自動控制系統(tǒng)1

1、 自動控制系統(tǒng)課程設計任務書中北大學課 程 設 計 說 明 書學生姓名： xxx 學 號： 學 院： 中北大學 專 業(yè)： 自動化 題 目： 直流電機位置隨動系統(tǒng)設計 （第六組） 姚舜才指導教師： 職稱: 副教授 2013 年 12 月 9 日 中北大學信息商務學院課程設計任務書 2013-2014 學年第 一 學期 學 院： xxx 專 業(yè)： 自動化 學 生 姓 名： xxx 學 號： 課程設計題目： 直流電機位置隨動系統(tǒng)設計 （第六組） 起 迄 日 期： 12月 9 日 12月20日 課程設計地點： 德懷樓七層實驗室 指 導 教 師： 姚舜才 下達任務書日期: 2013年 12月 9日課 程

2、 設 計 任 務 書1設計目的：設計一個位置隨動系統(tǒng)，使用工程設計方法，使其達到相應的技術指標要求。2設計內容和要求（包括原始數據、技術參數、條件、設計要求等）：一、設計參數第一組第二組第三組第四組第五組第六組靜阻力矩MH(Nm)3550658095100轉動慣量 JH(kgm2)6090100110120110最大跟蹤速度 m(1/s)1.41.61.51.41.51.6最大跟蹤加速度 m(1/s2)1.751.751.751.751.651.6靜態(tài)位置誤差 ec(deg)0.30.30.30.30.30.3靜態(tài)速度誤差 er(deg)0.50.50.50.50.50.5最大跟蹤誤差em (

3、deg)0.81.01.01.11.21.2電流環(huán)超調 (%)555555速度環(huán)超調(%)101010101010位置環(huán)超調(%)303030303030位置環(huán)過渡過程時間 ts(s)0.60.60.60.80.81.0短期干擾力矩 MT(Nm)506570758085系統(tǒng)位置檢測元件采用變壓器式自整角機組合Kbs=50V/rad，相敏整流器采用二極管環(huán)形整流器，Kph由計算確定，Tph=0.002s，功率放大器采用橋式PWM變換器，Ks=20， Ts=0.0004s, 系統(tǒng)采用位置、速度、電流三環(huán)結構，電流反饋系數=2V/A ，Toi=0.001s速度反饋系數=0.064V.s/rad,To

4、n=0.001s。二、供選擇的直流電動機參數Pnom(W)V nom(V)Inom(A)nnom(r/min)Jd(kgm2)Z2-214001105.5910000.023Z2-226001107.6910000.026Z2-3180011010.0210000.029Z2-32100011013.2310000.0323設計工作任務及工作量的要求包括課程設計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等：三、設計要求 1、計算并選擇電動機型號及調節(jié)器的結構參數； 2、畫出系統(tǒng)的電氣原理圖（標明各環(huán)節(jié)參數，計算機制圖，推薦使用Protell軟件）； 3、畫出系統(tǒng)的動態(tài)結構圖（標明各環(huán)節(jié)參數）； 4、利

5、用MATLAB軟件對所設計的系統(tǒng)進行驗證，給出仿真結果； 5、利用Bode圖近似畫法，繪制系統(tǒng)的對數頻域漸近特性； 6、對比（4）、（5）的圖形并說明其異同； 7、提交設計說明書。 課 程 設 計 任 務 書4主要參考文獻：l 要求按國標GB 771487文后參考文獻著錄規(guī)則書寫，例：1 傅承義，陳運泰，祁貴中.地球物理學基礎.北京：科學出版社，1985 5設計成果形式及要求：提交設計說明書，并給出計算過程以及各種電路圖，仿真圖結果。6工作計劃及進度：年 月 日 月 日 月 日 月 日月 日 月 日月 日 月 日月 日 月 日 答辯或成績考核基層教學組織審查意見： 簽字： 年 月 日 一、實驗

