控制工程基礎(chǔ)配套實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

1、控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指示書郭美鳳趙長(zhǎng)德清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系2003-5-5實(shí)驗(yàn)一 matlab仿真實(shí)驗(yàn)、基本實(shí)驗(yàn)1、對(duì)于一階慣性系統(tǒng)g(s) =kt$+l當(dāng)分別取以下兒組參數(shù)時(shí)，試畫出系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)illi線、頻率特性乃氏圖和們徳圖。1）. k=l, t二 10;2）. k二 1, t=1;3）. k=l, t=0. 12、對(duì)于二階系統(tǒng)1g(，s)= tf +2ts + 1分別就t二1和*0.1, §分別取0, 0. 2, 0. 5, 0.7, 1, 10時(shí)，畫出系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)|11|線、 頻率特性乃氏圖和伯德圖。3、口構(gòu)造高階系統(tǒng)，試?yán)胢atlab軟件工具分析其時(shí)域、頻域特

2、性。4、對(duì)于下列系統(tǒng)，試畫出其伯德圖，求出相角裕量和增益裕量，并判其穩(wěn)定性(1)(2)g(s)h(s) =c（5）/（5）=2505(0.035 + 1)(0.00475 + 1)250(0.5$+ 1)5(105 +1)(0.035 +1)(0.0047 +1)二、結(jié)合“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)，熟悉matlab的控制系統(tǒng) 圖形輸入與仿真工具simulinko并把仿真結(jié)果與“運(yùn)動(dòng)控制 系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）熟悉直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型；2）根據(jù)給定的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)速度環(huán)與位置環(huán)的控制器參數(shù)。2. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求2.1速度環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)濾波器霍爾電流 傳感器圖1-1雙環(huán)

3、調(diào)速系統(tǒng)方框圖（圖中0用b表示）轉(zhuǎn)速n速度環(huán)的傳遞函數(shù)方框圖見(jiàn)圖lo測(cè)速發(fā)電機(jī)系數(shù) kf = 24v/1 ooqrpm =0.024v/rpm =0.229v/(rad/s), 而電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)系數(shù)c嚴(yán)e)1.7qx4"=0.2i3u/g/$，所以 nl()()()r/?/n魚=&丄=550 rad/a-s2j tm ce 14.5 kf3 0.213kva =0.5a/v測(cè)速機(jī)濾波時(shí)間常數(shù)込=雖c3 = 19.5kq x 0.22/zf = 429ms （也可以重新設(shè)計(jì)）n rad/s 電機(jī)轉(zhuǎn)速，最大轉(zhuǎn)速為looorpm,反饋系數(shù)0wo,l, gnc（s）為速度環(huán)的校正網(wǎng)絡(luò)。

4、飽和環(huán)節(jié)的幅度為+120 rad/s- 120 rad/s當(dāng)go為比例一積分（pi）調(diào)節(jié)器吋，其傳遞函數(shù)為-/、 f +1gncg）=弋一（1）當(dāng)gm"）為比例（p）調(diào)節(jié)器時(shí)，其傳遞函數(shù)為gnc（$） = kn（2）1. 給定速度環(huán)的性能指標(biāo)如21）單位階躍響應(yīng)的超調(diào)量小于30%；2）單位階躍響應(yīng)的調(diào)整時(shí)間小于0.06s；3）閉壞帶寬不小于lohzo當(dāng)速度環(huán)分別采用p與pi調(diào)節(jié)器時(shí)，設(shè)計(jì)滿足給定指標(biāo)的調(diào)節(jié)器參數(shù)。提示：有關(guān)參數(shù)的參考取值為：0 = 0.5, k“=6;（p校正）0 = 0.5 tn « 0.004 $ , rn « 0.02 $。（ pi 校正）2

5、. 根據(jù)設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器參數(shù)，給出速度環(huán)采用p與pi調(diào)節(jié)器時(shí)的波特圖，比較二 者的穩(wěn)定裕量和剪切頻率。3. 給出速度環(huán)分別采用p與pi調(diào)節(jié)器時(shí)的閉環(huán)頻率特性及頻域指標(biāo)（閉環(huán)帶寬, 諧振峰值，諧振頻率）。4. 比較速度壞采用p與pi調(diào)節(jié)器時(shí)的階躍響應(yīng)及瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)（超調(diào)量與調(diào)整 時(shí)間）。2.2位置環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)位置壞的傳遞函數(shù)方框圖見(jiàn)圖1-2o圖12位置環(huán)簡(jiǎn)化函數(shù)方框圖圖12屮嶺"為位移命令輸入，xmm為工作臺(tái)位移，vpf vj電子電位計(jì)測(cè)得的t作 臺(tái)位移電壓，gpc（$）為位置環(huán)的校正網(wǎng)絡(luò)，gn（5）為速度環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。當(dāng)gs）為近似比例一積分（pi）調(diào)節(jié)器時(shí)，其傳遞函數(shù)為tns + 1

