随动系统实验指导书（学生版）
随动系统实验指导书(学生版)
学生版实验指导书_ 实验一位置随动系统的特性实验 一、实验目的 1.通过实验，进一步了解直流随动系统的结构与原理。 2.掌握直流随动系统的调试技术和动、静态性能的测试方法。 二、实验设备 THBSD-1型直流随动系统： 双踪慢扫描示波器一台： 十字螺丝刀一把： 万用表一只。 三、实验原理 位置随动系统是一种位置反馈的控制系统，因而它具有位置给定和位置反馈的检测装置。通 过位置给定装置将希望的位移转换为具有一定精度的电量，利用位置反馈装置检测出被控机械的 实际位移，也把它转换为相应的电量，并与给定进行比较，把比较得来的偏差信号经放大后，控 制执行电机向消除偏差的方向旋转，直到达到一定的精度为止。这样就实现了被控机械的实际位 置能跟随给定位置的变化而变化的控制目的。 本实验系统所用的位置误差检测器是一对正余弦旋转变压器，执行电机是直流力矩电机。图 1为实验系统的原理电路图，图2为图1的方框图。 -36V 400Hz 1.3~12y 发进暑 接收塞 +15 R R.IR 100x0 100K0 相敏整流暑 图1随动系统原理电路图
学生版实验指导书_ 实验一 位置随动系统的特性实验 一、实验目的 1．通过实验，进一步了解直流随动系统的结构与原理。 2．掌握直流随动系统的调试技术和动、静态性能的测试方法。 二、实验设备 THBSD-1 型直流随动系统； 双踪慢扫描示波器一台； 十字螺丝刀一把； 万用表一只。 三、实验原理 位置随动系统是一种位置反馈的控制系统，因而它具有位置给定和位置反馈的检测装置。通 过位置给定装置将希望的位移转换为具有一定精度的电量，利用位置反馈装置检测出被控机械的 实际位移，也把它转换为相应的电量，并与给定进行比较，把比较得来的偏差信号经放大后，控 制执行电机向消除偏差的方向旋转，直到达到一定的精度为止。这样就实现了被控机械的实际位 置能跟随给定位置的变化而变化的控制目的。 本实验系统所用的位置误差检测器是一对正余弦旋转变压器，执行电机是直流力矩电机。图 1 为实验系统的原理电路图，图 2 为图 1 的方框图。 图 1 随动系统原理电路图
学生版实验指导书_ 旋转变压器 测角线路 竖相液正装国“必“行电日 角度检测和比较 图2随动系统方框图 四、实验内容 1.根据图1和图2所示实验系统的电路原理图和方框图，推导各部件的传递函数。 2.用实验的方法测定系统中各部件的静态比例系数。 3.计算系统出现临界稳定时的开环增益Kvo,据此调节系统中运放的增益K,然后在输入 轴静止时启动实验系统，观测系统的输出是否出现等幅振荡。 4.观测阶跃输入时系统响应的超调量o,%,调整时间1，和稳态误差△O。 5.当输入日，=480°/s时，分别令校正装置为P、PI和PID,用示波器观察系统的跟踪过 程，并实测相应的稳态跟踪误差。 五、实验步骤 1.部件及系统零位的调整 为了使随动系统输出的零位与输入的零位相一致，必须保证闭环控制时，发送器位置为零， 接收器位置也为零。为此，每次实验测量前，除要求系统中各部件进行零位调整外（实验装置出 厂前已调好)，还应调节系统的零位（每次实验后所产生的误差），其步骤如下： 1)按图1接好线后，将发送器和接收器的指针置于某个相同的刻度，并将M1速度调节电 位器逆时针方向旋到底，此时电机M1的角速度o=0。 2)合上电源开关，将跟踪电机M2接入电路中，使系统运行在闭环状态。 3)轻微转动输入轴，使跟踪电机M2的电枢电流为零，此时发送器和接收器的指针应指向同 一刻度：否则，用小螺丝刀调整接收器的指针，使两指针位置完全相同。 2.