6、目的設計一個位置隨動系統(tǒng)，使用工程設計方法，使其達到相應的技術指標要求2、 實驗設計要求 1、計算并選擇電動機型號及調節(jié)器的結構參數； 2、畫出系統(tǒng)的電氣原理圖（標明各環(huán)節(jié)參數，計算機制圖，推薦使用Protell 軟件）； 3、畫出系統(tǒng)的動態(tài)結構圖（標明各環(huán)節(jié)參數）； 4、利用MATLAB軟件對所設計的系統(tǒng)進行驗證，給出仿真結果； 5、利用Bode圖近似畫法，繪制系統(tǒng)的對數頻域漸近特性； 6、對比（4）、（5）的圖形并說明其異同；7、提交設計說明書。三、位置隨動系統(tǒng)的概念 位置隨動系統(tǒng)也稱伺服系統(tǒng)，是輸出量對于給定輸入量的跟蹤系統(tǒng)，它實現的是執(zhí)行機構對于位置指令的準確跟蹤。位置隨動系統(tǒng)的被控量

7、(輸出量)是負載機械空間位置的線位移和角位移，當位置給定量(輸入量)作任意變化時，該系統(tǒng)的主要任務是使輸出量快速而準確地復現給定量的變化，所以位置隨動系統(tǒng)必定是一個反饋控制系統(tǒng)。 位置隨動系統(tǒng)是應用非常廣泛的一類工程控制系統(tǒng)。它屬于自動控制系統(tǒng)中的一類反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。隨著科學技術的發(fā)展，在實際中位置隨動系統(tǒng)的應用領域非常廣泛。例如，數控機床的定位控制和加工軌跡控制，船舵的自動操縱，火炮方位的自動跟蹤，宇航設備的自動駕駛，機器人的動作控制等等。隨著機電一體化技術的發(fā)展，位置隨動系統(tǒng)已成為現代工業(yè)、國防和高科技領域中不可缺少的設備，是電力拖動自動控制系統(tǒng)的一個重要分支。二位置隨動系統(tǒng)的基本組成1

8、.電位器式位置隨動系統(tǒng)的組成下面通過一個簡單的例子說明位置隨動系統(tǒng)的基本組成，其原理圖如圖1-1所示。這是一個電位器式的小功率位置隨動系統(tǒng)，有以下五個部分組成：圖1-1 電位器式位置隨動系統(tǒng)原理圖（1）位置傳感器 由電位器和組成位置傳感器。是給定位置傳感器,其轉軸與操縱輪連接，發(fā)出轉角給定信號；是反饋位置傳感器，其轉軸通過傳動機構與負載的轉軸相連，得到轉角反饋信號。兩個電位器由同一個直流電源供電，使電位器輸出電壓和，直接將位置信號轉換成電壓量。誤差電壓反映了給定與反饋的轉角誤差，通過放大器等環(huán)節(jié)拖動負載，最終消滅誤差。（2）電壓比較放大器（A） 兩個電位器輸出的電壓信號和在放大器A中進行比較與

9、放大，發(fā)出控制信號。由于是可正可負的，放大器必須具有鑒別電壓極性的能力。輸出的控制電壓也是可逆的。(3)電力電子變換器（UPE） 它主要起功率放大的作用（同時也放大了電壓），而且必須是可逆的。在小功率直流隨動系統(tǒng)中多用P-MOSFET或IGBT橋式PWM變換器。對于大功率位置隨動系統(tǒng)，會用到可逆的脈寬調制式PWM變換器。(4)伺服電機（SM） 在小功率直流隨動系統(tǒng)中多用永磁式直流伺服電機，在不同情況下也可采用其它直流或交流伺服電機。大功率隨動系統(tǒng)中也可采用永磁式直流伺服電機，由伺服電機和電力電子變換器構成可逆拖動系統(tǒng)是位置隨動系統(tǒng)的執(zhí)行機構。(5)減速器與負載 在一般情況下負載的轉速是很低的，

