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机电设备运动控制技术项目指导书常州轻工职业技术学院机电设备运动控制技术项目指导书姓 名 学 号 班 级 指导教师 电子电气工程系2013年9月97前言本项目指导书是根据常州轻工职业技术学院高职类机电设备运动控制技术课程标准进行编写的，针对电类专业“机电设备电气运动控制系统调试与维护”岗位，以覆盖典型技术的机电设备运动控制系统为载体，同时兼顾国家职业资格标准（高级维修电工）选择实验实训项目，共设计了包含直流调速系统连接与调试变频调速系统连接与调试伺服控制系统连接与调试等十三个任务。可单独进行实验实训，也可配合一体化教学使用。本项目指导书旨在培养学生具备机电设备典型运动控制系统的分析、调试、维修等的职业技能；使学生掌握变频控制、伺服控制、PID控制、PLC控制及直流调速等技术。在项目任务实践过程中，全面培养学生实事求是、严谨的工作作风，树立质量与安全意识；注重培养学生分析解决工程实际问题的能力、团队合作能力、自主学习能力、革新创新能力等，使学生具备可持续发展的能力。目录项目一 内圆磨床主轴电动机直流调速装置的调试与维修任务一 晶闸管的测试及导通、关断条件的验证4任务二 单结晶体管触发电路及单相半波可控整流电路的调试7任务三 三相桥式全控整流电路的调试12项目二 模拟龙门刨工作台直流调速系统的调试与维修任务四 直流调速系统典型环节的阶跃响应特性测试21任务五 直流调速系统典型环节的单位阶跃响应测试28任务六 转速负反馈直流调速系统的连接与静特性测试32项目三 变频器的认识与操作任务七 变频器的面板操作与运行40项目四 带式输送机控制系统的安装与调试任务八 用PLC与变频器组合控制带式输送机多段速调速48任务九 用模拟量模块控制带式输送机无级调速58任务十 带式输送机的物料分拣控制系统的安装与调试64项目五 行走机械手的速度与位置控制系统的安装与调试任务十一 步进电机控制系统的连接与调试73任务十二 交流伺服电机控制系统的连接与调试80任务十三 行走机械手的速度与位置控制系统的安装与调试87附录 常用电气控制元件标准图形符号93任务一 晶闸管的测试及导通、关断条件的验证一、任务目标1.观察晶闸管的结构，能正确测试并判别晶闸管的好坏。2.验证晶闸管的导通和关断条件。二、任务相关知识晶闸管的导通与关断特性：当晶闸管的阳极正偏以及门极正偏时，晶闸管导通；当流过晶闸管的阳极电流小于维持电流时，晶闸管被关断。晶闸管阳极加反向电压或者减小阳极正向电压，使得流过晶闸管的阳极电流小于维持电流时都可以关断晶闸管。三、任务实施设备1.直流稳压电源1台2.含有晶闸管的电路板1块3.晶闸管2只4.直流毫安表1块5.4.7F电容1只6.1F电容1只7.万用表1块四、任务实施内容1判别晶闸管的好坏：用万用表测晶闸管的阳阴，门阴间正反向电阻，简易判别其好坏（测阳阴间电阻用R1K档，门阴间电阻用R100档）填入表1-1表1-1晶闸管的测试被测晶闸管RAKRKARKGRGK结论VT1VT22.按图11接线。UG= 图1-1晶闸管的导通和关断条件验证电路3.测晶闸管导通条件：按表1-2中所测条件，观察灯泡亮与暗并记录。表1-2晶闸管导通条件测试灯的状态UGUA UG正接UG反接UG=0UA正接UA反接4.测维持电流：将UA正接，使灯亮，此时K1闭合，K2居中，然后使UG=0，缓慢减小UA ，当减小至2V左右，把K1断开，注意电流表指针，当UA减小到电流表指针从某点突然回零，此点即为维持电流。记录维持电流为 mA。5.测关断条件：将UA正接，UG正接，K1仍闭合，K2居中，此时灯亮，然后使UG=0；（1）接上4.7F电容：将K2置1，稍等片刻，让电容充电，然后迅速将K2置2，看灯亮否？记录灯的亮暗状态 。（2）换接1F电容，重做上述实验，观察灯亮否？记录灯的亮暗状态 。五、任务报告要求1.填写任务实施内容中的表格以及空白处。2.根据任务实施记录判断被测晶闸管的好坏及原因。3.根据任务实施内容写出晶闸管导通条件和关断条件；及维持电流IH的概念。4.说明关断电容的作用以及电容值大小对晶闸管关断的影响。5.写出本任务实施过程中遇到的问题及解决措施。六、注意事项1为了提高学生的安全用电常识，任何接线和拆线都必须在切断主电源后方可进行。2为了提高任务实施过程中的效率，学生独立完成接线或改接线路后，应仔细再次核对线路，并使组内其他同学引起注意后方可接通电源。3如果在任务实施过程中发生过流告警，应仔细检查线路以及电位器的调节参数，确定无误后方能重新进行实验。