目录
目录 (1)
实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验 (2)
实验二金属箔式应变片——半桥性能实验 (4)
实验三金属箔式应变片——全桥性能实验 (6)
?实验四移相实验 (8)
?实验五相敏检波实验 (9)
?实验六交流全桥性能测试实验 (11)
?实验七扩散硅压阻式压力传感器压力实验 (13)
实验八差动电感性能实验 (15)
实验九电容式传感器位移特性实验 (17)
实验十电容传感器动态特性实验 (19)
实验十一霍尔传感器位移特性实验 (20)
实验十二磁电式传感器振动实验 (21)
实验十三压电式传感器振动实验 (22)
实验十四电涡流传感器位移特性实验 (24)
实验十五电涡流传感器振动实验 (26)
实验十六光纤传感器位移特性实验 (27)
实验十七光电转速传感器转速测量实验 (29)
实验十八铂热电阻温度特性实验 (30)
实验十九K型热电偶温度特性实验 (31)
实验二十正温度系数热敏电阻（PTC）温度特性实验 (33)
实验二十一负温度系数热敏电阻（NTC）温度特性实验 (34)
实验二十二PN结温度特性实验 (35)
?实验二十三气敏（酒精）传感器实验 (36)
?实验二十四湿敏传感器实验 (37)
实验一 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
一、实验目的
了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。 二、实验仪器
双杆式悬臂梁应变传感器、V/F 表、直流稳压电源（±4V ）、差动放大器、电压放大器、万用表（自备） 三、实验原理
电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为
ε?=?k R
R
（1-1） 式中
R
R
?为电阻丝电阻相对变化； k 为应变系数；
l
l
?=
ε为电阻丝长度相对变化。 金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件。如图1-1所示，将四个金属箔应变片(R1、R2、R3、R4)分别贴在双杆式悬臂梁弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随悬臂梁形变被拉伸或被压缩。
图1-1 双杆式悬臂梁称重传感器结构图
通过这些应变片转换悬臂梁被测部位受力状态变化，可将应变片串联或并联组成电桥。如图1-2信号调理电路所示，R5=R6=R7=R 为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压
R
R R R E U ??+??=
211/4
0 （1-2）
E 为电桥电源电压；
式1-2表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=%10021???-
R
R 。
图1-2 单臂电桥面板接线图
四、实验内容与步骤
1．悬臂梁上的各应变片已分别接到面板左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。
2．按图1-2接好“差动放大器”和“电压放大器”部分，将“差动放大器”的输入端短接并与地相连，“电压放大器”输出端接V/F表（选择V，200mV档），开启直流电源开关。将“差动放大器”的增益调节电位器与“电压放大器”的增益调节电位器调至中间位置（顺时针旋转到底后逆时针旋转5圈），调节调零电位器使V/F表显示为零。关闭“直流电源”开关。（两个增益调节电位器的位置确定后不能改动）
3．按图1-2接好所有连线，将应变式传感器R1接入“电桥”与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。“电桥”输出接到“差动放大器”的输入端，“电压放大器”的输出接V/F表。预热两分钟。(直流稳压电源的GND1要与放大器共地)
4．将千分尺向下移动，使悬臂梁处于平直状态，调节Rw1使V/F表显示为零（选择V，200mV 档）。
5．移动千分尺向下移0.5mm，读取数显表数值，依次移动千分尺向下移0.5mm读取相应的数显表值，直到向下移动5mm，记录实验数据填入表1-1。
6．实验结束后，将千分尺向上旋转，使悬臂梁恢复平直状态，关闭实验台电源，整理好实验设备。
五、实验报告
1.根据实验所得数据绘制出电压—位移曲线，并计算其线性度。
2.根据实验内容试设计一种电子秤。
六、注意事项
实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！
实验二 金属箔式应变片——半桥性能实验
一、实验目的
比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。 二、实验仪器
同实验一 三、实验原理
不同受力方向的两只应变片（R1、R2）接入电桥作为邻边，如图2-1。电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善，当两只应变片的阻值相同、应变系数也相同时，半桥的输出电压为 R
R
E k E U ??
=??=
220ε （2-1） 式中
R
R
?为电阻丝电阻相对变化； k 为应变系数；
l
l
?=
ε为电阻丝长度相对变化； E 为电桥电源电压。
式2-1表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。
图2-1 半桥面板接线图
四、实验内容与步骤
1．应变传感器已安装在悬臂梁上，可参考图1-1。
2．按图2-1接好“差动放大器”和“电压放大器”电路。“差动放大器”的调零，参考实验一步骤2。
3．按图2-1接好所有连线，将受力相反的两只应变片R1、R2接入电桥的邻边。 4．参考实验一步骤4。
5．移动千分尺向下移0.5mm ，读取数显表数值，依次移动千分尺向下移0.5mm 和读取相应的数显表值，直到向下移动5mm ，记录实验数据填入表2-1。
6．实验结束后，将千分尺向上旋转，使悬臂梁恢复平直状态，关闭实验台电源，整理好实验设备。
五、实验报告
1.根据实验所得数据绘制出电压—位移曲线，并计算其线性度。
2.根据实验内容试设计一种电子秤。
六、思考题
半桥测量时非线性误差的原因是什么？
七、注意事项
实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！
实验三 金属箔式应变片——全桥性能实验
一、实验目的
了解全桥测量电路的优点。 二、实验仪器
同实验一 三、实验原理
全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图3-1，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出
Uo=R
R
E ?? （3-1）
式中E 为电桥电源电压。
R
R
?为电阻丝电阻相对变化； 式3-1表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。
图3-1 全桥面板接线图
四、实验内容与步骤
1． 应变传感器已安装在悬臂梁上，R1、R2、R3、R4均为应变片，可参考图1-1。 2． 按图3-1先接好“差动放大器”和“电压放大器”部分，“差动放大器”的调零参照实验一步骤2。
3．按图3-1接好所有连线，将应变片接入电桥，参考实验一步骤4。
4．移动千分尺向下移0.5mm ，读取数显表数值，依次移动千分尺向下移0.5mm 和读取相应的数显表值，直到向下移动5mm ，记录实验数据填入表3-1。
5．实验结束后，将千分尺向上旋转，使悬臂梁恢复平直状态，关闭实验台电源，整理好实验设备。
五、实验报告
1．根据实验所得数据绘制出电压—位移曲线，并计算其线性度。
2．根据实验内容试设计一种电子秤。
3．比较单臂、半桥、全桥三者的特性曲线，分析他们之间的差别。
六、思考题
全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥？
