自動控制原理課程設(shè)計

自動控制原理課程設(shè)計任務(wù)書

課程設(shè)計題目:直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)校正應(yīng)完成的項目:⑴未校正系統(tǒng)參數(shù)的測定①

了解ACCC-Ⅳ型自動控制理論及計算機(jī)控制技術(shù)實驗平臺提供的力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型的工作原理;②通過實驗測定力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型的傳遞系數(shù)Kn、電磁時間常數(shù)Ta、機(jī)電時間常數(shù)Tm；③建立未校正直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。自動控制原理課程設(shè)計任務(wù)書⑵系統(tǒng)設(shè)計：由建立未校正直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對該系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)校正裝置設(shè)計①設(shè)計指標(biāo)：靜態(tài)指標(biāo)：轉(zhuǎn)速實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)；靜差速度誤差系數(shù)351/s。動態(tài)指標(biāo)：相角裕度45°，幅值裕度6dB；系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的截止頻率：相角超前校正方案時10rad/s；相角滯后校正方案時1rad/s系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)最大超調(diào)量30%；過渡過程時間：1.5秒。自動控制原理課程設(shè)計任務(wù)書②理論設(shè)計：根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，用頻率法進(jìn)行相角超前校正和相角滯后校正兩種設(shè)計，并進(jìn)行MATLAB的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖仿真，驗證兩種設(shè)計方案。③實驗系統(tǒng)設(shè)計線路實現(xiàn)：根據(jù)理論設(shè)計的相角超前校正網(wǎng)絡(luò)和相角滯后校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，由提供的ACCC-Ⅳ型自動控制理論及計算機(jī)控制技術(shù)實驗平臺圖紙選擇RC元件和運算放大器，構(gòu)造實現(xiàn)兩種校正網(wǎng)絡(luò)，并畫出整個系統(tǒng)聯(lián)結(jié)線路。自動控制原理課程設(shè)計任務(wù)書④每組帶實驗參數(shù)整理計算結(jié)果、兩種設(shè)計方案、接線圖按規(guī)定時間到B6-506室進(jìn)行校核。⑶設(shè)計完成后應(yīng)繳交設(shè)計說明書一份，包括上述設(shè)計基本內(nèi)容、計算過程、實驗數(shù)據(jù)、實驗曲線及分析、未校正系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、頻率法相角超前校正設(shè)計和相角滯后校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計兩種設(shè)計方案及兩種設(shè)計方案的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖仿真曲線、結(jié)論及心得體會。⑷設(shè)計完成期限：本設(shè)計任務(wù)書于2012年12月21日發(fā)出，2013年1月18日上交設(shè)計說明書。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的組成給定Ug由ACCT-IV自動控制理論及計算機(jī)控制技術(shù)的實驗面板上的電源單元U1提供，電壓變化范圍為1.3V～15V。經(jīng)PID運算后的控制量作為驅(qū)動單元輸入信號，經(jīng)過功率放大后驅(qū)動電機(jī)運轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速測量電路單元將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓信號，作為反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的組成轉(zhuǎn)速測量電路單元:它由轉(zhuǎn)盤、光電轉(zhuǎn)換和頻率/電壓（F/V）轉(zhuǎn)換電路組成。由于轉(zhuǎn)速測量的轉(zhuǎn)盤為60齒，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，光電變換后輸出60個脈沖信號，對于轉(zhuǎn)速為n的電機(jī)來說，輸出的脈沖頻率為f=60n/min，我們用這個信號接入以秒作為計數(shù)單位的頻率計時，頻率計的讀數(shù)即為電機(jī)的轉(zhuǎn)速;即n=f轉(zhuǎn)速測量輸出的電壓即為頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出，這里的F/V轉(zhuǎn)換率為150Hz/V。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的組成直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的組成實驗的接線圖如圖1.2所示，除了實際的模擬對象、電壓表和轉(zhuǎn)速計表外，其中的模擬電路由ACCT-IV自動控制理論及計算機(jī)控制技術(shù)實驗板上的運放單元U9、U15和U11和備用元器件搭建而成。