部件静特性的测量 部件静特性的测量方法是在该部件的输入端加一输入量，然后测量其稳态输出值。静态增益 就是输出与输入量之比值。 (1)实验求取旋转变压器测角线路、相敏整流器、校正装置和功率放大器的传递系数 步骤：、按图1接好线后，将系统接成开环状态（断开跟踪电机与功放之间的连接线），合 上电源开关。 b、将发送器指针固定在某个位置，拨动接收器指针，使接收器指针与发送器指针刻度接近， 并使旋转变压器输出电压最小。 c、顺时针拨动发送器指针，每增加5度，记录下各部分输出电压（旋转变压器测角线路、 相敏整流器Uo、校正装置Uc和功率放大器UM),直至90°，然后以同样的方式逆时针进行。 注意：求取传递系数时，应利用测得的数据将特性曲线画出后，取小信号的线性段
学生版实验指导书_ 图 2 随动系统方框图 四、实验内容 1．根据图 1 和图 2 所示实验系统的电路原理图和方框图，推导各部件的传递函数。 2．用实验的方法测定系统中各部件的静态比例系数。 3．计算系统出现临界稳定时的开环增益 KVO，据此调节系统中运放的增益 KP，然后在输入 轴静止时启动实验系统，观测系统的输出是否出现等幅振荡。 4．观测阶跃输入时系统响应的超调量σ p% ，调整时间 s t 和稳态误差 ∆θ 。 5．当输入 s i 480 / 0 θ = 时，分别令校正装置为 P、PI 和 PID，用示波器观察系统的跟踪过 程，并实测相应的稳态跟踪误差。 五、实验步骤 1．部件及系统零位的调整 为了使随动系统输出的零位与输入的零位相一致，必须保证闭环控制时，发送器位置为零， 接收器位置也为零。为此，每次实验测量前，除要求系统中各部件进行零位调整外(实验装置出 厂前已调好)，还应调节系统的零位（每次实验后所产生的误差），其步骤如下： 1) 按图 1 接好线后，将发送器和接收器的指针置于某个相同的刻度，并将 M1 速度调节电 位器逆时针方向旋到底，此时电机 M1 的角速度ω=0。 2)合上电源开关，将跟踪电机 M2 接入电路中，使系统运行在闭环状态。 3)轻微转动输入轴，使跟踪电机 M2 的电枢电流为零，此时发送器和接收器的指针应指向同 一刻度；否则，用小螺丝刀调整接收器的指针，使两指针位置完全相同。 2．部件静特性的测量 部件静特性的测量方法是在该部件的输入端加一输入量，然后测量其稳态输出值。静态增益 就是输出与输入量之比值。 ⑴ 实验求取旋转变压器测角线路、相敏整流器、校正装置和功率放大器的传递系数 步骤：a、按图 1 接好线后，将系统接成开环状态（断开跟踪电机与功放之间的连接线），合 上电源开关。 b、将发送器指针固定在某个位置，拨动接收器指针，使接收器指针与发送器指针刻度接近， 并使旋转变压器输出电压最小。 c、顺时针拨动发送器指针，每增加 5 度，记录下各部分输出电压（旋转变压器测角线路 ui、 相敏整流器 Uo、校正装置 Uc 和功率放大器 UM），直至 90°，然后以同样的方式逆时针进行。 注意：求取传递系数时，应利用测得的数据将特性曲线画出后，取小信号的线性段
学生版实验指导书_ K=:+4)/2 (伏度) △0 K;=Uo.-Uo u++u- Uc.-Uc. K3= U。+-U。 K4= UM:-UM- Uc:-Uc- 式中：U+一顺时针拨动发送器指针某一角度时，各部分输出电压： U一逆时针拨动发送器指针某一角度时，各部分输出电压。 (②)测量力矩电机的传递系数，输入量是电枢的电压，输出量是电机的转速。首先在力矩电 机的电枢两端接入一电压可调的直流电源U和用来测量输入电压大小的电压表，并用秒表测量 输出转速的大小（测量转速时切勿接触指针针尖，以免造成危险）。