七、注意事项
实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！
实验四移相实验
一、实验目的
了解移相电路的原理和应用。
二、实验仪器
移相器、信号源、示波器（自备）
三、实验原理
由运算放大器构成的移相器原理图如下图所示：
图4-1 移相器原理图
通过调节Rw，改变RC充放电时间常数，从而改变信号的相位。
四、实验步骤
1．将“信号源”的U S100幅值调节为6V，频率调节电位器逆时针旋到底，将U S100与“移相器”输入端相连接。
2．打开“直流电源”开关，“移相器”的输入端与输出端分别接示波器的两个通道，调整示波器，观察两路波形。
3．调节“移相器”的相位调节电位器，观察两路波形的相位差。
4．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。
五、实验报告
根据实验现象，对照移相器原理图分析其工作原理。
六、注意事项
实验过程中正弦信号通过移相器后波形局部有失真，这并非仪器故障。
实验五相敏检波实验
一、实验目的
了解相敏检波电路的原理和应用。
二、实验仪器
移相器、相敏检波器、低通滤波器、信号源、示波器（自备）、V/F表
三、实验原理
开关相敏检波器原理图如图5-1所示，示意图如图5-2所示：
图5-1 检波器原理图
图5-2 检波器示意图
图5-1中Ui为输入信号端，AC为交流参考电压输入端，Uo为检波信号输出端，DC为直流参考电压输入端。
当AC、DC端输入控制电压信号时，通过差动电路的作用使、处于开或关的状态，从而把Ui端输入的正弦信号转换成全波整流信号。
输入端信号与AC参考输入端信号频率相同，相位不同时，检波输出的波形也不相同。当两者相位相同时，输出为正半周的全波信号，反之，输出为负半周的全波信号。
四、实验步骤
1．打开“直流电源”开关，将“信号源”U S1音频信号输出调节为1kHz，Vp-p＝8V的正弦信号，接到“相敏检波”输入端Ui。
2．将直流稳压电源“±4V”处的“+4V”“GND”接“相敏检波器”的“DC”“GND”。
3．示波器两通道分别接“相敏检波器”输入、输出端，观察输入、输出波形的相位关系和幅值关系。
4．改变DC端参考电压的极性（接入直流稳压电源“±4V”处的“-4V”），观察输入、输出波形的相位和幅值关系。
5．由以上可以得出结论：当参考电压为正时，输入与输出同相，当参考电压为负时，输入与输出反相。
6．去掉DC端连线，将“信号源U S1 00”端输出1kHz，Vp-p＝8V正弦信号送入“移相器”输入端，“移相器”的输出与“相敏检波器”的参考输入端AC连接，同时将音频信号源U S1 00输出接到“相敏检波器”的信号输入端。
7．用示波器两通道观察、的波形。可以看出，“相敏检波器”中整形电路的作用是将输入的正弦波转换成方波，使相敏检波器中的电子开关能正常工作。
8．将“相敏检波器”的输出端与“低通滤波器”的输入端连接，如图5-4（图5-3为低通滤波器的原理图），“低通滤波器”输出端接V/F表（选择V，20V档）。
9．示波器两通道分别接“相敏检波器”输入、输出端。
10．适当调节“信号源”幅值电位器和“移相器”相位调节电位器，观察示波器中波形变化。
11．调节移相器“相位调节”电位器，使电压表显示最大，利用示波器和电压表，测出“相敏检波器”的输入Vp-p值与输出直流电压U O的关系。
12．将“相敏检波器”的输入信号Ui相位改变1800，得出“相敏检波器”的输入信号Vp-p 值与输出直流电压U O1的关系，并填入下表。
13．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。
图5-3 低通滤波器原理图图5-4低通滤波器示意图
五、实验报告
根据实验所得的数据，作出相敏检波器输入—输出曲线（Vp-p—V o、V o1），对照移相器、相敏检波器原理图分析其工作原理。
实验六交流全桥性能测试实验
一、实验目的
了解交流全桥电路的原理。
二、实验仪器
应变传感器、移相器、相敏检波器、低通滤波器，差动放大器，电压放大器，信号源，示波器（自备），V/F表
三、实验原理
图6-1是交流全桥的一般形式。设各桥臂的阻抗为Z1~Z4，当电桥平衡时，Z1 Z3= Z2 Z4，电桥输出为零。若桥臂阻抗相对变化为△Z1/ Z1、△Z2/ Z2、△Z3/ Z3、△Z4/ Z4，则电桥的输出与桥臂阻抗的相对变化成正比。
交流电桥工作时增大相角差可以提高灵敏度，传感器最好是纯电阻性或纯电抗性的。交流电桥只有在满足输出电压的实部和虚部均为零的条件下才会平衡。
图6-1 交流全桥接线图
四、实验步骤
1．轻按住悬臂梁，向上调节千分尺，使千分尺远离悬臂梁，打开“直流电源”，信号源Us1输出1kHz，Vp-p＝8V正弦信号，按图6-1将“差动放大器”与“电压放大器”相连，输出接V/F 表（选择V，200mV档）。调节“差动放大器”和“电压放大器”的增益调节电位器调到最大（顺时针旋到底），“差动放大器”输入短路，调节调零电位器，使V/F表显示为零。
2．按图6-1接好所有连线线，调节电桥调平衡电位器Rw1，使系统输出基本为零，并用Rw2进一步细调至零，示波器接“相敏检波器”输出端观察波形。
3．用手轻压悬臂梁到最低，调节“相位调节”电位器使“相敏检波器”输出端波形成为首尾相接的全波整流波形，然后放手，调节千分尺与悬臂梁相接触，并使悬臂梁恢复至水平位置，再调节电桥中Rw1和Rw2电位器，使系统输出电压为零，此时桥路的灵敏度最高。
4．移动千分尺向下移0.5mm，读取数显表数值，依次移动千分尺向下移0.5mm和读取相应的数显表值，直到向下移动5mm，记录实验数据填入下表：
表6-1
5．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。
五、实验报告
1．根据实验所得数据绘制出电压—位移曲线，并计算其线性度。
2．根据实验内容试设计一种电子秤。
六、注意事项
实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！
实验七 扩散硅压阻式压力传感器压力实验
一、实验目的
了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。 二、实验仪器
压力传感器、气室、气压表、差动放大器、电压放大器、V/F 表 三、实验原理
在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，可以制备各种压力传感器。摩托罗拉公司设计出X 形硅压力传感器，如图7-1所示，在单晶硅膜片表面形成4个阻值相等的电阻条。将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。
扩散硅压力传感器的工作原理如图7-1，在X 形硅压力传感器的一个方向上加偏置电压形成电流i ，当敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当有剪切力作用时（本实验采用改变气室内的压强的方法改变剪切力的大小），在垂直于电流方向将会产生电场变化i E ??=ρ，该电场的变化引起电位变化，则在与电流方向垂直的两侧得到输出电压Uo 。
i d E d U O ???=?=ρ （7-1） 式中d 为元件两端距离。
