(完整word版)直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書系部名稱：學(xué)生姓名：專業(yè)名稱：班 級(jí)：直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)要求:利用PID控制器、光電傳感器及F/V轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。要求：給定直流小電機(jī)，設(shè)計(jì)模擬 PID控制器，利用傳感器檢測(cè)速度(ST15、LM331),搭建成閉環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。(1) 階躍響應(yīng)的超調(diào)量：(T %<20%;(2) 階躍響應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間：ts=1s± 0.02so、設(shè)計(jì)方案分析1方案設(shè)計(jì)：器材:電路板、PID控制器、小型直流電機(jī)、LM331、ST151各一片電阻、電容若干、導(dǎo)線、LM324若干原理框圖：輸出輸入注：1. 輸入電源信號(hào)與反映電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的電壓信號(hào)

2、的反饋調(diào)節(jié)電壓信號(hào)，作為共同輸入，通過PID控制器調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。2. 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪，葉輪通過轉(zhuǎn)動(dòng)在光電傳感器處產(chǎn)生脈沖信號(hào)并輸入給 F/V轉(zhuǎn)換器；F/V轉(zhuǎn)換器將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，將此作為反饋信號(hào)然后通過PID控制器對(duì)輸出電壓進(jìn)行校正。2、背景知識(shí)介紹：(1)選題背景及意義在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)一直在現(xiàn)代化生產(chǎn)和生活中起著十分的重要的作 用。無論是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)備，還是在 日常的生活中的家用電器，都大量地使用著各種各樣的電動(dòng)機(jī)。 對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制 可分為簡(jiǎn)單控制和復(fù)雜控制兩種，簡(jiǎn)單控制是只對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、制動(dòng)、正反 轉(zhuǎn)控制和順序控制。這類控制可

3、通過繼電器、可編程控制器和開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)。 復(fù)雜控制是只對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩，電壓、電流等物理量進(jìn)行控制，而且有時(shí) 往往需要非常精確的控制。以前對(duì)直流的簡(jiǎn)單控制的應(yīng)用很多， 但是，隨著現(xiàn)代 步伐的邁進(jìn)，人們對(duì)自動(dòng)化的要求越來越高，使直流電機(jī)的PID控制控制逐漸成 為主流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。(2)系統(tǒng)校正系統(tǒng)校正，就是在系統(tǒng)中加入一些參數(shù)可以根據(jù)需要而改變的機(jī)構(gòu)或裝置， 使系統(tǒng)整個(gè)特性發(fā)生改變，從而滿足給定的各項(xiàng)性能指標(biāo)，在系統(tǒng)校正中，當(dāng)系 統(tǒng)的性能指標(biāo)以單位階躍響應(yīng)的峰值時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量、阻尼比、穩(wěn)態(tài)誤 差等時(shí)域特征量給 出時(shí)，一般采用的 是根軌跡校 正法，實(shí)驗(yàn)所用軟 件為 MA

4、TLAB、EWB軟件，使用MATLAB軟件繪制系統(tǒng)校正前后的根軌跡圖，系 統(tǒng)的閉環(huán)階躍響應(yīng)，觀察系統(tǒng)校正前后的各項(xiàng)性能指標(biāo)是否滿足系統(tǒng)所需性能指 標(biāo)，在Simulink界面下或使用EWB軟件對(duì)校正前后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)行， 觀察 系統(tǒng)輸出曲線的變化。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常用的校正方法為串聯(lián)校正和反饋校正， 串聯(lián)校正比反 饋校正設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，也比較容易對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種必要形式的轉(zhuǎn)換，特別在直流控制 系統(tǒng)中，由于傳遞直流電壓信號(hào)，適合采用串聯(lián)校正。在確定校正裝置的具體形 式時(shí)，根據(jù)校正裝置所需提供的控制規(guī)律選擇相應(yīng)的元件， 常常采用比例、微分、 積分控制規(guī)律，或基本規(guī)律的組合，如比例微分、比例積分等。而本次

