行时域仿真和频域仿真，并在仿真环境中对高阶闭环控制系统实施PID校正，达到改进系统控制性能（稳定性、快速性、准确性）的目的。

目录

实验一系统的时域特性仿真········································4

实验二系统的频域特性仿真········································7

实验三控制系统的校正············································9

实验一系统的时域特性仿真

一、实验目的

1．认识一阶、二阶系统的阶跃时间响应。

以SIMULINK为工具构建系统图形化仿真模型，通过改变系统参数，观察屏幕显示的系统时间响应曲线的变化，研究系统参数是如何影响系统时间响应的。

2．认识高阶系统的阶跃时间响应。

以SIMULINK为工具构建高价闭环系统图形化仿真模型，求取其阶跃时间响应曲线，并改变组成环节参数，观察系统响应的变化。

二、实验内容及步骤

1.一阶系统单位阶跃时间响应

2.二阶系统单位阶跃时间响应

3.高阶系统单位阶跃时间响应

三、实验设备

微机，Ｍatlab软件

四、实验步骤

首先要建立系统的仿真模型，现以一阶系统为例说明其图形仿真模型的建立步骤。

1.双击桌面上MATLAB图标，出现MATLAB编程界面，键入SIMULINK并回车，等待片刻，出现LibraryBrowser（模块库）窗口。

2.建立模型编辑窗口。

在模块库窗口中点击菜单file/new/model，屏幕上会并立地出现模型编辑窗口（model），供绘制系统传递函数方框图。

3.在模块库中找到Sources（输入信号），用鼠标拖动其中的StepFcn（阶跃信号输入）模块图标到model窗口，在窗口左部放下。

4.打开Continous（连续系统）模块库，拖动其中的TransferFcn（传递函数）模块图标到model窗口，在信号输入模块右方放下。

5.编辑模块参数。

此处需改变的是TransferFcn（传递函数）模块的参数，步骤如下：

双击模型编辑窗口（model）该模块，可得一对话框，用键盘在Numerrator（分子）栏中填写需要的传递函数分子多项式各项的系数（注意各系数之间要留一空格）；在Denominator（分母）栏中填写需要的传递函数分母多项式各项的系数。

例如要构造S3+6S2+2S+8，则键入[1628]即可。

编辑完成后点击ok，新模块内容将显示于模块图标中。

6.用信号流动线连接模块。

假如是要把输入信号连接到传递函数方框，则点击Sources模块的输出端（三角符号），拖动鼠标到TransferFcn的输入端（三角符号）释放，于是自动产生一条带箭头的线把二个模块连接起来，这就是信号流通线。

7.构建系统输出模块。

在模块库中打开Sink（输出）库，用鼠标点击Scope（显示器），拖动到model窗口，放在最后面。

8.使系统输出信号流入显示器。

进行类似6的操作，把TransferFcn与Scope连接起来。

至此，得到了一个完整的一阶系统仿真模型。

二阶系统仿真模型可用类似方法建立。

在LibraryBrowser（模块库）中有许多分类子模块库，可以根据需要打开，选用建摸时需要的模块。

（一）一阶系统单位阶跃时间响应

1.按上节指示的方法在model窗口中建立一阶系统的图形化仿真模型，给一阶惯性环节通过类似上节5的参数编辑过程，赋予任意选定的时间常数（例如0.5）。

2.在model窗口中点击菜单Simulation（仿真）/Start（开始），启动仿真运算。

3.双击Scope模块，仿真结果立即以类似示波器显示的方式以时间曲线的形式显示。

4.所显示的曲线坐标分度可能不合理，可以点击曲线窗口上部的‘望远镜’图标，使曲线图更清晰。

（注意：

阶跃信号输入的时间是第1秒而不是时间坐标开始的0。

）

5.请学员自选几个不同的惯性时间常数（例如：

0.1,0.5,2,4等等）进行仿真。

实验报告：

对实验所得曲线进行记录，注明相应的时间常数，并对所得结果进行讨论。

（二）二阶系统单位阶跃时间响应

1.按前面指示的方法在model窗口中建立二阶系统的图形化仿真模型，将二阶振荡环节通过参数编辑过程，赋予如下形式:

