机械工程控制基础实验
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数幅频特性曲线和相频特性。 5） 基于上述BODE图，估计该实验装置的开环传递函数。增益K是实
验曲线通过ω＝1（rad/s）时的y坐标值，频率
实验曲线从0dB/dec线到-20dB/dec线的转折点，则（本系统转折频 率在数值上与截止频率相等，截止频率是实验曲线通过水平段下降 －3dB线时对应的x坐标值）。分别从0.5V和1V实验曲线估计传递函 数，比较二者的异同。
表2-1 开环频率特性测试数据记录表（1V正弦输入信号）
测速电机
幅值(=
幅值(=
频率(Hz) 频率(1/s) 输出电压
20logUo/Ui）） 相位差
Uo/Ui）
峰峰值(V)
(dB)
2.5
5
10
15
20
25
30
35 40 45 50 55 60
65 70 75
五、实验报告 1） 对实验内容与实验过程进行描述； 2） 记录实验数据，对实验结果进行分析； 3） 回答任意两道思考题； 4） 实验总结，包括实验中遇到的问题及思考、对本实验的意见 与建议。
议。
六、思考题 1）如何利用数字示波器观察阶跃响应曲线和测量一阶系统的时间
常数？如何测量稳态增益？
2）除了测速电机外，测量转速还有哪些方法？试画出系统方框 图。
3）为什么作为阶跃输入信号的方波信号，其周期要大于系统过渡 过程时间的两倍？
实验二 频率特性测试实验
一、实验目的 1）熟悉典型系统的频域特性。2）掌握机电系统频域特性和传递函数的测试方法。
本实验指导书由陈永亮老师编写
实验一 时域特性测试实验
一、实验目的 1）熟悉典型输入信号； 2）了解典型系统的时间响应。 3）掌握典型机电系统时域特性的测试方法。
二、实验原理
一个动态系统的性能常用典型输入作用下的响应来描述。响应是指 零初始值条件下某种典型的输入函数作用下对象的响应，控制系统常用 的输入函数为单位阶跃函数和脉冲激励函数（即冲激函数）。
三、实验设备
1）机电控制综合试验台：变频器(型号为FR-E540) + 测速电机(型 号为55ZYT63)；
2） 计算机一台：安装MATLAB6.5软件（包括控制系统工具箱和 SIMULINK）和WORD文字处理软件。
四、实验内容
1）按照图1用SIMULINK建立系统方框图。 2）在输入端连接上信号发生模块，利用信号发生器，给系统输入
本试验利用阶跃输入信号来测定电机的时间常数和稳态增益，进而 求得系统的传递函数。试验装置的构成如图1-1所示，主要包括变频器 （0～5V输入）、电机和测速电机（10V/1500RPM）。
阶跃信号由信号发生器输出的方波信号来实现，其幅值和周期可通 过该仪器的有关旋钮来调节。方波信号的周期一定要大于系统调节时间 的两倍，即.