实验接线图如图7-2所示，MPX10有4个引出脚，1脚接地、2脚为Uo+、3脚接+5V 电源、4脚为Uo-；当P1>P2时，输出为正；P1 图7-1 扩散硅压力传感器原理图 图7-2 扩散硅压力传感器接线图 四、实验内容与步骤 1．按图7-2接好“差动放大器”与“电压放大器”，“电压放大器”输出端接V/F表（选择V，20V档），打开直流电源开关。（将“2~20V直流稳压电源”输出调为5V） 2．调节“差动放大器”与“电压放大器”的增益调节电位器到中间位置并保持不动，用导线将“差动放大器”的输入端短接，然后调节调零电位器使V/F表显示为零。 3．取下短路导线，并按图7-2连接“压力传感器”。 4．气室的活塞退回到刻度“17”的小孔后，使气室的压力相对大气压均为0，气压计指在“零”刻度处，调节调零电位器使V/F表显示为零。增大输入压力到0.005MPa，每隔0.005Mpa记下“电压放大器”输出的电压值U。直到压强达到0.1Mpa；填入下表。 5．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告 1.根据实验所得数据，计算压力传感器输入—输出（P—U）曲线，并计算其线性度。 2.根据实验内容，试设计电子气压计。 实验八差动电感性能实验 一、实验目的 了解差动电感的工作原理和特性。 二、实验仪器 差动电感、测微头、差动放大器、信号源、示波器（自备） 三、实验原理 差动电感由一只初级线圈和两只次级线圈及一个铁芯组成。铁芯连接被测物体。移动线圈中的铁芯，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈的感应电动势发生变化，一只次级线圈的感应电动势增加，另一只次级线圈的感应电动势则减小，将两只次级线圈反向串接（同名端连接）引出差动输出，则输出的变化反映了被测物体的移动量。 四、实验内容与步骤 1．差动电感已经根据图8-1安装在传感器固定架上。 图8-1 差动变压器安装图 图8-2 差动电感接线图 2．将“信号源”“Us1 0°”输出接至L1，打开“直流电源”开关，调节Us1的频率和幅度（用示波器监测），使输出信号频率为（4-5）kHz，幅度为V p-p=2V，按图8-2接线。 3．将“差动放大器”的增益调到最大（增益调节电位器顺时针旋到底）。 4．用示波器观测“差动放大器”的输出，旋动实验台中右侧的千分尺，用示波器观测到的 波形峰－峰值Vp-p为最小，这时可以上下位移，假设向上移动为正位移，向下移动为负，从Vp-p 最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入表8-1，再从Vp-p 最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意上、下位移时，初、次级波形的相位关系。 5．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告 1.实验过程中注意差动电感输出的最小值即为差动电感的零点残余电压大小。根据表8－1画出Vp-p－X曲线。 2.分析一下该测试电路的误差来源。 六、注意事项 实验过程中加在差动电感原边的音频信号幅值不能过大，以免烧毁差动电感传感器。 实验九 电容式传感器位移特性实验 一、实验目的 了解电容传感器的结构及特点。 二、实验仪器 电容传感器、电容变换器、测微头、V/F 表 三、实验原理 电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是具有一个可变参数的电容器。利用平板电容器原理： d S d S C r ??= =εεε0 （9-1） 式中，S 为极板面积，d 为极板间距离，ε 0为真空介电常数，εr 为介质相对介电常数，由 此可以看出当被测物理量使S 、d 或εr 发生变化时，电容量C 随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。所以电容传感器可以分为三种类型：改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介电常数的变介电常数式。这里采用变面积式，如图9-1，两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。通过处理电路将电容的变化转换成电压变化，进行测量。 图9-1电容传感器内部结构示意图 四、实验内容与步骤 1． 电容传感器已经按图9-2安装在实验台。 图9-2 电容传感器安装示意图 图9-3 电容传感器接线图 2．将底面板上“电容传感器”与“电容变换器”相连，“电容变换器”的输出接到V/F表（选择V、2V档）。（注：此处应选用三根相同长度的实验导线，而且越短越好。）3．打开“直流电源”开关。调节“电容变换器”的增益调节电位器到中间位置，调节螺旋测微器使得V/F表显示为0。（增益调节电位器确定后不能改动） 4．调节螺旋测微器推进电容传感器的中间极板（内极板）上下移动，每隔0.2mm将位移值与V/F表的读数填入表9-1。 五、实验报告 1.根据表9-1的数据作做出电压—位移曲线。 2.试分析电容传感器转接电容变换器的导线为什么要长度一致。 一、实验目的 了解电容传感器的动态性能的测量原理与方法。 二、实验仪器 电容传感器、电容变换器、低通滤波器、信号源、示波器（自备）、V/F表、振动源 三、实验原理 与电容传感器位移特性实验原理相同。 四、实验内容与步骤 1．将悬臂架上的千分尺升高使其远离托盘，将底面板电容传感器对应接入电容变换器中（注：选用三根相同长度的实验导线）。将“电容变换器”的输出端接“低通滤波器”的输入端，“低通滤波器”输出端接示波器。电容变换器的“增益调节”电位器调到最大位置（顺时针旋到底）。 图10-1 电容传感器动态实验接线图 2．打开实验台电源，将信号源Us2接到“振动源1”。信号源Us2输出信号频率调节为“10-15Hz”之间，振动幅度调到最大。 3．用V/F表（选择“F”“200”档）监测Us2的频率。 4．调节信号源改变输出频率，用示波器测出“低通滤波器”输出波形的峰-峰值。填入下表。 五、实验报告 1.作电容传感器F-Vp-p曲线，找出振动源的固有频率。 2.分析一下该测试电路的误差来源。 一、实验目的 了解霍尔传感器的原理与应用。 二、实验仪器 霍尔传感器、测微头、电桥、差动放大器、V/F表、直流稳压电源（±4V） 三、实验原理 根据霍尔效应，霍尔电势U H=K H IB，其中K H为霍尔系数，由霍尔材料的物理性质决定，当通过霍尔组件的电流I一定，霍尔组件在一个梯度磁场中运动时，就可以用来进行位移测量。 四、实验内容与步骤 1．将悬臂架上测微头向下移动，使测微头接触托盘。按图11-1接线（将直流稳压电源的GND1与仪表电路共地），输出Uo接V/F表。 2．将“差动放大器”的增益调节电位器调节至中间位置。 3．开启“直流电源”开关，V/F表选择“V”，“200mV”档，手动调节测微头的位置，先使霍尔片处于磁钢的中间位置（数显表大致为0），再调节Rw1使数显表显示为零。 4．分别向上、下不同方向旋动测微头，每隔0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表11-1。 图11-1 霍尔传感器位移接线图 五、实验报告 根据实验所得数据，作出U－X曲线。 控制工程基础实验指导书 自控原理实验室编印 （内部教材） 实验项目名称: （所属课 程: 院系: 专业班级: 姓名: 学号: 实验日期: 实验地点: 合作者: 指导教师: 本实验项目成绩: 教师签字: 日期: （以下为实验报告正文） 、实验目的 简述本实验要达到的目的。目的要明确，要注明属哪一类实验（验证型、设计型、综合型、创新型）。 二、实验仪器设备 列出本实验要用到的主要仪器、仪表、实验材料等。 三、实验内容 简述要本实验主要内容，包括实验的方案、依据的原理、采用的方法等。 四、实验步骤 简述实验操作的步骤以及操作中特别注意事项。 五、实验结果 给出实验过程中得到的原始实验数据或结果，并根据需要对原始实验数据或结果进行必要的分析、整理或计算，从而得出本实验最后的结论。 六、讨论 分析实验中出现误差、偏差、异常现象甚至实验失败的原因，实验中自己发现了什么问题，产生了哪些疑问或想法，有什么心得或建议等等。 七、参考文献 列举自己在本次准备实验、进行实验和撰写实验报告过程中用到的参考文献资 料。 格式如下 作者，书名（篇名），出版社（期刊名），出版日期（刊期），页码 实验一控制系统典型环节的模拟、实验目的 、掌握比例、积分、实际微分及惯性环节的模拟方法; 、通过实验熟悉各种典型环节的传递函数和动态特性; 、了解典型环节中参数的变化对输出动态特性的影响。 二、实验仪器 、控制理论电子模拟实验箱一台; 、超低频慢扫描数字存储示波器一台; 、数字万用表一只; 、各种长度联接导线。 