小功率随动系统实验.ppt

1 2020 1 16 1 小功率随动系统实验 飞行器控制实验教学中心 自动控制原理实验系列 1 随动控制系统概述 1 随动控制系统的定义 2 随动控制系统的应用 3 随动控制系统的一般组成 4 随动控制系统的简单例子 5 随动控制系统的分类 6 随动控制系统的检测装置 7 随动控制系统的控制方式 2 2020 1 16 2 1 随动控制系统的定义 1又叫跟踪系统或伺服系统 是一类应用广泛的自动控制系统 2输入信号可以是预先未知的 并且可随时间任意变化 3输出信号是位移量 包括角位移和线位移 4主要性能指标是系统的跟随性能 即跟踪速度和精度 要求输出位移量可以快速 准确的跟随输入 即 调整时间ts和稳态误差ess要小 其次考虑抗干扰的性能 3 2020 1 16 3 2 随动控制系统应用 机械加工过程中机床的定位控制和加工轨迹控制是位置随动系统的典型实例 如仿型铣床的跟踪控制 数控机床的轨迹控制 4 仪表工业中各种记录仪的笔架控制 如温度记录仪 计算机外部设备中的X Y记录仪 各种绘图机以及计算机磁盘驱动器的磁头定位控制 X Y函数记录仪是一种最常用的通用笔式记录仪 其x y轴各由一套独立的随动系统驱动 使记录笔能在记录纸上精确记录函数曲线 5 军事工业 火炮群跟踪雷达天线的位置控制 导弹发射架的对准控制 陀螺仪惯性导航系统 各类飞行器的姿态控制等 都是位置随动系统的具体应用 6 3 随动控制系统一般组成 主要包括 检测装置 信号转换电路 放大装置 补偿装置 执行机构 电源装置和被控对象等部分 1 检测装置用来检测输入信号和系统输出 2 放大装置将控制信号进行功率放大 3 执行部件主要实现机电转换 将电信号转换成机械位移 4 信号转换线路和补偿装置实现各部件信号之间有效匹配 使系统具有良好的工作品质 5 此外 各部分都离不开相应的能源设备 保护装置 控制设备和其他辅助设备 7 4 随动控制系统简单实例 电位器式的小功率位置随动伺服系统的原理图 1 位置检测器 2 电压比较放大器 3 电力电子变换器 4 伺服电机 5 减速器与负载 8 1 位置传感器 伺服电位器 RP 由电位器RP1和RP2组成位置 角度 传感器 RP1是给定位置传感器 其转轴与操纵轮连接 发出转角给定信号 m RP2是反馈位置传感器 其转轴通过传动机构与负载的转轴相连 得到转角反馈信号 m 两个电位器由同一个直流电源US供电 使电位器输出电压U 和U 直接将位置信号转换成电压量 偏差电压 U U U反映了给定与反馈的转角误差 m m m 即满足 U K m m K m伺服电位器较一般电位器精度高 线性度好 磨擦转矩也小 特点是线路简单 惯性小 消耗功率小 所需电源也简单 9 2 电压比较放大器 A 两个电位器输出的偏差电压 U在放大器A中进行放大 输出信号Uc作为下一级功率放大器的控制信号 并具备鉴别电压极性 正反相位 的能力 一般使用运算放大器构成 3 电力电子变换器 UPE 它主要起功率放大的作用 同时也放大了电压 而且必须是可逆的 由晶闸管或大功率晶体管组成整流电路 由它输出一个足以驱动电动机的电压Ud 10 4 伺服电机在小功率直流随动系统中多采用永磁式直流伺服电机 在不同情况下也可采用其它直流或交流伺服电机 由伺服电机和电力电子变换器构成的可逆拖动系统是位置随动系统的执行机构 5 减速器与负载在一般情况下负载的转速是很低的 因此 在电机与负载之间必须设有传动比为i的减速器 为了减少机械装置 倾向于采用低速电机直接传动 可以取消减速器 11 以上五个部分一般是各种位置随动系统都有的 在不同情况下 由于具体条件和性能要求的不同 所采用的具体元件 装置和控制方案可能有较大的差异 通过分析上面的例子 可以总结出位置随动系统的主要特征如下 位置随动系统的主要功能是使输出位移快速而准确地复现给定位移或者电压 必须有具备一定精度的位置传感器 能准确地给出反映位移误差的电信号 控制系统应能满足稳态精度和动态快速响应的要求 12 5 随动控制系统分类 1 按组成元件分类按随动系统组成元件的不同 可以将系统分为纯电气系统 电液系统和电气 