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姓名：学号：课程名称：机电系统控制基础实验实验序号： 1 实验日期：实验室名称：同组人：实验成绩：总成绩：教师评语：教师签字：年月日机电系统控制基础原理性仿真实验一、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。
二、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2-1 所示(a)可观测到输出曲线(b)输入、输出曲线均可观测到图2-1 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2-2 所示。
图2-2 一阶系统的单位阶跃响应simulink 实现图3．二阶系统的单位脉冲响应二阶系统的单位脉冲响应simulink 实现图，如图2-3 所示。
图2-3 二阶系统的单位脉冲响应simulink 实现图4．二阶系统的单位阶跃响应二阶系统的单位阶跃响应实验simulink 实现图如图2-4 所示。
图2-4 二阶系统的单位阶跃响应实验simulink 实现图三、实验要求1. 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。
2. 掌握系统开环传递函数的各参数辨识方法。
3. 使用matlab 软件对机电系统进行仿真四、实验结果1. 一阶系统的单位脉冲响应Simulink 模型图如图4-1图4-1 一阶系统单位脉冲响应模型图单位脉冲函数波形图如图4-2图4-2 单位脉冲函数波形图图4-3 输出函数波形图2. 一阶系统的单位阶跃响应Simulink 模型图如图4-4图4-4一阶系统的单位阶跃响应模型图单位阶跃函数波形图如图4-5图4-5 单位阶跃函数波形图图4-6 输出函数波形3.二阶系统的单位脉冲响应Simulink 模型图如图4-7图4-7 Simulink 模型图单位脉冲函数波形图如图4-2。
哈尔滨理工大学《机电系统控制基础》机械电子工程专业实验指导书班级：姓名：学号：实验名称：荣成学院机械工程系机电教研室2017年 8月目录实验一Matlab语言基础实验 (1)实验二控制系统建模及模型转换 (6)实验三控制系统的时域分析实验 (9)实验四控制系统的频域分析实验 (14)实验五控制系统的稳定性分析实验 (21)附录一Matlab中输入希腊字母的方法 (30)实验一Matlab语言基础实验一、实验目的和要求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、掌握Matlab软件求拉普拉斯变换与逆变换基本方法二、实验内容1、MATLAB工作环境平台①Command Window命令窗口是对MATLAB 进行操作的主要载体，默认的情况下，启动MATLAB 时就会打开命令窗口，如图 1 所示。
一般MA TLAB的所有函数和命令都可以在命令窗口中执行。
图1 MATLAB工作界面平台掌握MALAB 命令行操作是走入MA TLAB 世界的第一步。
命令行操作实现了对程序设计而言简单而又重要的人机交互，通过对命令行操作，避免了编程序的麻烦，体现了MATLAB 所特有的灵活性。
在运行MA TLAB提示符“>>”表示MA TLAB正在等待执行命令。
注意：每个命令行键入完后，都必须按回车键。
当需要处理相当繁琐的计算时，可能在一行之内无法写完表达式，可以换行表示，此时需要使用续行符“…”，否则MA TLAB 将只计算一行的值，而不理会该行是否已输入完毕。
使用续行符之后MA TLAB 会自动将前一行保留而不加以计算，并与下一行衔接，等待完整输入后再计算整个输入的结果。
在MATLAB 命令行操作中，有一些键盘按键可以提供特殊而方便的编辑操作。
比如当然下面即将讲到的历史窗口也具有此功能。
②Command History历史命令窗口在默认设置下历史命令窗口会保留自安装时起所有命令的历史记录，并标明使用时间，以方便使用者的查询。