六、思考题 1）如何进行频域特性的测试? 试用MATLAB编写相应的数据处理
程序。 2）如何根据1V正弦输入信号测得的数据画出系统BODE图？ 3）如何根据试验得到的系统BODE图求系统稳态增益和时间常
数，写出系统的传递函数？ 4）试比较与实验一中时域法测得的稳态增益和时间常数有何异
同？
实验三 闭环控制系统设计与仿真实验
-
试验原理如图3-1所示。 通过电压/电流变换电路把测速发电机的输出连接到变频器的反馈 输入，由信号发生器输入阶跃信号，构成闭环电机调速系统。 被控对象电机可近似为一阶系统，其传递函数的一般形式为 ，其 中K为电机的稳态增益，为时间常数。 反馈回路（测速发电机）的传递函数可近似为比例环节，其传递函 数的一般形式为 ，其中为测速发电机的增益系数。 根据试验一和试验二的试验结果，代入具体数值，可建立电机闭环 调速系统的数学模型。 变频器内部电路对设定值和反馈信号的差值进行PID运算，根据偏 差的大小和符号，产生一个执行量，通过功率放大器驱动电机，调整转 速。PID校正环节的传递函数为： 其中，Kp为比例常数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。 根据所要求的设计指标，调整PID参数，利用时域分析或频域分析 法，可得到该参数下系统的性能指标，如此反复，直到确定合适的PID 参数值，使系统能满足设计要求为止。
4）在输入电压允许的范围内，给定不同输入电压，重复上述实验。 根据实测曲线估算电机稳态增益和时间常数。取五次实验结果的平 均值作为最终结果。
表1-1 试验数据记录表
测速电机
输入电
`电机稳态转
机输出电
压[V]
速[rpm]
压[V]
0.5
1
3
4
5
电机时间常 电机增益[rpm/V]
数[sec]
五、实验报告
1） 对实验内容与实验过程进行描述； 2） 记录实验数据，对实验结果进行分析； 3） 回答任意两道思考题； 4） 实验总结，包括实验中遇到的问题及思考、对本实验的意见与建
3）用示波器观察和记录系统的阶跃响应曲线 按下[CURSOR]光标测量功能键，显示[CURSOR]菜单，用1号菜单操 作键选择“手动”模式，用2号菜单操作键选择“时间”类型，用水平和垂 直[POSITION]旋钮分别移动两条垂直光标到待测的图形位置即可测量
两个时间值及其差值。若用2号菜单操作键选择“电压”类型，即可用水 平和垂直[POSITION]旋钮分别移动两条水平光标到待测的图形位置测 量两个幅值及其差值。
1）模块和子模块：定义的一些系统元件，子系统，和输入输出设备； 如，噪声输入模块，传递函数系统模块，信号发生器，示波器模块等 等。 2）拖放：将需要的模块拖放到你定义的工作区内。 3）联结：用鼠标拖动，建立联结。
控制系统的分析包括系统的稳定性分析、时域分析、频域分析及根 轨迹分析。
控制系统常用的输入函数为单位阶跃函数和脉冲激励函数（即冲激 函数）。在MATLAB的控制系统工具箱中提供了求取这两种输入下系 统响应的函数。求取系统单位阶跃响应：step()；求取系统的冲激响 应：impulse()。
通常将频率特性用曲线的形式进行表示，包括对数频率特性曲线和 幅相频率特性曲线简称幅相曲线，MATLAB提供了绘制这两种曲线的 函数。求取系统对数频率特性图（波特图）：bode()；求取系统奈奎斯 特图（幅相曲线图或极坐标图）：nyquist()。
测速发电机电路 变频器电路 PID运算 电机 执行量
B(s) 图3-1 PID闭环控制系统框图
图1-2 电机的阶跃输入响应
（2）电机时间常数的测定，如图1-2所示，电机的时间常数是输入 阶跃信号时，电机达到稳态值的63％所需要的时间。
三、实验仪器
1) 机电控制综合试验台：变频器（型号为FR-E540）+ （型号为55ZYT63） 2) 信号发生器：型号为TD1018 3) 数字存储示波器：型号为DS-5000M
1V的阶跃信号。 3）在输出端连接示波器模块，不用PID校正，运行系统，用示波器
观察和记录系统的阶跃响应曲线, 同时编写MATLAB程序画出阶跃响应 曲线，测量出系统的上升时间、最大超调量、调整时间等.
4）采用PID校正，调整 PID参数值，运行系统，用示波器观察和记 录系统的阶跃响应曲线, 同时编写MATLAB程序画出阶跃响应曲线，测 量出系统的上升时间、最大超调量、调整时间等.