5、課題選擇 的正是PID即比例積分微分控制器。三、硬件設(shè)計(jì)：總體仿真電路：1、PID比例積分微分控制器電路(1) PID控制器的簡(jiǎn)單介紹PID 是比例 P(Proportional)、積分(Integral)、微分 D (DifferentialorDerivative)控制的簡(jiǎn)稱。在PID調(diào)節(jié)器作用下，我們可以對(duì)誤差信號(hào)分別進(jìn)行 比例、積分、微分控制，調(diào)節(jié)器的輸出作為被控對(duì)象的輸入控制量。PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)和電路連接如下圖所示，在式中，Kp為比例增益，Ti 為積分時(shí)間，Td為微分時(shí)間。PID傳遞函數(shù)：GgKp 1 + 亠 +加L Tis PID電路連接：(2) PID控制器參數(shù)的確定PID

6、 控制是比例、積分、微分控制的總體，而各部分的參數(shù)Kp、Ti、Td大小不同則比例、微分、積分所起作用強(qiáng)弱不同。在工業(yè)過程控制中如何把三參數(shù)調(diào) 節(jié)到最佳狀態(tài)需要深入了解 PID控制中三參量對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。以單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為例，討論各參量單獨(dú)變化對(duì)系統(tǒng)控制作用的影響。 在討論一個(gè)參量變 化產(chǎn)生的影響時(shí)，設(shè)另外兩個(gè)參量為常數(shù)。PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響:作用缺點(diǎn)加快調(diào)節(jié),減少窈態(tài)覽楚性下痔.甚亍造園為有逞彗.積分調(diào) 節(jié)就磁行直至無煮尢笫度*111入積曲詢節(jié)訶悝 系撓穩(wěn)定性下降，小 畚響應(yīng)變慢.積分柞 用常與折兩神調(diào)節(jié) 規(guī)捧第合.ffl戚PI 謂節(jié)器或PID惴節(jié)反映系址俯信號(hào) 變化率R仃世虬 性,能

7、預(yù)見flii并査優(yōu) 怕趨勢(shì),因址能產(chǎn)生 闕囲舸控制作用.可 以科少翅謂.臧少調(diào) 節(jié)吋間*就分什旳對(duì)喘門 擾有放貞件用.因此 過強(qiáng)的加微分洲很 對(duì)舷抗1擾丘利f 儆分柞用不能申M 使用"需要與另外蒔 種調(diào)節(jié)規(guī)芳料目艄 G第歳PD或PID 拎;M.影響TiTdU態(tài)性能蘭.fl不能梢K能衣大餐令比?？?制.小動(dòng)態(tài)性能度.(1會(huì)引圧左小合K聽 足，丸大會(huì)龍玄刃益小曹大.乂演時(shí)間K-整制規(guī)律的送擇對(duì)于一階嵋性環(huán)節(jié)，倉(cāng)荷變換不大*工藝要求不高，可采用比例控制*例如F壓力再菠禮控制.* 對(duì)于一階慣性開節(jié)與覲滯后環(huán)節(jié)串聯(lián)的對(duì)錶，負(fù)荷變化不大*控制楠度驀求高.可采川比釧枳分 控制對(duì)于純滯后綾大.倉(cāng)荷變

8、化恢大.控制要攣高的場(chǎng)含.可采用比例微分控?zé)?知義汽溫度控制. PH值控制-當(dāng)對(duì)象為離階又有潘岸特性吋，控制要求髙，呦采用円D挖制并運(yùn)用多種控制級(jí)聯(lián)乎段.通過仿真PID控制器參數(shù)確定如下K=50 T i=0.47 T d =0.022、直流電機(jī)放大電路通過電流放大電路使小電機(jī)可以正常運(yùn)行其中NPN三極管Q1采用9013。具體電路如下圖：3、反饋電路(1)光電轉(zhuǎn)換器ST151光電轉(zhuǎn)換器ST151是單光束直射取樣式光電傳感器，采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和復(fù)合晶體管組成，性能可靠；體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，多應(yīng)用于多費(fèi)率電能表，IC卡電度表等各種需測(cè)量計(jì)數(shù)的場(chǎng)合。ST 151ST151實(shí)物圖ST151內(nèi)部

