自动控制原理实验研究报告.doc

自动控制原理实验研究报告（2010-2011学年第一学期）模拟重力舱转速控制系统（电机）2010-2011学年第一学期姓名： 付 浩班级： 02020802学号： 2008300581摘要：本系统使用电机控制转速以达到在圆柱形舱体内形成模拟重力的效果。根据物理学定理，可以利用旋转来实现模拟重力，故设计一个转速控制系统来达到对模拟重力进行控制。该系统主要靠控制电压来控制电机转速，带动舱体旋转，产生离心力使物体贴紧舱壁，从而产生类似与重力的效果。关键字：模拟重力舱 系统设计 自动控制引言：众所周知在宇宙中重力是很小的，而人类在宇宙中的生活、工作有时却不能离开重力。人类40多年的航天实践表明，微重力环境对宇航员的健康、安全和工作能力会产生重要影响，中长期航天飞行可导致宇航员出现多种生理、病理现象，主要表现为心血管功能障碍、骨丢失、免疫功能下降、肌肉萎缩、内分泌机能紊乱、工作能力下降等。除此以外，虽然太空中的微重力环境为我们的实验带来了许多方便，但是依然有许多实验需要在给定的重力条件下完成，所以我们需要一套模拟重力系统在太空中产生需要的重力环境，为我们更好地完成实验提供必备条件。目录：1. 建立被控对象数学模型2. 分析被控对象特性3. 设计控制器4. 仿真验证5. 结论6. 参考文献1、建立被控对象数学模型控制系统原理图设定重力由计算机解算电压直流放大器器直流电动机舱体转速测速发电机1模拟重力方程设系统在理想环境中运行，物体紧贴舱壁且与舱壁刚性连接，则 式中G为模拟重力，F为实际离心力，J为转动惯量，为转动角速度，R为舱体半径。2直流电动机的数学模型 式中，是电动机机电时间常数；，是电动机传递系数。3测速发电机的数学模型 式中为测速发电机输出斜率，表示单位角速度的输出电压。 2、分析被控对象特性 被控对象为直流电动机和测速发电机。将其进行拉普拉斯变换可得： 直流电动机的传递函数 测速发电机的传递函数 可得方框图 简化可得 由图可知，闭环传递函数为，故 显然特征方程的根为，因为、所以即系统稳定，但是为0型系统，当时，即为阶跃信号时，其稳态误差为。故系统无法快速跟踪输入，即至少要为型系统。3、设计控制器 1原始参数计算 电机有两个时间常数：机电时间常数和电气时间常数。通常，这种情况下电机的传递函数可看作两个惯性环节的串联，两个惯性环节的时间常数就分别是和，而对于一般的应用，由于很小，对应的惯性环节可以忽略不计，于是电机的传函就简化为：。 对于测速发电机的输出斜率，不妨设为1。于是其闭环传递函数为 其根轨迹如图： 故可以发现减小后系统更稳定，故取 故其原始开环传递函数为 2提高系统类型 原系统为0型系统，无法跟踪阶跃信号，至少要调为型系统。 在前向通道上加入积分器，则其开环传递函数为，此时可以跟踪阶跃输入。 3调整系统增益 此时系统的bode图是 容易看出其增益过小，故加入放大环节。使则其bode图变为 4校正网络设计 此时，待校正系统开环传递函数为，其相角裕度约为18 为提升其性能，此时需加入一个校正网络； 要求相角裕度为，取所以 加入一个串联滞后校正网络，设（） 由可得 由可以求得 由可以求得 故其校正网络传递函数为 则开环传递函数变为其bode图为： 故最后的开环传递函数为4、仿真验证 使用simulink进行仿真：原始系统 连接如图： 仿真结果： Bode图Nyquist图经过改良之后的系统 连接如图： 仿真结果如图： Bode图： Nyquist图： 5、结论系统的稳定性较好，超调量较小，调节时间上升时间较短。但是系统的bode图显示系统的幅频特性在高频段斜率较小，故系统对噪音的抗干扰能力较差。 系统在位来的发展前景是美好的。在未来系统或许可义进行自主的调节，以适应在不同的需求下对系统的响应进行不同的调节。如：在模拟生活环境时可以进行缓慢的调节来使人有一个适应时间，而在模拟实验环境时可以快速调节来尽快的完成实验目