给定一个输入电压UM,测量 电机相应的转速。然后改变输入电压的极性，同样测量电机电枢电压与其转速的关系，据测得 的数据画出力矩电机调节特性曲线，并求出K5 K,=m+n)/2 (度秒/伏) Ud 式中Ua一力矩电机电枢电压： n1一力矩电机顺时针每秒钟转数： 2一力矩电机逆时针每秒钟转数。 测试随动系统的旋转变压器测角线路、相敏整流器、校正装置和功率放大器的传递系数时， 采用了同时测量的方法，这种测量方法有两个优点：一是考虑了前后级间的负载效应，使测得的 传递系数接近于系统运行时的实际情况：二是由于前一级的输出量就是后一级的输入量，因此测 量数据减少一半，可以避免读数误差。 表一 接收器 相敏整流器 运算放大器 功率放大器 0(°） 输出电压Ui(W) 输出电压Uo(W) 输出电压Uc(W) 输出电压UM(W) 顺时针 逆时针 顺时针 逆时针 顺时针 逆时针 顺时针 逆时针 5° 10° 15°
学生版实验指导书_ ∆θ + = ( + − )/ 2 1 ui ui K （伏/度） + − + − + − = ui ui Uo Uo K2 + − + − − − = Uo Uo Uc Uc K3 + − + − − − = C C M M U U U U K4 式中：U+—顺时针拨动发送器指针某一角度时，各部分输出电压； U-—逆时针拨动发送器指针某一角度时，各部分输出电压。 ⑵ 测量力矩电机的传递系数，输入量是电枢的电压，输出量是电机的转速。首先在力矩电 机的电枢两端接入一电压可调的直流电源 UM和用来测量输入电压大小的电压表，并用秒表测量 输出转速的大小（测量转速时切勿接触指针针尖，以免造成危险）。给定一个输入电压 UM，测量 电机相应的转速 n。然后改变输入电压的极性，同样测量电机电枢电压与其转速的关系，据测得 的数据画出力矩电机调节特性曲线，并求出 K5 Ud n n K ( 1 2 )/ 2 5 + = （度/秒/伏） 式中 Ud—力矩电机电枢电压； n1—力矩电机顺时针每秒钟转数； n2—力矩电机逆时针每秒钟转数。 测试随动系统的旋转变压器测角线路、相敏整流器、校正装置和功率放大器的传递系数时， 采用了同时测量的方法，这种测量方法有两个优点：一是考虑了前后级间的负载效应，使测得的 传递系数接近于系统运行时的实际情况；二是由于前一级的输出量就是后一级的输入量，因此测 量数据减少一半，可以避免读数误差。 表一 θi (°) 接收器 输出电压 Ui(V) 相敏整流器 输出电压 Uo(V) 运算放大器 输出电压 Uc(V) 功率放大器 输出电压 UM(V) 顺时针 逆时针 顺时针 逆时针 顺时针 逆时针 顺时针 逆时针 5° 10° 15°
学生版实验指导书_ 20° Ui(v) Uo(V) Uc(V) Ux (V) 顺时针 逆时针 顺时针 逆时针 顺时针 逆时针 顺时针 逆时针 25° 30° 35° 40° 45° 50° 55° 60° 65° 70° 75° 80° 85° 90° 3.动态性能指标的测量 随动系统的动态性能指标通常是用它的阶跃响应性能来表征。令阶跃输入（位置输入）为 0,=0nm×u(t),0nm=定值。 1)将串联校正装置G(s)接成比例环节，其放大倍数KD分别取1和0.5。测量步骤为： ⅰ)合上电源开关，使系统运行在闭环状态，按前边所述步骤调整系统零位，然后断开功放 输出端和跟踪电机输入端之间的连接线。 ⅱ)用手转动发送器的轴，使其指针转动5·，慢扫描示波器接至相敏整流器的输出端，然 后接通功放输出端和跟踪电机输入端，观测和记录系统阶跃响应的曲线，据此求得超调量σ% 和调整时间ts。 2)将校正装置G(s)接成PI,且令Kp=1,积分时间常数T,=0.2s,然后重复1)的过程。 3)将校正装置G(s)接成PID,且令K=1,积分时间常数T=0.2s,微分时间常数 T,=0.02s,然后重复1)的过程
