直流电动机转速自动控制系统试验报告

1、设计报告正文第一章 直流电动机转速自动控制系统的组成原理1.1广义对象的组成原理111被控对象直流电动机工作原理和被控制量1 、被控对象：电动机被控量：电动机的转速电刷换向片绕组线圈主磁极2、直流电动机的原理：基于电磁感应定律，即：运动导体切割磁力 线，在导体中产生切割电势；或者说匝线链线圈的磁通发生变化，在线全中产生感应电势N极下到导体中的电流流出纸面，用 心表示。S极下到导体中的电流流出纸面，用 ：表示载流导体在磁场中受到电磁力的作 用。如果导体在磁场中的长度为 L,其中流过的电流为i,导体所在的磁通密度 为B,那么导体受到的磁力的值为F=BLI式中，F的单位为牛顿（N）； B的单位为韦伯

2、/米 2（ Wb/m2） ;L的单位为米（m）; I的单位为安（A）； 力F的方向用左手定则来确定。1.1.2功率放大器的组成原理功放的作用是通过对控制信号的功率放大以产生足够的功率来驱动执行机构。 功率放大器的工作原理就是利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控 制作用将电源的功率将电源转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同 振幅和不同频率的波，即流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的B倍，B是三极管的交流放大倍数。应用这一点，若将小信号注入基极，则集 电极流过的电流会等于基极电流的B倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原来的B倍的大信号，这种现象成

3、了功率放大。 而场效应管则是栅极变化一毫伏，原极电流变化一安，就成称跨导为1功率放大器就是利用这些作用来实现小信号来控制大信号，从而使多级放大器实现 了大功率输出，并非真的将功率放大了。1.1.3测速元件工作原理因此电刷两端的感应电势与电机的转速成正比，即电势值能表征转速的大小， 因此直流测速发电机可以把转速信号转换成电视信号，从而用来测速。测速装置由电机，光栅盘，等组成。1.2广义对象数学模型的建立1.2.1广义对象时间响应特性的测试1.2.1.1测试实验原理图输入> G(s)(s)G(s)=N(s) 输出量(s)G（ s）=(s)=N（s）输入量（s）（可以消除干扰）1-(s)121

4、.2测试过程与方法来确定系统的时域法：通过测量对应特定输入信号的系统输出响应, 传递函数。按t1/t2的值估计结构形式30i.当t1/t2<0.32可以用一阶惯性环节近似*)=農,丁=弟，附加汽时间死区延迟)ii.当 0.32<T1/T2<0.46 可以用环节近似G(S)=(T1S 1)(T2S 1)'T1+T2=(t1+12)/2.16,T1 T2/ (T1+T2) 2=(1.74*t1/t2-0.55)2 t1 +12iii.t1/t2=0.46,G(S)=K/(ToS+1)2, To=- 兰4.36iv.t1/t2>0.46,G(S)=K/(TS+1),n

5、=( 1075些+0.5)21-t1/t2n 为整数T=2.16 n121.3测试结果曲线转速为2000转/分时的曲线:T1时刻三张截图：T2时刻的三张截图N (0)及N (%)的截图：当前转速稳态值C（X）=1992稳态时间ts=0.11s0.8C( s) C(0)+C(0)=16600.4C(x ) C(0)+C(0)=1074计算得:t = 0.02,t2 = 0.06,0.320.33 ： 0.460.08T1 T20.0 3 72.16T仃22(T1 T2)-0.0 2 9n T1=0.0 0 1,T2 = 0.0 3 59系统闭环传递函数为：十 0(s)0995(0.0011S+1

6、)(0.0359S+1)综上，系统数学模型可近似为二阶惯性系统系统 开环 传 递函 数G0(s)二1 - :：Jo(s)0.995(0.0011s 1)(0.0359s 1) - 0.995第二章 单闭环转速控制系统分析计算2.1未校正闭环控制系统的结构图简单模型建立的步骤有：1）建立模型窗口。2）将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口，对模块进行连接，从而构成需要的系统模块2.2未校正系统的稳定性分析未加校正时闭环系统稳定性分析 用劳斯判据：S峰值时间tp阶跃响应曲线第一次越过稳态值而达到峰点需要的时间。 .超调量(T % 阶跃相应超出稳态值的最大偏差量与稳态值之比的百分数，即(T %=h(t