三、实验原理 运放反馈连接 基于图中点为电位虚地，略去流入运放的电流，则由图 由上式可以求得下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应。 、比例环节 实验模拟电路见图所示 U i R i U o 接示波器 以运算放大器为核心元件，由其不同的输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图所示。图中和为复数阻抗，它们都是构成。 Z2 Z1 Ui ,— U o 接示波器 得: 实验二二阶系统的瞬态响应分析 一、实验目的 1、熟悉二阶模拟系统的组成。 2、研究二阶系统分别工作在ξ=1，0<ξ<1，和ξ> 1三种状态下的单 位阶跃响应。 3、分析增益K对二阶系统单位阶跃响应的超调量σP、峰值时间tp和调 整时间ts。 4、研究系统在不同K值时对斜坡输入的稳态跟踪误差。 5、学会使用Matlab软件来仿真二阶系统，并观察结果。 二、实验仪器 1、控制理论电子模拟实验箱一台； 2、超低频慢扫描数字存储示波器一台； 3、数字万用表一只； 4、各种长度联接导线。 三、实验原理 图2-1为二阶系统的原理方框图，图2-2为其模拟电路图，它是由惯性环节、积分环节和反号器组成，图中K=R2/R1，T1=R2C1，T2=R3C2。 图2-1 二阶系统原理框图 图2-1 二阶系统的模拟电路 由图2-2求得二阶系统的闭环传递函 12 22 122112 /() (1)()/O i K TT U S K U S TT S T S K S T S K TT ==++++ :而二阶系统标准传递函数为 (1)(2), 对比式和式得 n ωξ== 12 T 0.2 , T 0.5 , n S S ωξ====若令则。调节开环增益K 值，不仅能改变系统无阻尼自然振荡频率ωn 和ξ的值，可以得到过阻尼(ξ>1)、 临界阻尼（ξ=1）和欠阻尼（ξ<1）三种情况下的阶跃响应曲线。 （1）当K >0.625， 0 < ξ < 1，系统处在欠阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为： 图2-3 0 < ξ < 1时的阶跃响应曲线 （2）当K =0.625时，ξ=1，系统处在临界阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为： 如图2-4为二阶系统工作临界阻尼时的单位响应曲线。 (2) +2+=222n n n S S )S (G ωξω ω1 ()1sin( ) (3) 2-3n t o d d u t t tg ξωωωω--=+=式中图为二阶系统在欠阻尼状态下的单位阶跃响应曲线 e t n o n t t u ωω-+-=)1(1)( 实验一 Matlab使用方法和程序设计 一、实验目的 1、掌握Matlab软件使用的基本方法； 2、熟悉Matlab的数据表示、基本运算和程序控制语句 3、熟悉Matlab绘图命令及基本绘图控制 4、熟悉Matlab程序设计的基本方法 二、实验内容 1、帮助命令 使用help命令，查找sqrt（开方）函数的使用方法； 2、矩阵运算 （1）矩阵的乘法 已知A=[1 2;3 4]; B=[5 5;7 8]; 求A^2*B （2）矩阵除法 已知A=[1 2 3;4 5 6;7 8 9]; B=[1 0 0;0 2 0;0 0 3]; A\B,A/B （3）矩阵的转置及共轭转置 已知A=[5+i,2-i,1;6*i,4,9-i]; 求A.', A' （4）使用冒号选出指定元素 已知：A=[1 2 3;4 5 6;7 8 9]; 求A中第3列前2个元素；A中所有列第2，3行的元素； （5）方括号[] 用magic函数生成一个4阶魔术矩阵，删除该矩阵的第四列 3、多项式 （1）求多项式p(x) = x3 - 2x - 4的根 （2）已知A=[1.2 3 5 0.9;5 1.7 5 6;3 9 0 1;1 2 3 4] ， 求矩阵A的特征多项式; 求特征多项式中未知数为20时的值； 4、基本绘图命令 （1）绘制余弦曲线y=cos(t)，t∈[0，2π] （2）在同一坐标系中绘制余弦曲线y=cos(t-0.25)和正弦曲线y=sin(t-0.5)，t∈[0，2π] 5、基本绘图控制 绘制[0，4π]区间上的x1=10sint曲线，并要求： （1）线形为点划线、颜色为红色、数据点标记为加号； （2）坐标轴控制：显示范围、刻度线、比例、网络线 （3）标注控制：坐标轴名称、标题、相应文本； 6、基本程序设计 （1）编写命令文件：计算1+2+?+n<2000时的最大n值； （2）编写函数文件：分别用for和while循环结构编写程序，求2的0到n次幂的和。 三、预习要求 利用所学知识，编写实验内容中2到6的相应程序，并写在预习报告上。 《控制工程基础》实验指导书常熟理工学院机械工程学院 2009.9 目录 1.MATLAB时域分析实验 (2) 2.MATLAB频域分析实验 (4) 3.Matlab校正环节仿真实验 (8) 4.附录：Matlab基础知识 (14) 实验1 MATLAB 时域分析实验 一、实验目的 1． 利用MATLAB 进行时域分析和仿真。 要求：(1)计算连续系统的时域响应（单位脉冲输入，单位阶跃输入，任意输入）。 2．掌握Matlab 系统分析函数impulse 、step 、lsim 、roots 、pzmap 的应用。 二、实验内容 1．已知某高阶系统的传递函数为 ()265432 220501584223309240100 s s G s s s s s s s ++=++++++，试求该系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应、单位速度响应和单位加速度响应。 MATLAB 计算程序 num=[2 20 50]; den=[1 15 84 223 309 240 100]; t= (0: 0.1: 20); figure (1); impulse (num,den,t); %Impulse Response figure (2); step(num,den,t);%Step Response figure (3); u1=(t); %Ramp.Input hold on; plot(t,u1); lsim(num,den,u1,t); %Ramp. Response gtext(‘t’); figure (4); u2=(t.*t/2);%Acce.Input u2=(0.5*(t.*t)) hold on; plot(t,u2); lsim(num,den,u2,t);%Acce. Response 机械控制工程基础实验 指导书 Company number【1089WT-1898YT-1W8CB-9UUT-92108】 河南机电高等专科学校《机械控制工程基础》 实验指导书 专业：机械制造与自动化、起重运输机械设计与制造等 机械制造与自动化教研室编 2012年12月 目录 实验任务和要求 一、自动控制理论实验的任务 自动控制理论实验是自动控制理论课程的一部分，它的任务是： 1、通过实验进一步了解和掌握自动控制理论的基本概 念、控制系统的分析方法和设计方法； 2、重点学习如何利用MATLAB工具解决实际工程问题和 计算机实践问题； 3、提高应用计算机的能力及水平。 二、实验设备 1、计算机 2、MATLAB软件 三、对参加实验学生的要求 1、阅读实验指导书，复习与实验有关的理论知识，明确每次实验的目的，了解内容和方法。 2、按实验指导书要求进行操作；在实验中注意观察，记录有关数据和图 像，并由指导教师复查后才能结束实验。 3、实验后关闭电脑，整理实验桌子，恢复到实验前的情况。 4、认真写实验报告，按规定格式做出图表、曲线、并分析实验结果。字迹 要清楚，画曲线要用坐标纸，结论要明确。 5、爱护实验设备，遵守实验室纪律。 实验模块一 MATLAB基础实验 ——MATLAB环境下控制系统数学模型的建立 一、预备知识 的简介 MATLAB为矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，由美国MathWorks公司出品的商业数学软件。