电压转角机电伺服控制系统实训报告

自动控制原理与系统课程实训电压转角机电伺服控制系统的分析学院（系） 专业 姓名 学号 目 录一、课题简介二、控制系统的组成与工作原理三、课程实训的任务与要求四、控制系统数学建模五、数学模型的仿真六、控制系统的性能分析七、心得体会八、参考资料一、 课题简介电压转角伺服控制系统是一类小功率位置随动实验装置，在高校和科研院、所的自动化实验室中可以看到它们的应用。利用这套设备不仅可以完成一些验证性实验（需要设置必要的外部接口和测试孔），例如位置伺服实验、直流电机调速实验、运算放大器性能实验、PID校正实验和功率放大器性能实验；也可以做一些设计性、研究性的实验，比如将其与计算机接口，从而对一些控制方法进行研究。这类实验设备有多种成型产品，被普遍用于教学和科研。机电伺服系统主要用于小功率伺服控制。驱动负载能力和响应速度偏低是这类控制方式的缺点。但在信号检测、传递、处理以及新控制策略再生等方面表现的灵活性、准确性、和经济性是其它控制方式所不能比拟的。二、 控制系统的组成与工作原理电压转角机电伺服控制系统的电气原理如图所示。该系统的输入量是给定的电压信号，输出量是直流伺服电动机SYL5的转角。运算放大器A741构成控制系统中的PI校正环节，可以增大系统的开环增益，从而提高系统的稳定精度。功率放大器由前置放大器MC1536和三级互补跟随器组成，具有较高的输入阻抗。系统中除了设置位置反馈外还设置了速度反馈，用来增加系统阻尼，减小伺服电机的时间常数，改善传递特性的线性度。从而进一步提高系统的动、静态品质。被控对象是直流伺服电机，它与反馈电位计和测速发电机同轴相连。该系统具有输出转角跟随输入电压变化的功能：当输入信号与位置反馈信号出现差值时，位置偏差信号经PI校正环节后与速度反馈信号比较，得到的速度偏差经功率放大后驱动直流伺服电机旋转，同时带动位置反馈电位计和测速发动机一起转动。最终消除偏差，伺服电机停止在与输入信号相应的位置上。位置反馈和速度反馈分别由电位计WHJ1.5k、测速发电机70CYD-1和速度反馈分压电位计完成。由于反馈元件的精度对闭环控制系统的性能有着重要影响，应该选用性能稳定、精度高的元、器件作为反馈元件。电压转角伺服控制系统的电气原理图该系统的主要技术参数为：位置反馈精度 0.2%； 功率放大器输出幅度 20V； 直流伺服电机堵转力矩 0.5Nm： 测速发电机线性误差 1%：直流伺服电机空载转速 8rad/s； 测速发电机增益 1.15Vs/rad三、 课程实训的任务与要求1、建立系统的数学模型。要求数学模型用方框图表示。2、为了说明PI校正和速度反馈的作用，采用MATLAB语言中的仿真工具SIMULINK 对系统进行分析，在分析中将考察三种系统结构（有一种结构涉及两种不同的PI、K2和参数）对两种输入信号的响应。结构A：原系统中去掉PI校正环节和速度反馈环节；结构B：原系统中去掉PI校正环节；结构C1：原系统中（=12，=100，=10，=0.6）；结构C2：原系统中（=20，=10，=20，=1.0）；两种输入信号是单位阶跃函数和方波信号（幅值4V，频率4HZ）要求分别给出三种系统结构在SIMULINK下的仿真框图，设定各环节的参数进行仿真计算。仿真结果可以在示波器（SCOPE）中显示，也可以用PLOT()函数将MATLAB工作空间的计算数据以图形的方式绘制出来。3、进一步对三种系统的稳定性、稳态精度和响应速度进行分析。4、按上面的要求完成实训报告。四、控制系统数学建模1.系统的数学模型 根据上面的原理图可得相应的传递函数方框图，如下图所示。