7、P)-叶：)x 100%h(°°) 0.00003949 11s 0.0370s0 0.0370可以判断出系统稳定。未加校正时闭环系统的稳态误差分析式中h(tp)为h (t )的最大峰值；h( g)为h(t)的稳态值；若h( g)=1时，超 调量即为(T %一般情况下，超调量愈大，系统的瞬态响应振荡得越厉害，因此，超调量的大小在一定程度上反映了系统振荡的趋势。(3) .调节时间ts响应到达并停留在稳态值的 -5%吴差范围内所需的最小时间。调节时间又称为过渡过程时间。(4) .延迟时间td响应曲线h(t)上升到达稳态值的50%所需要的时间， 叫做延迟时间(5) .上升时间tr

8、 响应曲线第一次上升到稳态值所需要的时间，叫做上升 时间。(6) .稳态误差ess当时间t趋于无穷时，系统稳态响应的希望值与实际值之 差，叫做稳态误差。由于稳态误差与输入形式有关，故这里采用一般表示形式， 设输出稳态希望值用Cr (二)表示，输出稳态实际值用 C (：)表示，则稳态 误差表达式为：ess= c r ( ：) - c (：)上述六项性能指标中，延迟时间td，上升时间tr和峰值时间tp均表征系统响 应初始段的快慢；调节时间ts表征系统过渡过程持续的时间，从总体上反映了系统的快速性；超调量S%是反映系统响应过程的平稳性；稳态误差则反映了 系统复现输入信号的最终（稳态）精度。今后我们侧

9、重以超调量，调节时间和 稳态误差这三项指标，分别评价系统单位阶跃响应的平稳性，快速性和稳态精 度。如果某些系统要求响应过程单调上升，并逐步逼近希望值，即Cr=C （：）,也就是要求S %=0, ess=O时，则对系统的结构形式和元，部件参数均有严格要 求。因此，根据不同的具体情况，不同的系统，对稳，准，快的要求可以不同。一般来说，对同一个系统稳，准，快是相互制约的。提高过程的快速性，可能 会引起系统的强烈振荡；改善了系统的平稳性，过程又可能很滞缓，甚至使用、 稳态精度很低，如何来分析和解决这些矛盾，将是此次课程设计的主要内容。2.3系统稳态误差计算:：Je(s)11 Go(S)0.000039

10、49s20.037s 0.00520.00003949s0.037s 12000 : e(s) =2000 ：e(s) =10rad s2.4系统动态质量指标计算2.4.1用闭环零、极点分布表计算； , ts将传递函数化为零极点式：化(s) =09950.00003949s2 +0.037s + 1 其中：c %=h(tp) -h(")x 100%=0h®)ess=10rad242用开环L(w)、(J、c表计算二% , taOJsOJwmJZLLBude DiaoramI iiiuh I I I I IIM i !> > * r i iI I I I lllil

11、 I I. I I.III!a k iaialif U| | I | B| | I I I 1*11 I I I 9 l»il fa I I I d Ivli b I I I liliSystem: gFrequency (radfsec): 30 .Maitude (dB): -D.947h laldkjm bi-丄丄 J. U JJL -l j l 11 Ik I. j山 41-.L_L I pl_ ,1 I MFLSystem: g；Frequency (rad/secX 32.2Phase (deg): '09.9未加校正系统Bode图第三章 转速控制系统的校正3.1

12、 校正方式的比较与选择选PI校正：(1) 附加负实根极点，使s %减小，使系统响应速度降低，tp增 大。(2) 附加负实根零点，使S %增加，使系统响应速度降低，tp减 小。(3) 闭环增益改变，对动态性能无影响。(4) 加比例环节可以提高系统增益。(5) 加积分环节可以减慢系统的调节时间。3.2用Bode图选择串联校正装置结构和参数如果比例控制系统的静差达不到设计要求，这时可以加入积分作 用。在整定时积分系数K1由小逐渐增强，观察输出会发现，系统的静 差会逐渐减少甚至消除，知道消除静差的速度满意为止。注意这时的 超调量会比原来加大，应适当的降低一点比例系数Kpo3.3用局部反馈校正选择校正装