4在任务实施过程中应注意所接仪表的最大量程，选择合适的负载完成实验，以免损坏仪表、电源或负载。 任务报告 成绩任务二 单结晶体管触发电路及单相半波可控整流电路的调试一、任务目标1能正确测试单结晶体管触发电路各点波形。2能正确调试单相半波可控整流电路；并分析电路工作原理。3熟知续流二极管在电感性负载电路中的作用。二、任务相关知识利用单结晶体管(又称双基极二极管)的负阻特性和RC的充放电特性，可组成频率可调的自激振荡电路，如图2-1所示。图中V6为单结晶体管，其常用的型号有BT33和BT35两种，由等效电阻V5和C1组成组成RC充电回路，由C1-V6-脉冲变压器组成电容放电回路，调节RP1即可改变C1充电回路中的等效电阻。图2-1 单结晶体管触发电路原理图工作原理简述如下：由同步变压器副边输出60V的交流同步电压，经VD1半波整流，再由稳压管V1、V2进行削波，从而得到梯形波电压，其过零点与电源电压的过零点同步，梯形波通过R7及等效可变电阻V5向电容C1充电，当充电电压达到单结晶体管的峰值电压UP时，单结晶体管V6导通，电容通过脉冲变压器原边放电，脉冲变压器副边输出脉冲。同时由于放电时间常数很小，C1两端的电压很快下降到单结晶体管的谷点电压Uv，使V6关断，C1再次充电，周而复始，在电容C1两端呈现锯齿波形，在脉冲变压器副边输出尖脉冲。在一个梯形波周期内，V6可能导通、关断多次，但对晶闸管的触发只有第一个输出脉冲起作用。电容C1的充电时间常数由等效电阻等决定，调节RP1改变C1的充电的时间，控制第一个尖脉冲的出现时刻，实现脉冲的移相控制。电位器RP1已装在面板上，同步信号已在内部接好，所有的测试信号都在面板上引出。单结晶体管触发电路的输出端“G”和“K”接到晶闸管的门极和阴极，为晶闸管提供触发脉冲。三、任务实施设备1DJK01 电源控制屏：该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块2DJK02 晶闸管主电路3DJK03-1晶闸管触发电路：包含“单结晶体管触发电路”模块。4D42三相可调电阻 5双踪示波器6DJK06给定及实验器件：包含“二极管”以及“开关”等几个模块。7.万用表四、任务实施内容1单结晶体管触发电路的调试（1）将DJK01电源控制屏的电源选择开关打到“直流调速”侧，使输出线电压为200V，用两根导线将200V交流电压接到DJK03-1的“外接220V”端，按下“启动”按钮，打开DJK03-1电源开关。（2）用双踪示波器观察单结晶体管触发电路中整流输出的梯形波电压、锯齿波电压及单结晶体管触发电路输出电压等波形，记录图2-2中。图2-2单结晶体管触发电路中各点波形（3）调节移相电位器RP1，观察锯齿波的周期变化及输出脉冲波形的移相范围能否在30170范围内移动?2单相半波可控整流电路接电阻性负载图2-3 单相半波可控整流电路（1）触发电路调试正常后，按图2-3接线。图中的R负载用D42三相可调电阻，将两个900接成并联形式。直流电压表及直流电流表从DJK02挂件上得到。按下“启动”按钮，用示波器观察负载电压Ud、晶闸管VT两端电压UVT的波形。（2）调节电位器RP1，观察 =30、90、120、150时Ud、UVT的波形，并测量直流输出电压Ud和电源电压U2，记录于下表2-1中。表2-1单相半波可控整流电路接电阻性负载3090120150U2Ud（记录值）Ud/U2Ud（计算值）理论计算公式：Ud=0.45U2(1+cos)/23单相半波可控整流电路接电阻电感性负载（选做）（1）将负载电阻R改成电阻电感性负载（由电阻器与平波电抗器Ld串联而成），电感Ld在DJK02面板上，有100mH、200mH、700mH三档可供选择，本实验中选用700mH。暂不接续流二极管VD1，在不同阻抗角阻抗角 =tg-1(L/R)，保持电感量不变，改变R的电阻值,注意电流不要超过1A情况下，观察 =30、90、120时的Ud及UVT的波形。并测量直流输出电压Ud和电源电压U2，记录于下表2-2中。表2-2单相半波可控整流电路接电阻电感性负载3090120150U2Ud(记录值）Ud/U2Ud（计算值）（2）接入续流二极管VD1，二极管VD1和开关S1均在DJK06挂件上，重复上述实验，观察续流二极管的作用,以及UVD1波形的变化；记录数据于表2-3。表2-3单相半波可控整流电路接电阻电感性负载（接续流二极管）3090120150U2Ud（记录值）Ud/U2Ud（计算值）五、任务报告要求1填写任务实施内容中的表格和空白。2.