自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、緒 論隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)在許多工程領(lǐng)域（如電力工程、機(jī)械工程、化工工程、生物醫(yī)學(xué)工程、航空航天以及交通運(yùn)輸?shù)龋┯兄鴱V泛的應(yīng)用。隨著對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能要求不斷提高，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也愈趨復(fù)雜，為了處理新的問題，需要新的分析方法。以頻率法或根軌跡法為基礎(chǔ)處理單輸入單輸出系統(tǒng)的問題，稱為經(jīng)典控制理論。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為了適應(yīng)各種更廣泛、更復(fù)雜的控制要求，例如多輸入多輸出系統(tǒng)、時(shí)變系統(tǒng)等等，一種以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來。應(yīng)用現(xiàn)代控制理論，設(shè)計(jì)者可以按照所要求的各種性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)最優(yōu)化的系統(tǒng)，即選用最合適的控制規(guī)律?？刂评碚撍幚淼膯栴}很多，這里只介紹最基本的

2、三類問題： 第一類是研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所謂穩(wěn)定性，就是指在受到擾動(dòng)作用之后，系統(tǒng)的被控制量雖然偏離了原來的平衡狀態(tài)，但當(dāng)擾動(dòng)撤離，經(jīng)過一段時(shí)間后，如果系統(tǒng)仍然能回到原有的平衡狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的。一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，當(dāng)其內(nèi)部參數(shù)稍有變化或者初始條件改變時(shí)，仍能正常地進(jìn)行工作?？紤]到實(shí)際系統(tǒng)在工作過程中的環(huán)境和參數(shù)的變化，因此在設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)時(shí)不僅要求能穩(wěn)定，還要求留有一定的穩(wěn)定裕量。第二類是研究系統(tǒng)的準(zhǔn)確度(或稱穩(wěn)態(tài)精度)。系統(tǒng)的準(zhǔn)確度是指在調(diào)整過程結(jié)束后，輸出量與參考輸入量之間的偏差。這種偏差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。通常用階躍、斜坡或拋物線輸入系統(tǒng)后的穩(wěn)態(tài)誤差來評(píng)定。第三類是

3、研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)有時(shí)域性能指標(biāo)和頻域性能指標(biāo)兩類。根據(jù)被控對(duì)象的不同，各種系統(tǒng)對(duì)上述三方面性能要求的側(cè)重點(diǎn)也有所不同。例如隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度的要求較高，而恒值控制系統(tǒng)一般側(cè)重于穩(wěn)定性能和抗擾動(dòng)的能力。在同一個(gè)系統(tǒng)中，三方面的性能要求又通常是相互制約的。隨著對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能要求不斷提高，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也愈趨復(fù)雜，為了處理新的問題，需要新的分析方法。以頻率法或根軌跡法為基礎(chǔ)處理單輸入單輸出系統(tǒng)的問題，稱為經(jīng)典控制理論。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為了適應(yīng)各種更廣泛、 圖0-1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖更復(fù)雜的控制要求，例如多輸入多輸出系統(tǒng)、時(shí)變系統(tǒng)等等，一種以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的

4、現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來。應(yīng)用現(xiàn)代控制理論，設(shè)計(jì)者可以按照所要求的各種性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)最優(yōu)化的系統(tǒng)，即選用最合適的控制規(guī)律。設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，可用圖0-1的流程圖來表示。當(dāng)然，在具體的設(shè)計(jì)過程中，圖中的七個(gè)步驟不是截然分開的，各個(gè)方框之間要經(jīng)過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，使它們之間交叉聯(lián)成一個(gè)整體。在設(shè)計(jì)和分析控制系統(tǒng)時(shí)，既要強(qiáng)調(diào)理論基礎(chǔ)，又要重視實(shí)驗(yàn)技術(shù)。控制理論實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)是流程圖中的中間三個(gè)步驟，即從進(jìn)行性能分析到仿真實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)研究的方法有兩種：一種是在真實(shí)系統(tǒng)(稱原型)上進(jìn)行，另一種是在模型上進(jìn)行。對(duì)于比較簡(jiǎn)單的被控對(duì)象，可以在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)和調(diào)整，以獲得較好的性能指標(biāo)。但是在生產(chǎn)過程中，大部

5、分的被控對(duì)象是比較復(fù)雜的，如火箭發(fā)射、反應(yīng)堆控制、軋鋼機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等等，考慮到安全性、經(jīng)濟(jì)性以及進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的可能性諸原因，在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通常是不允許的。這時(shí)，就需要把實(shí)際系統(tǒng)建立成數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行研究，然后把對(duì)模型實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中去。這種方法叫做模擬或仿真研究，簡(jiǎn)稱“仿真”。物理仿真就是用縮小(或放大)了的尺寸(或容量)，制作與系統(tǒng)原型相同的模型，模型的變量與真實(shí)系統(tǒng)的變量完全一致。例如，要研究一個(gè)大功率的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)我們可用小容量的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)(作負(fù)載用)及小容量的晶閘管整流裝置組成一個(gè)物理仿真系統(tǒng)。物理仿真造價(jià)較高，而且要作大量的安裝、調(diào)整等工作，因而