机电控制技术基础编者：麦兆昌2010年秋季版顺德职业技术学院实验指导书注意事项：1．实验前认真预习本实验指导书，明确实验目的及实验内容。
2．学生进入实验室必须遵守实验室的一切规章制度，爱护实验仪器设备，并要注意人身及设备安全。
3．实验时，接线完毕要仔细检查线路，并以指导教师检查同意后方可接通电源进行实验。
4．损坏仪器设备要立即报告指导老师，并按情况酌量赔偿。
5．实验结束后整理导线，归还借用的工具。
6．实验完毕后在实验记录册上，填写实验内容、参加实验人员名单，以教师签字后方可离开实验室。
第一篇基本电气控制线路实训【实验1】三相异步电动机单方向运转控制（一）实验目的1．掌握三相异步电动机利用交流接触器实现单相运转、连续及点动的控制线路。
2．熟悉该实验线路所用各主要电器设备的结构、工作原理、使用方法。
3．研究控制线路经常出现的故障，学习及总结分析和排除故障的方法。
（二）实验线路及主要设备1．线路：见实验1图。
2．设备：（1）三相交流电源380V（2）三相异步电动机1台（3）交流接触器CJ10－20 1只（4）按钮2只（5）热继电器1只3．电工工具及导线（三）实验步骤实验1图具有过载保护的正转控制线路1．检查接触器、按钮的各触点通断状态是否良好。
2．在断电情况下，查对接线，并以指导教师检查后，方可进行操作。
（四）报告内容1．在电动机旋转时控制电路是怎样实现自锁的？2．若自锁控制线路错误，会出现哪些现象？3．在实验中出现的问题的分析和讨论。
【实验2】三相异步电动机的正反转控制实验（一）实验目的1．学习异步电动机采用交流接触器正反转控制线路的接线方法并进行操作。
2．明确正反转控制线路中互锁的必要性。
3．了解复合按钮的联接方法及其所起的作用。
（二）实验线路及设备1．线路：见实验2图2．设备：三相刀开关1台三相异步电动机JO212－12 1.1kW 1台交流接触器CJ10－20 2只复合按钮3只热继电器1只（三）实验步骤1．检查接触器、按钮的各触点通断状态是否良好。
机电传动控制实验指导书实验一、继电—接触器控制三相异步电动机一、实验目的1．熟悉继电—接触器断续控制系统的电路原理图、元件布局图和接线图的读图方式；2．掌握三相异步电动机主回路和控制回路的接线方法；3．了解继电—接触器断续控制电路的组成二、实验使用仪器、设备1．DB电工实验台；2．三相异步电动机二台；3．万用表一台；4．专用连接线一套。
三、实验要求实现三相异步电动机的正、反转、点动、互锁、连锁控制。
满足以下具体要求：(1) M1可以正、反向点动调整控制；(2) M1正向起动之后，才能起动M2；(3) 停车时，M2停止后，才能停M1；(4) 具有短路和过载保护；(5) 画出主电路和控制电路。
四、实验参考电路五、实验步骤1．按布局图要求将各元器件定位；2．按接线图要求，以正确的规格电线连接各器件；3．按接线图要求，连接电动机的定子线圈；4．自查并互查连接线；5．合上电源，调试电路；6．观察电动机的运行情况。
六、实验注意事项1．操作前切断总电源；2．接线完毕，必须检查接线情况，并做好记录；3．在指导老师认可后，方能接通电源。
七、思考题1．熔断器与热继电器可否省去其中任何一个？为什么？2．熔断器与热继电器的规格可否随意选择？为什么？3．连接电线的规格可否随意选择？为什么？4．交流接触器可否带直流负载？为什么？实验二、PLC控制三相异步电动机一、实验目的1．了解PLC——AC电动机断续控制系统的电路原理图、元件布局图和接线图的读图方式；2．掌握继电—接触器逻辑电路与PLC梯形图的转换方式；3．熟悉PLC控制系统的接线方法；3．了解PLC断续控制电路的组成。
二、实验使用仪器、设备1．PLC模拟实验台；2．三相异步电动机二台；3．万用表一台；4．专用连接线一套。
三、实验要求实现PLC对三相异步电动机的正、反转、点动、互锁、连锁控制。
满足以下具体要求：(1) M1可以正、反向点动调整控制；(2) M1正向起动之后，延时5分钟再可起动M2；(3) 停车时，M2停止后，延时2分钟再可停M1；(4) 主电路同实验一。
