小功率隨動系統(tǒng)的工作原理及設(shè)計過程專業(yè)綜合實驗報告

1、一、 實驗?zāi)康?l 掌握小功率隨動系統(tǒng)的工作原理及設(shè)計過程l 掌握元部件選擇、參數(shù)測試，根據(jù)給定技術(shù)指標(biāo)進行系統(tǒng)建模、設(shè)計與仿真的過程l 學(xué)習(xí)利用matlab進行參數(shù)估計、數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)分析的方法l 鍛煉在實際系統(tǒng)中解決問題的能力二、 實驗內(nèi)容l 熟悉系統(tǒng)組成與工作原理l 選擇元部件，測試、擬合元部件參數(shù)，獲得元部件傳遞函數(shù)l 對組件和系統(tǒng)進行建模，進行模擬系統(tǒng)的硬件設(shè)計l 根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)與動態(tài)參數(shù)的要求進行系統(tǒng)方案設(shè)計l 使系統(tǒng)模型在matlab下的simulink中進行仿真，同時測試實際模擬系統(tǒng)靜、動態(tài)性能指標(biāo)，比較二者的差別l 分析仿真結(jié)果，調(diào)試模擬系統(tǒng)三、 技術(shù)指標(biāo)l 輸入±5

2、v產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)角±90°l D/A輸出±5v時達到轉(zhuǎn)速26 rad/sl 靜態(tài)精度±1.5°l D/A輸出<120mv電機起動l 閉環(huán)系統(tǒng)近似為二階非周期環(huán)節(jié)0.9 n20 rad/s四、 實驗設(shè)備l XSJ-II型直流小功率隨動系統(tǒng)實驗箱l 穩(wěn)壓電源l 示波器l 數(shù)字萬用表l 轉(zhuǎn)速表l 直流力矩電機、角位置測量電位器、測速發(fā)電機五、 系統(tǒng)組成及工作原理1工作原理整個系統(tǒng)的原理線路如下圖所示：給定電位器和反饋電位器組成一對誤差檢測器，當(dāng)給定電位器轉(zhuǎn)過一個角度時，誤差檢測器產(chǎn)生偏差電壓，該電壓輸入信號通過A/D轉(zhuǎn)換器進入80C196KB芯片中

3、，經(jīng)過控制算法的處理，產(chǎn)生控制指令，由D/A轉(zhuǎn)換器輸出后加到運算放大器的輸入端，再經(jīng)放大后驅(qū)動直流電動機，電動機帶動負(fù)載 (慣性輪)轉(zhuǎn)動的同時，也帶動反饋電位器的電刷轉(zhuǎn)動，使誤差檢測器產(chǎn)生的偏差電壓通過A/D又加到芯片中，運用控制指令的計算，形成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，直至偏差電壓減小到零，在新的位置達到平衡為止，才實現(xiàn)了被控制軸與給定電位器的輸入軸隨動的目的。2實驗系統(tǒng)組成小功率隨動系統(tǒng)的元部件共包括執(zhí)行電機、測速發(fā)電機、角位置測量電位計、直流放大器、系統(tǒng)控制臺、單片機開發(fā)系統(tǒng)等六個主要部分，其中執(zhí)行電機和系統(tǒng)控制臺構(gòu)成被控對象，測速發(fā)電機和角位置測量電位計分別構(gòu)成速度反饋(內(nèi)環(huán))和位置反饋

4、(外環(huán))。主要部件如下 角位置測量電位器Ø 高精度長壽命導(dǎo)電塑料電位器WDD65S-2；Ø 阻值1K，功率2W，電氣角度；Ø 機械轉(zhuǎn)動角度無止擋；Ø 線性度0.5%；執(zhí)行機構(gòu)：直流低速力矩電機（型號SYL一1.5）Ø 轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻不小于100兆歐；Ø 轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)受耐壓500伏1分鐘；Ø 靜摩擦力矩(組裝式)0.0294lNm；Ø 空載啟動電流0.18安；Ø 轉(zhuǎn)子直流電組(C)27歐姆±10；Ø 連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩0.147Nm5；Ø 連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流0.9安；Ø 連續(xù)堵轉(zhuǎn)

5、電壓約20伏；Ø 空載轉(zhuǎn)速約800轉(zhuǎn)分；Ø 轉(zhuǎn)向火花1.5級； 永磁直流測速發(fā)電機（型號70CDY一1）Ø 靈敏度1伏弧度秒；Ø 紋波電壓1(20轉(zhuǎn)分時波動峰值對平均值)； Ø 每轉(zhuǎn)紋波頻率33周轉(zhuǎn)；Ø 線性度1；Ø 不對稱度1；Ø 最大運行速度400轉(zhuǎn)分；Ø 直流電阻230(20)；Ø 最小負(fù)載電阻23K；Ø 靜摩擦力矩300gcm；以上三個部件已組裝成一個整體，三者用聯(lián)軸節(jié)均同軸連接。在組合體上面有一接線板，分別為電位計正負(fù)電壓及輸出信號接線柱；力矩電機的控制電壓接線柱；測速發(fā)電機