5) 给定如下设计指标，通过系统运行试验确定合适的PID参数值。 调节时间 最大超调量 稳态误差
五、实验报告
1）对实验内容与实验过程进行描述； 2）记录实验数据，对实验结果进行分析； 3）回答任意两道思考题； 4）实验总结，包括实验中遇到的问题及思考、对本实验的意见与 建议。
六、思考题
1）控制系统模型的转换方法有哪些？怎样选择合适的模型形式？ 2）如何进行时域特性的分析? 试编写根据仿真曲线估算系统时域性 能指标的MATLAB程序（包括最大超调量，调节时间，峰值时间 等）。 3）如何进行频域特性的分析? 试用MATLAB编写根据仿真曲线估 算系统频域性能指标的程序（包括谐振频率，谐振峰值，截至频率 等）。 4）对于本试验装置，给定系统性能指标，如何确定PID参数数值？ 试用MATLAB编写根据性能指标确定最优PID参数的程序。
一、实验目的
1）熟悉控制系统的数学模型的典型形式和表达方法； 2）熟悉闭环系统的性能指标及其测试方法。 3）掌握应用计算机工具MATLAB分析线性系统时、频域特性的基 本方法。 4）掌握根据给定的性能指标，利用仿真工具调整控制器PID参数的 方法。
二、实验原理
仿真是对系统进行研究的一种实验方法，它的基本原则是相似性原理。 仿真是在模型上进行的，建立系统的模型是仿真的关键内容。建模、仿 真实验及结果分析是三项基本内容。Mathematica（符号）、 MATLAB（工程应用）与SIMULINK是当今广泛为人们采用的控制系统 数字仿真与CAD应用软件。
别为：2.5Hz，5Hz～75Hz，间隔5Hz。 3） 分别记录各个频率时的测速发电机的输出uo的幅值以及uo与ui的相
位差Ф ： 按下[MEASURE]自动测量功能键，显示[MEASURE]操作菜单，用 菜单操作键选择“CH2”、“电压测量1/3”、“峰峰值”，即可测量幅值。若
选择“时间测量3/3”、“延迟1→2↑”，即可测量两波形的时间延迟数值。 4） 利用上述实验数据，建立实验装置的开环频率响应的BODE图（对
机械控制工程基础 实验指导书
机械工程实践教学中心 机电控制技术实验室
2004
目录
页数 实验一：时域特性测试实 验……………………………………………………… 2 实验二：频率特性测试实
验……………………………………………………… 5 实验三：闭环控制系统设计与仿真实 验………………………………………… 8 实验四：闭环控制系统性能测试实 验……………………………………………11
三、实验设备 1） 机电控制综合试验台：变频器(型号为FR-E540) + 测速电机(型 号为55ZYT63) 2） 信号发生器：型号为TD1018 3） 数字存储示波器：型号为DS-5000M
验曲线通过ω＝1（rad/s）时的y坐标值，频率
实验曲线从0dB/dec线到-20dB/dec线的转折点，则（本系统转折频 率在数值上与截止频率相等，截止频率是实验曲线通过水平段下降 －3dB线时对应的x坐标值）。分别从0.5V和1V实验曲线估计传递函 数，比较二者的异同。
表2-1 开环频率特性测试数据记录表（1V正弦输入信号）
测速电机
幅值(=
幅值(=
频率(Hz) 频率(1/s) 输出电压
20logUo/Ui）） 相位差
Uo/Ui）
峰峰值(V)
(dB)
2.5
5
10
15
20
25
30
35 40 45 50 55 60
65 70 75
五、实验报告 1） 对实验内容与实验过程进行描述； 2） 记录实验数据，对实验结果进行分析； 3） 回答任意两道思考题； 4） 实验总结，包括实验中遇到的问题及思考、对本实验的意见 与建议。
议。
六、思考题 1）如何利用数字示波器观察阶跃响应曲线和测量一阶系统的时间
常数？如何测量稳态增益？
2）除了测速电机外，测量转速还有哪些方法？试画出系统方框 图。
3）为什么作为阶跃输入信号的方波信号，其周期要大于系统过渡 过程时间的两倍？
实验二 频率特性测试实验
一、实验目的 1）熟悉典型系统的频域特性。2）掌握机电系统频域特性和传递函数的测试方法。
本实验指导书由陈永亮老师编写
实验一 时域特性测试实验
一、实验目的 1）熟悉典型输入信号； 2）了解典型系统的时间响应。 3）掌握典型机电系统时域特性的测试方法。
二、实验原理
一个动态系统的性能常用典型输入作用下的响应来描述。响应是指 零初始值条件下某种典型的输入函数作用下对象的响应，控制系统常用 的输入函数为单位阶跃函数和脉冲激励函数（即冲激函数）。
三、实验设备
1）机电控制综合试验台：变频器(型号为FR-E540) + 测速电机(型 号为55ZYT63)；
2） 计算机一台：安装MATLAB6.5软件（包括控制系统工具箱和 SIMULINK）和WORD文字处理软件。
四、实验内容
1）按照图1用SIMULINK建立系统方框图。 2）在输入端连接上信号发生模块，利用信号发生器，给系统输入
本试验利用阶跃输入信号来测定电机的时间常数和稳态增益，进而 求得系统的传递函数。试验装置的构成如图1-1所示，主要包括变频器 （0～5V输入）、电机和测速电机（10V/1500RPM）。
阶跃信号由信号发生器输出的方波信号来实现，其幅值和周期可通 过该仪器的有关旋钮来调节。方波信号的周期一定要大于系统调节时间 的两倍，即.