R0=R1=R2=100K，R3=100K，R4=2M，R5=10K，C1=1F，Rf/Ri=1。給定輸出接調(diào)節(jié)器的輸入，調(diào)節(jié)器輸出給電機(jī)驅(qū)動電路提供輸入信號，即將調(diào)節(jié)器輸出接到直流電動機(jī)調(diào)速功率轉(zhuǎn)換電路的正極輸入端（IN＋），負(fù)極端（IN－）接地；功率轉(zhuǎn)換的輸出接到直流電機(jī)的電樞兩端.給定輸出接調(diào)節(jié)器的輸入，調(diào)節(jié)器輸出給電機(jī)驅(qū)動電路提供輸入信號，即將調(diào)節(jié)器輸出接到直流電動機(jī)調(diào)速功率轉(zhuǎn)換電路的正極輸入端（IN＋），負(fù)極端（IN－）接地；功率轉(zhuǎn)換的輸出接到直流電機(jī)電樞兩端.由于轉(zhuǎn)速測量輸出的電壓為正值，轉(zhuǎn)速測量的輸出接到20V電壓表頭的輸入端的同時,還須通過反饋回路反饋系數(shù)=Rf/Ri=1的反相器才接到電壓反饋輸入端Uf,以保證負(fù)反饋.直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的組成直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

的組成及運行按圖1.2接線,組成帶相角滯后校正裝置的有靜差調(diào)速系統(tǒng).觀測系統(tǒng)對單位階躍給定輸入的響應(yīng);觀測系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速在負(fù)載增加時的變化直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的組成及運行直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的組成及運行力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型寬調(diào)速力矩電機(jī)（簡稱力矩電機(jī)，又稱大慣量電機(jī)），與小慣量無槽電樞直流伺服電動機(jī)相反，它具有較大的電樞直徑和較多的齒槽數(shù)以及如下特點：由于直徑較大，故電磁轉(zhuǎn)矩較大，同時電樞轉(zhuǎn)動慣量較大，熱容量較大，故過載時間可較長；由于Jd較大，故負(fù)載慣量變化對系統(tǒng)動態(tài)性能影響小;由于電樞齒槽數(shù)較多，故低速運行平穩(wěn)，力矩波動小。又因力矩電機(jī)一般做成扁平狀，電樞直徑較大，空載轉(zhuǎn)速很低，電磁較大，過載能力又強(qiáng)，故可直接帶動負(fù)載，而無需減速器；機(jī)械特性硬度大，線性好力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型:工作原理和靜態(tài)特性Ra為電樞電阻,n為電機(jī)轉(zhuǎn)速,Mf為電機(jī)軸上阻力矩,Ke為電機(jī)常數(shù)。則

設(shè)激磁磁通，電樞端電壓為Ua,電樞電流為Ia,電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Ma,電機(jī)轉(zhuǎn)速為n,反電勢為E,電機(jī)反電勢常數(shù)為Ke,轉(zhuǎn)矩常數(shù)為Km,則穩(wěn)態(tài)有：力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型:工作原理和靜態(tài)特性通過改變外加電壓Ua來控制直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。稱電樞控制，具有機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好，且特性曲線是一組平行線；當(dāng)控制電壓為零時（此時只有激磁電流），輸入損耗?。豢刂苹芈冯姼行?，響應(yīng)迅速等優(yōu)點。

力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型的動態(tài)特性力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型傳遞函數(shù)

力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型傳遞函數(shù)

