小功率直流電機(jī)調(diào)速綜合設(shè)計

1、電氣工程及其自動化專業(yè)綜合設(shè)計(論文)中文題目黑體二號，居中電氣工程及其自動化專業(yè)綜合設(shè)計(論文)英文題目Arial二號，大寫，居中小功率直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計DESIGN OF SMALL POWER DC SPEED CONTROL SYSTEM學(xué)生姓名嚴(yán)昊學(xué)生學(xué)號20120501145學(xué)院名稱信電工程學(xué)院專業(yè)名稱電氣工程及其自動化指導(dǎo)教師曹言敬、張旭隆2015年12月25日摘要本文對小功率直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計。首先對單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了實驗建模與實驗測試，構(gòu)建了調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；然后采用頻率法為系統(tǒng)設(shè)計超前校正裝置, 并使用Matlab計算機(jī)仿真軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真；最后對校正裝

2、置進(jìn)行了電路設(shè)計與制作，對系統(tǒng)進(jìn)行校正，使系統(tǒng)滿足了性能指標(biāo)要求。其建模、仿真以及校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法簡單易行,對研究其他種類的控制系統(tǒng)校正網(wǎng)絡(luò)具有一定的借鑒作用。關(guān)鍵詞：單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)；建模；超前校正；MATLAB仿真小二號黑體字居中頂格書寫，小四號宋體，“關(guān)鍵詞”三字加粗，各關(guān)鍵詞之間加分號；最后一詞之后不加標(biāo)點(diǎn)符號。目 錄1 緒論11.1 設(shè)計背景11.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)概述11.2 自動控制原發(fā)展歷程11.3 自動控制校正系統(tǒng)11.3.1 校正的概念11.3.2 校正的方式22 設(shè)計任務(wù)32.1 設(shè)計的詳細(xì)任務(wù)32.2 設(shè)計要求33 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計43.1 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理43.1.1

3、調(diào)速系統(tǒng)原理43.1.2 控制結(jié)構(gòu)圖43.2 各部件相關(guān)參數(shù)選擇43.2.1 V-M系統(tǒng)介紹43.2.2 比例放大器53.2.3 整流電路：采用三相橋式全控整流64 調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速指標(biāo)74.1 參數(shù)計算74.1.1 轉(zhuǎn)速控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速指標(biāo)74.1.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性84.2比例放大器84.3 額定勵磁下直流電動機(jī)參數(shù)94.4 誤差分析105系統(tǒng)部件特性測試135.1主要設(shè)備儀器135.2功率放大器特性測定135.3電動機(jī)的傳遞函數(shù)135.4 電動機(jī)死區(qū)電壓Ui測定145.5 電動機(jī)時間常數(shù)Tm測定145.6 電動機(jī)傳遞系數(shù)Km測定146 matlab軟件仿真156.1原系統(tǒng)的閉環(huán)

4、階躍響應(yīng)156.2 系統(tǒng)校正設(shè)計156.3 校正后的系統(tǒng)框圖16結(jié)論18致謝19參考文獻(xiàn)20I大綱級別4級，小四號黑體，單倍行距，段前0.5行，段后0.5行大綱級別1級，小二號黑體，居中，單倍行距，段前0.5行，段后0.5行大綱級別2級，小三號黑體，單倍行距，段前0.5行，段后0.5行1 緒論大綱級別3級，四號黑體，單倍行距，段前0.5行，段后0.5行1.1 設(shè)計背景1.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)概述從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)等多種類型，而各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動控制系統(tǒng)。相比于交流調(diào)速系統(tǒng)，直流