2014 ～2015 学年度第一学期《机电基础综合实验》实验指导书机械电子工程系机电工程学院1．实验性质和任务本课程是机械电子工程的专业必修课。
课程设计的目的和任务在于使学生掌握机械设备电器控制的基本知识、基本原理和基本方法,以培养学生对电气控制系统的分析和设计的基本能力，加深学生对课程内容的理解，验证理论和巩固、扩大所学的基本理论知识。
2．实验要求通过本实验教学有计划的培养和训练，应达到以下诸方面的要求。
1.培养学生具有一定的实践技能，树立实事求是的思想和严谨的科学作风。
2.能正确设计电气控制线路原理图。
3.能正确选择常用低压电气元件。
4.能独立的完成综合实验说明书，提高分析问题和解决问题的能力。
3．实验内容与学时安排本课程是项目式实践性教学，机电基础综合实验项目有：1.直线抓取机械手的设计与实现2. 教学型电梯实验模型的设计与实现3. 数控车床控制系统设计、调试与维修等项目。
学生可自主选择，内容主要包括以下六个部分：1. 常用低压电器认识；2. 机械设备电气控制的工作原理及组成；3. 基本控制电路设计；4. 电气控制线路原理图的设计和绘制；5. 正确选择常用低压电器，完成电器元件明细表；6. 独立的完成综合实验说明书，提高分析问题和解决问题的能力。
各项目组根据具体设计内容，参照模板、实验要求和设计内容自行编写实验报告。
教学型实验电梯模型简介基于PLC控制的教学电梯模型是依据机械电子工程专业机电基础综合实验教学的要求而开发的实验装置，主要功能包括PLC应用、基于交流电机及变频器的升降运动控制、基于直流电机的开关门控制、组态软件的使用、传感器的应用等。
通过该实验装置的操作，可掌握PLC控制系统软件和硬件结合的设计与调试方法、传感器、驱动器/执行器使用、PLC与触摸屏连接控制以及PLC控制变频器进行交流调速等应用。
所设计的教学电梯模型具有以下特点：（1）工业型材构架，采用标准配件，学生可参考使用说明自行搭建模型。
1实验一 PLC 认识实验一、实验目的1）通过实验了解和熟悉PLC 的结构和外部接线方法； 2）熟悉编程软件的使用方法；3）掌握简单程序的写入、编辑、监视和模拟运行的方法，了解PLC 的基本指令。
二、实验装置1）FX1N 系列PLC 1台；2）装有编程软件的计算机1台（附连接电缆）； 3）开关量输入电路板1块。
三、实验内容（1）PLC 外部接线 PLC 外部接线图如图3-1所示，用开关量输入电路板上的按钮或开关信号作为PLC 的输入，PLC 输出可不接，直接通过在PLC 输出指示灯上观察输出情况。
图3-1 PLC 的外部接线图 图3-2 简单梯形图程序（2）程序的写入、检查及修改 将装有编程软件的计算机接到PLC 上，并将PLC 上的“RUN ”开关拨到“STOP ”位置，接通PLC 的电源。
按编程软件的操作方法将PLC 用户程序存储器中的内容全部清除，并在编程软件编程环境下编辑如图3-2a 对应的梯形图或指令表程序，认真从第0步开始逐条检查程序，并及时修改程序，确认无误后，单击转换按钮，并将已创建的程序写入到PLC 中。
（3）程序模拟调试及监视 程序写入到PLC 中后，断开实验板上的全部输入开关，将“RUN ”开关拨到RUN 位置，写入的程序开始运行，同时“RUN ”的LED 灯亮。
按编程软件的操作方法进行PLC 的运行监视。
调试方法：按照表3-1所示操作X0-X2对应的钮子开关，通过PLC 上的LED 观察Y0和Y1的状态，并填入表3-1中。
表中0、1分别表示开关断开和接通。
四、实验报告1、说明实验中所用PLC的型号及其意义？2、说明PLC由几部分组成？输入电源规格为多少伏？3、如何利用编程软件检查PLC程序的对错？4、整理出模拟运行各程序及监视操作时所观察到的现象。
2实验二基本指令实验一、实验目的1．熟悉PLC编程软件及方法2．掌握与、或、非等指令3．熟悉SET置位、RST复位、PLS上升沿微分、PLF下降沿微分指令的编程及使用。
哈尔滨工业大学学生实验守则一、上课前学生必须对所做实验进行充分预习，并写出预习报告。
经指导教师检查合格后，方可进行实验。