直流伺服電動機(jī)的參數(shù)可通過實驗方法測定。下圖為飛升曲線法測線路。

一般直流伺服電動機(jī)，故近似估計可認(rèn)為：測量力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型機(jī)電時間常數(shù)、傳遞系數(shù)測量力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型電磁時間常數(shù)如果在電樞回路串聯(lián)一個已知阻值的低值電阻R‘，從上取出反映轉(zhuǎn)速為零時電樞回流變化的信號送到示波器，則從記錄到的飛升曲線可求出電磁時間常數(shù)；然后將串聯(lián)的低值電阻改為R“，測出電磁時間常數(shù)，則從兩次測量結(jié)果可求出要求的電磁時間常數(shù)。建議阻值:R‘=1歐姆，R’’=10歐姆。則測量力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型電磁時間常數(shù)測量力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型電磁時間常數(shù)力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型傳遞函數(shù)控制系統(tǒng)校正的基本概念系統(tǒng)分析：對已知結(jié)構(gòu)參數(shù)的系統(tǒng)進(jìn)行建模,然后對系統(tǒng)進(jìn)行動靜態(tài)性能指標(biāo)的計算,研究其與參數(shù)關(guān)系。系統(tǒng)設(shè)計：根據(jù)實際運行需要,從工程實際出發(fā),提出期望性能指標(biāo),然后根據(jù)控制對象,合理選擇方案及結(jié)構(gòu),計算參數(shù)和選擇元部件,建立起能滿足設(shè)計指標(biāo)的系統(tǒng)。固有系統(tǒng):通常,系統(tǒng)設(shè)計中,根據(jù)己知被控對象的特點、技術(shù)要求以及經(jīng)濟(jì)性、可靠性、維修方便性等要求選定系統(tǒng)其它部件,從而組成最基本的控制系統(tǒng),稱為固有系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)校正的基本概念固有系統(tǒng)中除放大器的放大系數(shù)可調(diào)外,其余參數(shù)在設(shè)計過程中往往是不變的,故又稱為不可變部分。校正裝置:固有系統(tǒng)性能較差,難以滿足對性能指標(biāo)的要求,必須在系統(tǒng)原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上引入新的附加環(huán)節(jié)(校正裝置)以作為同時改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能的手段。這種用添加新環(huán)節(jié)去改善系統(tǒng)性能的過程稱為對控制系統(tǒng)的校正。控制系統(tǒng)校正的基本概念校正方式:1.串聯(lián)校正2.并聯(lián)校正(反饋校正);3.復(fù)合控制校正控制系統(tǒng)校正的基本概念1.穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)：常用穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)給出；2.動態(tài)性能指標(biāo)：⑴時域指標(biāo)：⑵開環(huán)頻域指標(biāo)閉環(huán)頻域指標(biāo)：⑶復(fù)域指標(biāo)：常以系統(tǒng)主導(dǎo)極點所允許的最小阻尼系數(shù)和最小無阻尼振蕩角頻率表示。3.設(shè)計方法：(1).頻率法:利用校正裝置改變原系統(tǒng)頻率特性形狀,使其具有合適的低頻段、中頻段和高頻段從而獲得滿意的靜、動態(tài)性能。(2).根軌跡法：假定校正后閉環(huán)具有一對主導(dǎo)共軛復(fù)數(shù)極點,若原系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)不到要求,則引入適當(dāng)校正裝置,利用其零極點去改變原根軌跡,使通過期望主導(dǎo)極點。考慮到校正后系統(tǒng)的閉環(huán)零點和非主導(dǎo)極點對性能的影響,故選擇期望主導(dǎo)極點時應(yīng)留有余地。(3).計算機(jī)輔助設(shè)計控制系統(tǒng)校正的基本概念：超前校正裝置(微分校正裝置)控制系統(tǒng)校正的基本概念：超前校正裝置(微分校正裝置)控制系統(tǒng)校正的基本概念：超前校正裝置(微分校正裝置)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)校正

由設(shè)計指標(biāo)：靜態(tài)指標(biāo)：轉(zhuǎn)速實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)；靜差速度誤差系數(shù)可知，校正后系統(tǒng)無差度應(yīng)為一階，即前向通道應(yīng)含一個積分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K=35

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)校正:Kc的求取直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)校正:

頻域性能指標(biāo)與時域性能指標(biāo)的關(guān)系直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)校正

超前校正動態(tài)設(shè)計指標(biāo)動態(tài)指標(biāo)：系統(tǒng)開環(huán)頻率特性截止頻率相角裕度，幅值裕度；系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)最大超調(diào)量；過渡過程時間

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系統(tǒng)的動態(tài)校正:相角超前校正空白BODE圖串聯(lián)超前校正裝置的設(shè)計

串聯(lián)超前校正裝置的設(shè)計串聯(lián)超前校正裝置的設(shè)計系統(tǒng)的動態(tài)校正:相角超前校正直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的相角超前校正:simulink仿真校驗直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)校正:相角超前校正的實現(xiàn)方案一直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)校正:相角超前校正的實現(xiàn)方案二電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的相角超前校正:校正后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)校正:相角超前校正的實現(xiàn)方案三直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)校正:相角超前校正的實現(xiàn)方案三直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)校正:相角超前校正的實現(xiàn)方案三直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)校正滯后校正動態(tài)設(shè)計指標(biāo)動態(tài)指標(biāo)：系統(tǒng)開環(huán)頻率特性截止頻率相角裕度，幅值裕度；系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)最大超調(diào)量；過渡過程時間

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串聯(lián)滯后校正裝置的設(shè)計步驟(1)(1)由穩(wěn)態(tài)誤差要求,確定開環(huán)放大系數(shù)K.繪原系統(tǒng)Bode圖,求未校正系統(tǒng)截止頻率相角裕度和幅值裕度;(2)確定校正后系統(tǒng)截止頻率:由指標(biāo),按下式求為補(bǔ)償滯后網(wǎng)絡(luò)副作用的新相角裕度在未校正系統(tǒng)相頻特性上找對應(yīng)的頻率,作為校正后系統(tǒng)截止頻率.(3)求:在未校正系統(tǒng)頻率特性上求處的由下式求