5、調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟。直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。在20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的電力電子技術(shù)，使電能可以變換和控制，產(chǎn)生了現(xiàn)代各種高效、節(jié)能的新型電源和交直流調(diào)速裝置，為工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、樓宇、辦公、家庭自動化提供了現(xiàn)代化的高新技術(shù)，提高了生產(chǎn)效率和人們的生活質(zhì)量，使人類社會生產(chǎn)、生活發(fā)生了巨大的變化。隨著新型電力電子器件的研究和開發(fā)以及先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展，電力電子和電力拖動控制裝置的性能也不斷優(yōu)化和提高，這種變化的影響將越來越大。1.2 自動控制原發(fā)展歷程隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，自動控制已廣泛地用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、軍事等各領(lǐng)域，成為現(xiàn)代技術(shù)的重要組成

6、部分。自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。它的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。二戰(zhàn)期間為了設(shè)計和制造飛機(jī)及船用自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)以及其他基于反饋原理的軍用設(shè)備，進(jìn)一步促進(jìn)并完善了自動控制理論的發(fā)展。到戰(zhàn)后，已形成完整的自動控制理論體系，這就是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入單輸出的線形定常數(shù)系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。20世紀(jì)60年代初期，隨著現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)新成果的推出和電子計算機(jī)的應(yīng)用，為適應(yīng)宇航技術(shù)的發(fā)展，自動控制理論跨入了一個新的階段現(xiàn)代控制理論。它主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數(shù)的最優(yōu)控制問題，主要采用的方法是

7、以狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間法。目前，自動控制理論還在繼續(xù)發(fā)展，正向以控制論、信息論、仿生學(xué)為基礎(chǔ)的智能控制理論深入。1.3 自動控制校正系統(tǒng)1.3.1 校正的概念 當(dāng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、靜態(tài)性能不能滿足實際工程中所要求的性能指標(biāo)時，首先可以考慮調(diào)整系統(tǒng)中可以調(diào)整的參數(shù)；若通過調(diào)整參數(shù)仍無法滿足要求時，則可以在原有系統(tǒng)中增添一些裝置和元件，人為改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能，使之滿足要求的性能指標(biāo)，我們把這種方法稱為校正。增添的裝置和元件稱為校正裝置和校正元件。系統(tǒng)中除校正裝置以外的部分，組成了系統(tǒng)的不可變部分，我們稱為固有部分。1.3.2 校正的方式根據(jù)校正裝置在系統(tǒng)中的不同位置，一般可分為串聯(lián)校正、反饋校正和

8、順饋補(bǔ)償校正。1.串聯(lián)校正校正裝置串聯(lián)在系統(tǒng)固有部分的前向通路中，稱為串聯(lián)校正，如圖1-1所示。為減小校正裝置的功率等級，降低校正裝置的復(fù)雜程度，串聯(lián)校正裝置通常安排在前向通道中功率等級最低的點(diǎn)上。圖1-1串聯(lián)校正2.反饋校正校正裝置與系統(tǒng)固有部分按反饋聯(lián)接，形成局部反饋回路，稱為反饋校正，如圖1-2所示。圖1-2反饋校正3.順饋補(bǔ)償校正順饋補(bǔ)償校正是在反饋控制的基礎(chǔ)上，引入輸入補(bǔ)償構(gòu)成的校正方式，可以分為以下兩種：一種是引入給定輸入信號補(bǔ)償，另一種是引入擾動輸入信號補(bǔ)償。校正裝置將直接或間接測出給定輸入信號R(s)和擾動輸入信號D(s)，經(jīng)過適當(dāng)變換以后，作為附加校正信號輸入系統(tǒng)，使可測擾動

9、對系統(tǒng)的影響得到補(bǔ)償。從而控制和抵消擾動對輸出的影響，提高系統(tǒng)的控制精度。為滿足控制系統(tǒng)的靜態(tài)性能要求，最直接的方法是增大控制系統(tǒng)的開環(huán)增益，但當(dāng)增益增大到一定數(shù)值時，系統(tǒng)有可能變?yōu)椴环€(wěn)定，或即使能穩(wěn)定，其動態(tài)性能一般也不會理想。為此，需在系統(tǒng)的前向通道中加一超前串聯(lián)校正裝置，以實現(xiàn)在開環(huán)增益不變的前提下，系統(tǒng)的動態(tài)性能亦能滿足設(shè)計的要求。 循環(huán)礦漿壓力與柱體背壓的關(guān)系2 設(shè)計任務(wù)2.1 設(shè)計的詳細(xì)任務(wù)建立小功率直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，確立自動控制元部件參數(shù)的測試方法，記錄未校正控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，確定原系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)；用自動控制原理設(shè)計系統(tǒng)校正網(wǎng)絡(luò)并自動控制系統(tǒng)校正裝置參數(shù)的調(diào)整方法