10、在電機與負載之間必須設有傳動比為的減速器。在現代機器人、汽車電子機械等大功率設備中，為了減少機械裝置，傾向于采用低速電機直接傳動，可以取消減速器。以上五個部分是各種位置隨動系統(tǒng)都有的，在不同情況下，由于具體條件和性能要求的不同，所采用的具體元件、裝置和控制方案可能有較大的差異。四、三環(huán)隨動系統(tǒng)的基本組成 1.三環(huán)隨動系統(tǒng)的基本組成：系統(tǒng)可分為以下八個部分：1位置環(huán)我們只分析它的數學模型，不會把它作具體介紹?？梢越茷橐浑A慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數為 2位置傳感器 模擬隨動系統(tǒng)的位置傳感器如前所述，大體可以分為兩種，電位器和基于電磁感應原理的位置傳感器。基于電磁感應原理的位置傳感器有自整角機、旋轉變壓器

11、、感應同步器等，是應用比較廣泛的模擬式位置傳感器，可靠性和精度都比較高。本次設計采用的位置傳感器是自整角機。自整角機是角位移傳感器，在隨動系統(tǒng)中總是成對應用的。與指令軸相聯的自整角機稱為發(fā)送機，與執(zhí)行軸相聯的稱作接收機。按用途不同，自整角機可分為力矩式自整角機和控制式自整角機兩類。力矩式自整角機可以不經中間放大環(huán)節(jié)，直接傳遞轉角信息，一般用于微功率同步旋轉系統(tǒng)。對功率較大的負載，力矩式自整角機帶動不了，可采用控制式自整角機，將自整角接收機接成變壓器狀態(tài)，其輸出電壓通過中間放大環(huán)節(jié)帶動負載，組成自整角機隨動系統(tǒng)。下面簡單分析本次設計使用的控制式自整角機的工作原理和使用。先看單相自整角機的結構和工

12、作原理。它具有個單相勵磁繞組和一個三相整步繞組，單相勵磁繞組安置在轉子上，通過兩個滑環(huán)引入交流勵磁電流，勵磁磁極通常做成隱極式。這樣可使輸入阻抗不隨轉子位置而變化。整步繞組是三相繞組，一般為分布繞組，安置在定子上，它們被此在空間相隔，并接成Y形。BST為自整角發(fā)送機，BSR為自整角接收機。本次模型中采用的自整角機的放大系數。自整角機本身的檢測誤差。傳遞函數為式（4-2），是簡單的線性函數在數學模型將不會出現，但在計算穩(wěn)態(tài)誤差時將會用到自整角機的參數。自整角機還包括相敏整流器URP，可以把它當作自整角機的一部分，相當于一個電壓放大器，并反映的極性，放大系數2，當然它在數學模型中也不會出現。3電壓

13、比較放大器（A）這是位置隨動系統(tǒng)所必須有的裝置。它的作用是發(fā)出控制信號，由于可正可負。放大器必須具有鑒別電壓極性的能力，輸出的控制的電壓也是可逆的。放大系數，函數關系。這個簡單的函數關系也不會在數學模型中出現。4電力電子變換器（UPE） 起功率放大作用，而且是可逆的。PWM變換器有可逆和不可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等。在本次大功率隨動系統(tǒng)中選取雙極式控制的橋式可逆PWM變換器，因為是大功率系統(tǒng)變換器采用可關斷晶閘管。采用PWM的調速系統(tǒng)發(fā)展越來越成熟，用途也很廣，與單純的晶閘管調速系統(tǒng)相比有很多優(yōu)點1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；2）開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波

14、少，電機損耗及發(fā)熱都較小；3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調速范圍寬，可達1:10000左右；4）若與快速響應的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強；5）功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高；6）直流電源采用不控整流時，電網功率因數比相控整流器高。 橋式可逆PWM變換器的原理圖本次設計采用的PWM變換器的開關頻率=2500，即失控時間=0.4，失控時間已經非常小，大大提高了系統(tǒng)的快速性，所以時間常數這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個一階慣性環(huán)節(jié)（其中=），傳遞函數為 5電流調節(jié)器（ACR）按工程設計法選擇典型I型系統(tǒng)，PI調節(jié)器。