六、思考题 1）如何进行频域特性的测试? 试用MATLAB编写相应的数据处理
程序。 2）如何根据1V正弦输入信号测得的数据画出系统BODE图？ 3）如何根据试验得到的系统BODE图求系统稳态增益和时间常
数，写出系统的传递函数？ 4）试比较与实验一中时域法测得的稳态增益和时间常数有何异
同？
实验三 闭环控制系统设计与仿真实验
-
试验原理如图3-1所示。 通过电压/电流变换电路把测速发电机的输出连接到变频器的反馈 输入，由信号发生器输入阶跃信号，构成闭环电机调速系统。 被控对象电机可近似为一阶系统，其传递函数的一般形式为 ，其 中K为电机的稳态增益，为时间常数。 反馈回路（测速发电机）的传递函数可近似为比例环节，其传递函 数的一般形式为 ，其中为测速发电机的增益系数。 根据试验一和试验二的试验结果，代入具体数值，可建立电机闭环 调速系统的数学模型。 变频器内部电路对设定值和反馈信号的差值进行PID运算，根据偏 差的大小和符号，产生一个执行量，通过功率放大器驱动电机，调整转 速。PID校正环节的传递函数为： 其中，Kp为比例常数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。 根据所要求的设计指标，调整PID参数，利用时域分析或频域分析 法，可得到该参数下系统的性能指标，如此反复，直到确定合适的PID 参数值，使系统能满足设计要求为止。
4）在输入电压允许的范围内，给定不同输入电压，重复上述实验。 根据实测曲线估算电机稳态增益和时间常数。取五次实验结果的平 均值作为最终结果。
表1-1 试验数据记录表
测速电机
输入电
`电机稳态转
机输出电
压[V]
速[rpm]
压[V]
0.5
1
3
4
5
电机时间常 电机增益[rpm/V]
数[sec]
五、实验报告
1） 对实验内容与实验过程进行描述； 2） 记录实验数据，对实验结果进行分析； 3） 回答任意两道思考题； 4） 实验总结，包括实验中遇到的问题及思考、对本实验的意见与建
3）用示波器观察和记录系统的阶跃响应曲线 按下[CURSOR]光标测量功能键，显示[CURSOR]菜单，用1号菜单操 作键选择“手动”模式，用2号菜单操作键选择“时间”类型，用水平和垂 直[POSITION]旋钮分别移动两条垂直光标到待测的图形位置即可测量
两个时间值及其差值。若用2号菜单操作键选择“电压”类型，即可用水 平和垂直[POSITION]旋钮分别移动两条水平光标到待测的图形位置测 量两个幅值及其差值。
1）模块和子模块：定义的一些系统元件，子系统，和输入输出设备； 如，噪声输入模块，传递函数系统模块，信号发生器，示波器模块等 等。 2）拖放：将需要的模块拖放到你定义的工作区内。 3）联结：用鼠标拖动，建立联结。
控制系统的分析包括系统的稳定性分析、时域分析、频域分析及根 轨迹分析。
控制系统常用的输入函数为单位阶跃函数和脉冲激励函数（即冲激 函数）。在MATLAB的控制系统工具箱中提供了求取这两种输入下系 统响应的函数。求取系统单位阶跃响应：step()；求取系统的冲激响 应：impulse()。
通常将频率特性用曲线的形式进行表示，包括对数频率特性曲线和 幅相频率特性曲线简称幅相曲线，MATLAB提供了绘制这两种曲线的 函数。求取系统对数频率特性图（波特图）：bode()；求取系统奈奎斯 特图（幅相曲线图或极坐标图）：nyquist()。
测速发电机电路 变频器电路 PID运算 电机 执行量
B(s) 图3-1 PID闭环控制系统框图
图1-2 电机的阶跃输入响应
（2）电机时间常数的测定，如图1-2所示，电机的时间常数是输入 阶跃信号时，电机达到稳态值的63％所需要的时间。
三、实验仪器
1) 机电控制综合试验台：变频器（型号为FR-E540）+ （型号为55ZYT63） 2) 信号发生器：型号为TD1018 3) 数字存储示波器：型号为DS-5000M
1V的阶跃信号。 3）在输出端连接示波器模块，不用PID校正，运行系统，用示波器
观察和记录系统的阶跃响应曲线, 同时编写MATLAB程序画出阶跃响应 曲线，测量出系统的上升时间、最大超调量、调整时间等.
