控制理论专题实验
实验指示书
赵世敏编
清华大学自动化实验教学中心
2012年12月
目录
1实验要求 (1)
1.1实验准备 (1)
1.2评分规则 (1)
橡胶还原剂1.4安全注意事项 (2)
2旋转运动系统实验平台介绍 (3)
2.1实验平台组成 (3)
2.2SRV02旋转运动伺服装置介绍 (4)
2.3主要部件的典型连接 (6)
2.4MATLAB/S IMULINK及QUARC软件使用 (6)
3球杆（BALL & BEAM）系统实验 (11)
3.1实验目的 (11)
3.2预习一：系统建模 (11)
3.3预习二：设计控制器 (13)
3.4实验一：闭环仿真研究 (15)
3.5实验二：实时控制研究 (16)
3.6思考题 (18)
3.7实验报告 (18)
4旋转机架（ROTARY GANTRY）系统实验 (19)
4.1实验目的 (19)
4.2预习一：系统建模 (19)
4.3预习二：设计控制器 (21)
4.4实验一：仿真研究 (22)
4.5实验二：实时控制研究 (22)
4.6思考题 (24)
4.7实验报告 (24)
5附录A：SRV02-ET系统参数 (25)
6附录B：直流电机电压到伺服装置输出角度的传递函数 (26)
7附录C：控制理论中常用的MATLAB函数 (27)
聚烯烃弹性体8参考文献 (28)
1实验要求
1.1实验准备
实验准备是顺利完成实验内容的必要条件。实验准备的主要内容包括如下的几个方面：
（1） 复习实验所涉及的自动控制理论和MATLAB软件知识；
（2） 熟悉实验的内容和步骤；
（3） 根据实验要求，作必要的理论分析与推导，写好实验预习报告。
1.2评分规则
专题实验满分为100分，其中实验考勤及实验态度占10%，实验预习报告占25%，实验操作占20%，实验报告占45%（其中技术内容占40%，报告书写占5%）。
（1） 实验考勤与实验态度、实验操作
本专题实验的课内、外学时各为16学时，合计32学时。课外学时主要用于实验内容的预习和实验报告的写作，课内学时主要用于实验操作。每次到实验室做实验时签到，离开实验室前整理好仪器设备。
（2） 实验预习报告
实验预习报告主要包括系统数学建模和控制器的设计。到实验室做实验时先交预习报告。
（3） 实验报告的技术内容
实验报告的技术内容主要包括实验数据的记录与分析和实验思考题的解答。
提示：要求每个实验都要附上由教师或助教签字的原始数据。没有原始数据的实验内容无效，该项得分为零分。
（4） 实验报告书写
实验报告书写水平主要考虑文字表达水平（要求层次分明、表述清晰、简洁明了）和规范程度（如图是否有坐标、单位和标题、公式书写及编号是否规范等）。实验报告的书写不仅体现了作者的文字功底，而且反映了作者的治学态度。
提示1：报告正文原则上不超过30页。实验指示书中已给出的内容不必抄到报告中，只要注明出处即可。
提示2：一旦发现抄袭行为，抄袭者和被抄袭者均按作弊处理。抄袭包括抄袭本年级同学的报告和往届同学的报告。包装内托
1.3实验报告内容
实验报告包含以下的内容。可根据实验的具体情况和要求进行适当调整。
（1） 理论分析的主要思路；
（2） 软仿真和硬件在环实验结果及其分析（Matlab程序在附件中给出即可）；有教师或助教签字的原始数据
（3） 回答思考题；
（4） 总结实验心得及对实验的意见或建议。
1.4安全注意事项
（1） 实验之前一定要做好预习。
（2） 为了避免设备失控时造成人身伤害，操作时人员应该与设备保持安全距离。（3） 实验前，要检查各部件螺丝是否牢固。
莲子剥壳机（4） 实验前，要检查各部件连接是否正确，并请指导老师确任。
2 旋转运动系统实验平台介绍
旋转运动系统实验平台以加拿大QUANSER 公司的SRV02旋转运动伺服装置为基础，由QUANSER 公司的多种旋转运动模块（球杆系统、旋转柔性连杆、旋转柔性接头、自立旋转倒摆、旋转双倒摆、二自由度机械人、二自由度倒立摆接头、陀螺稳定系统）组合而成。
旋转运动系统实验平台可以开设的控制类实验内容包括：
z
建模与仿真 z
位置和速度控制 z
放血刀抗扰性分析 z
跟踪控制和调节控制 z
PID 控制器设计 z
超前/滞后补偿 z
频域分析 z
相位裕度和增益裕度 z
根轨迹设计 z
Nyquist 稳定性分析 z
状态反馈系统 z
观测器设计 z
硬件在环实时控制 z 离散时间采样系统
2.1 实验平台组成
旋转运动系统实验平台硬件部分由计算机、PCI Q4数据采集卡、UPM 2405电源/功率模块、SRV02旋转运动伺服装置和其他各种模块组成（见图2-1—图2-4）。
图2-1 PCI Q4数据采集卡 图2-2 UPM 2405电源/功率模块图2-3 SRV02旋转运动伺服装置
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