10、。2.2 設(shè)計要求（1）控制性能：控制范圍0最大轉(zhuǎn)速、Ts在開環(huán)的基礎(chǔ)上減少70%、<5% 。 （2）使用儀器：直流穩(wěn)壓電源、示波器 直流電動機(jī)、直流發(fā)電機(jī)（測量轉(zhuǎn)速）、直流穩(wěn)壓電源、示波器、萬用表。 （3）設(shè)計自動控制系統(tǒng)校正網(wǎng)絡(luò)。 （4）根據(jù)設(shè)計好的校正網(wǎng)絡(luò)，采用有源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計校正網(wǎng)絡(luò)電路板（可用LM324，LM358運(yùn)放器）；確定校正網(wǎng)絡(luò)電模擬參數(shù)。 （5）用PROTEL軟件設(shè)計校正網(wǎng)絡(luò)電路板。 （6）校正環(huán)節(jié)的調(diào)試及參數(shù)測試。 （7）設(shè)計報告書需參照徐州工程學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）模板規(guī)定的格式撰寫。 要求內(nèi)容翔實連貫，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，突出技術(shù)細(xì)節(jié)。3 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計3.1 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

11、原理3.1.1 調(diào)速系統(tǒng)原理該系統(tǒng)以直流電機(jī)轉(zhuǎn)速為反饋信號，構(gòu)成轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。在本實驗系統(tǒng)中，用以測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的裝置為測速發(fā)電機(jī)，該裝置可將電動機(jī)實際轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換位于電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號，反饋到系統(tǒng)輸入端。反映轉(zhuǎn)速變化的電壓信號在與期望轉(zhuǎn)速相關(guān)的給定電壓比較后，其偏差信號送入速度調(diào)節(jié)器。速度調(diào)節(jié)器對偏差進(jìn)行控制運(yùn)算后得到的便是控制晶閘管的移相控制電壓Uct，整流橋的觸發(fā)電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖經(jīng)功放后加到晶閘管的門極和陰極之間以改變“三相全控整流”的輸出電壓，進(jìn)而改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而構(gòu)成了速度負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。其原理圖如圖3-1所示。圖3-1調(diào)速系統(tǒng)原理圖3.1.2 控制結(jié)構(gòu)圖有了原

12、理圖之后，把各環(huán)節(jié)的靜態(tài)參數(shù)用自控原理中的結(jié)構(gòu)圖表示，就得到了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖3-2。圖3-2環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.2 各部件相關(guān)參數(shù)選擇3.2.1 V-M系統(tǒng)介紹晶閘管電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱VM系統(tǒng)），其簡單原理圖如圖3-3。圖中VT是晶閘管的可控整流器，它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型。優(yōu)點(diǎn)：通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。缺點(diǎn)：由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難；元件對過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指標(biāo)超過允許值都可能在很短時間

13、內(nèi)損壞元件。此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時還應(yīng)有足夠的余量。圖3-3 V-M系統(tǒng)原理圖3.2.2 比例放大器 運(yùn)算放大器用作比例放大器（也稱比例調(diào)節(jié)器、P調(diào)節(jié)器），如圖3-4，為放大器的輸入和輸出電壓，為同相輸入端的平衡電阻，用以降低放大器失調(diào)電流的影響。 放大系數(shù)為 式（3.1）比例放大器的原理如圖3-4所示。圖3-4 比例放大器的原理圖3.2.3 整流電路：采用三相橋式全控整流三相橋式整流電路如圖3-6。圖3-6三相橋式整流電路三相橋式全控整流電路原理圖如圖所示。三相橋式全控整流電路是由三相半波可控整流電路演變而來的，它由三相半波共陰極接法(VT1，VT3，V