4）采用PID校正，调整 PID参数值，运行系统，用示波器观察和记 录系统的阶跃响应曲线, 同时编写MATLAB程序画出阶跃响应曲线，测 量出系统的上升时间、最大超调量、调整时间等.
5) 给定如下设计指标，通过系统运行试验确定合适的PID参数值。 调节时间 最大超调量 稳态误差
五、实验报告
1）对实验内容与实验过程进行描述； 2）记录实验数据，对实验结果进行分析； 3）回答任意两道思考题； 4）实验总结，包括实验中遇到的问题及思考、对本实验的意见与 建议。
六、思考题
1）控制系统模型的转换方法有哪些？怎样选择合适的模型形式？ 2）如何进行时域特性的分析? 试编写根据仿真曲线估算系统时域性 能指标的MATLAB程序（包括最大超调量，调节时间，峰值时间 等）。 3）如何进行频域特性的分析? 试用MATLAB编写根据仿真曲线估 算系统频域性能指标的程序（包括谐振频率，谐振峰值，截至频率 等）。 4）对于本试验装置，给定系统性能指标，如何确定PID参数数值？ 试用MATLAB编写根据性能指标确定最优PID参数的程序。
一、实验目的
1）熟悉控制系统的数学模型的典型形式和表达方法； 2）熟悉闭环系统的性能指标及其测试方法。 3）掌握应用计算机工具MATLAB分析线性系统时、频域特性的基 本方法。 4）掌握根据给定的性能指标，利用仿真工具调整控制器PID参数的 方法。
二、实验原理
仿真是对系统进行研究的一种实验方法，它的基本原则是相似性原理。 仿真是在模型上进行的，建立系统的模型是仿真的关键内容。建模、仿 真实验及结果分析是三项基本内容。Mathematica（符号）、 MATLAB（工程应用）与SIMULINK是当今广泛为人们采用的控制系统 数字仿真与CAD应用软件。
别为：2.5Hz，5Hz～75Hz，间隔5Hz。 3） 分别记录各个频率时的测速发电机的输出uo的幅值以及uo与ui的相
位差Ф ： 按下[MEASURE]自动测量功能键，显示[MEASURE]操作菜单，用 菜单操作键选择“CH2”、“电压测量1/3”、“峰峰值”，即可测量幅值。若
选择“时间测量3/3”、“延迟1→2↑”，即可测量两波形的时间延迟数值。 4） 利用上述实验数据，建立实验装置的开环频率响应的BODE图（对
机械控制工程基础 实验指导书
机械工程实践教学中心 机电控制技术实验室
2004
目录
页数 实验一：时域特性测试实 验……………………………………………………… 2 实验二：频率特性测试实
验……………………………………………………… 5 实验三：闭环控制系统设计与仿真实 验………………………………………… 8 实验四：闭环控制系统性能测试实 验……………………………………………11
三、实验设备 1） 机电控制综合试验台：变频器(型号为FR-E540) + 测速电机(型 号为55ZYT63) 2） 信号发生器：型号为TD1018 3） 数字存储示波器：型号为DS-5000M