6、n竹當(dāng)gs）為比例（p）調(diào)節(jié)器時(shí)，其傳遞函數(shù)為gpcg） = kp（4）1. 給定位置環(huán)的性能指標(biāo)如21）單位階躍響應(yīng)的超調(diào)量小于30%；2）單位階躍響應(yīng)的調(diào)整時(shí)間小于0.2s；3）閉環(huán)帶寬不小于4hz。當(dāng)位置環(huán)分別采用p與pi調(diào)節(jié)器時(shí)，設(shè)計(jì)滿足給定指標(biāo)的調(diào)節(jié)器參數(shù)。提示：1.速度環(huán)可任選p或pi調(diào)節(jié)器（建議選pi調(diào)節(jié)器）；2. 位置環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)參考取值：£嚴(yán)60, rp « 0.0047 5 , 7； = 0.02 s。2. 根據(jù)設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器參數(shù)，給出位置環(huán)采用p與pi調(diào)節(jié)器時(shí)的波特圖，比較二 者的穩(wěn)定裕量和剪切頻率。3. 給出位置環(huán)分別采用p與pi調(diào)節(jié)器時(shí)的閉環(huán)頻率特性

7、及頻域指標(biāo)（閉環(huán)帶寬, 諧振峰值，諧振頻率）。4. 比較位置壞采用p與pi調(diào)節(jié)器時(shí)的階躍響應(yīng)及瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)（超調(diào)量與調(diào)整 時(shí)間）。關(guān)于伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的詳細(xì)資料參見(jiàn)附錄1。實(shí)驗(yàn)二直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型；2. 學(xué)握速度環(huán)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)調(diào)試方法，從而從理論與實(shí)際的結(jié)合上掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)與校正方法。二、實(shí)驗(yàn)原理請(qǐng)仔細(xì)閱讀見(jiàn)教材p248261或附錄k接線圖參考圖21,其中s是實(shí)驗(yàn)中需要用萬(wàn)用表和示波器測(cè)試的點(diǎn)；470kr 482k100k+接限位開(kāi)關(guān)39ks階躍輸入開(kāi)關(guān)r3r3s39k39k1c3給定電位計(jì)_ 匡 速度 調(diào)節(jié)器跨導(dǎo) 功率

8、放大器s+0 1 或0.47 yf1_| |_ 使能開(kāi)關(guān)04測(cè)試點(diǎn)|圖2-1 速度環(huán)接線圖單軸工作臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)步驟與要求：把圖1 1進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)化方框圖（圖22）：5圖2-2雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)化方框圖圖中，因電機(jī)最大轉(zhuǎn)速looorpm,故傳遞函數(shù)方框圖中應(yīng)再加一個(gè)飽和環(huán)節(jié)。當(dāng)gnc（5）為比例一積分（pi）調(diào)節(jié)器時(shí)，其傳遞函數(shù)為gnc($)=rn5 +1 r4c4s +1丁2r3c4s（1）當(dāng)氐（$）為比例（p）調(diào)節(jié)器時(shí)，其傳遞函數(shù)為(2)gm7遺1. 按圖接線，掌握速度反饋極性的判斷方法。一般用開(kāi)環(huán)判斷，當(dāng)輸入為正， 反饋電壓為負(fù)。當(dāng)正反饋時(shí)，輸入電壓趨于0時(shí)，電動(dòng)機(jī)仍然高速傳動(dòng)。

9、2. 掌握速度環(huán)靜態(tài)傳遞特性的調(diào)試方法。采用pi調(diào)節(jié)器，要求輸入為8v。調(diào) 節(jié)0,使電機(jī)輸出為1 ooorpm,即此時(shí)測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出為24v。3. 了解調(diào)速系統(tǒng)剛度與系統(tǒng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)的關(guān)系。采用比例調(diào)節(jié)器，但/?4為最 ?。?00k），調(diào)節(jié)輸入電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)速很低，可用手使電機(jī)停轉(zhuǎn)。而采用 pi調(diào)節(jié)器，同是電機(jī)轉(zhuǎn)速很低，用手不能使電機(jī)停轉(zhuǎn)。試從理論上分析z4. 掌握速度環(huán)動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試方法。掌握數(shù)字示波器的使用方法。當(dāng)階躍輸入 為2v,用數(shù)字示波器測(cè)試采用p與pi調(diào)節(jié)器時(shí)的階躍響應(yīng)波形，記錄最佳阻尼 比附近的階躍時(shí)域響應(yīng)波形及ii舜態(tài)響應(yīng)指標(biāo)（超調(diào)量與調(diào)整時(shí)間，峰值時(shí)間，振 蕩周期），并記錄對(duì)應(yīng)

