直流调速系统实验 教育学习

直流调速系统,自动控制原理实验系列,主编：邱华洲主讲：李丹丹,哈工大航天学院飞行器控制实验教学中心,1,优质材料,直流调速系统实验,自动控制技术控制理论自动化设备控制系统实验,自动控制系统运动控制系统过程控制系统,运动控制系统（电力拖动自动控制系统）调速系统位置随动系统,调速系统直流调速系统交流调速系统,2,优质材料,直流调速系统实验,调速系统发展历史,1821年英国科学家法拉第首先证明可以把电力转变为旋转运动。1834德国雅可比发明直流发动机在两个U型电磁铁中间，装一六臂轮，每臂带两根棒型磁铁。通电后，棒型磁铁与U型磁铁之间产生相互吸引和排斥作用，带动轮轴转动。1870年比利时工程师格拉姆证明向直流发动机输入电流，其转子会象电动机一样旋转。这就是格拉姆型直流电动机。,3,优质材料,直流调速系统实验,上个世纪30年代，出现发电机-电动机调速系统。,轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。直流调速系统在工业应用上仍将占重要地位.,随着磁放大器、电机放大器等控制元件问世和被采用，直流调速系统能在较宽范围内实现平滑调速，具有较优良的调速性能指标，从而使直流电动机被广泛的应用在各个生产领域。,4,优质材料,直流调速系统实验,5,优质材料,直流调速系统实验,6,优质材料,直流调速系统实验,7,优质材料,实验目的,实验原理,实验设备,实验内容,直流调速系统实验,8,优质材料,直流调速系统实验,实验目的,1、了解直流调速系统的组成与各个环节的传递函数；,2、掌握直流调速系统静态特性测试方法，求出系统开环放大倍数Kp，分析Kp与稳态误差ess之间的关系；,4、掌握直流调速系统，开环加校正时频率特性的测试方法。从绘出的系统Bode图中求出相角裕度、幅值裕度Kv(rad/s)和开环传递函数G(s)。,3、掌握直流调速系统动态特性测试方法，根据测量的时域性能指标tp、ts、p，求出频率域性能指标c、b和系统的闭环传递函数(s)。,9,优质材料,实验目的,实验原理,实验设备,实验内容,直流调速系统实验,10,优质材料,实验设备,直流调速系统实验,直流电动机组,直流调速系统操作台,DS5152CA数字示波器,TD4020频率特性测试仪,11,优质材料,直流调速系统实验,直流调速系统操作台,12,优质材料,直流调速系统实验,实验设备,M,n,13,优质材料,直流调速系统实验,直流调速系统实验设备连接方法,14,优质材料,实验目的,实验原理,实验设备,实验内容,直流调速系统实验,15,优质材料,系统静态特性,系统动态特性,系统方块图,直流调速系统实验,系统调速原理,系统频率特性,PID调节器的作用,16,优质材料,直流调速系统实验,直流电动机的转速特性,调节直流电动机的转速的方法改变电枢回路电阻调速法；减弱磁通调速法；调节电枢电压调速法。,本实验装置采用改变电枢回路电压进行调速恒转矩调速方法无级平滑调速时间常数较小，能快速响应需要大容量可调直流电源,17,优质材料,系统静态特性,系统动态特性,系统方块图,直流调速系统实验,系统调速原理,系统频率特性,PID调节器的作用,18,优质材料,直流调速系统实验,闭环系统能够有效地抑制包围在反馈环内的扰动作用。,UD,为了实现生产机械对调速系统静态特性的要求，只能减少负载所引起的静态速降nnom。,从控制手段上引入转速负反馈减少转速降落、降低静差率、扩大调速范围。,19,优质材料,系统静态特性,系统动态特性,系统方块图,直流调速系统实验,系统调速原理,系统频率特性,PID调节器的作用,20,优质材料,直流调速系统实验,比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。,PID调节器的作用,比例参数KP的作用是加快系统的响应速度并提高系统的调节精度。