机械工程控制基础实验指导书2018.5

机 械 工 程 控 制 基 础

实 验

指 导

书

目录

1．概述........................................................1 2．实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真研究.....................5 3．实验二 典型系统动态性能和稳定性分析.......................13 4．实验三 典型环节（或系统）的频率特性测量...................18

概 述

一．实验系统功能特点

1．系统可以按教学需要组合，满足“自动控制原理”课程初级与高级实验的需要。只配备ACCT-I实验箱，则实验时另需配备示波器，且只能完成部分基本实验。要完成与软件仿真、混合仿真有关的实验必须配备上位机（包含相应软件）及USB2.0通讯线。

2．ACCT-I实验箱内含有实验必要的电源、信号发生器以及非线性与高阶电模拟单元，可根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节与系统。此外，ACCT-I实验箱内还可含有数据处理单元，用于数据采集、输出以及和上位机的通讯。

3．配备PC微机作操作台时，将高效率支持“自动控制原理”的教学实验。系统提供界面友好、功能丰富的上位机软件。PC微机在实验中，除了满足软件仿真需要外，又可成为测试所需的虚拟仪器、测试信号发生器以及具有很强柔性的数字控制器。

4．系统的硬件、软件设计，充分考虑了开放型、研究型实验的需要。除了指导书所提供的10个实验外，还可自行设计实验。

二．系统构成

实验系统由上位PC微机（含实验系统上位机软件）、ACCT-I实验箱、USB2.0通讯线等组成。ACCT-I实验箱内装有以C8051F060芯片（含数据处理系统软件）为核心构成的数据处理卡，通过USB口与PC微机连接。

1．实验箱ACCT-I简介

ACCT-I控制理论实验箱主要由电源部分U1单元、与PC机进行通讯的数据处理U3单元、元器件单元U2、非线性单元U5～U7以及模拟电路单元U9～U16等共14个单元组成，详见附图。

(1) 电源单元U1

包括电源开关、保险丝、＋5V、－5V、＋15V、－15V、0V以及1.3V～15V可调电压的输出，它们提供了实验箱所需的所有工作电源。

(2) 信号、数据处理单元U3

内含以C8051F060为核心组成的数据处理卡（含软件），通过USB口与上位PC进行通讯。内部包含八路A/D采集输入通道和两路D/A输出通道。与上位机一起使用时，可同时使用其中两个输入和两个输出通道。可以产生频率与幅值可调的周期方波信号、周期斜坡

信号、周期抛物线信号以及正弦信号，并提供与周期阶跃、斜坡、抛物线信号相配合的周期锁零信号。结合上位机软件，用以实现虚拟示波器、测试信号发生器以及数字控制器功能。

(3) 元器件单元U2

单元提供了实验所需的电容、电阻与电位器，另提供插接电路供放置自己选定大小的元器件。

(4) 非线性环节单元U5、U6和U7

U5，U6，U7分别用于构成不同的典型非线性环节。

单元U5可通过拨键S4选择具有死区特性或间隙特性的非线性环节模拟电路。 单元U6为具有继电特性的非线性环节模拟电路。 单元U7为具有饱和特性的非线性环节模拟电路。 (5) 模拟电路单元U8～U16

U8～U16为由运算放大器与电阻，电容等器件组成的模拟电路单元。其中U8为倒相电路，实验时通常用作反号器。U9～U16的每个单元内，都有用场效应管组成的锁零电路（所有锁零G内部是互通的）和运放调零电位器（出厂已调好，无需调节）。

2．系统上位机软件的功能与使用方法，详见《ACCT-I自动控制理论实验上位机程序使用说明书》。

三．自动控制理论实验系统实验内容

1． 典型环节的电路模拟与软件仿真研究； 2． 典型系统动态性能和稳定性分析； 3． 典型环节（或系统）的频率特性测量； 4． 线性系统串联校正； 5． 典型非线性环节的静态特性； 6． 非线性系统相平面法； 7． 非线性系统描述函数法；

8． 极点配置线性系统全状态反馈控制；

9． 采样控制系统动态性能和稳定性分析的混合仿真研究； 10．采样控制系统串联校正的混合仿真研究。 要完成上列全部实验，必须配备上位计算机。

四．实验注意事项

1．实验前U9～U16单元内的运放需要调零（出厂前已经调整过）。

2．运算放大器边上的锁零点G接线要正确。在需要锁零时（主要是典型环节的信号观察实验），可与输入信号同步的锁零信号相连。锁零G与U3单元的锁零信号G1相连（同步对应O1信号），G2与此类似（同步对应O2）；一般情况下不需要锁零信号。不需要锁零时，请把G与-15V相连。