10、的參數(shù)，與仿真結(jié)果對(duì)比。觀察速度調(diào)節(jié)器輸出波形是否 飽和？調(diào)整時(shí)間與輸入電壓有什么關(guān)系？5. 別測(cè)試速度環(huán)采用pi調(diào)節(jié)器和p調(diào)節(jié)器（心最?。┑撵o特性，即 n = f （/v/）,電機(jī)轉(zhuǎn)速可測(cè)量測(cè)速機(jī)電壓計(jì)算，至少正反兩個(gè)方向，輸入 電壓從一8v+8v測(cè)試10多點(diǎn)，計(jì)算傳遞系數(shù)。這兩條曲線有什么不同，為什 么？6. 氣選做）測(cè)試一階無(wú)差系統(tǒng)的速度品質(zhì)系數(shù)。進(jìn)一步計(jì)算cjj，確定了系 統(tǒng)的齊個(gè)參數(shù)后，可供系統(tǒng)分析和仿真時(shí)使用。方法是將速度環(huán)開(kāi)環(huán)，利用 82k作為輸入電阻（/?3），采用p校正，©為100k,先輸入較小的電壓，使 之剛剛克服死區(qū)，記錄這時(shí)的啟動(dòng)輸入電壓u啟動(dòng)。再繼續(xù)加大輸入

11、電壓幾（例 如2.0v）,發(fā)現(xiàn)電機(jī)速度呈單調(diào)上升直至最大。這時(shí)，改用階躍輸入，測(cè)量測(cè) 速機(jī)兩端電壓的階躍響應(yīng)曲線，記錄z,并計(jì)算其斜率dv/dt = k系統(tǒng) 的速度品質(zhì)系數(shù)為kv =（rjr3）x（kvarjctm）x（kf）x（l/2）已知（心/心）x （k屏“ / c幾）x （k）="5 - “啟動(dòng)）式中，7?4/?31 =100/82 = 1.22 a而可計(jì)算心=39kq以及不同心時(shí)的速度品 質(zhì)系數(shù)kvt；另外,已知（k廠0）x（l/2），即可計(jì)算（kvarc幾）值，此參數(shù)可用 于系統(tǒng)分析和仿真。四、實(shí)驗(yàn)思考1. 如何判斷系統(tǒng)的反饋極性？2. 當(dāng)速度調(diào)節(jié)器采用比例環(huán)節(jié)時(shí)，把增益

12、調(diào)節(jié)到最?。娢挥?jì)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到頭）, 給定較低的速度，這時(shí)可以用手捏住電動(dòng)機(jī)軸，使其轉(zhuǎn)速為0 （盡管系統(tǒng)是 一階無(wú)差系統(tǒng)）；但當(dāng)速度調(diào)節(jié)器采用pi環(huán)節(jié)時(shí)，即使用很犬的勁，電動(dòng)機(jī) 仍然可以低速轉(zhuǎn)動(dòng)！為什么？我們把轉(zhuǎn)速對(duì)于電動(dòng)機(jī)負(fù)載力矩的變化率叫做 剛度。請(qǐng)分析采用兩種調(diào)節(jié)器時(shí)的系統(tǒng)剛度。3. 不用測(cè)速發(fā)電機(jī)作為角速度測(cè)量元件，本實(shí)驗(yàn)述可以用什么作為速度反饋？4. 當(dāng)不用速度反饋時(shí)，電動(dòng)機(jī)使用電壓源驅(qū)動(dòng)也可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，木實(shí)驗(yàn)中是否 可以只用比例環(huán)節(jié)組成速度調(diào)節(jié)器，使該運(yùn)算放人器的電壓極性不同改變屯 動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，幅值不同而改變轉(zhuǎn)速？5. 什么叫跨導(dǎo)放大器？駅動(dòng)電動(dòng)機(jī)什么時(shí)候用定壓源，什么時(shí)候用定流源