写出单结晶体管触发电路的振荡频率与电路中电容C1的数值有什么关系。3.画出图2-4所示电路电阻Rd上的电压波形。图2-4单相半波可控整流电路4.画出电阻性负载时Ud/U2=f()的实验曲线，并与计算值Ud的对应曲线相比较。5.写出单相半波可控整流电路接电感性负载时会出现什么现象?如何解决?6.写出任务实施中遇到的问题及解决措施。六、注意事项1.触发脉冲是从外部接入DJKO2面板上晶闸管的门极和阴极，此时,应将所用晶闸管对应的正桥触发脉冲或反桥触发脉冲的开关拨向“断”的位置，避免误触发。2.为避免晶闸管意外损坏，实验时要注意以下几点：在主电路未接通时，首先要调试触发电路，只有触发电路工作正常后，才可以接通主电路。在接通主电路前，必须先将控制电压Uct调到零，且将负载电阻调到最大阻值处；接通主电路后，才可逐渐加大控制电压Uct，避免过流。要选择合适的负载电阻和电感，避免过流。在无法确定的情况下，应尽可能选用大的电阻值。 3.由于晶闸管持续工作时，需要有一定的维持电流，故要使晶闸管主电路可靠工作，其通过的电流不能太小，否则可能会造成晶闸管时断时续，工作不可靠。本任务中，要保证晶闸管正常工作，负载电流必须大于50mA以上。4.在任务实施中要注意同步电压与触发相位的关系，例如在单结晶体管触发电路中，触发脉冲产生的位置是在同步电压的上半周，而在锯齿波触发电路中，触发脉冲产生的位置是在同步电压的下半周，所以在主电路接线时应充分考虑到这个问题，否则实验实训就无法顺利完成。5.使用电抗器时要注意其通过的电流不要超过1A，保证线性。 任务报告 成绩任务三 三相桥式全控整流电路的调试一、任务目标1认识三相全控桥的电路结构及会分析其工作原理。2能正确调试纯电阻负载三相全控桥电路。3会测试三相全控桥电路在整流状态下给定限幅值。二、任务相关知识（一）触发电路 1本任务的触发电路采用的是KC04集成移相触发器，得到两路相位差1800度的移相脉冲。(1)KC04集成移相触发器内部原理图，见图3-1。图3-1 KC04集成移相触发器内部原理图(2)KC04集成移相触发器的工作原理KC04输出两路相位差1800度的移相脉冲，可方便地构成全控桥式触发线路。该电路具有输出负载能力大，移相性能好，正负半周相位值均衡性好，移相范围宽，对同步电压要求小，有脉冲列调制输入端等功能与特点。 同步电路T1T3对同步电压进行检测，在同步电压过零点时T1、T2、T3均截止，从而使T4导通，T4导通则使“4”端外接的积分电容C1放电。当过零点结束后，T4恢复截止状态。 锯齿波形成电路C1接在T5的集基极，组成密勒积分器，形成线性增大的锯齿波，锯齿波的斜率由“3”端外接的电阻和积分电容C1的数值所决定。 移相电路锯齿波、外部移相电压uct及偏移电压ub分别通过电阻在T6的基极进行叠加，共同控制了T6的导通与截止时刻，也就控制了脉冲的移相。 脉冲形成电路当输入T6基极的电流大于零时，T6导通，外接的R和C将T6集电极的脉冲进行微分，输入T7基极，在T7集电极得到一定宽度的移相脉冲，在T7集电极上得到的脉冲是正负半周都有的相隔180度的脉冲。 脉冲输出电路经过T8和T12分别截去负半周和正半周的脉冲，得到正相和负相的触发脉冲。T9T15是功放极，分别对正、负半周的脉冲作功率放大，使两个输出端都有100A的输出能力。13、14端提供脉冲列调制和脉冲封锁的控制端。2.六路双脉冲发生器本任务实施装置采用的是KC41六路双脉冲形成器，利用三片KC04和一片KC41组成三相全控桥式触发电路。三相全控桥式整流电路要求用双脉冲触发，即用两个间隔600的窄脉冲去触发晶闸管。(1)KC41六路双脉冲发生器内部原理图，见图3-2。 图3-2 KC41六路双脉冲发生器内部原理图 (2)KC41六路双脉冲发生器的工作原理KC41电路是脉冲逻辑电路，当把移相触发器输出的触发脉冲输入到KC41电路的“1”“6”端时，由输入二极管完成了补脉冲，再由T1T6进行电流放大分六路输出。补脉冲按21，32，43，54，65，16顺序排列组合。T7是电子开关，当控制“7”端接逻辑“0”电平时T7截止，各路有输出触发脉冲。当控制“7”端接逻辑“1”电平（+15V）时，T7导通，各路无输出。3.触发脉冲与主电路的同步在晶闸管装置中，送到主电路各个晶闸管的触发脉冲与其阳极电压之间保持的正确相位关系是一个非常重要的问题，因为它直接关系到装置能否正常工作。正确选择同步电压相位以及得到不同相位的同步电压的方法，称为晶闸管装置的同步或定向。本任务实施装置的同步是通过三相同步变压器的D/Y-5接法，配合RC阻容移相来完成的。