3．在设计和连接被控对象或系统的模拟电路时，要特别注意，实验箱上的运放都是反相输入的，因此对于整个系统以及反馈的正负引出点是否正确都需要仔细考虑，必要时接入反号器。

4．作频率特性实验和采样控制实验时，必须注意只用到其中2路A/D输入和1路D/A输出,具体采用“I1～I8”中哪一个通道，决定于控制箱上的实际连线和软件的设置。

5．受数据处理单元U3的数据处理速率，作频率特性实验和采样控制实验时，在上位机界面上操作“实验参数设置”必须注意频率点和采样控制频率的选择。对于频率特性实验，应满足ω<200/sec，以免引起过大误差。类似地，对于采样控制实验，采样控制周期应不小于5 ms。

6．本采集设备的上位机软件，A/D和D/A输出部分，需要注意的一些事项。本数据采集系统有8路A/D输入，2路D/A输出，对于8路A/D输入将其分为四组，因为一般我们用到两路同时输出或同时输入。I1、I2为一组A/D输入，I3、I4为一组A/D输入，I5、I6为一组A/D输入，I7、I8为一组A/D输入。在这四组A/D输入中，I1、I3、I5、I7为每组A/D输入中的第一路，I2、I4、I6、I8为每组A/D输入中的第二路。在每个实验当中，我们可以随意选择任一组A/D输入，和任一路D/A输出。这个在实验三中，做频率特性实验要求比较严格（频响信号接I1，原信号接I2）。

五、计算机控制实验软件操作注意事项：

1、打开已经准备好的实验项目后，点击

，使系统进入运行装态。

2、按下“启动暂停”按键程序开始运行,再次按下该按键程序暂停。按“退出”键使系统退出子VI运行状态。

3、测试信号设置选项框中可以设置发出的波形的种类、幅值、频率、占空比、采样开关T、采样时间。

4、按下“退出”按键或图标，程序退出运行。

5、按下“

”图标，程序关闭。

实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真研究

一．实验目的

1．通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。

2．通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。

二．实验内容

1．设计各种典型环节的模拟电路。

2．完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。

3．在MATLAB软件上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。

三．实验步骤

1．熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，设计并连接各种典型环节（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。接线时要注意：先断电，再接线。接线时要注意不同环节、不同测试信号对运放锁零的要求。（U3单元的O1接被测对象的输入、G接G1、U3单元的I1接被测对象的输出）。

2．利用实验设备完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。

首先必须在熟悉上位机界面的操作，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。

软件界面上的操作步骤如下：

①按通道接线情况:通过上位机界面中“通道选择” 选择I1、I2路

A/D通道作为被测环节的检测端口,选择D/A通道的O1（“测试信号1”）作为被测对象的信

号发生端口.

不同的通道,图形显示控件中波形的颜色

将不同。

②硬件接线完毕后,检查USB口通讯连线和实验箱电源后，运行上位机软件程序,如果有问题请求指导教师帮助。

③进入实验模式后，先对显示模式进行设置：选择

“X-t模式”；选择“T/DIV”

为1s/1HZ。

④完成上述实验设置，然后设置实验参数，在界面的右边可以设置系统测试信号参数，选择“测试信号”为“周期阶跃信号”，选择“占空比”为50%，选择“T/DIV”为“1000ms”， 选择“幅值”为“3V”，可以根据实验需要调整幅值，以得到较好的实验曲线，将“偏移”设为“0”。以上除必须选择“周期阶跃信号”外，其余的选择都不是唯一的。要特别注意，除单个比例环节外，对其它环节和系统都必须考虑环节或系统的时间常数，如仍选择“输入波形占空比”为50%，那么“T/DIV”至少是环节或系统中最大时间常数的6～8倍。这样，实验中才能观测到阶跃响应的整个过程。

⑤以上设置完成后，按LabVIEW上位机软件中的然后点击右边的

“RUN”运行图标来运行实验程序，

“启动/停止”按钮来启动实验，动态波形得到显示，直至周

期响应过程结束，如上述参数设置合理就可以在主界面图形显示控件中间得到环节的“阶跃响应”。

⑥利用LabVIEW软件中的图形显示控件中光标“Cursor”功能观测实验结果；改变实验箱上环节参数，重复⑤的操作；如发现实验参数设置不当，看不到“阶跃响应”全过程，可重复④、⑤的操作。

⑦按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件。 3．分析实验结果，完成实验报告。

四．附录

1．比例(P)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应

U(s)比例环节的传递函数为：OK

Ui(s)其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.1.1、图1.1.2和图1.1.3所示，于是K实验参数取R0＝100k，R1＝200k，R=10k。