9、結(jié)果圖在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪時(shí)，通過光電傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有定頻率的脈沖信號(hào)，再將該脈沖信號(hào)傳送給FN轉(zhuǎn)換器LM313。(2)頻率電壓變換器 LM331LM331是美國(guó)NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比比較高的集成芯片。它是當(dāng)前最簡(jiǎn)單的一種高精度V/F轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長(zhǎng)時(shí)間積分器以 及其它相關(guān)的器件。LM331雙列直插式8引腳芯片，其引腳框圖如圖1所示。OUTio*歡tffi訪冋http : /ww*. Slkai fa. comVcc荊密 電流鏡CCVLm331邏輯框圖Lm331各引腳功能說明如下：腳1為脈沖電流輸出端，內(nèi)部相當(dāng)于脈沖恒流源，脈沖寬度與內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)電路

10、相 同；腳2為輸出端脈沖電流幅度調(diào)節(jié),RS越小，輸出電流越大；腳3為脈沖電壓輸出端，OC門結(jié)構(gòu),輸出脈沖寬度及相位同單穩(wěn)態(tài),不用時(shí)可懸空或接地；腳4為地；腳5為單穩(wěn)態(tài)外接定時(shí)時(shí)間常數(shù) RC ;腳6為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)脈沖輸入端，低于腳7電壓觸發(fā)有效，要求輸入負(fù)脈沖寬度小于單穩(wěn)態(tài)輸出脈沖寬度Tw ;腳7為比較器基準(zhǔn)電壓，用于設(shè)置輸入脈沖的有效觸發(fā)電平高低；腳8為電源Vcc ,正常工作電壓范圍為440V。線性度好,最大非線性失真小于0. 01 % ,工作頻率低到0. 1Hz時(shí)尚有較好的線性；變換精度高數(shù)字分辨率 可達(dá)12位；外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成 V/ F或F/ V 等變換電路，并

11、且容易保證轉(zhuǎn)換精度。由LM331構(gòu)成的頻率一電壓轉(zhuǎn)換電路如圖 4所示，輸入脈沖fi經(jīng)R1、C1 組成的微分電路加到輸入比較器的反相輸入端。輸入比較器的同相輸入端經(jīng)電阻R2、R3分壓而加有約2Vcc/3的直流電壓，反相輸入端經(jīng)電阻 R1加有Vcc的直 流電壓。當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來時(shí)，經(jīng)微分電路R1、C1產(chǎn)生一負(fù)尖脈沖疊加到反相輸入端的Vcc上,當(dāng)負(fù)向尖脈沖大于Vcc/3時(shí)，輸入比較器輸出高電平使 觸發(fā)器置位，此時(shí)電流開關(guān)打向右邊，電流源IR對(duì)電容CL充電，同時(shí)因復(fù)零晶 體管截止而使電源 Vcc通過電阻Rt對(duì)電容Ct充電。當(dāng)電容CL兩端電壓達(dá)到 2Vcc/3時(shí)，定時(shí)比較器輸出高電平使觸發(fā)器復(fù)位，

12、此時(shí)電流開關(guān)打向左邊，電 容CL通過電阻RL放電，同時(shí)，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，定時(shí)電容Ct迅速放電，完成一次充放電過程。此后，每當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來時(shí)，電路重復(fù)上述的工作過 程。從前面的分析可知，電容CL的充電時(shí)間由定時(shí)電路 Rt、Ct決定，充電電流 的大小由電流源IR決定，輸入脈沖的頻率越高，電容CL上積累的電荷就越多輸 出電壓（電容CL兩端的電壓）就越高，實(shí)現(xiàn)了頻率一電壓的變換。按照前面推導(dǎo) V/F表達(dá)式的方法，可得到輸出電壓 VO與fi的關(guān)系為：VO=2.09RIRtCtfi/Rs電容C1的選擇不宜太小，要保證輸入脈沖經(jīng)微分后有足夠的幅度來觸發(fā)輸入比 較器，但電容C1小些有利于提高轉(zhuǎn)換電路的