2.在model窗口中点击菜单Simulation（仿真）/Start（开始），启动仿真运算。

3.双击Scope模块，仿真结果立即以类似示波器显示的方式以时间曲线的形式显示。

4.点击曲线窗口上方的‘望远镜’图标，使曲线图更清晰。

5.请学员自选几个不同的二阶环节阻尼比和自由振荡频率进行仿真。

实验报告：

对实验所得曲线进行记录，注明相应的系统参数（ζ和ωn），并对所得结果进行讨论。

（三）高阶系统单位阶跃时间响应

1.按前面指示的方法在model窗口中建立高阶闭环系统的图形化仿真模型，通过对各组成环节进行参数编辑，赋予系统如下形式:

2.在model窗口中点击菜单Simulation（仿真）/Start（开始），启动仿真运算。

3.双击Scope模块，仿真结果立即以类似示波器显示的方式以时间曲线的形式显示。

4.点击曲线窗口上方的‘望远镜’图标，使曲线图更清晰。

5.请学员自选几个不同的前向和反馈环节参数进行仿真。

实验报告：

对实验所得曲线进行记录，注明相应的系统传递函数方框图，并对所得结果进行讨论。

五、实验数据处理

将实验数据、传递函数、系统参数填入实验报告的各个表内，记录实验曲线。

六、实验讨论

实验二系统的频域特性仿真

一、实验目的

1．认识一阶、二阶环节的频率响应（以对数频率响应图，即Bode图表示）。

运用MATLAB语言编写频域仿真程序，通过改变环节参数，观察频率响应图的变化，了解环节参数是如何影响频率响应的。

2．认识高阶系统的开环频率响应Bode图。

运用MATLAB语言仿编写频域仿真程序，绘制系统开环Bode图，并求得系统的幅值和相位穿越频率以及幅值和相位稳定性余量。

二、实验内容及步骤

1.一阶惯性环节频率响应

2.二阶振荡环节频率响应

3.高阶系统频率响应

三、实验设备

微机，Ｍatlab软件

四、实验步骤

首先要会运用MATLAB语言中用于控制系统频域仿真的几个语句。

◆num=[b1,b2,b3,…bn]语句表示对传递函数分子多项式赋系数值,实际上也就给定了多项式。

例如分子多项式为S3+6S2+9S+2，则可记为num=[1，6，9，2]。

◆den=[a1,a2,a3,…an]语句表示对传递函数分母多项式赋系数值,实际上也就给定了多项式。

例如分母多项式为S4+4S3+6S2+9S+2，则可记为den=[1，4，6，9，2]。

◆bode（num，den）语句可绘制以den[]为系数的分母多项式和以num[]为系数的分子多项式构成的传递函数的Bode图。

◆[Gm，Pm，Wg，Wc]=margin（num，den）语句可求得以den[]为系数的分母多项式和以num[]为系数的分子多项式构成的传递函数的幅值余度Gm和相位余度Pm，并求出幅值余度和相位余度相应的频率值Wg（相位穿越频率）和Wc（幅值穿越频率）。