14、T5)和三相半波共陽極接法(VT1，VT6，VT2)的串聯(lián)組合。其工作特點(diǎn)是任何時刻都有不同組別的兩只晶閘管同時導(dǎo)通，構(gòu)成電流通路。接線圖中晶閘管的編號方法使每個周期內(nèi)6個管子的組合導(dǎo)通順序VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。4 調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速指標(biāo)4.1 參數(shù)計算4.1.1 轉(zhuǎn)速控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速指標(biāo)1. 調(diào)速范圍 生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即 式（4.1）2.靜差率 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率s，即 式（4.2）靜差率用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定

15、度。它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越高。調(diào)速范圍和靜差率兩項指標(biāo)并不是彼此孤立的必須同時提才有意義。脫離了對靜差率的要求，任何調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍；反過來，脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。3調(diào)速范圍、靜差率和額定速降的關(guān)系以電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速，若帶額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降落為，則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差，即 式（4.3）于是，而調(diào)速范圍為 式（4.4）將上面的式代入，得 式（4.5）上式即為調(diào)速范圍、靜差和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對于一個調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或值是一定的，如果對靜差率的要求越嚴(yán)，也就是s越小，系統(tǒng)能夠允

16、許的調(diào)速范圍也越小。4.1.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性根據(jù)轉(zhuǎn)速反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系的原理圖3-1得電壓比較環(huán)節(jié)：放大器：晶閘管整流與觸發(fā)裝置：VM系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性：測速發(fā)電機(jī)：放大器的電壓放大系數(shù)；晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的電壓放大系數(shù)；測速反饋系數(shù)，單位為Vmin/r；因此轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式 式（4.6）式中為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，這里是以作為電動機(jī)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)的。靜特性：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系畫出閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3-2所示。從上面分析可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K值對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大，K越大，靜特性就

17、越硬，穩(wěn)態(tài)速降越小，在一定靜差率要求下的調(diào)速范圍越廣。總之K越大，穩(wěn)態(tài)性能就越好。然而，只要所設(shè)置的放大器僅僅是一個比例放大器，穩(wěn)態(tài)速差只能減小，但不能消除，因為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為 式（4.7）只有K=才能使，而這是不可能的。4.2比例放大器 運(yùn)算放大器用作比例放大器（也稱比例調(diào)節(jié)器、P調(diào)節(jié)器），如圖4-1，為放大器的輸入和輸出電壓，為同相輸入端的平衡電阻，用以降低放大器失調(diào)電流的影響。 放大系數(shù)為: 式（4.8）4.3 額定勵磁下直流電動機(jī)參數(shù)（主電路，假定電流連續(xù)）（額定勵磁下的感應(yīng)電動勢）（牛頓動力學(xué)定律，忽略粘性摩擦）（額定勵磁下的電磁轉(zhuǎn)矩）式中 包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，單位

18、為Nm；電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動部分折算到電機(jī)軸上的飛輪力矩，單位為；電動機(jī)額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩電流比，單位為Nm/A；定義下列時間常數(shù)：電樞回路電磁時間常數(shù)，單位為s；電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)，單位為；得電壓與電流間的傳遞函數(shù) 式（4.12）電流與電動勢間的傳遞函數(shù)為 式（4.13）額定勵磁下直流電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4-1。圖4-1 額定勵磁下直流電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由以上分析得穩(wěn)定條件時反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為穩(wěn)定條件為整理后得穩(wěn)態(tài)抗擾上式右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系統(tǒng)，K值超出此值，系統(tǒng)就不穩(wěn)定。根據(jù)上面的分析可知，可能出現(xiàn)系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)都比系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的比放大系數(shù)小，不能同時滿足穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)