气动系统 纯电气系统的组成元件除机械部件外 均是电磁或电子元件 根据所采用伺服电机的不同 又将纯电气系统分为直流伺服系统和交流伺服系统两类 直流伺服系统的执行元件是直流伺服电机 交流伺服系统的执行元件是交流伺服电机 电液伺服系统的误差测量装置 补偿 放大部分均为电气元件 而功率放大与执行元件刚采用液压元件 电气 气动伺服系统的误差测量装置 补偿与前级放大部分为电气元件 而执行元件为气动元件 13 2 按执行元件功率大小分类执行元件输出功率在50W以下的随动系统称为小功率随动系统 执行元件输出功率在50W到500W之间称为中功率随动系统 执行元件输出功率在500W以上的称为大功率随动系统 当然 这只是一个比较粗略的分类 14 6 随动控制系统的检测装置 位置随动系统的检测装置是其最重要的组成部分 也是其区别于其他类型控制系统的最明显的特征 使用检测装置构成位置闭环 将位置信号转换成一定形式的电量 由于它的精度直接影响系统的精度 因此一般希望检测装置精度高 线性度好 灵敏度高 若对小功率系统 还要求检测装置的惯量和磨擦力矩要小 常用的位移检测装置有伺服电位器 自整角机 旋转变压器 感应同步器 光电编码盘 光栅等 15 检测装置的分类 具体应用时 需要根据控制精度的要求 安装位置和形式 输出信号的要求 选择适合的检测装置 16 17 2020 1 16 脉冲编码器 旋转变压器 直线光栅 感应同步器 17 7 随动控制系统的控制方式 1 误差控制 按照位置误差信号来控制系统运动 它的主反馈通道传递函数通常采用单位反馈 使用最广泛的控制方式 2 复合控制 将输入信号的微分和系统误差综合形成控制信号 是引入前馈后 能有效地提高系统精度和快速响应能力 而不影响系统闭环稳定性 3 模型跟踪控制 系统除了前向控制主通道外 还有一条与它并行的模型通道 将被控对象和模型通道的输出之差作为主反馈信号 通过反馈到主通道的输入端 使得系统的实际输出c跟随模型的输出cm 适当选取模型通道的传递函数和反馈通道的传递函数 可以使系统获得较高的精度和良好的动态品质 18 19 19 2020 1 16 实验目的 1 熟悉随动系统的组成原理及各部分的传递函数 2 测试系统每个环节的传递函数的数值 确定开环放大倍数 进行频率特性分析 3 通过输入方波信号 观察比较加入校正环节 补偿环节 前后 系统输出信号的阶跃响应 4 通过输入斜坡信号 观察随动系统的跟踪性能 19 20 20 2020 1 16 1 直流小功率随动系统控制器 实验设备组成 20 21 2020 1 16 2 机电部分 电机机组 永磁直流力矩电机 测速发电机 旋转变压器 旋转电位器 负载转盘 21 22 22 2020 1 16 实验装置控制原理 Uf 采用闭环负反馈控制的结构 在输入端比较给定量和反馈量 再使用误差控制方式进行控制 22 23 控制原理 系统的给定信号与反馈信号相比较得偏差信号 偏差信号经前置放大器放大 串联校正和功率放大器放大之后 控制直流电动机的转动 带动负载转动 旋转变压器测试直流电动机的转动角度 将其变为电压信号 该信号经过射输出器 交流放大器和解调滤波器得到反馈信号 反馈信号不断地与给定信号相比较 如果二者相等 系统就处于协调状态 即 直流力矩电机停止转动 保持在给定信号指定的位置 若不断改变给定信号 则电机随之做相应的转动 23 2020 1 16 23 24 24 前置放大器 串联校正环节 功率放大器 直流力矩电机 旋转变压器 交流放大器 解调器 滤波器 射极输出器2 射极输出器1 基准电路 并联校正环节 测速发电机 输入信号 主反馈信号 电路原理图 电流反馈 24 25 输入信号产生电路 施密特触发器 输入三角波 输出方波 密勒积分器 输入方波 输出三角波 射极输出器 射极输出器 调节三角波方波频率 Wv 调节三角波幅值 调节方波幅值 调节常值大小Wc 25 26 1 前置放大环节 采用TL084型运算放大器和电阻组成 输入信号可加方波信号 三角波信号和常值信号 也可外接其它形式的信号 2 射极输出器1 采用TL084型运算放大器和电阻组成 3 串联校正环节 