15、傳遞函數為 6轉速調節(jié)器（ASR）按工程設計法選擇典型I型系統(tǒng)，選用PI調節(jié)器。傳遞函數為 7位置調節(jié)器（AWR）按工程設計法和位置系統(tǒng)的校正，典型II型系統(tǒng)，選用PID調節(jié)器。傳遞函數為 8伺服電機（SM）基于本次設計的大功率隨動系統(tǒng)選擇永磁式直流伺服電機，即直流他勵電動機，型號為Z2-21，銘牌參數，。伺服電機可視為一個二階系統(tǒng)，分為兩個傳遞函數,，一部分為電機電樞近似成一階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數為 一部分為傳動裝置近似為積分環(huán)節(jié)，傳遞函數為 9負載負載就不做具體介紹，它也是系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的被控位置對象，我們主要研究它的數學模型。傳遞函數近似為積分環(huán)節(jié) 隨動系統(tǒng)功率大，采用低轉速的直流伺服電機

16、，所以本設計取消減速器。 五、三環(huán)隨動系統(tǒng)的數學模型的建立三環(huán)隨動系統(tǒng)結構圖六、三環(huán)隨動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數計算已知直流他勵電動機，型號為Z2-21，銘牌參數，。電力電子變換器的增益，電壓放大器的增益，相敏整流器的放大系數由計算決定。自整角機的放大系數。計算過程如下：電動機的額定效率為 電動機的電樞電阻為 電動機的電動勢系數為 電動機的轉矩系數為 位置隨動系統(tǒng)的靜態(tài)結構框圖（未考慮校正裝置）七、三環(huán)隨動系統(tǒng)電流調節(jié)器的設計1電流環(huán)結構圖的簡化 在圖4-4中，在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數遠小于機電時間常數，因此轉速的變化往往比電流變化慢的多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的的擾動，在電流的瞬

17、變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即 。這樣在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，也就是說，可以暫且把反電動勢的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結構框圖，可以證明，忽略反電動勢對電流作用的近似條件是 式中電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。 由于比小的多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數為 電流環(huán)簡化的近似條件為 2電流調節(jié)器的結構選擇 首先考慮應把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，可以看出，采用I型就夠了。再從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值

18、，而對電網電壓波動的及時抗擾作用只是次要因素。為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，即應選擇典型I型系統(tǒng)。 如圖4-6所示,為電流環(huán)的動態(tài)結構框圖。圖4-6表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然采用PI型的電流調節(jié)器，其傳遞函數可以寫成 為了讓調節(jié)器零點與控制對象的大時間常數極點對消，選擇 電流環(huán)的動態(tài)結構框圖則電流環(huán)的動態(tài)結構框圖便成典型形式，其中 繪出了校正后的開環(huán)對數幅頻特性。上述結果是在假定條件下得到的，現將用過的假定條件歸納如下，以便具體設計時校驗。電力電子變換器純滯后近似處理 忽略反電動勢變化的動態(tài)影響 電流環(huán)的小慣性群的近似處理 如果實際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標不同

19、，參數當然應作相應的改變。3電流調節(jié)器的參數計算可以看出，電流調節(jié)器的參數是和其中已選定，待定的只有比例系數可根據所要的動態(tài)性能指標選取。在三環(huán)隨動系統(tǒng)中，已知有，,電流反饋系數。希望電流超調量，可以使動態(tài)響應更快。 所以電流調節(jié)器的參數為所以有 于是，ACR的比例系數為 4校驗的近似條件已知電流環(huán)的截止頻率電力電子變換器純滯后近似條件為 忽略反電動勢變化的動態(tài)影響的近似條件為 電流環(huán)的小慣性群的近似處理的條件為 所以計算出的電流調節(jié)器的傳遞函數為 =但有兩個校驗條件不滿足，可知系統(tǒng)的參數需要整定。我們可以看出計算得到的電流調節(jié)器的比例系數與給定的一致但時間常數不一致。我們要通過仿真分析出兩個

