姓 名： 张晓睿 学 号： 1120830122 课程名称： 实验序号：实验日期： 实验室名称： 机电系统控制基础实验室 同组人： 刘也琪 任智星 实验成绩： 总 成 绩：
教师评语：
教师签字： 年 月 日
一 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。
二 实验要求
1. 绘制同一频率输入/输出信号的时域曲线；
2. 绘出系统已知频率点的幅值和相角，并用折线作为渐近线逼近幅频特性 曲线，给出开环剪切频率 c ；
3. 给出系统的开环增益 K 和系统开环传递函数，各惯性环节的时间常数。 4. 给出控制系统的 simulink 实现图，通过改变开环增益K ，用示波器观察 系统输出。
三 实验数据
1. 绘制同一频率输入/输出信号的时域曲线
7HZ 输入信号时域曲线
7HZ 输出信号时域曲线
输入/输出信号的不同和相同之处：
相同：输入为正弦，则输出也为正弦
不同：输入和输出的幅值和频率都不一样，而且输入是稳定的，输出有零漂
2. 绘出系统已知频率点的幅值和相角，并用折线作为渐近线逼近幅频特性 曲线，给出开环剪切频率ωc ；
绘出系统幅频特性曲线
根据在表 2.1 中获得实验数据，绘出系统幅频特性曲线，并用折线作为 渐近线逼近幅频特性曲线。
3. 给出系统的开环增益 K 和系统开环传递函数，各惯性环节的时间常数。 ①实测系统开环剪切频率
6.9452HZ 附近上下0.1HZ
②在幅频特性曲线中，穿越零分贝线的频率即为开环剪切频率ωc
在MATLAB 中使用 ginput(1)语句得到ωc 为6.9452HZ
③实测系统传递函数
转折点出ω值为 7.2247HZ，K=8.0859,则开环系统传递函数为
G（s ）=
8. 0859
s (s +1) 7. 2247
绘制Bode 图
做出该传递函数的Bode 图，求得剪切频率为7.1551HZ 说明曲线拟合存在误差，原因是取点不足
4. 给出控制系统的 simulink 实现图，通过改变开环增益K ，用示波器观察系统输出。
K=8.0859 k=7
K=11 K=6
K=4 K=2 由上图可知：K 值影响开环系统的频率响应输出的幅值，K 越大峰峰值越大 思考题：
1. 电动机选择的依据是什么？
答：可以根据负载类型来选择电机功率和电机类型. 参数1:传送带速度V 参数2:额定转矩T 然后定好马达侧速度和齿轮箱的输出扭矩和转速. 设备使用寿命5年是指所有的部件都要满足, 齿轮箱需要热处理电机一般可以达到5年, 通常为10年. 参照>选择电机的S1,S2,S3... 某个类型控制柜的各个部件也要根据工况来确定 2. 系统输入余弦电枢电压的幅值和系统参数辨识精度是否有关？为什 么？
答:无关，因为bode 图的相频特性为20lg
B
不变。 V 0
B
，由于输入电压的V 0变化而B 也随之变化，但是整体V 0
3. 采样频率的高低对系统参数辨识精度有何影响？ 答:采样频率越低，精度越低。
4. 分析输出信号的时域曲线零点漂移的原因；
答：电机在运行的过程中温度变化，不同的元器件温度变化系数不同，由于温度系数变化不同导致
由于温度引起的元器件的变化也不一样，故最后导致输出的信号有偏差，产生零点漂移。
5. 分析电机转速和电枢电压之间产生死区的原因？死区如何影响系统的
控制性能？在运动控制中如何减小死区的影响？
答：在电机启动和反转的时候，由于电机具有惯性，导致在反转启动和停止的时候都不能立即对输
入的电压产生反应，从而产生死区。 在死区内系统的控制对输出不起任何作用。
在运动控制中要严格控制元器件的精度，修正PID 参数，赋予控制器一定的“耐性”