各环节数学模型的结构是已知的，模型中的参数可通过实验确定。取 R1 =1.2M，C=0.1F，则PI校正环节的传递函数为 其它参数有些兼顾系统性能而定，有些可以通过实验求得，具体数值为：功率放大器增益 =10；伺服电机传递系数 = 2.83rad/（VS）；测速发电机传递系数 =1.15 VS /rad；伺服电机机电时间常数 = 0.1s；位置反馈电位计增益 = 4.7V/rad；伺服电机电磁时间常数 = 4ms；速度反馈分压系数= 0.6；至此，可以得到系统的传递函数。五、 数学模型的仿真结构A（原系统中去掉PI校正环节和速度反馈环节）的数学仿真模型。结构A的单位阶跃信号的响应。结构A方波（4V 0.5Hz）响应结构C 正弦波（1V , 1Hz）响应结构B：原系统中去掉PI校正环节的数学仿真模型。结构B 单位阶跃响应结构B 方波（4V 0.5Hz）响应 结构B 正弦波（1V 1Hz）响应结构C1：原系统中（=12，=100，=10，=0.6）结构C 单位阶跃响应结构C 方波（4V , 0.5Hz）响应结构C 正弦波（1V , 1Hz）响应六、控制系统的性能分析该系统在功率方面已经满足需求，下面只针对控制系统 的稳定性、稳态精度和响应速度做一些分析： （1）结构 A 结构 A的开、闭环传递函数分别为用MATLAB语言中的ROOTS（）函数可以求出该系统的闭环极点 = 245.35， = 2.33 36.74j 显然，系统是稳定的，因为所有闭环极点都分布在 s 平面的左半面，而且共轭复数极点 是系统的闭环主导极点。这样，该系统可简化为一个二阶系统，其固有频率和阻尼比为 = 37 rad/s， = 0.063 由此可以计算出该系统时域、频域性能指标可以验证，上述理论计算与仿真结果是相符的（频域响应略）。 结构 A的性能取决它的两个特征参数固有频率和阻尼比。该系统的阻尼比太小，在时域响应中表现为超调量大、振荡次数多和调节时间长。系统虽然是稳定的，但稳定裕量很小。由于该结构是型系统，可无静差地跟踪阶跃输入。至于响应速度，由于系统频宽为57rad/s（近似为9Hz），在图8.17中表现为可以跟踪相应的方波信号。 （2）结构 B 结构 B的开、闭环传递函数和闭环极点分别为= 6.69， = 121.66 186.86j系统是稳定的，而且实数极点 是系统的闭环主导极点。这样，该系统简化为一个一阶系统，系统的时间常数T = 0.15s。因此有 = 加入速度反馈以后，系统闭环极点在 s 平面上的位置发生了变化。与结构A相比，闭环主导极点由一对离j轴较近的复数极点变成一个离j轴较远的实数极点，这表明系统的稳定性增加了，调节时间也将被缩短。同时，速度反馈增加了系统的阻尼，因而也降低了系统的频宽，在方波响应中表现出无法跟踪相应的方波信号（幅值衰减和相位滞后都比较大）。由于结构 B仍是型系统，无静差地跟踪阶跃输入是必然的。 （3）结构C 结构C选择了两种设计参数，同样可以求出它们的开、闭环传递函数和闭环极点： = 9.43，= 100.93，= 70.12 173.55j = 0.5，= 87.61，= 81.24 380.31j在结构C1中，系统是稳定的。PI校正不仅使系统由型系统变成型系统，提高了系统的无差度，而且对闭环极点进行了合理配置，即引入闭环零点 s = 8.3削弱了闭环极点 = 9.43的惯性作用，使此时的闭环系统近似为三阶系统。比较闭环极点到j轴的距离可知，复数极点 = 70.12 173.55j 的作用要大于实数极点 = 100.93的作用，而且结构C1的响应速度大于结构B的响应速度，时域响应说明了这一点。 在结构C2中，对上述过程做了