自動(dòng)控制直流電機(jī)測速反饋控制實(shí)驗(yàn)

1、目錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)器材1三、實(shí)驗(yàn)對象介紹1四、實(shí)驗(yàn)思路1五、實(shí)驗(yàn)過程2六、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果7七、出現(xiàn)問題及解決方案8八、總結(jié)9直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.掌握控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架和基本環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的影響或作用 2.建立數(shù)學(xué)建模的思想，學(xué)會(huì)用建模思想解決控制系統(tǒng)問題 3.通過設(shè)計(jì)的測速閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)讓直流電動(dòng)機(jī)達(dá)到理想和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速二、實(shí)驗(yàn)器材 直流電動(dòng)機(jī)、電路實(shí)驗(yàn)箱、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、導(dǎo)線若干三、實(shí)驗(yàn)對象介紹 被控對象：電動(dòng)機(jī) 被控量：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速四、實(shí)驗(yàn)思路 1、首先通過實(shí)驗(yàn)測定直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模型的傳遞系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T,以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)。 2.然后對未校正的直流電

2、機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型。 3.最后添加校正環(huán)節(jié)到控制系統(tǒng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速五、實(shí)驗(yàn)過程 1.接線 （1）電機(jī)：粗線（紅、黑端）接輸入驅(qū)動(dòng)模塊的out+和out-，細(xì)線（紅、黑端）接測速反饋；（2）電源模塊：輸出端v+、com（提供24V電壓）分別接電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電源輸入端BAT+、GND； （3）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：S1端接地，S2端接控制信號；out+和out-為控制信號輸出;EN、COM兩端短接，控制其工作使能；（注：若輸出信號為負(fù)，短接DIR和COM）。 2.獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù) （1） 電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)為一階系統(tǒng)，給控制系統(tǒng)加一個(gè)單位階躍輸入，測其輸出響應(yīng)。但輸出仿真波形中出

3、現(xiàn)了大量高次噪聲，所以需串聯(lián)一個(gè)濾波環(huán)節(jié)。（2）一階積分環(huán)節(jié)具有濾除高頻噪聲的能力，同樣二階慣性環(huán)節(jié)也能濾除高頻噪聲，由于二階慣性環(huán)節(jié)電路圖比較復(fù)雜，所以選用一階積分環(huán)節(jié)。一階環(huán)節(jié)的電路原理圖如下： （3）加入濾波環(huán)節(jié)后再對其加單位階躍輸入，測得其輸出響應(yīng)波形為 通過測試得到k=1.04,t=0.296，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)為。 3.系統(tǒng)性能測試通過MATLAB軟件得到系統(tǒng)的頻率特性和時(shí)域特性，其MATLAB程序如下：G=tf(1.04,0.296 1);t=0:0.005:5;y=step(G ,t);r=1;while y(r)0.98&y(s)1.02;s=s-1;end;settli

4、ng_time=(s-1)*0.005 由伯德圖得時(shí)域特性：相位裕量為164度，幅值裕量為無窮。所以頻率特性比較好。時(shí)域特性為：通過計(jì)算得此時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)差ess=0.533，穩(wěn)態(tài)誤差較大，需加校正環(huán)節(jié)。 4. 添加校正環(huán)節(jié)，建立電機(jī)轉(zhuǎn)速模型 由于需要使調(diào)節(jié)時(shí)間變短，穩(wěn)態(tài)誤差變小，使用PID（比例-微分-積分）環(huán)節(jié)。 （1）比例-微分-積分環(huán)節(jié) PID控制是根據(jù)系統(tǒng)的誤差或者加上系統(tǒng)誤差的變化率，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制。電路原理圖如下： 增到比例環(huán)節(jié)P項(xiàng)將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，其作用是放大誤差的幅值，能快熟影響系統(tǒng)的控制輸出。過大的比例會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。 積分I項(xiàng)的作用

5、是消除穩(wěn)態(tài)，能對穩(wěn)定后有累積誤差的系統(tǒng)進(jìn)行誤差整理減小穩(wěn)態(tài)誤差。 微分F項(xiàng)具有超前作用，可以使系統(tǒng)的超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，減小動(dòng)態(tài)誤差。 （2）加校正建模仿真 加入校正環(huán)節(jié)后整個(gè)系統(tǒng)的原理圖如下 其仿真的最理想結(jié)果如下： 由仿真結(jié)果得 (為P項(xiàng)增益)， （為微分項(xiàng)增益）， (為積分項(xiàng)增益). 所以校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)六、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 單位輸入波形圖為 其輸入值為1.216V輸出波形圖為： 其輸出值為1.281七、出現(xiàn)問題及解決方案 1.難以將所學(xué)的自動(dòng)控制內(nèi)容與實(shí)際的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制相結(jié)合。 需通過建立數(shù)學(xué)模型將其轉(zhuǎn)化為控制問題2.測取電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)時(shí)出現(xiàn)高次噪聲，采取添加高通濾波環(huán)節(jié)措施3.沒有經(jīng)過

6、MATLAB的仿真，想直接通過實(shí)際控制來得到校正后的理想效果。這是一個(gè)錯(cuò)誤的措施，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室的直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓為5v，不經(jīng)仿真就直接對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制極易因?yàn)殡妷哼^高而燒毀電機(jī)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，這是不容許的，所以實(shí)驗(yàn)中需注意這點(diǎn)。另外，直接對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制也極難的校正的最佳效果，還是得先經(jīng)仿真測試，這樣實(shí)際效果相對較好，也相對安全。八、總結(jié)通過本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，我們將理論與實(shí)踐更好的聯(lián)系起來，通過不斷嘗試校正，不斷修改參數(shù)，我們從中掌握了PID校正的一般規(guī)律，并且加深了對理論知識的理解，因此收獲很大。經(jīng)過本次自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，我對MATLAB 當(dāng)中的SIMLINK 有了全新的認(rèn)識，那是一個(gè)用來對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。同時(shí)通過課程的學(xué)習(xí)，復(fù)習(xí)了SIMLINK 中的各個(gè)環(huán)節(jié)的操作，掌握了改變步長和算法的基本分析方法。作為整個(gè)學(xué)習(xí)體系的有機(jī)組成部分，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)雖然安排比較緊，但并不具有絕對獨(dú)立的意義。運(yùn)用學(xué)習(xí)成果，把課堂上學(xué)到得系統(tǒng)化的理論知識，嘗試性地應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)工作，并