(1）同步变压器的接线图，见图3-3。图3-3同步变压器的接线图(2）本任务实施装置的移相要求是1800，三相同步变压器的D/Y-5接法，在KC04集成移相触发器的同步信号输入端接入了RC阻容滤波电路，其移相角度为滞后300，满足实验中三相全控桥整流的脉冲和主电路同步问题。4.在DJK02-1三相晶闸管触发电路挂件上，观察孔a、b、c观察的是同步变压器的输出端的信号，它经RC阻容滤波电路移相300后接到KC04同步信号输出端，最终产生的触发脉冲，在VT1VT6为单脉冲观测孔和VT1VT6为双脉冲观测孔看到的波形 也随之滞后300。（二）三相桥式全控整流电路图3-4 三相桥式全控整流电路三、任务实施设备1DJK01 电源控制屏：该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块2DJK02 晶闸管主电路3DJK02-1三相晶闸管触发电路：包含“触发电路”,“正反桥功放”几个模块。4D42三相可调电阻 5双踪示波器6DJK09 单相调压与可调负载7.万用表8.一字螺丝刀四、任务实施内容1触发电路的调试 （1）打开DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。（2）将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。注意：“调速电源选择开关”的选择开关拨到“直流调速”位置，此时，三相调压输出相电压为116V，线电压为200 V（具体和网端电压的大小有关），如果没有注意，会损坏仪器。（3）用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电源开关，拨动 “触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。注意：“同步信号”的选择同步信号是从电源控制屏内获得，屏内装有D/Y-5接法的三相同步变压器，和主电源输出同相，其输出相电压幅度为15V左右，供DJK02-1挂件内的KC04集成电路产生移相触发脉冲；只要将DJK02挂件的12芯插头与屏相连接，则输出相位一一对应的三相同步电压信号。注意“触发脉冲”的选择触发电路由原KC04、KC41和KC42三相集成触发电路的基础上，又增加了4066、4069芯片，可产生三相六路互差60的双窄脉冲或三相六路后沿固定、前沿可调的宽脉冲链，供触发晶闸管使用。 在“触发脉冲指示”处设有钮子开关控制触发电路，开关拨到左边，绿色发光管亮，在触发脉冲观察孔处可观测到后沿固定、前沿可调的宽脉冲链；开关拨到右边，红色发光管亮，触发电路产生双窄脉冲，本实验用双窄脉冲。（4）三相锯齿波调试调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致，以A、B相为例，在图3-5中画出波形。具体调节锯齿波的方法：将示波器的各控制旋钮旋到双通道波形输出，探头1输出。将左右两通道的扫描基准线调节到同一位置将左右两通道的幅度调节旋钮的位置调节一致。将左右两通道的微调旋钮调到校准位置。调节A、B两相锯齿波斜率，使得两个波形尽可能斜率一致。调节A、C两相锯齿波斜率，使得两个波形尽可能斜率一致。此时，A相锯齿波斜率调节电位器不变，改变C相锯齿波斜率调节电位器。图3-5 A、B相平行时的锯齿波(5)触发脉冲初始位置的调试Uct及Ub都是用于控制触发电路的移相角；在一般的情况下，首先将Uct接地，调节Ub，以确定触发脉冲的初始位置；当初始触发角定下后，在以后的调节中只调节Uct的电压，这样确保移相角不会大于初始位置。具体调试方法如下：1）将DJK04上的“正给定”输出Ug直接与DJK02-1上的移相控制电压Uct相接，给定开关S2拨到接地位置，如图3-6（即Uct=0）2） 用示波器观察同步电压信号和“单脉冲观测孔”的输出波形，调节DJK02-1上的偏移电压电位器，使=90，此时输出为0，以A相为例在图3-7中画出波形。 3-6“电压给定”模块原理图 图3-7=90时A相同步电压和VT1波形注意：“电压给定”模块的使用“电压给定”模块由两个电位器RP1、RP2及两个钮子开关S1、S2组成 S1为正、负极性切换开关，输出的正、负电压的大小分别由RP1、RP2来调节，其输出电压范围为0士l5V S2为输出控制开关，打到“运行”侧，允许电压输出，打到“停止”侧，输出为零注意：调节“触发脉冲初始位置”的具体要求三相全控整流电路带纯负载，根据相关理论知识可知使=120，此时输出为0。