13、？6. pwm方式與線性功率放大器(如opa541,lm12)的驅(qū)動(dòng)器各冇什么優(yōu)缺點(diǎn)？7. 本實(shí)驗(yàn)為什么要把電動(dòng)機(jī)到絲杠的連軸節(jié)斷開(kāi)？8. 你認(rèn)為tek公司的tds1000數(shù)字式記憶示波器應(yīng)用的關(guān)鍵是什么？9. 當(dāng)示波器探頭選擇10： 1吋，其等值電路是什么？傳遞函數(shù)為0的條件是 什么？10. 系統(tǒng)存在哪些非線性環(huán)節(jié)？對(duì)系統(tǒng)性能冇什么影響？五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 速度環(huán)靜態(tài)特性曲線，并分析兩種調(diào)節(jié)器下的特性有什么不同？2. 速度環(huán)動(dòng)態(tài)特性曲線。比較不同調(diào)節(jié)器以及參數(shù)不同的階躍響應(yīng)曲線，并與 仿真結(jié)果對(duì)比。3. 采用p和pi調(diào)節(jié)器時(shí)，給出速度環(huán)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，理解速度環(huán) 的構(gòu)成。4. 簡(jiǎn)單

14、分析調(diào)速系統(tǒng)的剛度，即 勿 (負(fù)載力矩作用下，速度的變化)。剛度與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)冇什么關(guān)系？實(shí)驗(yàn)三直流電動(dòng)機(jī)位置伺服系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉言流伺服電機(jī)位置控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型；2.掌握位置環(huán)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)調(diào)試方法，從而從理論與實(shí)際的結(jié)合上掌握口動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正方法。二、實(shí)驗(yàn)原理見(jiàn)附錄1三、實(shí)驗(yàn)步驟與要求24kk00ok47)k470-因+a470k速度壞輸入39k-oisr- °pf圖3-1位置環(huán)部分接線圖位置環(huán)部分接線圖見(jiàn)圖3-1,速度環(huán)部分見(jiàn)圖2-lo位置環(huán)的傳遞函數(shù)方框圖見(jiàn)3-2圖，v為位移命令輸入，兀mm為工作臺(tái) 位移，匕fv為電了電位計(jì)測(cè)得的工作臺(tái)位移電壓，

15、gj。為位置環(huán)的校正網(wǎng)絡(luò)，gn（5）為 速度環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。但要注意電動(dòng)機(jī)速度有一個(gè)飽和環(huán)節(jié)，最大速度為117077，此 吋測(cè)速機(jī)兩端電壓為28-29v.圖3-2位置壞方框圖當(dāng)g/s）為比例（p）調(diào)節(jié)器時(shí)，其傳遞函數(shù)為g）二心，采用圖3 1接線時(shí)，其值為（r4/ r3） x a x 4.7（1）當(dāng)g/s）為近似比例一積分（pi）調(diào)節(jié)器時(shí)，其傳遞函數(shù)為ts + 1右（2）1. 通曉位置反饋的原理后，按圖3 1接線。&可調(diào)到1,將連軸節(jié)脫開(kāi)。2. 系統(tǒng)正常工作庇 測(cè)試輸入電壓為iv時(shí)，反饋電位計(jì)的電壓階躍響應(yīng)曲線, 測(cè)試調(diào)整時(shí)間和變化斜率，同時(shí)觀察測(cè)速機(jī)電壓波形，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)速度是否 飽和

16、。3. 當(dāng)繼續(xù)加大輸入電壓到±2v、±3v時(shí)，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。適當(dāng)調(diào)整輸入電壓，使系統(tǒng)工作在線性區(qū)，再測(cè)試階躍響應(yīng)曲線并記錄。4. 選擇較好的位置環(huán)pi調(diào)節(jié)器參數(shù)，觀察此時(shí)的階躍響應(yīng)及憐態(tài)響應(yīng)指標(biāo)（超 調(diào)量與調(diào)整時(shí)間）。5. 采用較好的調(diào)節(jié)器參數(shù)，斷開(kāi)使能，把連軸節(jié)接好，且保證輸入電壓為0時(shí), 工作臺(tái)處于零位（按復(fù)位按鈕，反饋電壓為0,再閉環(huán)），測(cè)試位置環(huán)的靜態(tài) 特性，從一 80+ s0mm至少測(cè)試12點(diǎn)。計(jì)算系統(tǒng)的傳遞系數(shù)（兀/）。6. 觀察位置鎖定后，在負(fù)載力矩（用手扭動(dòng)）作用下，工作臺(tái)的位移，其位移 越小，系統(tǒng)剛度越大。*位置環(huán)實(shí)際是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一電彈簧一阻尼系統(tǒng)，在p校正