二、必须爱护仪器设备，遵守操作规程，严禁乱动、乱拆。
如有损坏丢失，必须立即报告指导教师，由实验室酌情处理。
因违反规章制度、不遵守操作规程而造成仪器损坏者，需按规定进行赔偿。
三、实验室内严禁吸烟、吐痰、吃东西和乱扔纸屑。
除实验必须的讲义、记录纸及文具以外，个人的书包及衣物等一概不要放在实验台上。
实验室内不得大声喧哗，注意保持肃静。
四、实验做完后，需先经指导教师审查数据并签字，然后再将仪器设备按原样整理完毕，清理实验室。
在得到教师允许后方可离去。
五、学生必须认真做好实验报告，在规定的时间内交给教师批阅。
批阅后的实验报告由学生妥善保管，以备考核。
目录实验一 STEP7 MICRO/WIN 的使用方法 (1)1.1 建立新项目 (1)练习1.1 建立一个项目 (2)1. 2 LAD/STL编辑器 (2)练习1.2 改变程序语言及在LAD状态下调试程序 (3)1. 3 程序调试工具 (3)练习1.3 使用“监视功能” (3)实验二PLC的基本指令 (5)练习2.1 练习2.2 基本指令 (5)练习2.3 画输出波形 (6)练习2.4 四分频器 (7)练习2.5 先输入优先电路 (7)练习2.6 后输入优先电路 (7)练习2.7 4中选2电路 (7)实验三典型逻辑电路设计 (8)练习3.1 测试定时器 (8)练习3.2 测试计数器 (9)练习3.3 编写延时断开定时器 (9)练习3.4 脉冲定时器（单稳态电路） (10)练习3.5 多谐振荡器（方波发生器） (10)练习3.6 电机定时启停 (11)练习3.7 异步电机能耗制动 (11)练习3.8 电机顺序启动 (11)练习3.9 单按钮起停电路 (11)实验四复杂程序设计 (12)练习4.1 小车顺序运动I (12)练习4.2 彩灯自动闪烁 (12)练习4.3 十字路口交通灯控制 (12)实验五 WinCC flexible软件基本应用 (13)练习5.1创建项目 (13)练习5.2创建画面 (16)练习5.3 组态报警 (19)练习5.4 创建配方 (23)练习5.5 添加画面切换 (26)练习5.6测试并模拟项目 (28)练习5.7传送项目 (30)实验六 WinCC flexible应用实例 (32)练习6.1 彩灯自动闪烁 (32)练习6.2 十字路口交通灯控制 (32)实验一 STEP7 MICRO/WIN 的使用方法实验目的：掌握使用SIMATIC S7-200 PLC的编程软件STEP7 MICRO/WIN 来建立、编写、调试程序的基本方法。
机械系统控制基础实验指导书完整版1. 实验目的本实验旨在通过机械系统控制基础实验的设计与实施，帮助学生深入理解机械系统的控制原理与方法，提高其工程实践能力。
2. 实验原理2.1 机械系统的基本组成和工作原理2.2 机械系统的数学建模2.3 机械系统的控制方法与策略3. 实验器材3.1 电脑3.2 控制器3.3 传感器3.4 电动机3.5 运动平台4. 实验内容4.1 实验一：机械系统的建模与控制4.1.1 步骤一：搭建机械系统的物理模型4.1.2 步骤二：进行系统辨识并获取系统参数4.1.3 步骤三：设计控制器，实现对机械系统的控制4.2 实验二：机械系统的位置控制实验4.2.1 步骤一：确定位置控制的目标和性能指标4.2.2 步骤二：设计位置控制器，实现机械系统的位置控制4.3 实验三：机械系统的速度控制实验4.3.1 步骤一：确定速度控制的目标和性能指标4.3.2 步骤二：设计速度控制器，实现机械系统的速度控制5. 实验步骤5.1 实验一：5.1.1 搭建机械系统的物理模型，将传感器和电动机连接至运动平台，连接控制器至电脑。
5.1.2 进行系统辨识实验，获取机械系统的相关参数。
5.1.3 根据系统参数设计控制器，并对机械系统进行控制实验。
5.2 实验二：5.2.1 根据位置控制目标和性能指标，设计位置控制器。
5.2.2 将设计的控制器连接至电脑和电动机，实施位置控制实验。
5.3 实验三：5.3.1 根据速度控制目标和性能指标，设计速度控制器。
5.3.2 将设计的控制器连接至电脑和电动机，实施速度控制实验。