随着KP的增大系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导致系统不稳定。KP取值过小，调节精度降低，响应速度变慢，调节时间加长，使系统的动静态性能变坏。,仅仅有比例控制环节的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统，反馈控制只能减小稳态误差，而不能消除它。在比例控制的闭环直流调速系统中，系统的稳态误差小与系统的动态稳定性是矛盾的。,21,优质材料,直流调速系统实验,在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。比例+积分控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。,PID调节器的作用,积分参数Ti的作用是消除系统的稳态误差。Ti越大系统的稳态误差消除的越快，但Ti也不能过大，否则在响应过程的初期会产生积分饱和现象。Ti过小系统的稳态误差将难以消除，影响系统的调节精度。,从相位的角度来看一个积分环节就有90的相位延迟，也许会破坏系统的稳定性。,22,优质材料,直流调速系统实验,在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。由于存在较大惯性环节或有滞后组件，校正环节的调节作用总是落后于误差的变化，在调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。微分控制能预测误差变化的趋势，使得校正环节能够在误差接近零时提前使抑制误差的控制作用等于零，从而避免了被控量的严重超调。对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。,PID调节器的作用,微分参数Td的作用是改善系统的动态性能。Td不能过大，否则会使响应过程提前制动，延长调节时间，并且会降低系统的抗干扰性能。,23,优质材料,直流调速系统实验,PID调节器的作用,PID参数的整定是从系统的稳定性、响应速度，超调量和稳态精度等各方面考虑问题，合理的选择PID三参数。控制系统的参数整定方法有：经验法、衰减曲线法、临界比例法、反应曲线法；实际应用中，大多是通过经验法来确定PID的参数。,PID调整的主要工作就是实现闭环控制系统的首要任务：快（快速）、准（准确）、稳（稳定）的响应命令。P：比例控制环节强调响应快速性，快速作用于输出。着眼于“现在”；I：积分控制环节强调准确性，消除过去的累积误差。着眼于“过去”；D：微分控制环节强调稳定性，具有超前控制作用。着眼于“未来”。,24,优质材料,系统静态特性,系统动态特性,系统方块图,直流调速系统实验,系统调速原理,系统频率特性,PID调节器的作用,25,优质材料,直流调速系统实验,调速范围调速系统的最高转速nmax与最低转速nmin之比D=nmax/nmin,系统的静态特性指标调速范围静差率,26,优质材料,直流调速系统实验,系统的静态特性指标调速范围静差率,静差率系统在某一转速下运行时，负载由理想空载变到额定负载所对应的转速降落nnom与理想空载转速速n0之比。S=(nnom/n0)*100%,27,优质材料,直流调速系统实验,直流调速系统的静态特性直流电动机转速与电动机电磁转矩的静态关系；系统开环和闭环时静态特性不同，闭环更好些；系统闭环时，开环放大倍数不同，静态特性也不同；系统静态特性将影响系统的稳态误差。,本实验通过改变负载电阻值的值来改变直流电动机电磁转矩。直流电动机、直流发电机、直流测速机这三个元件同轴连接而组成机组直流发电机电枢电流与负载电阻值成反比直流发电机的负载转矩与负载电流成正比(Mfz=CmIfz),28,优质材料,系统静态特性,系统动态特性,系统方块图,直流调速系统实验,系统调速原理,系统频率特性,PID调节器的作用,29,优质材料,直流调速系统实验,控制系统的稳定性分析根据系统的数学模型研究其动态性能和稳态性能是否满足性能指标。