直流电动机转速自动控制系统实验报告

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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1.1.1 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 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/米2（Wb/m2）;L

2、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倍，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）是原来的倍的大信号，这种现象成了功率放大。而场效应管则是栅极变化一毫伏，原极电

3、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_-输出nG(s) G(s)= G（s）= 输入G(s)n (s)= （可以消除干扰）1.2.1.2测试过程与方法时域法：通过测量对应特定输入信号的系统输出响应，来确定系统的

4、传递函数。 按t1/t2的值估计结构形式i. 当t1/t20.32可以用一阶惯性环节近似G(S)=,T=，附加e-ts(时间死区延迟)ii. 当0.32T1/T20.46,G(S)=K/(TS+1)n，n=（+0.5）2 n为整数T=1.2.1.3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（）=1992 稳态时间ts=0.11s 0.8C()C(0)+C(0)=1660 0.4C()C(0)+C(0)=1074 计算得： 综上，系统数学模型可近似为二阶惯性系统系统闭环传递函数为：系统开环传递函数为：第二章 单闭环转速

5、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。D/A电压放大功率放大开关直流电机2.2 未校正系统的稳定性分析一、 未加校正时闭环系统稳定性分析用劳斯判据：s2 0.00003949 1s1 0.037 0s0 0.037 0可以判断出系统稳定。二、 未加校正时闭环系统的稳态误差分析 图2.1 稳态误差分析图(1).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。(2).超调量% 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 %= 100%式中

6、为h（t）的最大峰值； h()为h(t)的稳态值；若h()=1时，超调量即为 %。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%误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 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

7、出稳态希望值用cr（）表示，输出稳态实际值用c（）表示，则稳态误差表达式为： ess= cr（）- 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%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%=0, ess=0时，则对系统的结构形式和元，部件参数均有严格

8、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ess=s=2000=10rad2.4 系统动态质量指标计算2.4.1 用闭环零、极点分布表计算，将传递函数化为零极点式：其中：%= 100%=0ess=10rad2.4.2 用开环、表计算， 未加校正系统Bode图第三章 转速控制系统的校正3.1 校正方式的比较与选择选PI校正：（1） 附加负实

9、根极点，使%减小，使系统响应速度降低，tp增大。（2） 附加负实根零点，使%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Kp。3.3 用局部反馈校正选择校正装置结构和参数第四章 用MATLAB/simulink对转速控制系

10、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MATLAB仿真由图得：ess=0, =0, ts =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

11、=3.7%， =0 ts=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ts0.5s, %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：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。PI微分方程 位置式：增量式：5.2计算机控制系统调试运行5

12、.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。 5.2.1.3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：（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：正确的仿真图：结果分析： 校正后电机转速图所选参数：Kp=1.2, Td=180ms Ti=0ms.由图得： ess=0， =0 ts=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

13、，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行，但并不具有绝对独立的意义。它的一个重要功能，在于运用学习成果，检验学习成果。运用学习成果，把课堂上学到得系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和想法。检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到得有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实际依据。6.2 建议 1、建议课程设计安排在学完此课程的下一个学期，这样大家可以对课程的有一个全方位的了解，也能保证课程设计的质量。 2、在以后的学习中，希望有更多的机会能参加实践，提高动手能力，为就业多做准备。 27