19、，又保證穩(wěn)定和穩(wěn)定裕度。為此必須再設(shè)計合適的校正裝置，以改造系統(tǒng)，才能達(dá)到要求。4.4 誤差分析1.比例控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差采用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)控制有靜差調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4-2。當(dāng)時，只擾動輸入量，這時的輸出量即為負(fù)載擾動引起的轉(zhuǎn)速偏差n，可將動態(tài)結(jié)構(gòu)圖改畫的形式如圖4-3。圖4-2 采用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)有靜差速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的一般情況圖4-3 給定為0時采用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 負(fù)載擾動引起的穩(wěn)態(tài)速差如下。這和靜特性分析的結(jié)果是完全一致的。2.積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差將圖4-9比例調(diào)節(jié)器換成積分調(diào)節(jié)器如圖4-10。突加負(fù)載時，于是負(fù)載擾動引起的穩(wěn)態(tài)速差為可見，積分控制的調(diào)

20、速系統(tǒng)是無靜差的。3.比例積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差用比例積分調(diào)節(jié)器控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖4-4-1,4-4-2。圖4-4-1 給定為0時采用積分調(diào)節(jié)器圖的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖4-4-2 給定為0時采用積分調(diào)節(jié)器圖的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖則穩(wěn)態(tài)速差為因此，比例積分控制的系統(tǒng)也是無靜差調(diào)速系統(tǒng)。4.穩(wěn)態(tài)抗擾誤差與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系上述分析表明，就穩(wěn)態(tài)抗擾性能來說，比例控制系統(tǒng)有靜差，而積分控制和比例積分控制系統(tǒng)都沒有靜差。顯然，只要調(diào)節(jié)器中有積分成份，系統(tǒng)就是無靜差的。只要在控制系統(tǒng)的前向通道上在擾動作用點(diǎn)以前含有積分環(huán)節(jié)，則外擾動便不會引起穩(wěn)態(tài)誤差。5結(jié)論綜上所述，我選擇比例積分控制。5系統(tǒng)部

21、件特性測試5.1主要設(shè)備儀器1. 直流穩(wěn)壓電源2. 模擬示波器3. 數(shù)字存儲示波器4. 數(shù)字萬用表5. 毫伏表6. 直流電機(jī)及測速機(jī)7. XSJ-2實驗平臺5.2功率放大器特性測定將信號發(fā)生器接到功放輸入端，并用毫伏表測量輸入信號幅值，功放輸出端接R，用示波器測量輸出端波形，用毫伏表測量輸出端電壓幅值。Vin=2Vpp=0.85V,R=26.7ohm表5-1輸出電壓幅值f/°581623323744/v2.22.22.221.881.81.55據(jù)此可畫出功率放大器的幅頻特性如圖5-1:圖5-1 功率放大器的幅頻特性則5.3電動機(jī)的傳遞函數(shù)因控制電機(jī)電樞繞組電感電動機(jī)轉(zhuǎn)子慣量影響很小，

22、在建立電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型時，常將電樞繞組的電感忽略不計。這樣，電動機(jī)的傳遞函數(shù)可近似用下式表示： 式（5.1）式中-電機(jī)的輸入電壓 -電動機(jī)輸入的角速度。因此，確定了電動機(jī)的時間常數(shù)m和傳遞函數(shù)m，電動機(jī)的傳遞函數(shù)即被確定。5.4 電動機(jī)死區(qū)電壓Ui測定將穩(wěn)壓電源置于最小檔，合上開關(guān)，慢慢增大到電機(jī)剛剛轉(zhuǎn)動，讀下這時的Ui，將電機(jī)的起始位置防在及格不同角度，重復(fù)實驗。將輸入電壓反極性重復(fù)上述實驗，可得到兩個轉(zhuǎn)動方向的死區(qū)電壓平均值和最大值。表5-2正反向電壓正向反向 電壓/v0.60.60.60.6電壓/v0.50.50.40.55.5 電動機(jī)時間常數(shù)Tm測定在開環(huán)系統(tǒng)中，由于放大器都可以認(rèn)為是