6. 实验报告每个实验完成后，学生需撰写实验报告，内容包括实验目的、理论基础、实验步骤、实验结果与分析等。
7. 实验安全7.1 在实验过程中，注意安全操作，避免发生意外伤害。
7.2 未经指导老师允许，不得擅自改动实验器材或调整实验参数。
8. 参考资料[1] 《机械系统控制原理与应用》[2] 《机械系统建模与控制技术》以上为机械系统控制基础实验指导书的完整版，希望能对实验教学提供有力的支持和指导。
《机电系统控制基础》大作业一基于MATLAB的机电控制系统响应分析哈尔滨工业大学2013年12月12日1作业题目1. 用MATLAB 绘制系统2()25()()425C s s R s s s Φ==++的单位阶跃响应曲线、单位斜坡响应曲线。
2. 用MATLAB 求系统2()25()()425C s s R s s s Φ==++的单位阶跃响应性能指标：上升时间、峰值时间、调节时间和超调量。
3. 数控直线运动工作平台位置控制示意图如下：X i伺服电机原理图如下：LR(1)假定电动机转子轴上的转动惯量为J 1，减速器输出轴上的转动惯量为J 2，减速器减速比为i ，滚珠丝杠的螺距为P ，试计算折算到电机主轴上的总的转动惯量J ；(2)假定工作台质量m ，给定环节的传递函数为K a ，放大环节的传递函数为K b ，包括检测装置在内的反馈环节传递函数为K c ，电动机的反电势常数为K d ，电动机的电磁力矩常数为K m ，试建立该数控直线工作平台的数学模型，画出其控制系统框图；(3)忽略电感L 时，令参数K a =K c =K d =R=J=1，K m =10，P/i =4π，利用MATLAB 分析kb 的取值对于系统的性能的影响。
源代码：t=[0:0.01:5];u=t;C=[25],R=[1,4,25];G=tf(C,R);[y1,T]=step(G,t);y2=lsim(G,u,t);subplot(121),plot(T,y1);xlabel('t(sec)'),ylabel('x(t)'); grid on;subplot(122),plot(t,y2);grid on;xlabel('t(sec)'),ylabel('x(t)');仿真结果及分析：源代码：t=[0:0.001:1];yss=1;dta=0.02;C=[25],R=[1,4,25];G=tf(C,R);y=step(G,t);r=1;while y(r)<yss;r=r+1;endtr=(r-1)*0.001;[ymax,tp]=max(y);tp1=(tp-1)*0.001;mp=(ymax-yss)/yss;s=1001;while y(s)>1-dta && y(s)<1+dta;s=s-1;endts=(s-1)*0.001;[tr tp1 mp ts]仿真结果及分析：C = 25ans = 0.4330 0.6860 0.2538 1.0000由输出结果知：上升时间为0.4330秒，峰值时间为0.6860秒，最大超调量为0.2538，调整时间1.0000秒。
机电系统测控、机器人( II)实验指导书安徽工业大学机械工程学院．10项目一倒立摆机电系统建模、分析与控制1、一级倒立摆机电系统倒立摆系统是典型的快速、多变量、非线性、强耦合、不稳定的机电系统, 是控制理论中研究的热点, 同时生产中也有很多得应用, 因此研究和分析倒立摆系统, 在理论和实践上都具有意义。
研究倒立摆系统的能有效的反映机电系统的许多典型问题: 如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。
经过对倒立摆的控制, 用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力经过对它的研究不但能够解决控制中的理论和技术实现问题, 还能将控制理论涉及的主要基础学科: 力学, 数学和计算机科学进行有机的综合应用。
其控制方法和思路无论对理论或实际的过程控制都有很好的启迪, 能够检验多种控制理论和方法。
倒立摆的研究不但有其深刻的理论意义, 还有重要的工程背景。