,经典控制理论中常用的系统分析方法时域法取时间t作为自变量，研究输出量的时间表达式具有直观、准确的优点可提供时间响应的信息频域法,本实验利用时域法进行系统分析，并研究减少误差、提高系统稳态性能的方法。,30,优质材料,直流调速系统实验,系统的时域性能指标在给定信号r(t)的作用下，系统输出量u(t)的变化情况用时域性能指标来描述。时域性能指标是在初始条件为零的情况下，以系统对单位阶跃输入信号的输出响应(称为单位阶跃响应)为依据提出的。,上升时间tr峰值时间tp过渡过程时间ts超调量p,31,优质材料,直流调速系统实验,系统的超调量和阻尼系数存在如下式所示关系，故可通过调节超调量来调节阻尼系数。,为了限制超调量，并使较小，一般会控制系统的超调量在22%28%之间。,32,优质材料,直流调速系统实验,直流调速系统过渡过程的动态性能指标跟随性能指标抗扰动性能指标,直流调速系统加入PID控制器以获得满意的动态性能指标PID不仅适用于数学模型已知的控制系统，而且对大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用。PID控制参数整定方便，结构灵活。随着计算机技术的迅速发展，数字PID控制也已得到广泛和成功的应用。,在单位阶跃信号作用下，对直流调速系统稳定性的分析。通过加入两种校正形式（即PID、PD），并且改变不同的校正参数，分析其对直流调速系统稳定性的影响。,33,优质材料,系统静态特性,系统动态特性,系统方块图,直流调速系统实验,系统调速原理,系统频率特性,PID调节器的作用,34,优质材料,直流调速系统实验,频率特性法：研究待测系统输入正弦信号与输出正弦信号的幅值和相位变化的关系,正弦信号有无穷阶导数，所以正弦信号中包含了位置、速度、加速度等各种作用；控制系统中的各个信号，可以分解成许多不同频率的正弦信号；根据控制系统对不同频率正弦信号的响应，就可以全面地反映出系统的各种性质。,对于线性定常系统，当输入是正弦信号时，其输出也是相同频率的正弦信号，只是二者幅值、相角可能不同。,35,优质材料,直流调速系统实验,应用频率特性法测试控制系统的开环频率特性不必计算其分析式，利用Bode图就能更有效地来反映被测控制系统的动态特性；对于无法取得描述动态特性分析式的某些复杂系统就更为重要,频域法建模：采用实验手段测量系统的频率特性指标，然后通过Bode图建立其数学模型,在对象的输入端加入一定带宽范围内各种频率的正弦波信号，测量其输出信号频率特性数据，就可以分析系统的频率特性。,36,优质材料,直流调速系统实验,本实验采用TD4020频率特性测试仪测量系统频率特性指标TD4020频率特性测试仪组成部分信号发生器频率分析器显示器,系统频率特性测试过程产生一系列不同频率的正弦信号X激励被测对象；测量被测对象的稳态响应Y，逐点获得其频率特性；根据测量数据在Bode图上画出直流调速系统的幅频、相频曲线；用系统辨识方法写出被测对象的传递函数，即可建立直流调速系统的数学模型。,37,优质材料,实验目的,实验原理,实验设备,实验内容,直流调速系统实验,38,优质材料,直流调速系统实验,39,优质材料,直流调速系统实验,系统静态特性测试,直流调速系统静态特性测试的工作方式如下图所示,测试方法：让系统分别处于开环和闭环（S1开关打开或闭合）工作状态。负载在空载时（负载电阻的波段开关在1档位置），调节直流调速系统控制器中的给定电压Ur使电动机转速达到理想空载转速1000转/每分钟（rpm），逐次改变负载电阻的波段开关。逐点记录电动机转速（数值从转速表测量）与电磁转矩M（数值从转矩表测量）数值的变化。