由TL084型运算放大器和阻容网络组成的串联超前 滞后校正环节 校正参数可通过按键开关进行选择 4 功率放大环节 功率放大器由OP 07型运算放大器组成 5 执行元件 采用70LC型电机机组中的永磁式直流力矩电机 6 位置测量元件 采用45XZ10 5型旋转变压器 7 射极输出器2和交流放大器 均采用LF353型运算放大器组成 8 解调滤波器 由LZXIC型解调器和OP 07型运算放大器组成 9 反馈校正环节 由70LC型电机机组中的直流测速发电机和阻容网络组成 26 27 前置放大器 1 使用TL084运算放大器及电阻和电位器构成2 电压比较和放大作用 放大倍数K1 3 调节电位器的可改变放大倍数 从而改变系统的开环放大倍数Kv 27 28 28 2020 1 16 有源串联校正 28 29 1 由TL084运算放大器和阻容网络构成 2 无电容按键被按下 为传递系数为1的环节 3 按下电容对应的按键 相当于将电容接到电路中 串联校正发生作用 传递函数为当大于 为超前校正当大于 为滞后校正 实验中将使用超前校正 可以增大系统的截止频率和相角裕度 使带宽增大 响应速度加快 29 30 功率放大器 1 由2个OP07运算放大器和电阻 电容和功率放大集成块LM1875构成 2 将信号的电压和功率放大 放大倍数为K2 30 31 永磁式直流力矩电机 1 特点 定子是永磁材料 结构扁平 可以产生较大的转矩 转速较低 是低速电机 机械特性和调节特性线性度好 特别适用于高精度的位置伺服系统 造价较高 2 作用 系统的执行元件 直接连接负载 无需使用减速器 同时与旋转变压器同轴连接 并带动其转动 使得旋转变压器原边和副边产生角度差 31 32 线性旋转变压器 1 系统的检测元件 传递函数为Kx2 外形结构与电机类似 有定子和转子 本质上是一个可以旋转的变压器 相当于变压器的原边和副边分别放在定子和转子上 32 33 2020 1 16 工作原理 1 需要输入绕组通入1KHZ的交流电压作为激磁电压 2 若转子转动 则输入与输出绕组之间出现角度 输出绕组则输出1KHZ的交流电压 幅值随着转角变化 例如 33 34 1KHZ激磁电压信号产生电路 函数发生器产生1Khz正弦波信号 倒相放大后分成两路输出 射极输出器 加到基准电路的1KHz信号 功率放大器 励磁电压 幅值12 2v 频率1KHZ正弦信号 34 实验中使用的旋转变压器为线性旋转变压器 即输出电压有效值与转角成线性关系 频率与激磁电压一致 为1KHz 如图 幅值的变化 35 2020 1 16 35 36 36 37 交流放大器 1 由LF353型运算放大器和电阻构成2 作用 对旋转变压器的输出的交流信号进行处理 放大倍数为K3 37 38 解调滤波器 1 由LZXIC型解调器和OP 07型运算放大器组成 传递函数为2 旋转变压器的输出信号是幅值变化的交流信号 它的幅值的包络线才是反馈信号 需要通过解调器将真实的反馈信号解调出来 38 39 a 输入信号与基准信号同相 b 输入信号与基准信号反相 3 当输入信号与基准信号同相时 输出为正极性的信号 反之 则输出负极性的信号 输出信号大小取决于输入信号的幅值 4 信号再通过滤波器 滤波器为低通滤波器 可将高频噪声滤掉 同时作为反相器 输出系统的反馈信号 39 40 Kx 代入传递函数的随动闭环系统 Kx 40 41 41 射极输出器 角位置输入 反馈校正环节 测速发电机 电流反馈 旋转式电位器 射极输出器 41 其余环节介绍 角位置输入和旋转电位器 输入量为位置信号 构成另一种反馈结构 射极输出器 电压跟随器 利用其输入阻抗高 输出阻抗低的特点 使得从前端吸收的电流很小 提高带载能力 反馈校正 使用测速发电机测得的转速电压 构成速度环 提高系统的性能 电流反馈 调节电流 维持恒定力矩输出 可以增加系统抗外扰的能力 当系统稳定工作时 电流环相当于断开 42 43 43 2020 1 16 实验目的 1 熟悉随动系统的组成原理及各部分的传递函数 2 测试系统每个环节的传递函数的数值 确定开环放大倍数 进行频率特性分析 3 通过输入方波信号 