在多种控制理论与方法的研究与应用中, 特别是在工程实践中, 也存在一种可行性的实验问题, 使其理论与方法得到有效检验, 倒立摆就能为此提供一个从理论通往实践的桥梁, 当前, 对倒立摆的研究已经引起国内外学者的广泛关注, 是控制领域研究的热门课题之一。
（1）一级倒立摆物理结构倒立摆简单结构, 如图1所示,质量为M小车在轨道上运动, 在小车上装有摆杆, 质量为m。
摆杆与小车转动轴连接, 并安装编码器, 用于测量摆杆的角度, 摆杆可左右运动。
如果定义摆杆在垂直位置为稳定系统, 显然倒立摆系统为不稳定的、典型的机电系统, 倒立摆的不稳定性表现在摆杆不能保持在竖直位置, 摆杆会转动。
对小车不施加如图1所示力F, 那么施加在小车上的力F大小、方向和作用时间如何变化才能保证摆杆保持在垂直位置。
图1. 倒立摆结构简图（2）一级倒立摆数学模型建模能够分为两种: 实验建模和理论建模。
实验建模就是经过在研究对象上加上一系列的研究者事先确定的输入信号, 激励研究对象并经过传感器检测其可观测的输出, 应用数学手段建立起系统的输入一输出关系。
机电一体化系统实验指导书1. 实验目的本实验旨在通过对机电一体化系统的设计、搭建和调试，让学生掌握机电一体化系统的工作原理及其应用领域，并提高学生的动手能力和团队协作能力。
2. 实验器材和软件2.1 实验器材•电机•传感器•控制电路•电源•运动部件2.2 软件•Arduino IDE•SolidWorks3. 实验内容3.1 实验准备1.确定实验主题和目标。
2.设计机电一体化系统的结构和布局。
3.使用SolidWorks绘制机电一体化系统的3D模型。
3.2 系统搭建1.根据设计图纸，搭建机电一体化系统的物理结构。
2.连接电机、传感器和控制电路。
3.进行系统的初步测试，确保电机、传感器和控制电路的正常工作。
3.3 系统调试1.使用Arduino IDE编写控制程序。
2.将控制程序烧录到控制电路中。
3.调试控制程序，确保机电一体化系统能够按照预定的程序进行工作。
4.测试系统的稳定性和可靠性，进行必要的调整和修正。
3.4 实验报告1.撰写实验报告，包括实验目的、实验步骤、实验结果和分析等内容。
2.将实验报告以Markdown文本格式输出。
4. 实验步骤1.确定实验主题和目标，并进行初步的系统设计。
2.使用SolidWorks绘制机电一体化系统的3D模型，并根据模型进行结构搭建。
3.连接电机、传感器和控制电路，进行初步的系统测试。
4.使用Arduino IDE编写控制程序，并烧录到控制电路中。
5.调试控制程序，确保机电一体化系统能够按照预定的程序进行工作，进行必要的调整和修正。
6.进行系统稳定性和可靠性测试。
7.撰写实验报告。
5. 实验注意事项1.在操作实验器材时，要注意安全事项，避免误操作造成伤害。
2.调试控制程序时，要小心操作，避免电路短路或其他不当操作导致损坏设备。
3.如有疑问或困难，及时向实验指导老师寻求帮助。
6. 实验结果与分析经过搭建和调试，机电一体化系统成功实现了预定的功能，并且运行稳定可靠。
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。
图1-2一阶系统的单位阶跃响应simulink实现图3．二阶系统的单位脉冲响应二阶系统的单位脉冲响应simulink实现图，如图1-3所示。
图1-3二阶系统的单位脉冲响应simulink实现图4．二阶系统的单位阶跃响应二阶系统的单位阶跃响应实验simulink实现图如图1-4所示。
图1-4二阶系统的单位阶跃响应实验simulink实现图如图1-4所示1.2.2 实验内容1.点击图标，进入matlab操作界面。
2.在command window中输入simulink，可以进入simulink仿真环境。
3.弹出Simulink Library Browser界面。
在这个界面中，我们可以选择仿真实验中所需要的模块。
首先新建一个编辑窗口，具体操作是在左上角依次点击“File”-“New”-“Model”。
