《电力拖动自动控制系统》课程设计报告

1、电力拖动自动控制系统课程设计报告(1)目 录、前言21. 1设计目的21. 2设计内容2二、伺服系统的基本组成原理及电路设2三、调试后的图、设计心得与体会8五、参考文献14电力拖动自动控制系统课程设计报告、前言11设计目的和要求1. 使学生进一步掌握电力拖动自动控制系统的理论知识，培养学生工程设计能力 和综合分析问题、解决问题的能力；2 使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能 力；3 熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。1.2设计内容1、分析和设计具有三环结构的伺服系统，用绘图软件（matlab）画原理图还 有波形图；2、分析并理解具

2、有三环结构的伺服系统原理。二、伺服系统的基本组成原理及电路设计21伺服系统基本原理及系统框图伺服系统三环的PID控制原理以转台伺服系统为例，其控制结构如图2-1所示，其中r为框架参考角位置输 入信号，0为输出角位置信号.r 一c一位置环一速度环9控制器控制器速度反馈元件执行机构 功放和直涼力矩电机彼控对象负载椎架Lr士疋 r 4一$?I I I In 一 I HI ml In ml ,7 ml BBiBi I BIBaiBBS Inurly In图21转台伺服系统框图伺服系统执行机构为典型的直流电动驱动机构，电机输出轴直接与负载转 动轴相连，为使系统具有较好的速度和加速度性能，引入测速机信号作

3、为系统的 速度反馈，直接构成模拟式速度回路由高精度圆感应同步器与数字变换装置构 成数字式角位置伺服回路.图22伺服系统位置环框图转台伺服系统单框的位置环，速度环和电流环框图如图22图23和图24所示.图23伺服系统速度环框图士疋 r 4一$?I I I In 一 I HI ml In ml ,7 ml BBiBi I BIBaiBBS Inurly InKi图24伺服系统电流框图图中符号含义如下：r为位置指令；0为转台转角；K“为PWM功率放 大倍数；Kd为速度环放大倍数；K,为速度环反馈系数；K,为电流反馈系 数；L为电枢电感；R为电枢电阻；K,”为电机力矩系数；Q为电机反 电动势系数；J为

4、等效到转轴上的转动惯量；b为粘性阻尼系数,其中 J=J, + JL , b=b,+bLf血和人分别为电机和负载的转动惯量,乞和勺分别为电机和负载的粘性阻尼系数；7；为扰动力矩， 包括摩擦力矩和耦合力矩。士疋 r 4一$?I I I In 一 In HI ml In ml ,7 ml 111 I 111 Inurly In假设在速度环中的外加干扰为粘性摩擦模型：Ff (t) = Fe sgn(&)+&控制器采用PID控制+前馈控制的形式，加入前馈摩擦补偿控制表示为：“/(/) = *sgn(&式中,伤和久为粘性摩擦模型等效到位置环的估计系数，该系数可以根据经 验确定，或根据计算得出。被控对象为一

5、个具有三环结构的伺服系统，伺服系统系数和控制参数在程序中给出描述,系统采样时间为1ms。取M=2,此时输入指令为正弦叠加信号： rtt) = Asin(2XFz) + 0.5Asin(0.5XFr), 其中 A=05, F=0.5.考虑到L和C的值很小，前馈补偿系数耳和冷等效到摩擦力矩端得系数可近似写为：G曲= K“xKdX%xK”xKc式中,Kr为经验系数，摩擦模型估计系数Fc!和bcl为:0 = %加系统总的控制输出为:u(t) = up(t) + uf(t)式中,作为PID控制的输出，其三项系数为=15, ,=0.1, 5=15程序如chapOl控制系统的simulink程序：chapO