主要用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 来源：20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler 为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。1984年由 Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。 地位：和Mathematica、Maple并称为三大数学软件，在数学类科技应用软件中，在数值计算方面首屈一指。 功能：矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等。 应用范围：工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 图1-1 MATLAB图形处理示例 的工作环境 启动MATLAB，显示的窗口如下图所示。 MATLAB的工作环境包括菜单栏、工具栏以及命令运行窗口区、工作变量区、历史指令区、当前目录窗口和M文件窗口。 (1)菜单栏用于完成基本的文件输入、编辑、显示、MATLAB工作环境交互性设置等操作。 (2)命令运行窗口“Command Window”是用户与MATLAB交互的主窗口。窗口中的符号“》”表示MATLAB已准备好，正等待用户输入命令。用户可以在“》”提示符后面输入命令，实现计算或绘图功能。 说明：用户只要单击窗口分离键，即可独立打开命令窗口，而选中命令窗口中Desktop菜单的“Dock Command Window”子菜单又可让命令窗口返回桌面（MATLAB桌面的其他窗口也具有同样的操作功能）；在命令窗口中，可使用方向 前言 《机电系统控制基础》既是一门理论性较强、又紧密联系工程实际的实践性较强的课程，本课程的重点在于培养学生对机电系统进行建模、分析与控制的能力。难点在于如何使机电类专业的学生结合工程实际，特别是结合机械工程实际，从整体分析系统的动态行为，理解和掌握略显深奥、难懂的经典控制理论，并应用经典控制论中的基本概念和基本方法来分析、研究和解决机械工程中的实际问题。 通过实验教学环节使学生验证课堂教学的理论，使学生能够建立机电系统控制的整体概念，加深对经典控制论中基本概念和基本方法的理解，并掌握其在分析、研究和解决实际机械工程控制问题中的应用。通过三方面的实验：原理性仿真实验，面向机电系统中典型物理对象/系统的特性测试与分析实验，和典型机电系统的控制三方面实验。将所学的课程内容融会贯通，培养学生分析和解决问题的能力。 1 机电系统控制基础原理性仿真实验 1.1 实验目的 通过仿真实验，掌握在典型激励作用下典型机电控制系统的时间响应特性，分析系统开环增益、系统阻尼、系统刚度、负载、无阻尼自振频率等机电参数对响应、超调量、峰值时间、调整时间、以及稳态跟踪误差的影响；掌握系统开环传递函数的各参数辨识方法，最后，学会使用matlab软件对机电系统进行仿真，加深理解系统动态响应特性与系统各参数的关系。 1.2系统典型输入的响应实验 1.2.1 实验原理 1．一阶系统的单位脉冲响应 惯性环节（一阶系统）单位脉冲响应simulink实现图，如图1-1所示 (a)可观测到输出曲线 (b)输入、输出曲线均可观测到 图1-1惯性环节（一阶系统）单位脉冲响应simulink实现图 2．一阶系统的单位阶跃响应 一阶系统的单位阶跃响应simulink实现图如图1-2所示。 河南机电高等专科学校《机械控制工程基础》 目录 实验任务和要求............................................................................................................................................. 实验模块一MATLAB基础实验............................................................................................................ 实验任务和要求 一、自动控制理论实验的任务 自动控制理论实验是自动控制理论课程的一部分，它的任务是： 1、通过实验进一步了解和掌握自动控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设 2、按实验指导书要求进行操作；在实验中注意观察，记录有关数据和图像，并由指 导教师复查后才能结束实验。 3、实验后关闭电脑，整理实验桌子，恢复到实验前的情况。 4、认真写实验报告，按规定格式做出图表、曲线、并分析实验结果。字迹要清楚， 画曲线要用坐标纸，结论要明确。 5、爱护实验设备，遵守实验室纪律。 实验模块一MATLAB基础实验 ——MATLAB环境下控制系统数学模型的 建立 一、预备知识 1.MATLAB的简介 MATLAB为矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，由美国MathWorks公司出品的商业数学软件。主要用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 来源：20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。 地位：和Mathematica、Maple并称为三大数学软件，在数学类科技应用软件中，在数值计算方面首屈一指。 功能：矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言 T H B D C-1《计算机控制技术》实验指导书 实验一 离散化方法研究 一、实验目的 1．学习并掌握数字控制器的设计方法； 2．熟悉将模拟控制器D(S)离散为数字控制器的原理与方法； 3．通过数模混合实验，对D(S)的多种离散化方法作比较研究，并对D(S)离散化前后闭环系统的性能进行比较，以加深对计算机控制系统的理解。 二、实验设备 1．THBCC-1型 信号与系统?控制理论及计算机控制技术实验平台 2．THBXD 数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB 电缆线各1根) 3．PC 机1台(含软件“THBCC-1”) 三、实验内容 1．按连续系统的要求，照图3-1的方案设计一个与被控对象串联的模拟控制器D(S)，并用示波器观测系统的动态特性。 2．利用实验平台，设计一个数－模混合仿真的计算机控制系统，并利用D(S)离散化后所编写的程序对系统进行控制。 3．研究采样周期T S 变化时，不同离散化的方法对闭环控制系统性能的影响。 4．对上述连续系统和计算机控制系统的动态性能作比较研究。 四、实验原理 由于计算机的发展，计算机及其相应的信号变换装置（A/D 和D/A ）取代了常规的模拟控制。在对原有的连续控制系统进行改造时，最方便的办法是将原来的模拟控制器离散化，其实质是将数字控制部分（A/D 、计算机和D/A ）看成一个整体，它的输入与输出都是模拟量，因而可等效于一个连续的传递函数D(S)。这样，计算机控制系统可近似地视为以D(S)为控制器的连续控制系统。 下面以一个具体的二阶系统来说明D(S)控制器的离散化方法。 1、二阶系统的原理框图如图3-1所示。 图3-1 二阶对象的方框图 图3-2 二阶对象的模拟电路图 2、系统性能指标要求 系统的速度误差系数5≥v K 1/s ，超 调量%10≤p δ，系统的调整时间1≤s t s 机械工程控制基础实验指导书 机械控制工程实验室 2015年10月 学生实验规则 1、实验前，学生要认真阅读实验指导书中内容，以求对实验目的、内容、方法和步骤有初步的了解。 2、遵守实验室的各项规章制度，听从教师的指导，实验时必须严肃、认真、细致。 3、要求在教师指导下，独立按时完成规定的实验内容。 4、实验过程中，学生不得无故迟到、早退、旷课、有事须请假批准。 