哈工大_机电系统控制基础实验_指导书

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。