注意，此处的表示三相晶闸管电路中的移相角，它的0是从自然换流点开始计算的，在实际操作过程中，在示波器上观测波形，我们都是从同步信号的过零点开始计算，两者存在相位差，前者比后者滞后30。而本任务实施装置，同步变压器的输出，到产生移相触发脉冲的KC04集成电路输入端之间，加了一级RC阻容滤波，因此触发脉冲相对于同步信号又滞后了30。所以“触发脉冲初始位置”在示波器上观察，触发脉冲的前沿应该在同步信号过零点后180。在实际操作过程中，通过现有的设备和人为的观察，很难达到精确的要求，建议在此时，先调节触发脉冲的前沿在同步电压的峰值上（调节DJK02-1上的偏移电压电位器），这样比较容易观察。到主电路接上，再通过测量输出电压Ud来精确调节触发脉冲初始位置（调节DJK02-1上的偏移电压电位器），并画出波形。注意：在面板上设有三相同步信号观测孔、两路触发脉冲观测孔： VT1VT6为单脉冲观测孔； VT1VT6为双脉冲观测孔：两个窄脉冲的前沿相差600，脉宽一般为200300注意：“触发脉冲初始位置”的调试操作过程中的注意事项 示波器的探头要放在10档 示波器的基准扫描线放在中间位置。 不允许长时间将输出端接地，特别是输出电压比较高的时候，会将RP1、RP2损坏。（6）适当增加给定Ug的正给定输出，观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲，画在图3-8。 图 3-8VT1、VT1,的波形（7）正桥电路的连接正桥控制端Ulf端子用于控制正桥功放电路的工作与否，当端子与地短接，表示功放电路工作，触发电路产生的脉冲经过功放电路从正桥脉冲输出端输出；悬空表示功放不工作。具体调试方法如下：1） JK02-1面板上的Ulf端接地2）用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正桥触发脉冲输出”端和DJK02“正桥触发脉冲输入”端相连3） DJK02“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”注意：“正桥触发脉冲”的输出 从正桥脉冲输入端来的触发脉冲信号通过“正桥触发脉冲”钮子开关接至相应晶闸管的门极和阴极。 面板上共设有六个钮子开关，分别控制对应的晶闸管的触发脉冲 开关打到“通”侧，触发脉冲接到晶闸管的门极和阴极 开关打到“断”侧，触发脉冲被切断 通过钮子开关的切换可以模拟晶闸管失去触发脉冲的故障情况。2主电路的调试按图3-5接线，将DJK06上的 “给定”输出调到零(逆时针旋到底)，使电阻器放在最大阻值处，按下“启动”按钮，调节给定电位器，增加移相电压，使角在30150范围内调节，同时，根据需要不断调整负载电阻R,使得负载电流Id保持在0.6A左右(注意Id不得超过0.65A)。用示波器观察并记录=30、60及90时的整流电压Ud和晶闸管两端电压Uvt的波形，并记录相应的Ud数值于下表3-1中。表3-1三相桥式全控整流电路306090U2Ud(记录值)Ud/U2Ud(计算值)Ud波形计算公式:Ud=2.34U2cos (060O) Ud=2.34U21+cos(a+) (60o120o)说明：过流保护的调试DJK04过流保护单元，不需再外部进行接线，只要将DJK04挂件的十芯电源线与插座相连接，当打开挂件电源开关，过流保护即处于工作状态。注意：DJK04过流保护的调试的说明DJK04过流保护的调试，一般在仪器出厂之前就调试好了，在实验的过程中，无特殊情况不需调试。3.测试三相全控桥电路在整流状态下给定限幅值缺相现象：当给定电压Ug由零调大时，Ud随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值Ug时，观察Ud 的波形，会出现缺相，这时Ud反而随Ug的增大而减少。一般可确定移相控制电压的最大允许值为Uctmax=0.9Ug，即Ug的允许调节范围为0Uctmax。如果我们把输出限幅定为Uctmax，则“三相全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。（1）按图3-5接线：将DJK04“正给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端负载电阻R由R1和R2串联而成，R1选用D42的900串联900阻值可调电阻；R2选用D42的900并联900的电阻，R可调的范围为4502250 将R1其调到最大。将正给定的输出调到零。