它们之间的函数关系为n=f(M),40,优质材料,直流调速系统实验,系统静态特性测试,实验步骤：1、确认直流调速系统控制器电源处于关闭状态；2、将给定电压电位器Ur指针数值调节在5.00；3、将负载电阻的波段开关拨在1档（空载）；4、将反馈极性开关拨向上方（负反馈）；5、按下开环键或闭环键；6、将前置放大器的指针（指针式电位器的数值）K调节在：a.开环时，K3；b.闭环1时，K3；c.闭环2时，K6。7、开环时将PI和PD的拨钮开关拨向上方（不用PID校正）；闭环时将PI和PD的拨钮开关拨向下方（引入PID校正），并设置三个指针式电位器的数值分别为I=6.50、P=9.50、D=6.50；8、接通直流调速系统控制器电源开关；9、调节给定电压电位器指针数值使电机的初始空载转速达到1000rpm；10、改变负载电阻的波段开关（从1档到5档）;11、记录每一次负载电阻变化时引起的电动机电动机转速n与电磁转矩M的变化，填写到实验报告页面给定的表格中；12、关断直流调速系统控制器电源开关；,15,41,优质材料,直流调速系统实验,系统静态特性测试,记录表格如下：,42,优质材料,直流调速系统实验,系统静态特性测试,13、根据记录数据绘出直流调速系统静态特性曲线；,14、根据记录数据求出系统的开环放大倍数Kp和系统的稳态误差ess。,讨论题：这个定值调节系统工作在开环时，突然加一个闭环负反馈，系统转速将发生什么变化；开环放大倍数Kp值对系统稳定的影响，系统跟踪单位阶跃信号时引起的稳态误差。,43,优质材料,直流调速系统实验,44,优质材料,直流调速系统实验,系统动态特性测试,直流调速系统动态特性测试的工作方式如下图所示,测试方法：让系统处于闭环工作状态，负载在空载时（负载电阻的波段开关在1档位置），引入负反馈环节，调节给定电压Ur使电动机转速n达到500-600rpm，在给定电压Ur上叠加一个方波信号，当系统分别加入PID、PD这二种串联校正形式和改变不同校正参数时，从超低频示波器可以观测到1，0和01时的波形。调节PID参数获得理想的阶跃响应曲线，并从曲线中求出Umax、U、tr、tp、ts以及p的值。,45,优质材料,直流调速系统实验,系统动态特性测试,实验步骤：1、确认直流调速系统控制器电源处于关闭状态；2、将给定电压电位器Ur指针数值调节在5.00；3、将负载电阻的波段开关拨在1档（空载）；4、将反馈极性开关拨向上方（负反馈）；5、按下系统闭环键；6、将校正单元中的PI和PD开关拨向下方（引入PID校正），或将校正单元中的PI开关拨向上方同时将PD开关拨向下方（引入PD校正）；7、接通直流调速系统控制器电源开关；8、调节给定电压电位器指针数值使电机初始空载转速达到500-600rpm；9、利用TD4020频率特性分析仪，产生幅值0.6V、频率200mHz的方波信号；10、观测示波器的图形，按实验报告的要求，调节校正参数，使系统的超调量达到22%28%时，在适当的观测点按下示波器的运行/停止键，锁定阶跃响应曲线；（参考数值K=6.0，I=6.2，P=9.5，D=4.6/3.4）11、用示波器的光标方法，测量时域参数Umax、U、tp和ts的值，并求出系统的超调量p，一并填写到实验报告指定页面的表格中；12、关断直流调速系统控制器电源开关；,30,46,优质材料,直流调速系统实验,系统动态特性测试,13、根据时域性能指标的测量值，求出直流调速系统的频率域性能指标、n、c、b，并求出系统的闭环传递函数(s)，一并填写到实验报告指定页面的表格中。,参考：P、I、D、K这四电位器，任何一个指针的数值，直流调速系统的超调量增加，反之亦然。,47,优质材料,直流调速系统实验,系统动态特性测试,二阶控制系统的时域性能指标与频域性能指标关系公式如下：,讨论题：直流调速系统响应速度的快慢与哪些因素有关。