学生版实验指导书_ 20° Ui(V) Uo(V) Uc(V) UM(V) 顺时针 逆时针 顺时针 逆时针 顺时针 逆时针 顺时针 逆时针 25° 30° 35° 40° 45° 50° 55° 60° 65° 70° 75° 80° 85° 90° 3．动态性能指标的测量 随动系统的动态性能指标通常是用它的阶跃响应性能来表征。令阶跃输入(位置输入)为 u(t) θ i = θ m × ，θ m =定值。 1)将串联校正装置G (s) c 接成比例环节，其放大倍数 Kp 分别取 1 和 0.5。测量步骤为： ⅰ)合上电源开关，使系统运行在闭环状态，按前边所述步骤调整系统零位，然后断开功放 输出端和跟踪电机输入端之间的连接线。 ⅱ)用手转动发送器的轴，使其指针转动 5 0 ，慢扫描示波器接至相敏整流器的输出端，然 后接通功放输出端和跟踪电机输入端，观测和记录系统阶跃响应的曲线，据此求得超调量σ p% 和调整时间 ts。 2)将校正装置G (s) c 接成 PI，且令 Kp=1，积分时间常数T 0.2s i = ，然后重复 1)的过程。 3)将校正装置 G (s) c 接成 PID，且令 Kp=1，积分时间常数 T 0.2s i = ，微分时间常数 T s d = 0.02 ，然后重复 1)的过程
学生版实验指导书_ 4.稳态性能指标的测量 令输入信号日，=01,00=480°/s 1)将校正装置G(s)接成比例环节，且令Kp=6。调节电机M1的端电压，使电机转速n为80 转/分，折合为角速度o=480°/s。观测系统的跟踪情况，并用直流电压表测量接收器的输出 电压山1，据此可计算出稳态跟踪误差的角度。 2)将校正装置G(s)接成PI,且令Kp=1,积分时间常数T,=0.2s,然后重复1)的过程。 3)将校正装置G(S)接成PID,且令Kp=1,积分时间常数T,=0.2s,微分时间常数 T:=0.02s,然后重复1)的过程。 六、实验报告要求 1.记录实验所得的数据及系统的响应曲线： 2.应用所学的理论分析实验结果： 3.回答思考题。 七、思考题 1.在本实验中，阶跃输入信号如何获得？什么是系统的斜坡输入信号？ 2.当校正装置是比例调节器时，系统为I型系统，为什么它对阶跃输入仍有少量稳态误差？ 3.试说明旋转变压器和相敏整流器在位置随动系统中所起的作用
学生版实验指导书_ 4．稳态性能指标的测量 令输入信号 t θi =ω0 ， 480 /s 0 ω = ° 1)将校正装置G (s) c 接成比例环节，且令 Kp=6。调节电机 M1 的端电压，使电机转速 n 为 80 转/分，折合为角速度ω = 480°/s 。观测系统的跟踪情况，并用直流电压表测量接收器的输出 电压 ui，据此可计算出稳态跟踪误差的角度。 2)将校正装置G (s) c 接成 PI，且令 Kp=1，积分时间常数T 0.2s i = ，然后重复 1)的过程。 3)将校正装置 G (s) c 接成 PID，且令 Kp=1，积分时间常数 T 0.2s i = ，微分时间常数 T s d = 0.02 ，然后重复 1)的过程。 六、实验报告要求 1．记录实验所得的数据及系统的响应曲线； 2．应用所学的理论分析实验结果； 3．回答思考题。 七、思考题 1．在本实验中，阶跃输入信号如何获得？什么是系统的斜坡输入信号？ 2．当校正装置是比例调节器时，系统为 I 型系统，为什么它对阶跃输入仍有少量稳态误差？ 3．试说明旋转变压器和相敏整流器在位置随动系统中所起的作用