实验接线如下图：

R1。 R0

2．积分(I)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应

U(s)1积分环节的传递函数为：O

Ui(s)Ts其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.2.1、图1.2.2和图1.2.3所示，于是TR0C， 实验参数取R0＝100k，C＝1uF，R=10k。

实验接线如下图：

3．比例积分(PI)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应

比例积分环节的传递函数为： UO1K UiTs

其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.3.1、图1.3.2和图1.3.3所示，于是

RK1，TR0C

R0

4．比例微分(PD)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应

U比例微分环节的传递函数为：OK(1Ts)

Ui其方块图和模拟电路分别如图1.4.1、图1.4.2所示。其模拟电路是近似的（即实际PD

RRRR环节），取R1,R2R3，则有K12,T12C，实验参数取R0＝10k，R1＝10k，

R0R1R2R2＝10k，R3＝1K，C＝10uF，R=10k。

对应理想的和实际的比例微分(PD)环节的阶跃响应分别如图1.4.3a、图1.4.3b所示。 实际PD环节的传递函数为：

Uo(s)R1R2Ui(s)R0R1R2Cs1(R1R2)(R3Cs1) （供软件仿真参考）

(RRR2R3R3R1)Cs(R1R2)12R0R3CsR0

实验接线如下图：

5．惯性环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应

UK惯性环节的传递函数为：O

UiTs1

实验接线如下图：

其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.5.1、图1.5.2和图1.5.3所示，其中RK1,TR1C，实验参数取R0＝200k，R1＝200k，C＝1uF，R=10k。

R06．比例积分微分(PID)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应

U(s)1比例积分微分环节的传递函数为：OKPTds

Ui(s)Tis其方块图和模拟电路分别如图1.6.1、图Tds1.6.2所示。其模拟电路是近似的（即实际PID环节），取R1R2R3，将近似上述理想PIDUisRRR环节有KP1,TiR0C1,Td12C2，实验参KPR0R0数取R0＝200k，R1＝100k，R2＝10k，R3＝1k，C1＝1uF，C2＝10uF，R=10k。

Uos1Tis 图1.6.1 对应理想的和实际的比例积分微分(PID)环节的阶跃响应分别如图1.6.3 a、图1.6.3 b所示。

实际PID环节的传递函数为：

Uo(s)R1R21RC(RCs1)（供软件仿真参考） 2211Ui(s)R0R0C1sR0C1(R3C2s1)

实验接线如下图：

实验二 典型系统动态性能和稳定性分析

一．实验目的

1．学习和掌握动态性能指标的测试方法。

2．研究典型系统参数对系统动态性能和稳定性的影响。

二．实验内容

1．观测二阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。

2．观测三阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。

三．实验步骤

1．熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录中的图2.1.1和图2.1.2，设计并连接由一个积分环节和一个惯性环节组成的二阶闭环系统的模拟电路（如用U9、U15、U11和U8连成）。注意实验接线前必须对运放仔细调零（出厂已调好，无需调节）。信号输出采用U3单元的O1、信号检测采用U3单元的I1、锁零接U3单元的G1。

2．利用实验设备观测该二阶系统模拟电路的阶跃特性，并测出其超调量和调节时间。 3．改变该二阶系统模拟电路的参数，观测参数对系统动态性能的影响。

4．利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录中的图2.2.1和图2.2.2，设计并连接由一个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（如用U9、U15、U11、U10和U8连成）。

5．利用实验设备观测该三阶系统模拟电路的阶跃特性，并测出其超调量和调节时间。 6．改变该三阶系统模拟电路的参数，观测参数对系统稳定性与动态指标的影响。 7．分析实验结果，完成实验报告。

软件界面上的操作步骤如下：

①按通道接线情况:通过上位机界面中“通道选择” 选择I1、I2路

A/D通道作为被测环节的检测端口,选择D/A通道的O1（“测试信号1”）作为被测对象的信

号发生端口.不同的通道,图形显示控件中波形的颜色

将不同。

②硬件接线完毕后,检查USB口通讯连线和实验箱电源后，运行上位机软件程序,如果有问题请求指导教师帮助。

③进入实验模式后，先对显示模式进行设置：选择

“X-t模式”；选择“T/DIV”

为1s/1HZ。

④完成上述实验设置，然后设置实验参数，在界面的右边可以设置系统测试信号参数，选择“测试信号”为“周期阶跃信号”，选择“占空比”为50%，选择“T/DIV”为“1000ms”， 选择“幅值”为“3V”，可以根据实验需要调整幅值，以得到较好的实验曲线，将“偏移”设为“0”。以上除必须选择“周期阶跃信号”外，其余的选择都不是唯一的。要特别注意，除单个比例环节外，对其它环节和系统都必须考虑环节或系统的时间常数，如仍选择“输入波形占空比”为50%，那么“T/DIV”至少是环节或系统中最大时间常数的6～8倍。这样，实验中才能观测到阶跃响应的整个过程。