DJK04与DJK02-1不共地，所以操作时须短接DJK04与DJK02-1的地。（2）启动电源，将给定电压由0慢慢调大（3）用示波器观察Ud波形，同时用电压表观测Ud的大小，记录Ug于下表3-2中。表3-2移相控制电压Uct的最大允许值 UgUctmax=0.9Ug（4）在图3-9中绘制缺相现象波形图3-9 缺相现象波形（5）将“正给定”退到零，再按“停止”按钮，结束步骤。五、任务报告要求1.填写任务实施内容中的表格以及空白处。2.写出三相全控桥整流电路的工作原理。3.写出缺相现象的原因。4.写出本任务实施中遇到的问题及解决措施。 任务报告 成绩任务四 直流调速系统典型环节的阶跃响应特性测试一、任务目标1认识由理想运放组成的典型环节的电路模型。2会测量典型环节的阶跃响应，熟知参数变化对环节输出性能影响。3熟悉超低频扫描示波器的使用方法二、任务相关知识以运算放大器为核心元件，由其不同的R-C输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图4-1所示。图中Z1和Z2为复数阻抗，它们都是由R、C构成。图4-1 运放的反馈连接基于图中A点的电位为虚地，略去流入运放的电流，则由图4-1得： 由上式可求得，由下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应。 (1)比例环节 比例环节的模拟电路如图4-2所示： 图4-2 比例环节(2)惯性环节 (2)取参考值R1=100K，R2=100K，C=1uF图4-3 惯性环节(3)积分环节 (3)式中积分时间常数T=RC,取参考值R=200K，C=1uF 图4-4 积分环节(4)比例微分环节（PD），其接线图如图及阶跃响应如图4-5所示。 (4)参考值R1=200K，R2=410K，C=0.1uF图4-5 比例微分环节 (5)比例积分环节，其接线图单位阶跃响应如图4-6所示。 (5)参考值R1=100K R2=200K C=0.1uF图4-6 比例积分环节(6)振荡环节，其原理框图、接线图及单位阶跃响应波形分别如图4-7、4-8所示。图4-8为振荡环节的模拟线路图，它是由惯性环节，积分环节和一个反号器组成。根据它们的传递函数，可以画出图4-7所示的方框图，图中:欲使图4-8为振荡环节，须调整参数K和T1，使0x1，呈欠阻尼状态。即环节的单位阶跃响应呈振荡衰减形式。图4-7 振荡环节原理框图图4-8 振荡环节接线图三、任务实施设备 1.DJK01 电源控制屏2.TKKL-4型控制理论实验箱1只 3.慢扫描示波器1台 4.万用表1只四、任务实施内容1准备：使运放处工作状态 将信号发生器单元U1的ST端与+5V端用“短接板”短接，这时运放处工作状态。 2阶跃信号产生：它由阶跃信号单元U3和给定单元U4组成 将U3单元中的H1与+5V端用1号导线连接，H2端与X端用1号导线连接,U4单元中的Z与GND端用1号导线连接，然后由Y端输出信号，如图4-9。图4-9阶跃信号产生单元3先将阶跃信号的输出端Y与典型环节的输入端UI相连，输出端接示波器，按下按钮或松开 按钮SP，用示波器观察输出端的实际响应曲线。4测试各典型环节阶跃响应（1）比例P K=R1/R0R0=250K R1=100KR0=250K R1=250KK理论U0值实测U0值波 形（2）积分I T=R0CR0=200K C=1FR0=200K C=2F 饱和时U0值达饱和时间波 形（3）比例积分PI K=R1/R0 T=R0CR0=200K R1=100KC=1FR0=200K R1=100KC=2F 饱和时U0值达饱和时间波 形（4）比例微分PD K=R3/R0 T=R0CR0R3CRRUiUo10K10KR0=100K R3=10KC=1FR0=100K R3=10KC=2F 峰值U0值稳态时U0值波 形（5）惯性T K=R1/R0 T=R1CR0=250K R1=250KC=1FR0=250K R1=250KC=2F 1T时的U0值稳态时U0值波 形五、任务报告要求1.填写任务实施内容中的表格以及空白处。2.用运放模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出的？3.积分环节和惯性环节主要差别是什么?在什么条件下,惯性环节可以近似地视为积分环节?在什么条件下，又可以视为比例环节？4.画出各典型环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影响。5.