13、抗干擾能力。電阻RL和電容CL組成低通濾波器。電容CL大些，輸出電壓V0的紋波會(huì)小些，電容CL小些，當(dāng)輸 入脈沖頻率變化時(shí)，輸出響應(yīng)會(huì)快些。這些因素在實(shí)際運(yùn)用時(shí)要綜合考慮。在本次實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)/V轉(zhuǎn)換器LM331是將ST151傳送過來的具有一定頻率的脈沖 信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓，通過調(diào)節(jié)電路，最后反饋給PID控制器。實(shí)際仿真電路如下:C4噸.LiubJiR116 Sc .>T£：<P-L：5. HluF.F：1Q .1ED：. uTE：7R、C3 T7 1D.U cT£：TR4 R9 - IONDCUTTHP.F.EFIR-CFOUTCUIMU2.id：.>TE：lT

14、V .F：13 . $lk . >TE：rR：4、LM324放大器本課題采用的運(yùn)算放大器均為 LM324 （四運(yùn)放集成電路），它采用了 14腳 雙列直插塑料進(jìn)行封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互單獨(dú)。每一組運(yùn)算放大器可用如圖所示的符號(hào)來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“ +” -”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、 “V”為正、負(fù)電源端， “Vo為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相反；Vi+ （ +）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324引腳排列見圖。（同相輸入端）A

15、V-Lm324管腳圖在電路設(shè)計(jì)時(shí)，將FN轉(zhuǎn)換器LM331輸出的電壓反饋信號(hào)經(jīng)Lm324放大反饋到電路中；4和11管腳分別接+12V,-12V電源。四、軟件設(shè)計(jì)：首先用Simulink模塊搭建直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，通過改變PID模塊中的Kp、T、Td參數(shù)來調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間以滿足課題要求。其中由于 Simulink其中的模塊種類限制，對(duì)于直流電機(jī)，在實(shí)際焊接以及Proteus仿真之前，用一個(gè)慣性環(huán)節(jié)模型代替。示波器（scope）輸出波形:ScopeIsgi ipp asia白垢ITime offset: 0在確定了 Kp、T、Td三個(gè)參數(shù)之后，再通過 MATLA建模編程來畫出具體圖

16、形，對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)來比較不同參數(shù)下輸出信號(hào)圖形的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間， 最終確定具體的參數(shù) Kp=50 T i=0.47 T d =0.02編程如下：>> num=2*50*0.47*0.02 2*50*0.47 2*50;>> den=2*50*0.47*0.02+0.47 2*50*0.47+2*0.47 2*50;>> sys=tf( nu m,de n)Tran sfer function:0.94 sA2 + 47 s + 1001.41 sA2 + 47.94 s + 100>> step(sys)>>grid所得最終圖形:之后根據(jù)計(jì)算公式確定PID控制器的具體電阻和電容的數(shù)值大小，運(yùn)用EWB仿真軟件搭建硬件電路，進(jìn)行初步仿真，進(jìn)而根據(jù)輸出波形對(duì)電阻、電容再次進(jìn)行微調(diào)，等達(dá)到課題要求之后慢慢縮小誤差EWB仿真設(shè)計(jì)圖如下：JNRQtimT1*W1-9二二吉接著根據(jù)EWB方真電路運(yùn)用Proteus再次進(jìn)行仿真，這次可以加入直流電機(jī) 來更加貼近實(shí)際情況觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在仿真正確后進(jìn)行實(shí)際的硬件焊接和調(diào)試 了。五、測(cè)試數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)結(jié)果：當(dāng)輸入電壓時(shí)，輸入電壓