⑤以上设置完成后，按LabVIEW上位机软件中的然后点击右边的

“RUN”运行图标来运行实验程序，

“启动/停止”按钮来启动实验，动态波形得到显示，直至周

期响应过程结束，如上述参数设置合理就可以在主界面图形显示控件中间得到环节的“阶跃响应”。

⑥利用LabVIEW软件中的图形显示控件中光标“Cursor”功能观测实验结果；改变实验箱上环节参数，重复⑤的操作；如发现实验参数设置不当，看不到“阶跃响应”全过程，可重复④、⑤的操作。

⑦按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件。 3．分析实验结果，完成实验报告。

四．附录 1．典型二阶系统 典型二阶系统的方块结构图如图2.1.1所示： KK其开环传递函数为G(s),K1， s(T1s1)1To2nK11To,其闭环传递函数为W(s)2，其中， n2T1To2K1T1s2nsnR(s)E(s)1T0sKTs+1C(s)图2.1.1取二阶系统的模拟电路如图2.1.2所示，调节Rx分析二阶系统的三种情况：

该系统的阶跃响应如图2.1.3所示：Rx接分立元器件单元的1M电位器（或200K电位 器），改变元件参数Rx大小，研究不同参数特征下的时域响应。2.1.3a，2.1.3b，2.1.3c分别对应二阶系统在过阻尼，临界阻尼，欠阻尼三种情况下的阶跃响应曲线： 2．典型三阶系统 典型三阶系统的方块结构图如图2.2.1所示： R(s)E(s)1T0sKTs+1KTs+1C(s) 图2.2.1KKK，其中K12，取三阶系统的模拟电路如图Tos(T1s1)(T2s1)其开环传递函数为G(s)2.2.2所示：

该系统开环传递函数为G(s)H(s)K,K500/Rx，,Rx的单位为K。

s(0.1s1)(0.5s1)系统特征方程为s312s220s20K0，根据劳斯判据得到： 系统稳定 0K=12

系统不稳定 K>12 根据K求取Rx。这里的Rx可利用模拟电路单元的220K（或1M）电位器，改变Rx即可改变K2，从而改变K，得到三种不同情况下的实验结果。 该系统的阶跃响应如图2.2.3 a、2.2.3b和2.2.3c所示，它们分别对应系统处于不稳定、临界稳定和稳定的三种情况。 ctct0图2.2.3at0图2.2.3bt ct0图2.2.3ct

实验三 典型环节（或系统）的频率特性测量

一．实验目的

1．学习和掌握测量典型环节（或系统）频率特性曲线的方法和技能。 2．学习根据实验所得频率特性曲线求取传递函数的方法。

二．实验内容

1．用实验方法完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。 2．用实验方法完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。 3．根据测得的频率特性曲线求取各自的传递函数。

4．用软件仿真方法求取一阶惯性环节频率特性和典型二阶系统开环频率特性，并与实验所得结果比较。

三．实验步骤

1．熟悉频率测试软件的使用方法，了解实验的线路的连接。利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录设计并连接“一阶惯性环节”模拟电路或“两个一阶惯性环节串联”的二阶系统模拟电路。

2．利用实验设备完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。

（1）无上位机时，利用用户自配的信号源输出的正弦波信号作为环节输入，即连接信号源的“正弦波”与环节的输入端（例如对一阶惯性环节即图1.5.2的Ui）。然后用示波器观测该环节的输入与输出（例如对一阶惯性环节即测试图1.5.2的Ui和Uo）。注意调节正弦波信号的“频率”电位器RP与“幅值”电位器RP，测取不同频率时环节输出的增益和相移（测相移可用“李沙育”图形），从而画出环节的频率特性。

（2）有上位机时，必须在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。

四．（第一版本软件、频域805版本程序）一阶惯性环节接线方式如下：

接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。

软件界面上的操作步骤如下：

1、打开已经准备好的实验项目后，点击，使系统进入运行装态。

2、程序界面中的参数安照如下图所示设置（下图一般为默认设置无需修改参数）：

3、测试信号为正弦波，请勿设置成其他波形，否则会造成程序运行的错误。

①选择D/A输出通道，如“O1”，将其作为环节输入，接到环节输入Ui端, 将环节的输出端Uo接到A/D输入通道I1，再将其作为原始测试信号接到A/D输入的I2（便于观看虚拟示波器发出的原始信号）。