写出本任务实施中遇到的问题及解决措施。六、注意事项1调UI幅度为1V。2正确使用示波器各旋钮，以便于观察为宜。3电子电路中的电阻取千欧，电容为微法。4电容用后要放电 任务报告 成绩任务五 直流调速系统典型环节的单位阶跃响应测试一、任务目标1熟悉二阶模拟系统的组成。2观察增益K对二阶系统单位阶跃响应量sP、tp和ts的影响。3观测二阶系统工作在x=1，0x 1三种状态下的单位阶跃响应。二、任务相关知识1.二阶系统模拟方框图图5-1 二阶系统的方框图图中=1s，T1=0.1s开环传递函数 G(S)=，式中K=闭环传递函数二阶系统闭环传递函数的标准形式为= 式中n= =二阶系统三种动态响应： 欠阻尼01 临界阻尼=1 过阻尼12.二阶系统模拟电路如图5-2。图5-2 二阶系统的模拟电路图G(S)= K1=100K/R = n=理论计算公式=1s T1=0.1s K=K1/=K1Mp= e/ tp= ts=调节开环增益K值，不仅能改变系统无阻尼自然振荡频率n和阻尼比x的值，而且还可以得到过阻尼(x1)、临界阻尼（x=1）和欠阻尼（x0.625，0 x 1，系统处在欠阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为：图5-3为二阶系统在欠阻尼状态下的单位阶跃响应曲线。 (2)当K=0.625时，x=1，系统处在临界阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为：图5-4为二阶系统工作临界阻尼时的单位响应曲线。 图5-3 0 x 1时的阶跃响应曲线 图5-4 x=1时的阶跃响应曲线(3)当K1，系统工作在过阻尼状态。它的单位阶跃响应曲线和临界阻尼时的单位阶跃响应一样为单调的指数上升曲线，但后者的上升速度比前者更缓慢。 三、任务实施设备1.TKKL-4型控制理论实验箱1台2.慢扫描示波器1台3.万用表1只四、任务实施内容1.按图5-2接线2.输入端加入UI=1V阶跃信号，调节不同的R值即不同的K值，根据下表中所列测试项目，进行计算和测试并用示波器记录它们的阶跃响应R值KwnMptpts响应曲线10K实测理论值20K实测理论值40K实测/理论值100K实测/理论值五、任务报告要求1.填写任务实施内容中的表格以及空白处。2.按图5-2所示的二阶系统，计算K=0.625，K=1和K=0.312三种情况下x和n值。据此，求得相应的动态性能指标p、tp和ts，并与实验所得出的结果作一比较。3.写出本任务实施中遇到的问题及解决措施。 任务报告 成绩任务六 转速负反馈直流调速系统的连接与静特性测试一、任务目标1.认识单闭环直流调速系统的结构2.会分析单闭环直流调速系统的原理及各主要单元部件的原理。3.熟知晶闸管直流调速系统的一般调试过程。二、任务相关知识为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。在本装置中，转速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，如图6-1，经“速度变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压UCt，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI(比例积分)调节。这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。图6-1 转速单闭环系统原理图三、任务实施设备1. DJK01 电源控制屏：2. DJK02 晶闸管主电路3. DJK02-1三相晶闸管触发电路4. DJK04 电机调速控制实验I：该挂件包含“给定”，“调节器”，“速度变换”，“电流反馈与过流保护”等几个模块。5. DJK08可调电阻、电容箱6. DD03-2电机导轨测速发电机及转速表7. DJ13-1 直流发电机8. D42三相可调电阻9. 慢扫描示波器10万用表四、任务实施内容（一）直流电机开环外特性的测定1Uct不变时的直流电机开环外特性的测定 图 6-1直流电机开环外特性的测定原理图A、触发电路调试同三相全控桥整流电路B、主电路调试（1）按图6-1接线。具体接线方法如下： DJK02-1上移相控制电压Uct由DJK04上的“正给定”输出Ug直接接入。 直流发电机接负载电阻R由R1和R2串联而成，R1选用D42的900串联900阻值可调电阻； R2选用D42的900并联900的电阻，R可调的范围为4502250 将R1其调到最大。 