23、無慣性環(huán)節(jié)，直接操縱開關(guān)對電動機(jī)施加階躍輸入作用，將測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓接到存貯示波器保存，記錄電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化的階躍響應(yīng)曲線。根據(jù)這條曲線從0上升到穩(wěn)態(tài)值的0.632倍的時間即是Tm。記錄階躍響應(yīng)曲線時，間斷操作時間開關(guān)，輸入不同幅值的階躍信號，記錄不同輸入對應(yīng)的Tm值。表5-3不同階躍信號對應(yīng)的Tm帶大慣性輪負(fù)載Vin/v51015Ts/ms120117120Tm/ms403940Tm平均值/ms405.6 電動機(jī)傳遞系數(shù)Km測定直接利用直流測速發(fā)電機(jī)來測量轉(zhuǎn)速,該測速發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)系數(shù)t。因此，電動機(jī)的傳遞系數(shù)： 式（5.2）表5-4對應(yīng)的/v51015/v9.620.231.3得出:

24、Km=2所以原系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)=k1*ke*km/s*(Tm*s+1)=31.2/s*(0.04s+1)6 matlab軟件仿真6.1 原系統(tǒng)的閉環(huán)階躍響應(yīng)1. 原系統(tǒng)閉環(huán)階躍響應(yīng)的matlab仿真系統(tǒng)框圖如圖6-1。圖6-1 校正前的系統(tǒng)框圖2.運(yùn)行系統(tǒng)得到階躍響應(yīng)圖如圖6-2。圖6-2 原系統(tǒng)的閉環(huán)階躍響應(yīng)由圖可得：% =(7.4-5)/5*100%=48 %、s= 450-100=350ms，所以原系統(tǒng)無法滿足指標(biāo)要求，需要進(jìn)行校正。6.2 系統(tǒng)校正設(shè)計通過引入比例環(huán)節(jié)，能迅速反應(yīng)誤差，減少穩(wěn)態(tài)誤差，減少調(diào)節(jié)時間。引入微分環(huán)節(jié)能抑制誤差，防止過沖而導(dǎo)致振蕩。所以選擇超前校正

25、環(huán)節(jié)對系統(tǒng)進(jìn)行校正，利用PD的相角超前特性，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。PD校正器的傳遞函數(shù)為: ，式中 a>1?？梢圆捎妙l率法求解傳遞函數(shù)：對于原系統(tǒng)有:得出w0=28 rad/sr0=180°-90°-arctan(0.04w0)= 42°系統(tǒng)的最大超前角:=r-r0+15°=60°所以又L(wc)=0 得:Wc=54 rad/sWm=Wc=54 rad/s所以得出校正器的傳遞函數(shù)為: 6.3 校正后的系統(tǒng)框圖1.校正后的系統(tǒng)框圖如圖6-3。圖6-3校正后的系統(tǒng)框圖2.通過運(yùn)行系統(tǒng)可得到它的階躍響應(yīng)如圖6-4。由圖可以看出Ts=50ms,(3

26、50-50)/350*100%=85%>70%,滿足要求；%=(5.2-5)/5*100%=4%<5%，滿足要求。所以此系統(tǒng)符合系統(tǒng)指標(biāo)要求。如圖6-5為校正器原理圖，圖中Kp=(Rf+Ri)/Ri=1.2，aT=(Rf/R1+R2)*c=0.04，T=R2*c=0.003。求得:Ri=43k，Rf=10k，R1=6k R2=300ohm，C=10uf。運(yùn)行后的階躍響應(yīng)圖如圖6-4。圖6-4校正后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)3.用protel畫的校正器原理圖如下圖6-5。圖8-3校正器原理圖標(biāo)題黑體小二，居中，單倍行距，段前0.5行，段后0.5行；內(nèi)容宋體小四，行距固定值20磅。結(jié)論在實驗過程中不免遇到各種問題，需要認(rèn)真觀察與分析，排除各種問