17、時(shí)，逐漸減小速度 反 饋0值，系統(tǒng)就會(huì)振蕩，請(qǐng)記下振蕩頻率和0值，說(shuō)明速度反饋的阻尼 作用。四、實(shí)驗(yàn)思考1. cpld是什么器件？采用光電編碼器作為位置反饋是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)普遍采 用的方法，為了與“機(jī)電控制系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)兼容，“控制工程基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)也 采用了此元件，但利用cpld和d/a轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)線性位置反饋，計(jì)數(shù)器復(fù)位時(shí), 該計(jì)數(shù)器值是xxxxh?對(duì)應(yīng)的d/a值是多少？位置反饋系數(shù)如何分析計(jì) 算？2. 根據(jù)光電編碼器的那2個(gè)信號(hào)可以判斷轉(zhuǎn)向？3. 運(yùn)算放大器，功率放大器、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速都具有飽和特性，試根據(jù)采用的位置 調(diào)節(jié)器參數(shù)分析位置伺服系統(tǒng)的線性范圍！這時(shí)如何仿真？4. 這個(gè)實(shí)驗(yàn)的連軸節(jié)什么吋候

18、可以連接上？5. 線性系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間與輸入大小無(wú)關(guān)，實(shí)際上，實(shí)用的系統(tǒng)都是非線性系統(tǒng)， 說(shuō)明這個(gè)實(shí)驗(yàn)，為說(shuō)明為什么調(diào)整時(shí)間與輸入大小冇關(guān)？鬧出反映實(shí)際的位 置環(huán)方框圖和參數(shù)，再進(jìn)行仿真，與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比。6. 如果加上積分校正，位置會(huì)產(chǎn)生過(guò)沖？為什么？機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)是否允許過(guò) 沖？7. 系統(tǒng)的靜態(tài)傳遞系數(shù)（輸入iv單軸工作臺(tái)移動(dòng)的位移）如何計(jì)算？取決于 什么？8. 系統(tǒng)位置環(huán)，速度環(huán)，電流環(huán)（力矩環(huán)）各有什么特點(diǎn)？其頻帶如何分布？9. 試畫出利用現(xiàn)在的元部件加上計(jì)算機(jī)組成數(shù)字式位置控制系統(tǒng)的原理圖？系 統(tǒng)分辨率能夠達(dá)到多高？對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制來(lái)說(shuō)，什么叫全閉環(huán)？什么叫半閉環(huán)？五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 位置環(huán)靜

19、態(tài)特性曲線。2. 采用p校正時(shí)，位置環(huán)輸出（電壓）的動(dòng)態(tài)特性曲線。3. 采用p調(diào)節(jié)器吋，給出位置環(huán)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，理解位置環(huán)的構(gòu)成。4. 采用pi校正時(shí)，位置環(huán)輸出（電壓）的動(dòng)態(tài)特性曲線。5. *請(qǐng)采用反映實(shí)際的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行仿真，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)照，并進(jìn)行討論。6. *本實(shí)驗(yàn)的體會(huì)。附1：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備說(shuō)明書。控制工程基礎(chǔ)課程運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備說(shuō)明書趙長(zhǎng)德董景新張冠斌編寫 概述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是指通過(guò)電動(dòng)或液動(dòng)執(zhí)行環(huán)節(jié)（大部分采用電動(dòng)執(zhí)行部件， 功率大的則采用液壓傳動(dòng)，在食品、醫(yī)藥工業(yè)屮也往往采用氣動(dòng)元件），控制一 維乃至多維旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)控制對(duì)彖的控制系統(tǒng)。例如跟蹤目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的炮描

20、雷 達(dá)，進(jìn)行圓周掃描的警戒雷達(dá)，各種武器的發(fā)射架，三座標(biāo)測(cè)量機(jī)，機(jī)器人和機(jī) 械手的運(yùn)動(dòng)控制，數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，pcb板電子元件插件機(jī)，精密轉(zhuǎn)臺(tái)和工作 臺(tái)等等。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為精密儀器設(shè)備的一個(gè)重要方面，是先進(jìn)制造系統(tǒng) 屮的重要組成部分，反映了一個(gè)國(guó)家的高科技水平。這種機(jī)電控制系統(tǒng)目前廣泛采用模擬控制或計(jì)算機(jī)控制，直流或交流伺服電 機(jī)做為執(zhí)行部件。“控制工程基礎(chǔ)”課程屮的基木要求是，通過(guò)講課、控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)、matlab仿真和實(shí)驗(yàn)掌握電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的基本概念，掌握調(diào)試 速度環(huán)、位置環(huán)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)調(diào)試方法，從而從理論與實(shí)際的結(jié)合上掌握口動(dòng)控 制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正方法。在研究生的“機(jī)電系統(tǒng)