6、接線柱。在組合體左端裝有轉(zhuǎn)角測量用的刻度盤，右端可往電機軸上加裝慣性輪，以改變負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量。直流放大器該系統(tǒng)采用晶體管直流放大器，配有兩級直流運算放大器和一級功率放大器。其中功率放大器由一級電壓放大和功率放大組成；電壓放大器由CA3140運算放大器完成，其放大倍數(shù)可通過配置輸入及反饋電阻改變，開環(huán)增益的可調(diào)范圍近似為80db，并可通過加入不同的RC網(wǎng)絡(luò)進行動態(tài)校正。系統(tǒng)控制臺實驗系統(tǒng)相互連接及參數(shù)調(diào)整由系統(tǒng)控制臺完成。全部放大器、電源及必要的附加電路均安裝在該控制臺內(nèi)，如圖7-2所示，在控制臺上可完成下述工作：Ø 將系統(tǒng)各部分按要求連接；Ø 作為運算放大器的排題板，通過加

7、入不同阻值及網(wǎng)絡(luò)形成不同的放大系數(shù)及校正網(wǎng)絡(luò)；Ø 利用信號電位計加入任意輸入信號；Ø 利用控制臺上的電壓表直接測量功放的輸出電壓。圖7-2系統(tǒng)控制臺六、 實驗系統(tǒng)元部件測試及建模1系統(tǒng)各部件的數(shù)學(xué)模型1）直流力矩電機 圖7-3電樞控制直流電動機電樞控制直流電動機的工作實質(zhì)是將輸入的電能轉(zhuǎn)換為機械能，也就是由輸入的電樞電壓在電樞回路中產(chǎn)生電樞電流，再由電流與激磁磁通相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而拖動負(fù)載運動。因此，直流電動機的運動方程可由以下三部分組成。電樞回路電壓平衡方程： （7-1） (7-2)式中：輸入電壓（V）； 電樞電流（I）；電樞電阻（）； 電樞電感（H）； 電樞反電

8、勢（V）； 反電勢系數(shù)（V/rad/s）； 電動機轉(zhuǎn)動角速度（rad/s）電磁轉(zhuǎn)矩方程： （7-3） 式中： 電動機轉(zhuǎn)動系數(shù)（Nm/A）； 電磁轉(zhuǎn)矩（Nm）；電動機轉(zhuǎn)矩平衡方程： （7-4）式中： 電樞轉(zhuǎn)動慣量（kgm）； 電動機軸上的粘性摩擦系數(shù)（Nm/rad/s）； （t）負(fù)載力矩（Nm）；由（7-2）（7-4）中消去中間變量、及便可得到以為輸出量，以為輸入量的直流電動機微分方程為： （7-5）在工程應(yīng)用中，由于電樞電路電感較小，通常忽略不計，因而式（7-5）可簡化為 （7-6）式中： 電動機機電時間常數(shù)（s）； 是電動機傳遞系數(shù)；令，則有 （7-7）由式（7-7）可見，電樞控制直流電動機

9、當(dāng)以轉(zhuǎn)速為輸出時，其動態(tài)方程為一階線性常微分方程。對（7-7）式兩邊分別進行拉氏變換，得到： （7-8）由（7-8）式進行變換，可得直流電動機的傳遞函數(shù)模型為： （7-9）2）測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機是將角速度轉(zhuǎn)換成電壓信號的測速裝置，用以構(gòu)成速度反饋。 圖7-4直流測速發(fā)電機永磁式直流測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)子與待測量的軸相連，在電樞兩端輸出與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸角速度成正比的直流，即： （7-10）式中： 轉(zhuǎn)子角位移（rad）；轉(zhuǎn)子角速度（rad/s）;測速發(fā)電機輸出斜率，表示單位角速度的輸出電壓（mV/rad/s）對（7-10）進行拉氏變換，可得直流測速發(fā)電機的傳遞函數(shù)為： 或 3）電位器圖7-5電位器電橋空