4.根据原理图1-1，在Simulink Library Browser 窗口中选择仿真实验所需环节并拖到Model窗口中。
具体操作如下：5.（1）单击Simulink Library Browser 窗口中的Simulink模块库中的“Sources（信号源）”打开“Sources”模块子库，单击“Pulse Generator”模块（阶跃信号）并按住鼠标左键将此模块拖动到untitled窗口；6.（2）单击Simulink Library Browser 窗口中的Simulink模块库中的“Continuous”打开“Continuous”模块子库，单击“Transfer Fcn”模块（传递函数）并按住鼠标左键将此模块拖动到untitled窗口；7.（3）单击Simulink Library Browser 窗口中的Simulink模块库中的“Sinks”打开“Sinks”模块子库，单击“Scope”模块（示波器）并按住鼠标左键将此模块拖动到untitled窗口；8.用鼠标双击被拖到untitled窗口中的模块，都会出现属性对话框，例如在“ser 窗口中的Simulink模块库中的“Sources（信号源）”打开“Sources”模块子库，单击“Pulse Generator”属性对话框中可以脉冲信号的参数；在“Transfer Fcn”的属性对话框中可以设置传递函数的阶次、时间常数、放大系数。
9.模块连接，方法如下：10.（1）将光标移到所要连接的初始模块的输出端（“>”），按下左键并拖动鼠标到目标模块的输入端（“>”），松开左键即完成两个模块的连接；11.（2）或者选中初始模块，然后按下Ctrl键并同时鼠标双击目标模块也可进行两个模块的连接。
12.（3）若需要从某连接线上引出端子，需要按下Ctrl键并按下鼠标左键拖动鼠标到目标模块。
13.模块连接好，并且各模块参数设定好后可进行仿真，单击工具栏中的三角形图标，即图标，计算机开始仿真，双击示波器“Scope”可观察仿真曲线。
14.仿真时间的设定，在untitled窗口中，将光标移到Simulation菜单，按下鼠标左键，打开子菜单，将高亮条移到Simulation Parameters子菜单并单击鼠标左键，出现属性对话框，可修改仿真时间。
1.2.3 实验报告要求实验报告由四部分组成：1）实验目的；2）实验要求；3）实验原理；4）实验结果。
请同学们安要求完成。
2角位置伺服系统频域特性测试与分析实验2.1实验目的熟悉直流伺服电动机角位置控制系统的组成及各环节工作原理，包括：电动机参数、增量式码盘精度、机械负载惯量、信号采样频率、死区、控制方法等与角位置伺服系统控制性能指标的关系，针对该典型机电对象或系统，掌握输入信号的设置与离散方法，输出信号的采集与归一化方法，通过速度阶跃响应进行系统参数辨识，通过扫频法，测试系统的频域特性的相位特性和幅频特性曲线，分析系统的稳定性、快速性并掌握系统PID控制的离散方法，主要目的是培养学生进行基本性能实验和综合设计实验的能力。
1、掌握各环节的设计方法；2、掌握机电系统基本调试方法；3、通过扫频法，绘出系统的对数频率特性曲线，从实验数据曲线上，分析系统的稳定性、稳定裕度、快速性、频带宽、校正环节的形式与基本离散化方法。
2.2 实验原理2.2.1直流电动机角位置伺服系统组成如图2.1直流电动机角位置伺服系统，由直流减速电机、膜片联轴器、磁滞制动器、增量式空心轴码盘组成的角位置反馈闭环系统。
码盘感知的角位置信号通过采集卡的I/O传给计算机，由计算机的控制模型计算输出位置信号，通过采集卡的DA、驱动电路，使直流电动机转动，组成的计算机控制的角位置伺服系统示意图如图2.2.（a）系统采用减速电动机和磁滞制动器（b）系统无减速电动机和磁滞制动器（c）系统电源与驱动图2.1直流电动机角位置伺服系统图2.2 计算机控制的角位置伺服系统示意图2.2.2电动机及其驱动电路直流减速电动机采用惠城区日松菱五金电气商行的Z2D15-24GN，如图2.3，电动机额定电压24V，额定电流1A，额定转速60rpm，额定转矩2.4Nm，减速比为50。