21、控制工程”課程屮則要求在電 流環(huán)基礎(chǔ)上，利用數(shù)字反饋組成計(jì)算機(jī)控制的位置伺服系統(tǒng)，編寫數(shù)字pid程序, 進(jìn)行位置伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。從而掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成、數(shù)字pid校正算法和 實(shí)驗(yàn)調(diào)試的方法。（一）、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)屮。圖1為小功率直流電動(dòng) 機(jī)雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，采用的是直流電動(dòng)機(jī)一則速發(fā)電機(jī)的機(jī)組。所謂雙環(huán) 指的是電流環(huán)和速度環(huán)，這是電力拖動(dòng)和機(jī)電控制領(lǐng)域內(nèi)普遍采用的技術(shù)?；魻?電流 傳憑器t tutf-圖1直流電動(dòng)機(jī)雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖下面介紹實(shí)驗(yàn)用調(diào)速系統(tǒng)的組成：1.主要元部件 直流伺服電動(dòng)機(jī)一測(cè)速發(fā)電機(jī)的機(jī)組：該機(jī)組型號(hào)為70szd01cf

22、24mb,直流伺服電動(dòng)機(jī)外徑70曲,額定功率 100w,額定轉(zhuǎn)速1000/7 ,額定電壓30v,額定電流4.5a,額定轉(zhuǎn)矩1心，峰值 轉(zhuǎn)矩8 nm ,電樞電阻1.7 q,電樞電感3.7曲，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量292曲,機(jī)電時(shí)間 常數(shù)9.2 ms （毫秒）。同軸述安裝了測(cè)速發(fā)電機(jī)，外徑也是70皿，其斜率為 24v/1000""" ,允許帶10kg負(fù)載。其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為loom/?？紤]到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增加，實(shí)際的機(jī)電時(shí)間常數(shù)為12.4。同軸還連接一個(gè)光電編碼器，500脈沖/每轉(zhuǎn)，電源5v,輸出ttl電平信號(hào)，分a,b,z三種信號(hào)。其屮a,b兩組信號(hào) 相差90度相位，a超前b表示正轉(zhuǎn)，b超

23、詢a表示反轉(zhuǎn)，z是每轉(zhuǎn)發(fā)岀一個(gè) 零位信號(hào)。電機(jī)機(jī)組外形圖見(jiàn)圖2所示。圖2伺服電動(dòng)機(jī)一測(cè)速發(fā)電機(jī)一光電編碼器機(jī)組圖 單軸運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)外形見(jiàn)圖3所示，滾動(dòng)絲杠傳動(dòng)，螺距2加加，整個(gè)行程200和”，或±100呦。電機(jī)通過(guò)撓性連軸節(jié)與工作臺(tái)的絲杠連接，當(dāng)調(diào)試速度環(huán)時(shí)應(yīng)該脫開(kāi)連軸節(jié)（需要用專用工具），位置環(huán)調(diào)試好才需要連接。 為防止沖過(guò)行程，在±959&訥處加上行程保護(hù)開(kāi)關(guān)（使用常閉觸點(diǎn)）。圖3單軸工作臺(tái)外形圖 pwm功率放大器見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)課件 pwm功放霍爾電流傳感器見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)課件 霍爾傳感器 屯流環(huán)（跨導(dǎo)功率放大器）的分析與設(shè)計(jì)采用高精度運(yùn)算放大器組成pi電流調(diào)節(jié)器，其輸出送給脈寬調(diào)

24、制器的輸 入，其電路原理圖見(jiàn)4所示。運(yùn)算放大器的反饋回路中的電阻心和c2組成比 例積分校正，其傳遞函數(shù)為電流調(diào)節(jié)器電路原理圖圖4 i圖中ui為電流環(huán)的輸入，接在速度調(diào)節(jié)器的輸出。"為霍爾電流傳感器采樣 電阻心上的電壓，由于心為1k0,遠(yuǎn)小于鳥(niǎo)。另外在兩個(gè)尺電阻之間加一個(gè) 濾波電容g,濾波時(shí)間常數(shù)2（國(guó)/2）6。故電流環(huán)的傳遞函數(shù)圖如圖5所示。圖5電流環(huán)傳遞函數(shù)圖為保證電流環(huán)的穩(wěn)定性和快速性，系統(tǒng)按二階最佳模型設(shè)計(jì)，并令r"lra,此時(shí)系統(tǒng)成為i型系統(tǒng)，電流環(huán)的速度品質(zhì)系數(shù)心為心=最5小珞式中is = r。,心咖是校正輸出電壓匕到電樞電壓的平均電壓的平均增益,即 pwm =