10、載時，單個電位器的電刷角位移與輸出電壓的關(guān)系是： (7-11)式中，是電刷單位角位移對應(yīng)的輸出電壓，稱電位器傳遞系數(shù)(Vrad)，電位器電源電壓(V)；電位器最大工作角（rad）;對式(7-10)求拉氏變換，可求得電位器傳遞函數(shù)為 (7-12) 式(7-12)表明，電位器的傳遞函數(shù)是一個常值，它取決于電源電壓E和電位器最大工作角度。2元件參數(shù)的測試1）電機調(diào)速特性的測量 調(diào)速特性是在一定的負(fù)載下，轉(zhuǎn)速與控制電壓的關(guān)系曲線。在電機的電壓權(quán)限內(nèi)（大于死區(qū)小于上限）改變控制電壓，并用光電轉(zhuǎn)速表測量電機相應(yīng)轉(zhuǎn)速。每改變一次電壓后，測量一個轉(zhuǎn)速，并按下面表格提示輸入此電壓值及光電轉(zhuǎn)速表所記錄的脈沖個數(shù)(

11、即光電轉(zhuǎn)速表的顯示數(shù)據(jù))，如此重復(fù)此過程則可得此方向一組數(shù)據(jù)；然后把電機上所加電壓的極性對調(diào)，再重復(fù)上述過程，則又可得一組數(shù)據(jù)。測試完后用MATLAB來擬合調(diào)速特性曲線，并求出擬合后的斜率及截矩值。電機調(diào)速特性測量表 正轉(zhuǎn)Ua(v)死區(qū)4681012141618N(脈沖/分)3.42107.67328567.1805.21039132215581813n/4(轉(zhuǎn)/分)3.5326.9282141.8201.3260330.7389.5453.4(r/s)3.402.8198.58714.8521.0827.234.6340.2947.48平均值3.45反轉(zhuǎn)Ua(v)死區(qū)-4-6-8-10-12

12、-14-16-18N(脈沖/分)-3.60106.3341.3588.78341085133615981840n/4(轉(zhuǎn)/分)-3.7026.5885.33147.2208.5271.3334.1399.5460.1(r/s)-3.402.7848.93615.4121.8328.4134.9841.8348.18平均值-3.57MATLAB擬合得Km=2.41392）測速機梯度的測量 圖7-6測速機測量在電機電壓權(quán)限內(nèi)，改變控制電壓，并用光電轉(zhuǎn)速表測量電機相應(yīng)轉(zhuǎn)速同時用數(shù)字電壓表測量測速機兩瑞電壓，并按實驗數(shù)據(jù)表格記錄此電壓值及轉(zhuǎn)速表所記錄的脈沖個數(shù)，如此重復(fù)此過程則可得此方向一組數(shù)據(jù)；然后

13、把電機上所加電壓的極性對調(diào)，再重復(fù)上述過程，則又可得一組數(shù)據(jù)。測試完后用MATLAB來擬合測速機梯度曲線，并求出擬合后的斜率值。測速機梯度測量表 正轉(zhuǎn)Ua(v)死區(qū)4681012141618N(脈沖/分)3.421443555848201050128115201766n/4(轉(zhuǎn)/分)3.533688.75146205262.5320.3380441.5(r/s)3.403.779.29415.2921.4727.4933.5439.7946.23Uc（V）-0.87-2.02-3.32-4.7-6.05-7.42-8.77-10.24平均值3.45反轉(zhuǎn)Ua(v)死區(qū)-4-6-8-10-12-1

14、4-16-18N(脈沖/分)-3.601253556008351074131115691816n/4(轉(zhuǎn)/分)-3.7031.2588.75150208.75268.5327.7392.3454(r/s)-3.403.2739.29415.70821.8628.1234.3241.0847.54Uc（V）0.882.113.474.886.37.739.2310.75平均值-3.57MATLAB擬合得Kt=0.22293）電位計梯度的測量電位計測試時主要測量線性度及負(fù)載效應(yīng)。電位計梯度測量電路如圖7-7所示。 圖7-7電位計測量在空載的情況下，將電位計在0360度旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)動20度，用數(shù)字電壓

15、表測量輸出電壓值，并同時把角度和測量的電壓值按實驗數(shù)據(jù)表格記錄下來，但注意一般在-170170度這20度范圍內(nèi)進入了非線性區(qū)，因此擬合程序需分別擬合正負(fù)線性區(qū)，再求擬合后的斜率值。如此重復(fù)則可得一組數(shù)據(jù)。測試完后用MATLAB來擬合電位計梯度曲線，并求出擬合后的斜率值。電位計梯度測量表 (°)020406080100120140160U(V)0-1.36-2.74-4.13-5.52-6.93-8.31-9.70-11.21 (°)020406080100120140160U(V)1.362.734.105.496.868.249.6110.99MATLAB擬合得K (ra