图2.3 直流减速电动机Z2D15-24GN图2.4 直流电机的驱动电路板直流减速电动机的电枢接驱动电路板，当电动机的电枢电压从 1.8v升高至7.5v时，电机转速从 4.763671875度/秒（约0.79rpm）升高至243.28125度/秒（约40.5rpm），而且呈线性关系y x=−，式中x为给定电压（伏），y为电机正转转速（度42.797*77.48/秒），死区电压0 1.81∼伏，线性相关系数为1，用码盘测得电动机正转转速与电枢电压的关系如图2.5。
图2.5直流减速电动机正转转速与电枢电压的关系直流电动机的电枢接驱动电路板，当电动机的电枢电压从0.7v 减小至-4.7v时，电机转速从12.19921875度/秒(约2rpm)升高至244.9863281度/秒（约40.1rpm），而且呈线性关系=−，式中x为给定电压（伏），y为电机反转转速42.436*45.277y x（度/秒），死区电压0 1.067∼伏，线性相关系数为1，用码盘测得电动机反转转速与电枢电压的关系如图2.6。
图2.6 直流减速电动机反转转速与电枢电压的关系2.2.3 增量式空心轴码盘角度测量传感器采用长春衡伟光电有限公司生产的增量式空心轴码盘HZ38H8-2048DM-D05E，如图2.7，脉冲数2048p/R，电源电压5V或10-30V，最大转速6000rpm，空心轴径6mm，轴允许径向负荷20N，轴允许轴向负荷10N，输出方波信号。
增量式空心轴码盘接线如表1。
联轴器如图2.8所示。
图2.7 增量式空心轴码盘照片图2.8 联轴器图片表1增量式空心轴码盘接线码盘输出的A、B两路相位差90°的两路脉冲，电机带动码盘的旋转，当旋转的方向不同时，相互间超前滞后关系也会发生变化, 从而区分出正转和反转两路计数冲。
其方向判别电路和方向如图2.9，判别电路波形如图2.10，码盘判向电路实物如图2.11。
图2.9判别电路原理(a)正转波形 (b)反转波形 图2.10 码盘方向判别电路原理和波形图图2.11 USB 接口码盘判向/计数电路实物照片如图2.10(a)，电机正转时，A 相超前B 相90°，A 相从低电平向高电平跳变，A 相经过整形、反向后接入与非门2的一个输入，与非门2的另一个输入为A 相经过R 1C 1放电过程才能由高电平变为低电平，所以在与非门2的输出端c 得到一个113T R C =的负脉冲，然后c 和B 相或得到CP+，即码盘正转的计数脉冲。
如图2.10(b)，电机反转时，A 相滞后B 相90°，A 相从高电平向低电平跳变，A 相经过整形、反向后接入与非门1的一个输入，与非门1的另一个输入需要经过R 2C 2放电过程才能由高电平变为低电平，所以在与非门1的输出端d 得到一个223T R C =的负脉冲，然后d 和B 相或得到CP-，即码盘反转的计数脉冲。
2.2.4输入信号实验采用扫频方法获得实验系统的幅频特性和相频特性，系统输入为电机电枢电压0cos V V t ω=，式中，ω为输入信号的角频率，由图2.5和图2.6知，电动机转速与电枢控制电压成线性关系，故其对应的电机的角速度余弦，如图2.12(a)，电机的角位置正弦0sin A A t ω=，如图2.12(b)。
(a) 输入角速度 (b)输入角位置图2.12 输入信号形式如图2.13（a ）为控制系统主界面，点击“输入信号设置”进入输入信号设置界面，如图2.13（b ），进行输入信号设置，设置输入余弦电枢电压的幅值和频率（系统默认幅值为6V ，默认频率为0.1Hz ），输入结束后，点击“确定”返回系统主界面。
（a ）系统主界面（b）系统输入界面图 2.13 系统界面V推荐范围为考虑正反转死区电压以及转速和电压的线性度，电压幅值2.5V～6V，余弦电枢电压的频率ω推荐范围为0.112Hz Hz∼，其中输入的余弦电枢电压每个周期被离散为100个点，点击“启动”，生成c:\testdata\ inputfile (*Hz-*V).txt文件，文件中共保存2个周期的离散点，共200个数据点，第一列为离散点时刻，第二列为离散后该时刻的电压值。