6. 分析电机的正反转转速与电压的线性系数不同的原因以及如何提高系 统辨识精度？
答：正转时：y = 42.797* x − 77.48，反转时：y = 42.797* x − 77.48，由于在正反转改变时，是三
相电机中的两相要对调，不保证三相完全相同，物理元器件的参数不同，故线性系数不同，将正反转转变时产生的差异考虑进去，选择输入电信号的转变，而不选用转速信号来提高系统辨识精度。
7. 满足相角滞后 10时的频带宽是多少？满足幅值衰减10%的频带宽是多 少？同时满足相角滞后10和幅值衰减10%的频带宽是多少？
答：满足相角滞后 10时的频带宽是2. 5Hz ，满足幅值衰减10%的频带宽是3. 8Hz ，同时满足
相角滞后10和幅值衰减10%的频带宽是1. 6Hz 。
8. 在绘制对数频率特性图时，为什么将余弦电枢电压幅值作为输入信号，
将由码盘检测的角位置信号作为输出信号？并分析输入信号为角位置 信号时，对数频率特性的变化。如何计算输入角位置信号的大小？，
答：输入余弦电枢电压幅值是为了获得角速度输入信号，因为码盘检测的是角位置信号，而输入信
号经过系统所得到的输出信号为角位置信号，所以用码盘检测得到的角位置信号作为输出信号符合要求。
9. 简述本实验涵盖的基本知识点，以及你建议可扩展实验内容。
答：在本实验中，运用了机电系统控制基础中的bode ，matlab 图的绘制和分析，运用了matlab 的
绘图知识，系统的频率特性分析， c 的估算和确定，从bode 图求解传递函数的知识，以及系统的性能分析，在实践过程中了解了系统的PID 矫正对系统输出的影响。
我建议再加入一点matlab 对系统性能分析的运用和讲解，对于实际的电机，最好能够与生活中运用到机电系统的地方结合起来。
姓 名： 张晓睿 学 号： 1120830122 课程名称： 实验序号：实验日期： 实验室名称： 机电系统控制基础实验室 同组人： 刘也琪 任智星 实验成绩： 总 成 绩：
教师评语：
教师签字： 年 月 日
一 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。
二 实验要求
1. 绘制同一频率输入/输出信号的时域曲线；
2. 绘出系统已知频率点的幅值和相角，并用折线作为渐近线逼近幅频特性 曲线，给出开环剪切频率 c ；
3. 给出系统的开环增益 K 和系统开环传递函数，各惯性环节的时间常数。 4. 给出控制系统的 simulink 实现图，通过改变开环增益K ，用示波器观察 系统输出。
三 实验数据
1. 绘制同一频率输入/输出信号的时域曲线
7HZ 输入信号时域曲线
7HZ 输出信号时域曲线
输入/输出信号的不同和相同之处：
相同：输入为正弦，则输出也为正弦
不同：输入和输出的幅值和频率都不一样，而且输入是稳定的，输出有零漂
2. 绘出系统已知频率点的幅值和相角，并用折线作为渐近线逼近幅频特性 曲线，给出开环剪切频率ωc ；
绘出系统幅频特性曲线
根据在表 2.1 中获得实验数据，绘出系统幅频特性曲线，并用折线作为 渐近线逼近幅频特性曲线。
3. 给出系统的开环增益 K 和系统开环传递函数，各惯性环节的时间常数。 ①实测系统开环剪切频率
6.9452HZ 附近上下0.1HZ
②在幅频特性曲线中，穿越零分贝线的频率即为开环剪切频率ωc
在MATLAB 中使用 ginput(1)语句得到ωc 为6.9452HZ
③实测系统传递函数
转折点出ω值为 7.2247HZ，K=8.0859,则开环系统传递函数为
G（s ）=
8. 0859
s (s +1) 7. 2247