,48,优质材料,直流调速系统实验,系统动态特性测试,利用TD4020频率特性分析仪产生方波信号步骤：在发生器（GENERATOR）单元中按波形选择（WAVESELECT）连续三次，在LED显示窗口中显示出，表示发生器的输出为方波信号。在控制面板的右侧，按下频率（FREQ），在数字单元中按数字键200，按下mHz，再按下写入（ENTER），表示方波信号频率为0.2Hz。在控制面板的右侧，按下幅度（AMPL），在数字单元中按数字键0.6，再按下写入（ENTER），表示方波信号幅值为0.6V。在发生器（GENERATOR）单元中按下启动（START），这样TD4020频率特性分析仪就能产生一个电压幅值0.6V，波形频率0.2Hz的方波信号。,49,优质材料,直流调速系统实验,系统动态特性测试,用示波器的光标方法，测量时域参数Umax、U、tp和ts的值：最大偏离量Umax：Uc轨迹从零点起到最大值区段在示波器Y轴上投影的坐标格数；终值U：Uc轨迹从零点起到进入稳态值区段在示波器Y轴上投影的坐标格数；峰值时间（tp）：Uc轨迹从零点起到最大值区段在时间轴上的投影就是峰值时间（用示波器测量可直接显示出时间数值）；过渡过程时间（ts）：找到Uc轨迹进入5%的误差带后不再出来的第一个相交点，从Uc轨迹零点起到这个交点区段在时间轴上的投影就是过渡过程时间（用示波器测量可直接显示出时间数值）。超调量p：根据Umax和U可以求出系统的超调量。,50,优质材料,直流调速系统实验,51,优质材料,直流调速系统实验,系统频率特性测试,测试直流调速系统开环加PID校正时频率特性的工作方式的工作方式如下图所示：,测试方法：在测试调速系统频率特性时，被测调速系统的输入端，施加不衰减的正弦信号u(t)=Amsin(t)，调速系统处于稳态输出过程，其输出信号也为正弦信号，角频率与输入相同，即y(t)=Rmsin(t)。在测试频率特性的过程中，正弦信号每一次角频率的变化，TD4020频率特性分析仪都按、的数学公式计算，并在LED窗口显示出来。,52,优质材料,直流调速系统实验,系统频率特性测试,实验步骤：1、确认直流调速系统控制器电源处于关闭状态；2、将给定电压电位器Ur指针数值调节在5.00；3、将负载电阻的波段开关拨在1档（空载）；4、将反馈极性开关拨向上方（负反馈）；5、按下系统开环键；6、将PI和PD的开关拨向下方（引入PID校正）；7、将系统的各个参数电位器的指针初步分别调节为：K=6.5；I=6.5；P=9.5；D=6.5；=5.08、接通直流调速系统控制器电源开关；9、调节给定电压电位器Ur指针数值使电机初始空载转速速度在500600rpm之间；10、利用TD4020频率特性分析仪，产生幅值0.315V、下限频率300mHz、上限频率8Hz的正弦信号；11、用频率特性分析仪测量频率特性的幅频数值并记录相应数据至实验报告页面给定的表格中；12、关断直流调速系统控制器电源开关；,53,优质材料,直流调速系统实验,系统频率特性测试,幅值（db）相角（）频率（mHz）,54,优质材料,直流调速系统实验,系统频率特性测试,13、根据记录的系统开环频率特性幅频数值绘制系统的开环Bode图：,55,优质材料,直流调速系统实验,系统频率特性测试,讨论题：当c增大时，相角裕度将降低，这样使阶跃响应的超调量增加还是减少，使系统的稳定性变好还是变坏。为了使闭环系统稳定并具有足够的相角裕度，开环对数幅频率特性最好以什么的斜率通过0db线。,14、根据系统的开环Bode图找出系统的转折频率T(T=1/T)、在1=1处（）系统的开环放大倍数Kv、剪切频率c，并根据这些数据求出系统的相角裕度、幅值裕度Kg，以及开环传递函数G(s)。,56,优质材料,直流调速系统实验,系统频率特性测试,利用TD4020频率特性分析仪产生正弦信号步骤：在发生器（GENERATOR）单元中按波形选择（WAVESELECT）一次，在LED显示波