25、5適當(dāng)選擇電流環(huán)的各個(gè)參數(shù)，讓心= 0-62&）sd/s, 2（rj2）c=®2, 這吋電流環(huán)的通頻帶為嚴(yán)逅叭= l4khj對(duì)于所使用的pwm放大器，從電 流調(diào)節(jié)器輸入到電樞電流輸出的傳遞系數(shù)（跨導(dǎo)系數(shù)）心月為1（1 _ 100（）k，a=匕 rm如果選采樣電阻心為2000 n ,則k=o.5a/v。輸入電壓范圍為±1（1故電機(jī)電流可達(dá)到±5a。為保護(hù)放大器，實(shí)際限制在±45a。為什么需要電流環(huán)呢?因?yàn)殡姍C(jī)的力矩與其電樞電流成正比,控制電機(jī)的電 流就等于控制了電機(jī)的力矩，即控制運(yùn)動(dòng)對(duì)彖的加速度。冇些系統(tǒng)可能工作在 力矩狀態(tài)，例如力矩平衡系統(tǒng)，電動(dòng)

26、扳手等。在調(diào)速系統(tǒng)中，啟動(dòng)和制動(dòng)往往要 求恒加速度，其速度波形則為梯形波。實(shí)際使用的跨導(dǎo)放大器 實(shí)驗(yàn)所用的pwm功率放人器是桂林星辰電力電 了公司的sc5hc601型，其外形圖見(jiàn)圖6所示。放大器輸出最大電流5a, 輸出電壓最大60vo放大器頻帶接近1000hz,增益為0.5a/vo電氣接線 圖見(jiàn)圖7所示。實(shí)驗(yàn)所用h橋的直流電源是通過(guò)220v/25v, 50hz的隔離 變壓器副邊電壓提供的（內(nèi)部經(jīng)過(guò)全橋整流濾波），另外220v工頻電壓也經(jīng)過(guò)航空插座送入，供內(nèi)部電子線路的±12卩、5v電源使用。敖陽(yáng)輸出節(jié)點(diǎn)（沖威仔左必整吋外如雅電：鈴按改人）圖6跨導(dǎo)功率放大器外形圖1 2 v / 2 0

27、 0 n a1 71 32 5設(shè)定（-】04 o v ） 設(shè)定地0 3a/135vac0. 3a/i 1ov dc1 a/30vdc7、41使4能tn絃電住住料山8示1吃相亀1 k 欠/過(guò)壓報(bào)警1k 過(guò)流報(bào)警1 k 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)指示com竝空插頭座fuse圖7 sc5hc601電氣聯(lián)線圖放大器有一個(gè)10芯的航空插座，其3、6引腳為動(dòng)力變壓器副邊電壓（25v, 50 hz）,其9、10引腳為220v, 50hzd50hz電源輸入，5、8引腳為電機(jī)電樞引 線。放大器還有一個(gè)25芯d型插座，其13、25為控制輸入（25引腳為輸入地）, 但這個(gè)輸入經(jīng)過(guò)bb公司的隔離放大器送入放大器內(nèi)部的，故25引腳不等于

28、其內(nèi)部模擬地17引腳。1腳為內(nèi)部12v電源引腳，11為使能輸入，11引腳與1短 路即為使能（en=1），斷開(kāi)則放大器不工作，所以行程限位開(kāi)關(guān)也串連在使能回 路中。其它引腳沒(méi)有接出。為消除pwm對(duì)速度環(huán)，位置環(huán)調(diào)節(jié)器等電子線路干 的擾，在電樞冋路屮還串連接入高頻隔離電感，以提高電磁兼容性能。2. 速度環(huán)介紹為了實(shí)驗(yàn)調(diào)試方便，制作了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱，其外形圖如圖8所示, 而板圖如圖9所示。圖8運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱外形圖 測(cè)速發(fā)電機(jī)原理及其濾波 該部件同軸安裝在電機(jī)上，其定子是永磁的,故發(fā)電機(jī)的電壓e廠k”,式中"是電動(dòng)機(jī)一測(cè)速機(jī)組的轉(zhuǎn)速。為了濾除發(fā)電 機(jī)轉(zhuǎn)了的齒諧波，如同電流調(diào)節(jié)器一樣