绘制Bode 图
做出该传递函数的Bode 图，求得剪切频率为7.1551HZ 说明曲线拟合存在误差，原因是取点不足
4. 给出控制系统的 simulink 实现图，通过改变开环增益K ，用示波器观察系统输出。
K=8.0859 k=7
K=11 K=6
K=4 K=2 由上图可知：K 值影响开环系统的频率响应输出的幅值，K 越大峰峰值越大 思考题：
1. 电动机选择的依据是什么？
答：可以根据负载类型来选择电机功率和电机类型. 参数1:传送带速度V 参数2:额定转矩T 然后定好马达侧速度和齿轮箱的输出扭矩和转速. 设备使用寿命5年是指所有的部件都要满足, 齿轮箱需要热处理电机一般可以达到5年, 通常为10年. 参照>选择电机的S1,S2,S3... 某个类型控制柜的各个部件也要根据工况来确定 2. 系统输入余弦电枢电压的幅值和系统参数辨识精度是否有关？为什 么？
答:无关，因为bode 图的相频特性为20lg
B
不变。 V 0
B
，由于输入电压的V 0变化而B 也随之变化，但是整体V 0
3. 采样频率的高低对系统参数辨识精度有何影响？ 答:采样频率越低，精度越低。
4. 分析输出信号的时域曲线零点漂移的原因；
答：电机在运行的过程中温度变化，不同的元器件温度变化系数不同，由于温度系数变化不同导致
由于温度引起的元器件的变化也不一样，故最后导致输出的信号有偏差，产生零点漂移。
5. 分析电机转速和电枢电压之间产生死区的原因？死区如何影响系统的
控制性能？在运动控制中如何减小死区的影响？
答：在电机启动和反转的时候，由于电机具有惯性，导致在反转启动和停止的时候都不能立即对输
入的电压产生反应，从而产生死区。 在死区内系统的控制对输出不起任何作用。
在运动控制中要严格控制元器件的精度，修正PID 参数，赋予控制器一定的“耐性”
6. 分析电机的正反转转速与电压的线性系数不同的原因以及如何提高系 统辨识精度？
答：正转时：y = 42.797* x − 77.48，反转时：y = 42.797* x − 77.48，由于在正反转改变时，是三
相电机中的两相要对调，不保证三相完全相同，物理元器件的参数不同，故线性系数不同，将正反转转变时产生的差异考虑进去，选择输入电信号的转变，而不选用转速信号来提高系统辨识精度。
7. 满足相角滞后 10时的频带宽是多少？满足幅值衰减10%的频带宽是多 少？同时满足相角滞后10和幅值衰减10%的频带宽是多少？
答：满足相角滞后 10时的频带宽是2. 5Hz ，满足幅值衰减10%的频带宽是3. 8Hz ，同时满足
相角滞后10和幅值衰减10%的频带宽是1. 6Hz 。
8. 在绘制对数频率特性图时，为什么将余弦电枢电压幅值作为输入信号，
将由码盘检测的角位置信号作为输出信号？并分析输入信号为角位置 信号时，对数频率特性的变化。如何计算输入角位置信号的大小？，
答：输入余弦电枢电压幅值是为了获得角速度输入信号，因为码盘检测的是角位置信号，而输入信
号经过系统所得到的输出信号为角位置信号，所以用码盘检测得到的角位置信号作为输出信号符合要求。
9. 简述本实验涵盖的基本知识点，以及你建议可扩展实验内容。
答：在本实验中，运用了机电系统控制基础中的bode ，matlab 图的绘制和分析，运用了matlab 的
绘图知识，系统的频率特性分析， c 的估算和确定，从bode 图求解传递函数的知识，以及系统的性能分析，在实践过程中了解了系统的PID 矫正对系统输出的影响。
我建议再加入一点matlab 对系统性能分析的运用和讲解，对于实际的电机，最好能够与生活中运用到机电系统的地方结合起来。