学生版实验指导书_ 实验二位置随动系统的串联校正 一、实验目的 1.通过实验，初步掌握用时域或频域分析法去分析和综合随动系统的方法。 2.根据系统的实际运行情况，正确调试校正装置的有关参数，使校正后系统的动、静态性 能指标均满足设计要求。 二、实验设备 THBSD-1型直流随动系统： 双踪慢扫描示波器一台： 十字螺丝刀一把： 万用表一只： 三、实验要求 运用时域或频域分析法设计一串联校正装置（包括具体电路和参数），使校正后的系统能同时 满足系统预期的动、静态性能的要求。 四、实验内容 1.令G(S)=1,当输入0为一阶跃信号，用慢扫描示波器观察相敏整流器的输出电压波形， 据此测得系统的超调量0，%和调整时间ts。 2.按指导老师对系统提出的动、静态性能指标的要求，设计一串联校正装置，并由实验的 结果检验校正装置的效果。例如 令日，=480°/s,要求设计一串联校正装置，使校正后系统的性能指标为： 稳态跟踪误差△0≤9°： 相位裕量y≥30°。 3.令日，=480°/s,要求设计一串联校正装置，使校正后系统的动、静态性能同时满足下 列要求： 稳态跟踪误差角△0≈0°： 相位裕量y≥30°。 五、实验报告 1.根据实验内容，拟出具体的实验步骤。 2.具体叙述校正装置的设计过程和结果。 3.记录实验所得的数据和曲线，据此检验校正后系统的性能是否均满足设计要求。 4.应用所学的理论知识分析实验结果，并写出实验的心得体会
学生版实验指导书_ 实验二 位置随动系统的串联校正 一、实验目的 1．通过实验，初步掌握用时域或频域分析法去分析和综合随动系统的方法。 2．根据系统的实际运行情况，正确调试校正装置的有关参数，使校正后系统的动、静态性 能指标均满足设计要求。 二、实验设备 THBSD-1 型直流随动系统； 双踪慢扫描示波器一台； 十字螺丝刀一把； 万用表一只； 三、实验要求 运用时域或频域分析法设计一串联校正装置(包括具体电路和参数)，使校正后的系统能同时 满足系统预期的动、静态性能的要求。 四、实验内容 1．令G (s) c =1，当输入 θi 为一阶跃信号，用慢扫描示波器观察相敏整流器的输出电压波形， 据此测得系统的超调量σ p% 和调整时间 ts。 2．按指导老师对系统提出的动、静态性能指标的要求，设计一串联校正装置，并由实验的 结果检验校正装置的效果。例如 令 s i 480 / 0 θ = ，要求设计一串联校正装置，使校正后系统的性能指标为： 稳态跟踪误差 0 ∆θ ≤ 9 ； 相位裕量 0 γ ≥ 30 。 3．令 s i 480 / 0 θ = ，要求设计一串联校正装置，使校正后系统的动、静态性能同时满足下 列要求： 稳态跟踪误差角 0 ∆θ ≈ 0 ； 相位裕量 0 γ ≥ 30 。 五、实验报告 1．根据实验内容，拟出具体的实验步骤。 2．具体叙述校正装置的设计过程和结果。 3．记录实验所得的数据和曲线，据此检验校正后系统的性能是否均满足设计要求。 4．应用所学的理论知识分析实验结果，并写出实验的心得体会
学生版实验指导书_ 5.回答思考题。 六、思考题 1.串联校正装置在随动系统中的连接位置可否变动，为什么？ 2.简述串联超前校正和滞后校正各利用校正装置的什么特性，试比较两种校正方法的优缺 点
学生版实验指导书_ 5．回答思考题。 六、思考题 1．串联校正装置在随动系统中的连接位置可否变动，为什么？ 2．简述串联超前校正和滞后校正各利用校正装置的什么特性，试比较两种校正方法的优缺 点