观察比较加入校正环节 补偿环节 前后 系统输出信号的阶跃响应 4 通过输入斜坡信号 观察随动系统的跟踪性能 43 44 未加校正系统方块图 2 1测试系统每个环节的参数和确定开环放大倍数 44 1 旋转变压器传递系数KxU 输出电压值 交流 输入角度值 45 2020 1 16 45 46 46 2020 1 16 输入信号为0 电源开关 设置 开环 设置 外接 输入信号 实验箱设置 47 47 2020 1 16 1 找到旋变的实际零点 其对应的电压最小 2 在实际零点上 输入10 20 90度的转角 调零及给定输入转角 47 48 48 2020 1 16 使用万用表交流电压档位 测量TP5端电压值 即输入转角对应的输出电压值 测量输出电压 48 49 2020 1 16 计算Kx 绘制电压与转角的关系曲线 数据处理 49 50 50 2020 1 16 以实际零点为起始 顺时针输入20度转角 给定输入转角 2 交流放大器K3测试 实验箱设置同 1 50 51 51 2020 1 16 测量TP5端电压值 交流档 测量电压 测量TP6端电压值 交流档 51 数据处理计算K3K3 UTP6 UTP5注意 K3 1 52 2020 1 16 52 53 53 输入转角同 2 3 解调滤波器的系数KL测试 实验箱设置同 1 测量TP9端电压值 直流档 测量电压 53 数据处理计算KLKL UTP9 UTP6注意 UTP9是直流电压 若为负数则取绝对值 54 2020 1 16 54 4 直流力矩电机传递系数KMn 电机转速rad s Ud 电机电枢电压 55 2020 1 16 55 56 2020 1 16 输入信号为常值电压 设置 开环 设置 常值 输入信号 实验箱设置 常值电压调节电位器 57 57 测试TP9波形的周期 设置Ud电压5 10 15 5 10 15 57 数据处理计算KM 58 2020 1 16 绘制力矩电机调节特性曲线 注 Ud1 Ud2都为TP3端电压 58 59 2020 1 16 设置输入信号50mv 设置 开环 设置 常值 输入信号 实验箱设置 常值电压调节电位器 5 前置放大器的放大倍数K1 RK逆时针转到最大 60 60 60 测量电压 测量TP2端电压值 直流档 数据处理计算K1K1 UTP2 UTP1注意 K1符号为 61 2020 1 16 61 62 2020 1 16 6 功率放大器的放大倍数K2 测量TP3端电压值 直流档 测量电压 数据处理计算K2K2 UTP3 UTP2注意 K2符号为 63 2020 1 16 63 7 计算系统的开环放大倍数KV通过上述的6个环节的参数测试可计算则系统的开环传递函数可完全确定其中 64 2020 1 16 64 2 2无校正的系统分析 频率法 用jw代替开环传递函数中的s 得到系统开环频率特性 利用公式 画出幅频特性曲线 65 2020 1 16 65 66 66 2020 1 16 1 TL 1 Tm 12 5 500 20 40 60 c 66 67 Kx 加串联超前校正系统的原理结构图 Kx 67 2 3加有源串联校正后系统的分析 68 68 2020 1 16 校正后系统的开环传递函数 画出幅频特性曲线 对应的开环频率特性 68 69 69 2020 1 16 1 Tm 1 TL A B c c 41 74357 12 5 417 4357 500 20 40 20 20 40 60 串联校正环节 串联校正后 串联校正前 69 70 70 2020 1 16 实验目的 1 熟悉随动系统的组成原理及各部分的传递函数 2 测试系统每个环节的参数和确定开环放大倍数 频率特性分析 3 通过阶跃响应 观察校正环节 补偿环节 的作用及其对系统性能的影响 4 通过斜坡响应 观察系统的跟踪性能 70 动态特性的测试 使用时域响应法 在系统的输入端加一个方波信号 相当于正负阶跃信号 然后用示波器观察随动系统反馈信号的响应 71 2020 1 16 71 72 72 72 设置 闭环 设置 方波 实验箱设置 3 1不加任何校正 73 73 测试TP9波形