Ld用DJK02上200mH，应注意从“*”端输入。 将正给定的输出调到零。 电动机的转动方向应于转速表一致，如不一致，掉换励磁绕组的方向DJK04与DJK02-1不共地，所以实验时须短接DJK04与DJK02-1的地说明：D42可调电阻的使用，如图6-2。 X1、A1两接线端输出是900电阻； X2、A2两接线端输出是900电阻； A1、A3两接线端输出是0900可调电阻； A2、A3两接线端输出0900可调电阻； A1、A2两接线端输出是01800可调电阻图6-2 D42可调电阻原理图（2）先闭合励磁电源开关，按下DJK01“电源控制屏”启动按钮，使主电路输出三相交流电源，直流发电机先轻载（即R1电阻调到最大），然后从零开始逐渐增加“正给定”电压Ug，使电动机慢慢启动并使转速 n 达到1200rpm。（3）从大到小改变负载电阻R1的阻值，即可测出在Uct不变时的直流电动机开环外特性 n = f(Id)，测量并记录数据于下表：n（rpm）Id（A）（4）将“正给定”退到零，再按“停止”按钮，结束步骤。2Ud不变时直流电机开环外特性的测定（1）按图6-1接线。（2）按下DJK01“电源控制屏”启动按钮，直流发电机先轻载（即R1电阻调到最大）然后从零开始逐渐增加“正给定”电压Ug，使电动机慢慢启动并使转速 n 达到1200rpm。（3）从大到小改变负载电阻R1的值，用电压表监视三相全控整流输出的直流电压Ud,保持Ud不变(通过不断的调节DJK04上“正给定”电压Ug来实现)，测出在Ud不变时直流电动机的开环外特性n =f(Id)并记录于下表中：n（rpm）Id（A）（4）将“正给定”退到零，再按“停止”按钮，结束步骤。注意：记录数据的具体要求为了便于分析Uct不变时的直流电机开环外特性和Ud不变时直流电机开环外特性的优劣，要求在测量数据时，电流Id的测试点一致。3在图6-3上画出Uct不变时的直流电机开环外特性曲线和Ud不变时直流电机开环外特性曲线，并进行简要的分析。图6-3 直流电机开环外特性曲线的比较（二）转速单闭环直流调速系统A.单元电路调试1速度调节器的调整（1）速度调节器原理图如图6-4所示。图6-4速度调节器原理图（2）速度调节器的调零 将DJK04中“速度调节器”所有输入端接地 将DJK08中的可调电阻40K接到“速度调节器”的“4”、“5”两端，用导线将“5”“6”短接，使“速度调节器”成为P (比例)调节器。 调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量速度调节器“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。说明：DJK08中的可调电阻的使用方法DJK08实验箱上的可调电阻每一个是都由三个可调电阻串联而成，可分成100K、10K、1K三个档为分别调节，可调的范围为0999K，选择好档位后，其余不用的档位均调到0。（3）速度调节器的正负限幅值的调整 把“速度调节器”的“5” “6”短接线去掉； 将所有输入端接地线去掉； 将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端，使调节器成为PI (比例积分)调节器； 将DJK04的正给定输出端接到速度调节器的“3”端； 调节“正给定”为5V，调整负限幅电位器RP2，使速度调节器的输出电压（“7”端）尽可能的接近于0； 调节“负给定”为5V，调整正限幅电位器RP1，使速度调节器的输出（“7”端）Uctmax（的确定参照实验实训五）。说明： DJK08中的可调电容器的使用方法 可调电容的可调范围：2组 0.1uF8.37uF，一组 0.1uF11.37uF，其耐压值为63V。 可调电容箱处装有钮子开关和琴键开关，四个钮子开关为一路，共有三路，分别控制各自的电容输出端，将开关拨至“接入”位置表示已将钮子开所标的电容值接入，拨向“断开”位置，则表示将该电容断开。 钮子开关上部有一组琴键，每组琴键开关分别控制其下面三路电容的接入，按下琴键开关的任意键，则表示已将该键所标的电容值接入下面三路电容输出端。2转速反馈系数的整定 （1）按图6-5接线图6-5转速反馈系数的整定电路具体接线方法如下：DJK04的“给定”电压Ug为“正给定”直流发电机接负载电阻R由R1和R2串联而成，R1选用D42的900串联900阻值可调电阻； R2选用D42的900并联900的电阻，R可调的范围为4502250将R1其调到最大。Ld用DJK02上20