29、，在反饋回路中加入阻容網(wǎng)絡(luò)，組成 低通濾波器。 速度調(diào)節(jié)器 見(jiàn)圖10所示，速度調(diào)節(jié)器也是一個(gè)有源pi校正裝置。圖10速度調(diào)節(jié)器電路圖g(s)= rqs + _ js +1g”(s)=r3c4s tns ，式中 5 =尺4。4，幾=2/4, «3=39kg 速度環(huán)分析與設(shè)計(jì) 雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖見(jiàn)圖11所示，但 由于電流環(huán)的頻帶接近1 kg,而速度環(huán)的通頻帶耍小很多倍，故可認(rèn)為電流 環(huán)是一個(gè)比例環(huán)節(jié)。另外，由于電流環(huán)本身是一階無(wú)差系統(tǒng)，故電機(jī)的反電勢(shì) 可以忽略不計(jì)，這樣圖11可簡(jiǎn)化為圖12o濾波器霍爾電流 傳感器圖11雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)方框圖（圖中0用b表示）匕($)m其中：tm=

30、raj/cecm圖12雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)化方框圖 下面求校正前固有的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，已知：測(cè)速發(fā)電機(jī)系數(shù) = 24v/1000恥=o.024v/恥=0.229v/e/s）,c _e _ 30v-1.70x4.5 a _而電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)系數(shù)"一廠 1°°°恥 一0.213卩/加"，所以5 二 £.丄=lz!./5 ce 14.5-10-3 0.213 _550 “id / a s?k兩=05a/vr7；= g = 19.5kq x 0.22/f = 4.29 加 s測(cè)速機(jī)濾波時(shí)間常數(shù)2-（也可以重新設(shè) 計(jì)），丁是，系統(tǒng)固有部分開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為（假

31、定測(cè)速反饋衰減系數(shù)0"）63i= g十心)兩+ _s(429佔(zhàn)s + dkva 血 kn = 0.5 x 550 x 0.229式中， j=63系統(tǒng)期果頻率特性為典型高階最佳，其傳遞函數(shù)為1-9式屮，k嚴(yán)63/7；,耳=39尬24,丁"=恥4,可以選擇r4,g,0,畫岀系統(tǒng)希望的 bode圖，使系統(tǒng)滿足指標(biāo)。并利用matlab仿真，計(jì)算系統(tǒng)校止裝置參數(shù)， 再到實(shí)驗(yàn)室調(diào)試，測(cè)試速度環(huán)的靜特性和動(dòng)特性。在測(cè)速反饋衰減系數(shù)"i的 情況下，速度環(huán)靜態(tài)傳遞系數(shù)為5則速機(jī)/"輸入=2左右，對(duì)于角速度的增益為：-=x 1 qqorpm / v = 1.39 rad i

32、 s vur 24o為了能夠使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到或超過(guò)1000"?？砂?調(diào)到0.5左右，這時(shí)- = x 1000 rpm / v = x 1q00 rpm/v = 2jsrad / s-vur 240'6'o當(dāng)pi調(diào)節(jié)器選擇0.1 “f,r3 = 39k,r4=400k，其仿真參考方框圖如下：scop 2圖13 速度環(huán)模型如果輸入是負(fù)載力矩，請(qǐng)考慮采用等效的數(shù)學(xué)模型仿真。（二）電壓一位置隨動(dòng)系統(tǒng)1.位置環(huán)原理位置環(huán)原理圖見(jiàn)圖14圖14電壓一位置隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖但曲于安裝200毫米的直線電位計(jì)比較困難，而且觸點(diǎn)容易磨損，并且考 慮到計(jì)算機(jī)位置伺服系統(tǒng)的需要，采用安裝在電機(jī)軸上的光電編碼器作為位置 反饋元件。直接安裝在工作臺(tái)上的位置反饋稱為全閉環(huán)，而安裝在電機(jī)軸上的 位置反饋稱為半閉環(huán)。這樣聯(lián)軸節(jié)和機(jī)械傳動(dòng)部分的傳遞函數(shù)不在閉環(huán)系統(tǒng) 內(nèi)，系統(tǒng)容易穩(wěn)定，也便于調(diào)試和維護(hù)，運(yùn)行穩(wěn)定。2.位置環(huán)介紹 位置反饋一電子電位計(jì) 利用光電編碼器的信號(hào)送給alter公司的 cpld,其輸岀的二進(jìn)制信號(hào)加給ad669十六位