6、l,如图25和图26所示。图25三环控制的simulink仿真程序伺服系统的模拟PD+数字前馈控制士疋 r 4一$?I In 11 - I HI I In I II I! I 11 1_1urlh I图2-6电机模型的simiilink仿真程序(1) 带摩擦无前馈补偿时的仿真。正弦叠加信号跟踪如图31和图32所示，由于 静摩擦的作用，在低速跟踪存在“平顶”现象，速度跟踪存在“死区”现象。(2) 带摩擦有前馈补偿时的仿真。正弦叠加信号跟踪如图33和图34所示，采用 PID控制加前馈控制可很大程度地克服摩擦的影响，基本消除了位置跟踪的“平顶” 和速度跟踪的：死区，实现了较高的位置跟踪和速度跟踪精度

7、。伺服系统的模拟PD+数字前馈控制原理针对三环伺服系统，设电流环为开环，忽略电机反电动系数，将电阻R等效到 速度环放大系数Kd上。简化后的三环伺服系统结构框图如图2-7所示，其中U为控 制输入。图2-7简化后的三环伺服系统结构框图 采用PD加前馈控制方式，设计的控制规律如下：u = kdk (r-0)-kxO + / +/ =kxe-k2e+f .+/ .lr 2rlr 2r式中, k严 kp , k2=kdkv 9 e = r-0 o1 _0Js2 +bs u即 Joh0* =u将控制律带入上式，得：f .+f -丿&-伙.+b)0k.e = Olr 2r取：f =k2+b 9 fl=J得到

8、系统的误差状态方程如下:J0 + (k2 + b) e+ kxe = 0由于 J0, k2+b0 90则根据代数稳定性判据，针对二阶系统而言，当系统闭环特征方程式的系数都大于 零时，系统稳定，系统的跟踪误差Mt)收敛于零。被控对象为一个具有三环结构的伺服系统。伺服系统参数和控制参数在程序中给出 描述，系统输入信号的采样时间为1ms,输入指令为正弦叠加信号： r(r) = Asin(2XFr),其中A=1为控制器的输出，伺服系统参数为：J = 2.0kg m2, b=0.50,任=2.0，=15，灯=6.则/1=心+5,/, = J o 程序如 chap02如图28.曲线图35,曲线图36,曲线

9、图37.Position Loop图28三调试后的波形图士疋 rII 一II HI I In I I In I 11 1_1 H IJIIII0511522.5图3-2正弦叠加信号跟踪2535图3-3正弦叠加信号跟踪0.511.522.5335图3d 正弦叠加信号跟踪枣庄an业学院毕业设计（2tTI8士疋 r 4一$?I In 11 - I HI I In I II I! I 11 1_1urlh I图3-6与图3-7四、设计心得与体会两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学的知识，也培养了 我如何把握一件事情，如何去做一件事情，又如何较好地完成一件事情。在设计过 程中，与同学

10、分工设计，与同学相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学 会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职 业工作前一个必不可少的一个过程。“千里之行始于足下”，通过这次设计，我深深 体会这句千古名言的真正含义。我用两周的时间认真的进行课程设计，学会脚踏实 地地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。通过这次电机拖动自动控制系统课程设计，本人学到了伺服系统三环的PID控 制原理。伺服系统执行机构为典型的直流电动驱动机构，电机输出轴直接与负载转 动轴相连，为使系统具有较好的速度和加速度性能，引入

11、测速机信号作为系统的速 度反馈，直接构成模拟式速度回路。由高精度圆感应同步器与数字变换装置构成数 字式角位置伺服回路。在这次设计过程中，体现自己能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用, 突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加 以弥补。在此感谢我们的杨阳老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学 习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思维给予我无尽的启迪；这次的每 个实验细节和每个数据都离不开老师的信心指导，帮助我能够很顺利的完成课程设 计。五、参考文献1 先进PID控制及其MATLAB仿真电子工业出版社 20022.电力拖动自动控制系统机械工业出版社 2003i 毕业论文（设计）成绩评定表I姓 名学号专 业毕业论文（设计）题目指导教师评价：建议成绩:指导教师签名：月 日评阅教师评价：建议成绩：评阅教师签名：年 月日士疋 r 4一$