Colorado State University                                                Department of Mechanical Engineering  

MECH 417 – Lab 3        Group Hardware Experiments ECP Control Systems Response Demonstrations 

MECH 417 Lab #3 Page 1 

TableofContentsIntroduction ................................................................................................................................................ 2 

Part 1 –PID Control of a Belt‐driven Servomotor System ........................................................................... 2 

A.  Objective ........................................................................................................................................... 2 

B.  Safety precautions ............................................................................................................................ 3 

C.  Hardware and software setup procedure ........................................................................................ 3 

D.  Running and plotting step responses ............................................................................................... 6 

E.  Effects of PID parameters ................................................................................................................. 8 

F.  Documentation requirements .......................................................................................................... 8 

Part 2‐Experimental Frequency Response of a Torsional System ............................................................... 9 

A.  Objective ........................................................................................................................................... 9 

B.  Procedure ....................................................................................................................................... 10 

C.  Documentation requirements ........................................................................................................ 10 

APPENDIX I ‐ ECP safety guidelines ........................................................................................................... 10 

 

MECH 417 Lab #3 Page 2 

IntroductionThe goal of this Lab is to experience PID control and frequency response effects and concepts on 

some actual hardware. There are two parts of this Lab, with a different hardware apparatus used for each.  Part 1 uses the 

ECP Servo Trainer Model 220 to explore PID control, and Part 2 uses the ECP Torsional Control System Model 205 to explore frequency response.  Both hardware units were developed by a company called Educational Control Products (ECP).  

Part1–PIDControlofaBelt‐drivenServomotorSystem

A. ObjectiveThe goal of this exercise is to experience the effects of PID control on the servomotor belt‐drive 

system shown in Figure 1.  The main drive motor will be commanded to execute a step change in the position of the main “drive inertia” disk.  The digital encoder provides feedback to a PID controller that is implemented in software.  You will observe step responses of the system for different PID parameters and attempt to tune the controller for a good response. 

 Figure 1  ECP Servo Trainer Model 220 components 

MECH 417 Lab #3 Page 3 

B. SafetyprecautionsBefore working on either piece of equipment, please read the ECP safety guidelines in Appendix I. 

C. Hardwareandsoftwaresetupprocedurea. Login to one of the computers attached to an ECP Model 220 Lab Station. b. Start the ECP program by selecting Ecp32.exe under the Start menu or on the Windows 

Desktop.  If it is not there, navigate and create a shortcut to C:\Program Files (x86)\ECP Systems\cn\Ecp32.exe. 

c. If you get a communications error at startup or while running the program, under Setup, select Communications, select “PMAC 00 – PC10 – Plug and play” and click on OK.  This should resolve the error. 

d. Turn on the ECP Lab station power switch.  Make sure there are no brass weights attached to either inertia disk.  If there are, remove them. 

e. In the software, under Utility, click on both Reset Controller and Rephase Motor. f. Under Setup, select the User Units to be counts. g. Under Setup, select Control Algorithm and make the following changes in the dialog box that 

appears (see Figure 2): 

Type:       Continuous Time 

Control Algorithm:  PID 

Click on Setup Algorithm and select/set the following (see Figure 3): 

 Set Kp = 0.01, Kd = 0.0, Ki = 0.0.  Select feedback to be from Encoder 1. 

Click OK to accept the algorithm changes.  

 Figure 2  Control Algorithm Settings 

MECH 417 Lab #3 Page 4 

 

 Figure 3  PID Control Algorithm Settings 

   

 h. Click on Implement Algorithm in the Setup Control Algorithm dialog box.  It is important not 

to forget this step, otherwise, the software will use the previously‐defined values.  i. Click OK to accept all changes and close the Setup Control Algorithm dialog box. 

 j. Under the Command menu, select Trajectory and set/select the following (see Figure 4): 

 

Select “Step” as input in the selection options.  

Click Setup and select/change the following (see Figure 5): o Step Size (counts):  4000 o Dwell Time (msec):  3000 o Number of reps:  1 o Closed Loop Step 

 

Click OK on both the Step Trajectory and Trajectory dialog boxes to accept the changes.  

MECH 417 Lab #3 Page 5 

 Figure 4  Trajectory Configuration Settings 

        

 Figure 5  Step Trajectory Settings 

      

MECH 417 Lab #3 Page 6 

k. Under Command, select Disturbance, click Setup, and then click Remove (see Figure 6).  Then click OK on both dialog boxes to accept the changes.  This will disable the friction brake motor, allowing the PID controller to drive the system without any added disturbance load. 