②完成上面的硬件接线后，检查USB连线和实验箱电源，然后打开LabVIEW软件上位机界面程序。

③进入实验界面后，先对频率特性的测试信号进行设置：“幅值”为7V（可以根据实验结果波形来调整），“测试信号”为正弦波。

④完成实验设置，先点击LabVIEW运行按钮

“开始”运行界面程序。测

试程序将会从低频率计算到高频，界面右下角有个测试进度条，它将显示测试的进度。最后测试出来频率特性的Bode Plot、Nyquist Plot将在相应的图形控件中显示出来,在同一界面中我们可以同时看到频率特性的两种显示模式:一种是波特图“Bode Plot”，它包括幅频特性和相频特性；另一种模式就是乃奎斯特图“Nyquist Plot”，又称极坐标图。

说明：程序运行状态下对资源的要求很多，请勿做任何操作，包括鼠标的移动（否则会造成程序停止响应的结果）。

⑤按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件。

3．利用实验设备完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。具体操作方法参阅一阶系统操作步骤。

4．参考附录的提示，根据测得的频率特性曲线（或数据）求取各自的传递函数。 6．分析实验结果，完成实验报告。

五．（频率特性第二版本

软件）一阶惯性环节接线方式如下：

1、 双击打开桌面图标运行求是频率特性实验。实验界面如下图所示：

2．如果做一阶特性实验点击右上角电路类型选择“一阶电路”系统自动将表格大小设置为

适合一阶电路的大小。

3．按照上图所示实验电路接线，则输入输出通道选择默认的I1、I2。其他均为默认。

4．点击按钮，系统自动进行频率特性测绘，期间请勿点击界面任何地方，最好是鼠标都不要晃动，请等待实验的结束。

5．实验结束结果如下图所示，勾选辅助显示游标选项，则系统会产生游标的功能，同时显示当前实验各测试点的数据，方便学生分析结果。

四．附录 1．实验用一阶惯性环节传递函数参数、电路设计及其幅相频率特性曲线： 对于G(s)K的一阶惯性环节，其幅相频Ts1Im率特性曲线是一个半圆，见图3.1。 取sj代入，得 G(j)Kr()ej()jT1 在实验所得特性曲线上，从半园的直径r(0)，可得到环节的放大倍数K，K＝r(0)。在特性曲线上取一点k，可以确定环节的时间常数T，0Re图3.1 Ttg(k)k。

1，其中参数为R0=200K，R1＝200K，

0.2s1实验用一阶惯性环节传递函数为G(s)C＝1uF，参数根据实验要求可以自行搭配，其模拟电路设计参阅上图1.5.2。 2．实验用典型二阶系统开环传递函数参数、电路设计及其幅相频率特性曲线： 对于由两个惯性环节组成的二阶系统，其开环传递函数为 KKG(s)22(T1s1)(T2s1)Ts2Ts1Im(1) 令上式中 sj，可以得到对应的频率特性 G(j)Kr()ej() 22Tj2T10Re二阶系统开环传递函数的幅相频率特性曲线，如图3.2.1所示。 根据上述幅相频率特性表达式，有 Kr(0) （3—1）r(0) r(k)12Tk12tgk211T2k其中 tgk2T图3.2.1故有 T22T1k22T （3—2） ktgkr(0)1kr(k)12tgk （3—3）

如已测得二阶环节的幅相频率特性，则r(0)、k、k和r(k)均可从实验曲线得到，于是可按式（3—1）、（3—2）和（3—3）计算K、T、ξ，并可根据计算所得T、ξ 求取T1和T2

T1T(21 T2T(21

实验用典型二阶系统开环传递函数为:

11 G(s)H(s)2(0.2s1)(0.1s1)0.02s0.3s1其电路设计参阅图3.2.2，软件操作如一阶电路所描述，请勿更改。程序运行状态下对资源的要求很多，请勿做任何操作，包括鼠标的移动（否则会造成程序停止响应的结果）。 一、二阶频率特性第一版本接线图如下，操作按照第一版本方式操作。

二、二阶频率特性第二版本频率特性，接线如下图3.2.3，操作方法见前面分析所示，软件上电路类型选二阶电路类型表格，其他选择功能不变。

3．对数幅频特性和对数相频特性

上述幅相频率特性也可表达为对数幅频特性和对数相频特性，图3.3.1和图3.3.2分别给出上述一阶惯性环节和二阶环节的对数幅频特性和对数相频特性：

图3.3.1

图3.3.2

注意：此时横轴采用了以10为底的对数坐标，纵轴则分别以分贝和度为单位。