5、遵守操作规则，注意安全。 6、爱护实验中用到的相关设备与工具，丢失损失东西，及时报告，照价赔偿。 7、实验结束，应将设备、仪器、工具清理干净，搞好当天卫生。 实验一典型环节时域特性的仿真实验 一实验目的 1、通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，熟悉各种典型环 节的响应曲线。 2、定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。 3、初步了解Matlab中Simulink的使用方法。 二实验内容 研究典型环节(比例、积分、微分、惯性、二阶)在阶跃输入信号及白噪声干扰信号输入的响应。 三实验方法及步骤 1、建立仿真模型系统 1.1 运行Matlab，在命令窗口“Command Window”下键入“Simulink”后回车，则打开相应的系统模型库；或者点击菜单上的“Simulink”图标，进入系统仿真模型库。然后点击左上角“创建新文件图标”，打开模型编辑窗口。 1.2 调出模块 在系统仿真模型库中，把要求的模块都放置在模型编辑窗口里面。 从信号源模块包(Sources)中拖出1个阶跃信号(step)和1个白噪声信号发生器(band-limited white noise) ； 从输出模块包(Sinks)中拖出1个示波器(Scope)； 从连续系统典型环节模块包(Continuous) 中拖出1个微分环节(Derivative)和3个传函环节(Transfer Fcn)； 从数学运算模块包(Math Operations)中拖出1个比例环节(Gain)和1个加法器(Sum) ； 从信号与系统模块包(Signals Routing) 拖出1个汇流排(Mux)； 所有模块都放置在模型编辑窗口里面。 1.3 模块参数设置 双击打开3个传函环节(Transfer Fcn)，通过设定参数(参照图1的数据)，分别构成积分、惯性和二阶环节； 打开比例环节，设定比例增益为2； 打开白噪声信号发生器，设定功率(Noise power)为0.0001，采样时间(Sample time)为0.05。 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 《控制工程基础》实验指导书 机械工程与自动化学院 机械电子与自动化系 2009年10月 实验一传递函数的求取 实验名称：传递函数的求取 实验目的：掌握MATLAB有关传递函数求取及其零、极点计算的函数。准备知识： 求串联环节的传递函数： 求并联环节的传递函数： 求单位反馈控制系统的传递函数： 求闭环控制系统的传递函数： 多项式相乘： 实验内容： 1.特征多项式的建立与特征根的求取 2.传递函数零、极点的求取 3.求单位反馈系统的传递函数： 5.自行利用MATLAB命令求取以下系统传递函数及其零、极点，并依次记录下各命令及结果。 实验二 系统的时间响应分析 实验名称：系统的时间响应分析 实验目的：根据实验结果分析一阶惯性系统以及二阶系统的时间响应特征以及系统性 能与系统参数之间的关系。常握Matlab 中二阶线性系统的时域性能指标的求法。 准备知识： 设输入x(t)，为输出为y(t)，仿真时间段为矩阵t 。 系统的传递函数用特征矩阵表示为：den num s G =)( 利用MATLAB 求取系统时间响应的函数有： 求取单位阶跃响应：),,(],,[t den num step t x y = 求取单位脉冲响应：),,(],,[t den num impulse t x y = 求取任意输入的时间响应：),,,(],,[t u den num lsim t x y = （注：u 表示输入列向量） 实验内容： 1.一阶系统时间响应的仿真 自行建立m 文件，程序如下，文件名为test00.m ，并运行程序，记录下时间响应曲 自行建立m 文件，程序如下，文件名为test01.m ，并运行程序，记录下时间响应曲线，比较两个系统的性能。 自行建立m 文件，程序如下，文件名为test02.m ，并运行程序，记录下时间响应曲线，比较系统取不同阻尼比时的性能。 《机械工程控制基础》 实验报告 流体传动与控制研究所 编 流体传动与控制实验室 学院： 姓名： 班级： 学号： 指导老师： 机械自动化学院 二0 年月 目录 前言 (2) 实验注意事项 (2) 实验一、典型环节及其时间响应..........................................(3～7) 实验二、典型环节的频率特性测试........................................(8～12) 实验三、线性系统稳定性分析及其校正..................................(11～15)附录一、TKKL－1 型控制理论实验箱 (16) 附录二、TKKL－3 型控制理论实验箱 (17) 附录三、TD4011型频率特性分析仪前面板图 (18) 附录四、TD4652型慢扫描双踪示波器前面板图 (19) 附录五实验操作步骤说明 (22) 前言 《控制原理》是一门相对比较抽象的技术基础课。它的抽象在于控制理论高度概括和深刻揭示了客观世界具有普遍意义的一些本质属性，只有将其与机械、冶金、交通、管理等各种复杂系统联系起来时，人们才能真正体会到控制理论的深刻内涵。然而这些属性在电子电路系统中却表现得十分自然，因此控制原理实验也就成为《控制原理》课程与工程实践之间的一座桥梁。借助电子电路模拟系统可以使我们更好地理解和认识控制理论的一些基本概念和分析、设计方法。因此控制原理实验可以为同学们学习、运用控制理论知识，分析、解决与系统控制有关的工程问题奠定一个良好的基础。 本实验指导书是为机械自动化学院的机械电子工程、机械工程及自动化等专业学生进行《控制原理》课程的实验教学编写。该指导书列写了学习《控制原理》课程必做的3个基本实验，这些实验涉及到传递函数推导、时域响应、频域响应、稳定性分析等基本教学内容。以后将根据教学的情况和课时的调整增加控制器设计、非线性系统分析等更为深入的实验项目。为了使实验收到应有的效果，同学们在实验前务必复习与实验有关的教学内容。 在每个实验前，本实验指导书都简要地介绍了实验中所用到的实验仪器，同学们应预先熟悉这些仪器的使用，以避免损坏仪器，提高实验的效率。 实验注意事项： 1.实验前务必仔细阅读实验指导书，了解实验内容，熟悉实验原理、实验线路及实验方法，并根据实 验要求独立完成必要的分析、计算。 2.实验接线前必须先断开总电源及各分电源开关，严禁带电接线，接线完毕，待实验指导老师检查无 误后方可通电实验。 3.实验自始至终，实验板上要保持整洁，不可随意放置杂物，特别是导电的工具和多余的导线等。 4.实验完毕，应及时关闭各电源开关，并及时清理实验板面，整理好连接导线并放置到规定位置。 5.实验结束后按要求完成实验报告。 《化工过程控制》实验指导书 绍兴文理学院教务处 二零一三年三月 目录 实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验 (3) 实验二、上水箱液位PID参数整定控制实验 (9) 实验三、锅炉夹套和锅炉内胆温度串级控制系统 (17) 实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验 一、实验目的 1）、熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。 2）、根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。 二、实验设备 1）、AE2000A型过程控制实验装置： 配置：万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。 三、系统结构框图 单容水箱如图1-1所示： 图1-1、单容水箱系统结构图 四、实验原理 阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。 