自控实验报告模板参考.doc

东南大学自动化学院实 验 报 告课程名称： 自动控制基础 实验名称： 自动控制大型实验 院 （系）： 自动化学院 专 业： 自动化 姓 名： 顾李晶 学 号： 08007326 实 验 室： 实验组别： 同组人员： 陈慧、鲁翔 实验时间：2010 年 6 月 14 日评定成绩： 审阅教师： 目 录一设计内容页码二熟悉环境页码三建立传递函数页码四仿真设计页码五完整接线及调试页码六实验总结 页码一 设计内容1、 任务要求（1） 给小型直流电机系统或球式磁悬浮系统,设计完整的闭环控制系统,采用极点配置的现代理论控制方式, 可以借助软件设计控制器算法，使系统满足给定的性能指标。（2） 系统要准确建模。（3） 要实物框图，要有仿真框图和设计计算。（4） 实物当面验收和实验报告。（5） 时间约个学时，即一周内完成。2、 性能指标（1） 无静态误差（2） 电机相应时间秒（3） 磁悬浮响应时间秒（4） 超调量10f。只有这样，滤波器才不会吃掉应该有的频率。设计滤波器我们采用以下电路，其中电阻采用10K，电容采用0.1F。=RC=0.001s0.03s。鉴于设备很难设计无源滤波器，采用以下有源电路。（2）实验时，如何确定正弦信号的幅值？幅度太大会出现什么问题，幅度过小又会出现什么问题？显然，必须要让正弦信号工作在线性区中。由上一次实验可知，线性区域为0.88V1.82V和1.82V3.2V。我们选用1.82V3.2V，方法是在原有正弦信号上叠加一个支流分量。步骤是首先调整好正弦波的幅值，这里建议在正弦波的输出接一个滑动变阻器，这样调节会比较灵敏。正弦波的频率和幅值都可以用旋钮调节，调整后然后再叠加到相应线性区。若幅度太大，会看到一部分波形被吃掉。注意锁零按钮千万不要按下。附：锁零按钮，用于实验前运放单元中电容器的放电。当按下按钮时，通用单元中的场效应管处于短路状态，电容器放电，让电容器两端的初始电压为0V；当按钮复位时，单元中的场效应管处于开路状态，此时可以开始实验。电路图如下：（3）有一个问题，驱动电机的是PWM波，即输入是一个方波而非正弦波，那么该如何测量呢？其实驱动时PWM波是一个占空比呈正弦变化的方波，若把直流分量去掉，那么可以观察到正弦波。现在可以用调制前的正弦波代替输入。（4）回顾电机的传递函数，当很小时，可以忽略，注意不是忽略掉。（谐振法实验验证）3、 最终求得传递函数结果四 谐振法实验我们用谐振法验证了上面的原理。因为，我们现在要证明的是远小于1，因此我们通过谐振法验证，发生谐振时，从而求出L，R已知，取20欧姆左右。1、 设计有源滤波器在设计有源滤波器电路时，为使其对数幅频特性曲线数据特征明显，品质因数Q=要高，即在设计电路时，电阻R要小，w要大，所得曲线才陡峭。有源滤波器设计如下图：其中，R=100K，C=0.1F，有源滤波器电路的传递函数为：A(S)= 2、 实际电路接线图如下：正弦波幅值取0.5V，加上2.73V的直流电压，使直流电机工作在线性区。3、 实验结果与分析实验中测得谐振频率为f=6.75KHz，又根据谐振时f=，且C=0.1F，计算得L=0.00556H，所以=0.0002781，即证得可以忽略。 因为=,1,对应的极点远离虚轴，所以此函数项衰减的速度很快，对系统输出的影响很小，因此，在本实验中直流电机的传递函数可以近似为一个二阶系统，即G(S)=，在前面的电机速度传递函数实验中，我们已经通过求得幅频特性曲线 的转折频率求得了T，下面我们将通过电机位置传递函数实验求得K，最终得到直流电机的位置传递函数。五 电机位置传递函数实验求出极点后，我们要考虑增益，因为我们这次控制的是位置量，而上述所构造的传递函数只是电机角速度与输入量的比值。因此整个传递函数我们还需多乘一个因子（位置是转速的积分）。考虑到位置量表征很难用电压来表征。因此我们采用归一化的方法。结合MATLAB的SIMULINK，我们设计一下电路：我们通过电脑的示波器可以捕获到波形，根据波形的超调量，我们可以计算出系数K。具体公式如下：，这样就把K求出来了。六 仿真设计通过前期准备工作，我们最终得到小型直流电机系统的传递函数为：根据设计指标：无静态误差电机响应时间秒超调量设计过程：1、 将传递函数转化为状态空间模型1/s10/(1+0.07s)X1(s)X2（s）U （S） X1（S）=(1/s)*X2（S）X2（S）=(10/（1+0.07s)U(S) ;令Y（S）= X1（S）所以 X1（S）=(1/s)X2（S） = X2(S) =(10/（1+0.07s) U(S) =-14.3+143U Y(S)= X1(S) y=所以 =+ U y=所以 A=， B=，C=2、设计状态观测器系统框图如下：由图可以推导： =10+10y =+ （S）= 其中，A=，B=，C=，H=det(SI-A+HC)=+（+10）S+原系统极点S=-，期望极点取原系统极点的3-5倍，则期望极点S可以设为-，所以，（S）=+S+所以 +10= =12.86 += =103、不考虑状态观测器，设计状态反馈系统框图如下：根据性能指标要求，有：%=*100%20% (1) =-ln(0.02)0.45,取=0.5，代入（2）得27.04,取=30，所以，主导极点为=-+j=-15j26又第三个极点取-的10倍，即取-150，所以，期望特征方程式为（S）=（S+15+j26）(S+15-j26)(S+150) =+180+5401S+135150 （3）根据系统框图写出系统的传递函数：H（S）=所以，系统的特征方程为 （4）由（3）、（4）得 =180 =11.6 =5401 =37.807 =135150 =946.05由于考虑实际系统与理论计算存在较大差距，故在选取、时取大一点，取=0.707，=40，则主导极点为=-+j=-28j28，经计算得 =23.22 =124.656 =3183.044、 综合上述分析得到最终仿真设计图仿真框架Simulink仿真图5、 仿真结果K3=946K=394七 完整接线及调试1、系统实物连线2、 实验输出波形（1） 第一套参数，同时未加去死区线性化模块=12.86, =10, =11.6,=37.807 =946.05输入阶跃300输入阶跃600输入阶跃900输入阶跃1200（2） 第二套参数，同时未加去死区线性化模块=12.86, =10, =11.6,=3