（一）一阶惯性环节频率响应

1.在MATLAB程序编辑窗口中键入

》num[1]回车//传递函数分子为1//

》den[T，1]回车//传递函数分母为TS+1，T是时间常数，实验时应输入具体数值//

》bode（num，den）回车//画Bode图，回车执行后显示于屏幕//

屏幕上会出现该一阶惯性环节频率响应的Bode图。

》grid回车//再打开图形时，Bode图上已打上坐标格子//

2.多次变动T值，反复运行上面的程序，观察Bode图的变化情况。

实验报告：

对实验所得Bode图进行记录，注明相应的环节T值，并对所得结果进行讨论。

（二）二阶振荡环节频率响应

1.在MATLAB程序编辑窗口中键入

》num[ω2]回车//分子为ω2，应键入具体数值，//

》den[1，2ζω，ω2]回车//分母为S2+2ζω+ω2，也应键入具体数值//

》bode[num，den]回车

》grid回车//打开图形，Bode图上已打上坐标格子//

屏幕上会出现该二阶振荡环节频率响应的Bode图。

2.固定ω=1，多次变动ζ值，反复运行上面的程序，观察Bode图的变化情况。

3.固定ζ=0.6，多次变动ω值，反复运行上面的程序，观察Bode图的变化情况。

实验报告：

对实验所得Bode图进行记录，注明相应的环节ζ及ω值，并对所得结果进行讨论。

（三）高阶系统频率响应

设高阶系统开环传递函数为

1.在MATLAB程序编辑窗口中键入

》num[10，30]；回车

》den[1，3，4，4，0]；回车

》bode[num，den]回车

屏幕上会出现该系统开环频率响应的Bode图。

》grid回车//打开图形，Bode图上已打上坐标格子//

2.在MATLAB程序编辑窗口中再键入

》[Gm，Pm，Wg，Wc]=margin（num，den）回车

屏幕上会出现该系统幅值余度Gm，相位余度Pm，幅值余度和相位余度相应的频率值Wg（相位穿越频率）和Wc（幅值穿越频率）。

实验报告：

对实验所得Bode图进行记录，注明系统的幅值余度Gm，相位余度Pm，幅值余度和相位余度相应的频率值Wg（相位穿越频率）和Wc（幅值穿越频率），对所得结果进行讨论。

五、实验数据处理

将实验数据、传递函数、系统参数填入实验报告的各个表内，记录实验曲线。

六、实验讨论

实验三机电控制系统的校正

一、实验目的

认识当控制系统的性能不能达到要求时可以采用串联（或并联）校正装置来改善。

在各种校正器中，工业上最为广泛应用的是PID（比例、积分、微分）校正器。

本实验运用PID校正器对性能不佳的闭环控制系统实施校正，合理配置校正器参数改善系统的稳定性、快速性、准确性。

通过对校正前后系统控制性能的明显改善，加深对’系统校正’这一控制系统特殊的综合方法的认识。

进一步通过不断改变PID参数，观察校正参数改变对系统性能的影响，研究PID校正的作用机理。

二、实验内容及步骤

高阶闭环控制系统校正设计

三、实验设备

微机，Ｍatlab软件

四、实验步骤

1.在Simulink环境下对作为仿真对象未经校正的高阶闭环控制系统用框图建模，并作时域仿真。

如系统结构如图：

1）在Simulink环境中进行框图建模（参见前面介绍的方法。

未介绍过的模块，请学员自行在Library中寻找）。

对TransferFcn（传递函数）进行参数修改，进行校正设计。

可以使用各种校正方式。

2）在model窗口中点击菜单Simulation（仿真）/Start（开始），启动仿真运算。

3）双击Scope模块，仿真结果立即以类似示波器显示的方式以时间曲线的形式显示。

所显示的曲线坐标分度可能不合理，可以点击曲线窗口上方的‘望远镜’图标，使曲线图更清晰。

（注意：

阶跃信号输入的时间是第1秒而不是开始的0。

）

4）仔细观察时间响应曲线，从稳定性、快速性、准确性三方面评价系统的性能。

2.在Simulink环境下作加入PID校正器的闭环控制系统框图模型，并作时域仿真。

系统结构如图：

双击Gain图标进行参数输入，如取Kp=1,Ki=1,Kd=1。

1）启动仿真计算，打开Scope观察新系统的时域输出曲线，评价校正的效果。

2）不断改变Kp,Ki,Kd的取值，观察系统的时域响应，研究PID校正的作用机理。

五、实验数据处理

给出所设计的校正系统，对典型实验所得曲线进行记录，注明相应的PID参数。

对PID校正的作用和机理进行讨论。

六、实验讨论