13、置结构和参数第四章用MATLAB/simulink对转速控制系统仿真研究仿真操作方法在MATLAB/Simulink下进行仿真计算。Simulink模块库简介1、建立空白文档。2、模型窗口 1）信号源2）连续模块3）离散的模块4）函数和表格5）算术运算6）非线性模块7）汇出点8）信号与系统9）子系统3、将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口，对模块进行连接， 从而构成需要的系统模型。4、用示波器观察控制系统 Simulink仿真结果转速自动控制系统的 仿真程序4.1未加校正装置的转速控制系统的仿真分析计算单位阶跃响应MATLA仿真i'iuil- 0,. 995;derCO. 000039

14、49 0. 037005;nu3n, den =cloop (num, den);step(num, den)Griditlabel CT tT )ylabel Kt) *位阶跌响应MATLAB仿真)由图得：ess=0, . % =0, t s =0.19s4.2加串联校正装置时转速控制系统设计仿真结果分析:由图得：ess=3.7%,-% =0ts=0.16s经过给系统加PI校正，仿真后，由仿真结果可知系统的延迟得到改善基本上消除了延迟环节，系统ts<0.5s, S %<5% 说明所加的校正装置 改善了原来系统的质量指标所选的参数也基本符合要求，但出现了静 态误差。一般我们所选的参

15、数都大于实际值这是机器和数据传输中产生 的误差，我们可以忽略.第五章 转速控制系统的校正装置实现和系统运行调试5.1校正装置的实现5.1.1用模拟运算放大电路实现（线路图、电阻电容初步选 择）电路形式:数掳锁存器5.1.2计算机编程实现校正（校正装置的差分方程）数字PI调节规律数字化。1 tpi 微分方程 U (t) = kpe(t) + 0e(t)dtTi一T nt采样周期 T 令t = nT U(t)二 kp e(nT) ' e(iT)Ti i=0位置式：U(nT)二U(nT) -U(n-1)T二 Kpe(nT) - e(n - 1)T Te(nT) e(n- 2)T Ti增量式：

16、U(n T)二 U (nT) U( n -t)T5.2计算机控制系统调试运行5.2.1模拟控制系统调试运行5.2.1.1实验连接线路图 5.2.1.2调试步骤将数学模型换成电机，将加入的校正环节（数学模型），换成实际中的电 机将原记录的参数加入得到图像，观察是否与仿真后的图像相吻合。521.3调试结果分析(1)仿真测试(不正确的)不正确的数据:不正确的仿真图:0.010105Q0B0.07010E(2)仿真测试(不正确的)不正确的数据:不正确的仿真图:(3)仿真测试(正确的)正确的数据:Oain2InlegiratrTi-aikEl1 &t FenF&i-inet era,二

17、Fniirtiiran Rlnrk P-dramri-«*rK： Trian»fi*r Fmrlx a-xpr«£5：ian. for nniir-atorr vac4ar a-s; 讪也hI 耳 ther of twe gGatftlclfor dlesndE|0.怦D-encnhinalSr3. DC003W 0. OST 0. OOHJLbsolui B tol4TABlCft :inp Bloclk&K£utctl结果分析:3Ijiffkxilaiujn12g校正后电机转速图所选参数：Kp=1.2, Td=180ms Ti=Om

18、s.由图得：ess=oc% =0t s=0.12s第六章 结束语6.1课程设计的收获和体会通过本次课程设计，我们将理论与实践更好的联系起来，通过不断 尝试校正，不断修改参数，我们从中掌握了PID校正的一般规律，并且加深了对理论知识的理解。虽然针对自己的实验结果只用到了PI校正，但是，在实践过程中我将 PI,PD,PID校正都实践了，因此收获 很大。经过本次自动控制原理实验的学习，我对 MATLAB 当中的 SIMLINK 有了全新的认识，那是一个用来对动态系统进行建模、仿 真和分析的软件包。同时通过课程的学习，复习了 SIMLINK 中的各 个环节的操作，掌握了改变步长和算法的基本分析方法。作为整个学习体系的有机组成部分，课程设计虽然安排在两周进