图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方 h1( t ) h1(∞ ) 0.63h1(∞) 0 T 法。单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。 如图1-1所示，设水箱的进水量为Q 1，出水量为Q 2，水箱的液面高度为h ，出水阀V 2固定 于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得： 在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得： 式中，T 为水箱的时间常数（注意：阀V 2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R 2*C ，K=R 2为过程的放大倍数，R 2为V 2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。令输入流量Q 1（S ）=R O /S ，R O 为常量，则输出液位的高度为： 当t=T 时，则有： h(T)=KR 0(1-e -1)=0.632KR 0=0.632h(∞) 即 h(t)=KR 0(1-e -t/T ) 当t —>∞时，h （∞）=KR 0，因而有 K=h （∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入 式（1-2）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1-2所示。当由实验求得图1-2所示的 阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应时间，就是水箱的时间常数T ，该时间常数T 也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点 所对应的时间就 图1-2、 阶跃响应曲线 控制工程基础实验指导书（130104班适用） 初红艳 北京工业大学机电学院 2015．11 目录 目录----------------------------------------------------------------1 一．实验目的---------------------------------------------------------2 二．实验内容---------------------------------------------------------2 三．实验要求---------------------------------------------------------4 四．实验装置---------------------------------------------------------4 五．实验步骤---------------------------------------------------------4 六．实验报告要求-----------------------------------------------------8 七．附录（相关MATLAB函数介绍）---------------------------------------9 一．实验目的 本实验中，学生使用MATLAB 语言进行控制系统的分析，可以达到以下目的： （1）通过MATLAB 的分析，掌握控制系统的时域瞬态响应、频率特性，根据时域性能指标、频域性能指标评价控制系统的性能，根据系统频率特性进行稳定性分析，了解对系统进行校正的方法，从而进一步巩固、加深对课堂内容的掌握，加强对控制工程基础知识的掌握。 （2）熟悉MATLAB 的控制系统图形输入与仿真工具SIMULINK ，能够对一些框图进行仿真或线性分析，使一个复杂系统的输入变得相当容易且直观。 （3）通过本实验，使学生掌握进行控制系统计算机辅助分析的方法，学会利用MATLAB 语言进行复杂的实际系统的分析、校正与设计，具备解决工程实际问题的能力。 二．实验内容 控制系统方块图如图1所式。这是一个电压—转角位置随动系统，系统的功能是用电压量去控制一个设备的转角，给定值大，输出转角也就成比例地增大。 图1 系统方块图 图中，)(1s G 为前置放大及校正网络传递函数 K 2为功率放大器放大倍数，102=K K 3为电动机传递系数，s V rad K ?=/83.23 T M 为电动机机电时间常数，s T M 1.0= T a 为电动机电磁时间常数，ms T a 4= K c 为测速传递系数，rad s V K c /15.1?= β 为测速反馈分压系数，1~0=β K a 为主反馈电位计传递系数，rad V K a /7.4= U i 为输入电压 U b 为反馈电压 中北大学 机械工程与自动化学院 实验指导书 课程名称：《机械工程控制基础》 课程代号：02020102 适用专业：机械设计制造及其自动化 实验时数：4学时 实验室：数字化实验室 实验内容：1.系统时间响应分析 2.系统频率特性分析 机械工程系 2010.12 实验一 系统时间响应分析 实验课时数：2学时 实验性质：设计性实验 实验室名称：数字化实验室 一、实验项目设计内容及要求 1.试验目的 本实验的内容牵涉到教材的第3、4、5章的内容。本实验的主要目的是通过试验，能够使学生进一步理解和掌握系统时间响应分析的相关知识，同时也了解频率响应的特点及系统稳定性的充要条件。 2.试验内容 完成一阶、二阶和三阶系统在单位脉冲和单位阶跃输入信号以及正弦信号作用下的响应，求取二阶系统的性能指标，记录试验结果并对此进行分析。 3.试验要求 学习教材《机械工程控制基础（第5版）》第2、3章有关MA TLAB 的相关内容，要求学生用MA TLAB 软件的相应功能，编程实现一阶、二阶和三阶系统在几种典型输入信号（包括单位脉冲信号、单位阶跃信号、单位斜坡信号和正弦信号）作用下的响应，记录结果并进行分析处理：对一阶和二阶系统，要求用试验结果来分析系统特征参数对系统时间响应的影响；对二阶系统和三阶系统的相同输入信号对应的响应进行比较，得出结论。 4.试验条件 利用机械工程与自动化学院数字化试验室的计算机，根据MA TLAB 软件的功能进行简单的编程来进行试验。 二、具体要求及实验过程 1.系统的传递函数及其MA TLAB 表达 (1)一阶系统 传递函数为：1 )(+= Ts K s G 传递函数的MA TLAB 表达： num=[k]；den=[T,1]；G(s)=tf(num,den) (2)二阶系统 传递函数为：2 2 2 2)(n n n w s w s w s G ++= ξ 传递函数的MA TLAB 表达： num=[2n w ]；den=[1，ξ2wn ，wn^2]；G(s)=tf(num,den) （3）任意的高阶系统 传递函数为：n n n n m m m m a s a s a s a b s b s b s b s G ++++++++= ----11 101110)( 传递函数的MA TLAB 表达： num=[m m b b b b ,,,110- ]；den=[n n a a a a ,,,110- ]；G(s)=tf(num,den) 控制工程基础实验指导Experiment Guidebook to Control Engineering 西北工业大学 2012年10月 试验一．MATLAB 仿真实验 一、实验目的 1.掌握使用MATLAB工具进行控制系统仿真分析； 2.掌握使用MATLAB工具进行控制系统综合与校正。 二、实验装置及用具 CAD 实验室的PC 计算机已经安装了MATLAB 6.5，在计算机上进行控制系统仿真实验。 三、实验内容 3.1 一阶系统的仿真 图1 一阶系统 (1)推导并写出图1所示的一阶系统的传递函数U c(s)/U r(s), 图中，R4 = R5=20 KΩ，R3 =1MΩ，C =1μF，R1 = 20KΩ，而R2有三种选择，即①R2 = 20KΩ；②R2 = 200KΩ；③R2 = 2KΩ。 (2)利用MATLAB 仿真，画出Ur 为单位阶跃输入时，输出U C的时域响应曲线， 系统的频率特性（BODE 图和乃氏图），说明物理系统的线性区（运算放大器电源电压为±15V ）。 3.2 二阶系统的仿真 (1) 推导并写出图2所示的二阶系统的传递函数U c(s)/U r(s)，说明选取不同的R5会有不同的阻尼比ξ。图中，R1 =1MΩ，C = 0.1μF，R3 =100KΩ，R4 =100KΩ，而R5有三种选择，即①R5 = 40KΩ；②R5 =100KΩ；③R5 =140KΩ。 图2 二阶系统 （2）利用MATLAB 仿真，画出U r 为单位阶跃输入时，输出U C的时域响应曲线；利用MATLAB 仿真，画出不同阻尼比的ξ系统的频率特性（Bode 图和乃氏图），根据这个Bode 图，分析二阶系统的主要动态特性（M P ,t s）。 实验一控制系统的时间响应分析 一、实验目的 1．学习一、二阶系统阶跃响应曲线的实验测试方法。 2．研究二阶系统的两个重要参数ζ、ωn对阶跃瞬态响应指标的影响。 二、实验仪器 1.XK—KL1型自动控制系统实验箱 2.计算机 三、实验原理 1. 模拟实验的原理 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，然后可按给定的系统电路图将其连接，以获得相应的模拟系统；再将输入信号加到模拟系统的输入端，利用计算机测量系统的输出，便可获得系统的响应曲线及性能指标，若改变系统参数，可进一步分析研究参数对系统性能的影响。 2.控制系统的阶跃响应 ①时域响应 系统的输入（或称受到外加作用）所引起的输出随时间的变化历程，称其为“时域响应”或“时间历程” ； ②阶跃输入 在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些典型的输入形式，其中最常用的是阶跃输入，其形式如下图： 四．实验内容 1）典型环节的阶跃响应 ①构建典型环节的模拟电路，连接测量系统； 比例环节惯性环节 G（S）= -R2/R1 G（S）= - K/TS+1 K=R2/R1，T=R2C 积分环节微分环节 G（S）=1/TS T=RC G（S）= - RCS ②输入阶跃信号，测量阶跃响应，记录波形及其相关数据；2）二阶系统的阶跃响应 ①构建二阶系统的模拟电路，连接测量系统； 典型二阶系统的闭环传递函数为： 2 22 () 2 n n n s s s ω ? ξωω = ++ ； 系统的闭环传递函数为： 2 22 1/ ()2()/1() (/) T s U s U s S K T S T ?== ++ ； 式中， T = RC ,K = R2/R1； 其中ζ和ω n 对系统的动态品质有决定的影响。 二阶系统模拟电路如下图，经计算得 电路的结构图为 比较以上两式： n ω=1/T=1/RC, ξ= K/2=R2/2R1) 由上式可知：改变比值R2 / R1 ,可以改变二阶系统的阻尼比； 机械工程控制基础 计算机辅助分析实验指导书 一、实验目的 本实验教学是《机械工程控制基础》课程教学的重要组成部分，属课内实验，其目的是： 1）使学生理解掌握自动控制系统经典的分析、设计方法及基本理论，巩固课堂所学知识，为工程实践打好基础； 2）培养学生的培养学生的分析问题和解决问题的能力，使学生学会基本的matlab 软件使用方法。 二、matlab简介 MATLAB是由MathWorks公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统环境。MATLAB是英文MATrix LABoratory（矩阵实验室）的缩写。它集中了日常数学处理的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵计算、信号处理和图形生成等功能。在MATLAB环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。 MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是矩阵，在生成的矩阵对象时，不要求作明确的维数说明。与利用C语言或FORTRAN语言作数值计算的程序设计相比，利用MA TLAB可以节省大量的编程时间。在一些大学里，MATLAB正成为对数值线性代数以及其他一些高等应用数学课程进行辅助教学的有益工具。在工程界，MATLAB被用来解决一些实际课题和数学模型问题，进行对象系统仿真。 1．MATLAB系统的基本组成： （1）MATLAB的语言体系 MATLAB是高层次的矩阵/数组语言，具有条件控制、函数调用、数据结构、输入 输出、面向对象等程序语言特性。MA TLAB进行数值计算的基本处理单位是复数数组（或称阵列），并且数组维数是自动按照规则确定的，这使得MA TLAB程序被高度向量化，易于用户读写。 （2）MATLAB工作环境 这是对MA TLAB提供给用户使用的管理工具的总称，包括帮助系统、工作内存管理、指令和函数管理、搜索路径管理、操作系统、程序调试和性能剖析工具等。（3）图形句柄系统 这是MATLAB图形系统的基础，包括完成2D和3D的数据图示、图象处理、动画 生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令，也包括用户对图形图象等对象进行特性控制的低层MA TLAB命令，以及开发GUI应用程序的各种工具。 （4）MATLAB数学函数库 这是对MA TLAB使用的各种数学算法的总称，包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高成次数学算法。MATLAB数值计算函数库的特点是其内容的基础和通用性，正是由于这一点，它才能适应了自动控制、信号处理、动力工程、电力系统等应用学科的需要，进而开发出一系列应用工具包。 （5）MATLAB应用程序接口 这是MA TLAB为用户提供的一个函数库，使得用户能够在MATLAB环境中使用C程序或FORTRAN程序，包括从MATLAB中调用子程序（动态链接），读写MA T文件的功能。 2．动态系统仿真工具SIMULINK SIMULINK是MathWorks公司开发的又一个产生重大影响的软件产品。它的前生是 .. 控制工程基础实验指导书 自控原理实验室编印 （部教材） 实验项目名称： （所属课程：） 院系：专业班级：姓名：学号：实验日期：实验地点：合作者：指导教师： 本实验项目成绩：教师签字：日期： （以下为实验报告正文） 一、实验目的 简述本实验要达到的目的。目的要明确，要注明属哪一类实验（验证型、设计型、综合型、创新型）。 二、实验仪器设备 列出本实验要用到的主要仪器、仪表、实验材料等。 三、实验容 简述要本实验主要容，包括实验的案、依据的原理、采用的法等。 四、实验步骤 简述实验操作的步骤以及操作中特别注意事项。 五、实验结果 给出实验过程中得到的原始实验数据或结果，并根据需要对原始实验数据或结果进行必要的分析、整理或计算，从而得出本实验最后的结论。 六、讨论 分析实验中出现误差、偏差、异常现象甚至实验失败的原因，实验中自己发现了什么问题，产生了哪些疑问或想法，有什么心得或建议等等。 七、参考文献 列举自己在本次准备实验、进行实验和撰写实验报告过程中用到的参考文献资料。 格式如下: 作者，书名（篇名），出版社（期刊名），出版日期（刊期），页码 实验一控制系统典型环节的模拟 一、实验目的 1、掌握比例、积分、实际微分及惯性环节的模拟法； 2、通过实验熟悉各种典型环节的传递函数和动态特性； 3、了解典型环节中参数的变化对输出动态特性的影响。 二、实验仪器 1、控制理论电子模拟实验箱一台； 2、超低频慢扫描数字存储示波器一台； 3、数字万用表一只； 4、各种长度联接导线。 三、实验原理 以运算放大器为核心元件，由其不同的R-C输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图1-1所示。图中Z1和Z2为复数阻抗，它们都是R、C构成。 图1-1 运放反馈连接控制工程基础实验指导书(答案)
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