16、d)4.03364） 時間常數(shù)的測量機電時間常數(shù)可用過渡過程測試法。 實驗步驟：Ø 按圖7-8所示連接線路； 圖7-8連接線路Ø 將開關(guān)K突然合上，一個階躍電壓加到電樞兩端，通過筆錄儀觀測輸出曲線，筆錄儀可實時地顯示并記錄下這個過程。所以可將與轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)看成非周期(慣性)環(huán)節(jié)，從圖7-9中即可求得，其中包含了機電時間常數(shù)和電磁時間常數(shù)。由于電磁時間常數(shù)較小，為使測試更符合實際，所用功率放大器及電機負(fù)載應(yīng)是真實的。一般采用誤差帶法求，取5%的誤差帶，此時。動態(tài)響應(yīng)曲線Tm=0.22s5）電機死區(qū)電壓的測量實驗步驟：將電壓加至電機兩端，將穩(wěn)壓電源置于最小檔(將旋鈕旋至最左邊

17、)使電壓接近0，合上開關(guān)K后，慢慢增大電壓到電機剛好開始轉(zhuǎn)動，讀下這時的u， 由于電機在不同起始位置阻力矩不同，所以將電機的起始位置放在幾個不同角度，重復(fù)實驗。然后再將電壓反極性重復(fù)上述實驗，將測得數(shù)據(jù)填入下表中，可計算出兩個方向的死區(qū)電壓平均值和最大值。電機死區(qū)電壓測量表 (°)020406080100120140160U(V)2.552.072.382.472.472.452.452.282.53平均值2.41 (°)020406080100120140160U(V)-2.65-2.64-2.58-2.29-2.50-2.38-2.86-2.70-2.44平均值-2.5

18、6電機死區(qū)分別為2.41V、-2.56V3.系統(tǒng)建模1) 直流電機模型：Ua（s）（s）2) 測速機模型：0.2229KtU（s）（s）3) 電位計模型：4.0336KU（s）（s）4) 時間積分方框圖：（s）（s）5) 電機非線性模型方框圖：UiUo電機死區(qū)分別為2.41V、-2.56V6) 綜合得系統(tǒng)初始模型：U KKt七、 系統(tǒng)動靜態(tài)參數(shù)設(shè)計1系統(tǒng)動、靜態(tài)參數(shù)設(shè)計閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1） 系統(tǒng)傳遞函數(shù)由閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖得系統(tǒng)傳遞函數(shù)：2） 系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)設(shè)計靜態(tài)參數(shù)指標(biāo)：Ø 給定電位器輸入90°產(chǎn)生反饋電位器輸出轉(zhuǎn)角90°；測得給定電位器和反饋電位器梯度幾乎相等，由9

19、0°×K=90°×K×K4得K4=1。（其中K、 K分別為給定電位器和反饋電位器梯度）Ø D/A輸出5V時達到轉(zhuǎn)速26弧度/秒；即26rad/s×Kt×K35V，得K35/（26rad/s×Kt）0.8628Ø D/A輸出<120mv電機起動；即120mv×K2>電機死區(qū)電壓2.56，得K2>21.333取K2=25。Ø 靜態(tài)精度1.5°；即1.5°××K×K4×K1/180°>0.

20、12V，得K1>1.136取K1=23） 系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)設(shè)計Ø 動態(tài)參數(shù)指標(biāo)：閉環(huán)系統(tǒng)近似為二階非周期環(huán)節(jié)0.9 n20 rad/s對應(yīng)調(diào)節(jié)時間ts<250ms，超調(diào)<0.1524% n47.0420 rad/s 2××n得=0.609<0.94） 設(shè)計結(jié)果依據(jù)靜態(tài)特性要求選?。篕1=2 、K2=25、 K3=0.8628 、K4=1后，動態(tài)特性只有阻尼比=0.609<0.9不滿足要求，可通過加入PD校正環(huán)節(jié)，使其滿足要求。八、 元部件的選擇各個K的實現(xiàn)（放大器的電阻選擇）控制臺上有三個放大器可以利用。放大器的分配： A1實驗K1、K4 ；A2實現(xiàn)K3、K20.5 ；A3實現(xiàn)K20.5。A1、A2為加法器、A3為反向放大器。 A1電阻值選擇 A2電阻值選擇 A3電阻值選擇九、 未校正系統(tǒng)的matlab仿真1. 對應(yīng)控制臺電路2. 未校正系統(tǒng)MATLAB模型上面已設(shè)計出K1=2 、K2=25、 K3=0.8628 、K4=1，但是控制臺實際電路中由于電阻值并不精確等于設(shè)計值，故通過重新實際測量各個放大器的增益，對K1、K2、K3、K4適當(dāng)修改以和實際電路吻合。3. 階躍響應(yīng)仿真結(jié)果：算得調(diào)節(jié)時間ts=389ms、超調(diào)=19.76%，算得對應(yīng)=0.4587、n=25.2220和理論計算動態(tài)參數(shù)