20、電流環(huán)的不同。八、三環(huán)隨動系統(tǒng)轉速調節(jié)器的設計1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數電流環(huán)經簡化后可視作轉速環(huán)的一個環(huán)節(jié)，我們可以求出它的閉環(huán)傳遞函數 忽略高次項， 可降階近似為 近似條件為 式中轉速環(huán)的開環(huán)頻率特性的截止頻率。接入轉速環(huán)內，電流環(huán)等效的輸入量為，因此電流環(huán)在轉速環(huán)中應等效為 這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數的一階慣性環(huán)節(jié)，這就表明，電流的閉環(huán)控制對象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)控制的一個重要功能。 轉速環(huán)的動態(tài)結構圖2轉速調節(jié)器的選擇 在第三章已經提到，同直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的調節(jié)器選擇不同，在電流和轉速兩個環(huán)之外還有位置環(huán)，所以轉

21、速環(huán)也應設計成典型I型系統(tǒng)，選擇PI調節(jié)器。其傳遞函數為 3轉速調節(jié)器參數的計算此時的轉速環(huán)可以等效為所示的結構圖。同樣選擇，可滿足系統(tǒng)的快速響應，。所以有轉速環(huán)的時間常數為 , 按設計要求，選用PI調節(jié)器按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數為 轉速開環(huán)增益為 所以轉速環(huán)的比例系數為 131.74.檢驗近似條件轉速截止頻率為電流環(huán)傳遞函數簡化條件 轉速環(huán)小時間常數近似處理條件 所以經工程計算法得到的轉速調節(jié)器的模型為 =計算后得到的轉速調節(jié)器與給定轉速調節(jié)器相比比例系數一樣，但是時間常數不一樣，同時不滿足電流環(huán)簡化的近似條件，我們也會在仿真中兩套參數下的系統(tǒng)做出比較。

22、9、 三環(huán)位置隨動系統(tǒng)的MATLAB仿真 給定參數的三環(huán)隨動系統(tǒng)的結構圖如圖5-9所示電流環(huán)傳遞函數的伯德圖與奈奎斯特圖轉速環(huán)傳遞函數的伯德圖與奈奎斯特圖三環(huán)隨動系統(tǒng)的結構框圖用MATLAB仿真結果如圖5-10所示。如圖5-10 所示三環(huán)隨動系統(tǒng)的階躍響應曲線?？v坐標表示位移，單位為米。橫坐標表示時間，單位為秒。圖5-10 三環(huán)隨動系統(tǒng)的仿真圖 由圖5-10可知系統(tǒng)的跟隨性能指標為：超調量13.95%，調節(jié)時間0.0335，峰值時間0.0423。如圖5-12所示三環(huán)隨動系統(tǒng)的階躍響應曲線?？v坐標表示位移，單位為米。橫坐標表示時間，單位為秒。 由圖5-12可知系統(tǒng)的跟隨性能指標： 超調量12.5

23、%，調節(jié)時間0.042，峰值時間0.046。經計算的電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器組成的三環(huán)隨動系統(tǒng)的結構圖如圖5-11所示。圖5-11 經計算的電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器組成的三環(huán)隨動系統(tǒng)的結構圖用MATLAB仿真結果如圖5-12所示。圖5-12 經計算的電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器組成的三環(huán)隨動系統(tǒng)的仿真圖十、 MATLAB仿真結果分析首先比較電流環(huán)的仿真圖，圖5-2的階躍響應曲線的超調量要比圖5-4的要大，而前者的調節(jié)時間要比后者小，峰值時間相差不大?？芍o定的電流環(huán)的動態(tài)響應要比經計算得到的電流環(huán)的要慢，而且后者有系統(tǒng)誤差，可見前者的穩(wěn)定性和動態(tài)響都要好于后者。驗證計算時不滿足校驗近似條件的正確性。再比較直流雙閉環(huán)的仿真圖，明顯看出經計算得到的雙閉環(huán)系統(tǒng)的振蕩次數多，穩(wěn)定性不好