  

  

 Figure 6  Disturbance Settings 

 

D. Runningandplottingstepresponsesa. Under Utility, click Zero Position so the measurements will be relative to the current position. b. Under Data, select Setup Data Acquisition, make sure the Sample Period is set to 2, and make 

sure Commanded Position, Encoder 1 Position, and Encoder 2 Position are listed as Selected Items (and add them if they are not).  Then click OK. 

c. Under Command, select Execute and make sure Normal Data Sampling is checked. d. Now, we are ready to execute and acquire data for the step response of the control system.  Be 

sure to pay attention to the hardware and how it responds.  When you are ready, under Command, click Execute, make sure Normal Data Sampling is checked, and then click Run. Again, watch the hardware when you click on Run. 

e. After the data is 100% uploaded, click on OK. f. Now, under Plotting, click Setup Plot to display the Setup Plot dialog box (see Figure 7). 

MECH 417 Lab #3 Page 7 

 Figure 7  Plotting Interface 

  

g. Under Left Axis, include both Commanded Position and Encoder 1 Position; and on the Right Axis, remove all items.  To add an item, click on it under Possible Choices and click on Add to Left/Right Axis.  To remove an item, click on it under Left/Right Axis and click on Remove Item. 

 h. Click on Plot Data.  The step‐response plot should appear. 

 i. Under Plotting, click Save Plot Data if you want to save the data to a file. 

 j. To save the plot image for later formatting and printing, use the Windows Snipping Tool to grab 

an image of the window and copy and paste it into a Word file.        

MECH 417 Lab #3 Page 8 

E. EffectsofPIDparametersa. Change the PID controller constants to Kp = 0.05, Kd = 0.00, and Ki = 0.00.  Then execute, plot, 

and save the new response.  What effect did increasing the proportional constant have on the response? 

 b. Change the PID controller constants to Kp = 0.05, Kd = 0.0008, and Ki = 0.  Then execute, plot, 

and save the new response.  What effect did adding the derivative constant have on the response? 

 c. Change the PID controller constants to Kp = 0.01, Kd = 0.00, and Ki = 0.02.  Then execute, plot, 

and save the new response.  What effect did adding the integral constant have on the response?  

d. After creating the four plots (the original plot, plus the three additional plots above), tune the PID controller yourself by changing the Kp, Ki, and Kd values until the resulting step response is as “good” as you think it can be.  Your definition of “good” might differ from that of others.  Be sure to plot and save your tuned step response also. 

 NOTE:  If you get an error message saying “limit exceeded,” please reduce the PID controller gains because the selected values are creating motor command signals exceeding the capabilities of the amplifier. 

 e. When you are done, please turn off the ECP unit power and log off from the computer.    

F. Documentationrequirementsa. The four PID step‐response plots for the provided PID parameter values, labeled with the PID 

parameter values.  Also provide a brief description of each response. b. A short explanation of the effects of each PID parameter. c. A plot of your tuned step response with the PID parameter values listed. d. An explanation for why your tuned response is “good.” 

 

MECH 417 Lab #3 Page 9 

Part2‐ExperimentalFrequencyResponseofaTorsionalSystem

A. ObjectiveThe goal of this exercise is to experimentally determine the frequency response of a fairly 

complicated mechanical system.  The hardware used for this part of the Lab, the ECP Servo Trainer Model 205 Torsional Apparatus, is different than that used in Part 1.  It is shown in Figure 8.  In the experiment, the base disc will be commanded to move sinusoidally, with an increasing frequency, and the frequency response (amplitude vs. frequency) of the middle disk will be measured. 

Even though the hardware is different in this part of the Lab, the programming procedure is very similar to that used in Part 1, so please refer to the outline in Part 1 for guidance.  

 Figure 8  ECP Servo Trainer Model 205 components 

     

MECH 417 Lab #3 Page 10 

B. Procedurea. Follow the procedure from Part 1, with the changes indicated below. b. Turn on the ECP power box and start the ECP32 program.  Make sure there are no brass 

weights attached to any of the inertia disks.  If there are, remove them. c. When setting up the data acquisition parameters, make sure the Sample Period is set to 

10 (not 2). d. Use the following PID parameter values:  Kp = 0.05, Kd = 0.01 , Ki = 0.00. e. When setting up the commanded trajectory, select Sine Sweep (instead of Step), click 

Setup, and enter the following values (see Figure 9): 

Amplitude (counts):  250 

Start Frequency (Hz):  1 

End Frequency (Hz):  15 

Sweep time (sec):  30  

 Figure 9  Sine Sweep Settings 

 f. When you Execute and Run, observe how the system responds (especially the middle 

disk) as the input (the bottom disk) goes through a range of frequencies. g. During plot setup, plot only Commanded Position and Encoder 2 Position on the Left 

Axis, and select Linear Frequency for the Horizontal Axis. 

C. Documentationrequirementsa. Plot of the frequency response of the system (for the middle disk). b. Brief description of the effects evident in the frequency response.  Try to explain what is 

going on physically in the different frequency ranges of the response.  

APPENDIXI‐ECPsafetyguidelinesSee attached.