6、準(zhǔn)備的周期較長(zhǎng)。數(shù)字仿真是將實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律用數(shù)學(xué)方程(一組微分方程或差分方程)來描述，然后用數(shù)字計(jì)算機(jī)來解數(shù)學(xué)方程。在數(shù)學(xué)仿真中，由于仿真模型和真實(shí)系統(tǒng)具有相同的數(shù)學(xué)模型。因此就動(dòng)態(tài)性能而言，對(duì)模型的研究，就可以代替對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的研究。數(shù)字仿真比物理仿真具有更廣泛的用途，它可以對(duì)物理性質(zhì)截然不同的許多控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。數(shù)字仿真的準(zhǔn)備工作比物理仿真所需準(zhǔn)備的工作量要小，周期也要短，所化的費(fèi)用也少，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理也簡(jiǎn)單，這是數(shù)字仿真比物理仿真發(fā)展更迅速的原因?？刂评碚搶?shí)驗(yàn)分為兩大部分：物理仿真。包括利用運(yùn)算放大器的基本特性(開環(huán)增益高、輸入阻抗大、輸出阻抗小等)，設(shè)置不同的輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)來實(shí)

7、現(xiàn)各種典型環(huán)節(jié)，再由各種典型環(huán)節(jié)按實(shí)驗(yàn)要求可連接起來構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的電子模擬裝置以及小功率模擬隨動(dòng)系統(tǒng)。 數(shù)字仿真。主要包括基于MATLAB語(yǔ)言的控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)以及Simulink仿真。第一部分第一章 控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的時(shí)域及頻域測(cè)試§11 控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的時(shí)域測(cè)試 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是指系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程(過渡過程)中輸出量對(duì)于輸入量的時(shí)間函數(shù)關(guān)系。由于大多數(shù)控制系統(tǒng)是以時(shí)間作為獨(dú)立變量的，因此系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性往往用時(shí)域響應(yīng)來描述。一般而言，只要在階躍信號(hào)輸入下系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)能符合設(shè)計(jì)要求，則在其它任何信號(hào)輸入下，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)能滿足要求。實(shí)驗(yàn)獲得階躍響應(yīng)的方法很多。其中最簡(jiǎn)單的

8、一種就是直接給于系統(tǒng)一個(gè)階躍輸入量，并同時(shí)用測(cè)試儀器(慢掃描示波器、光線示波器或函數(shù)記錄儀等)測(cè)量其輸出量。假如測(cè)得實(shí)際系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖1-1-1所示，則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能可用該圖中所示的性能指標(biāo)來表征(圖中取初始條件 圖1-1-1 階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)為零)。一、上升時(shí)間。對(duì)于過阻尼系統(tǒng)它是響應(yīng)從終值的10上升到90所需要的時(shí)間，圖1-1-1表示欠阻尼系統(tǒng)。二、峰值時(shí)間。當(dāng)響應(yīng)曲線到達(dá)第一個(gè)峰值所需的時(shí)間。三、超調(diào)量。響應(yīng)曲線超過階躍輸入的最大偏離量。通常表示為階躍響應(yīng)終值的百分?jǐn)?shù)，即 。四、調(diào)整時(shí)間。響應(yīng)曲線衰減到并停留在終值的某一規(guī)定的誤差帶(2或5)內(nèi)所需的時(shí)間。五、振蕩次數(shù)N。在調(diào)整時(shí)間

9、內(nèi)，響應(yīng)曲線穿越其終值次數(shù)的一半。 在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，上述性能指標(biāo)不是全部都要采用的。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的使用條件和實(shí)際情況，只對(duì)其中幾個(gè)認(rèn)為重要的性能指標(biāo)提出要求。 對(duì)線性系統(tǒng)可用時(shí)域法研究控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。先對(duì)系統(tǒng)加入一個(gè)輸入信號(hào)后，測(cè)定系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，然后根據(jù)此響應(yīng)曲線，求出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方程。所加的輸入信號(hào)一般為階躍信號(hào)，由于時(shí)域法能比較直觀地反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，無需中間轉(zhuǎn)換，實(shí)驗(yàn)原理也最簡(jiǎn)單，因此這是一種基本的測(cè)定系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的方法，這種測(cè)試方法的原理圖如圖1-1-2所示。 測(cè)試時(shí)要注意以下情況： 圖1-1-2 階躍響應(yīng)測(cè)試原理圖1階躍信號(hào)幅值的大小選擇應(yīng)適當(dāng)考慮。過大會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的

10、非線性因素增大，使線性系統(tǒng)變成非線性系統(tǒng)；過小也會(huì)使系統(tǒng)信噪比降低并且輸出響應(yīng)曲線不可能清楚顯示或記錄下來。2在階躍信號(hào)施加前，應(yīng)使系統(tǒng)保持相當(dāng)長(zhǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在相同的階躍幅值輸入下，檢驗(yàn)被測(cè)的正向和反向階躍響應(yīng)曲線，如果兩者波形和幅值基本一樣，即表明系統(tǒng)確為線性；否則須按非線性系統(tǒng)處理。3恰當(dāng)選擇示波器或函數(shù)記錄儀的“掃描時(shí)間”旋鈕，使階躍響應(yīng)曲線的波形完整、清楚地顯示或記錄下來。§12 控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的頻域測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)可用時(shí)域法來分析，也可用系統(tǒng)的頻率特性來評(píng)價(jià)。前者的優(yōu)點(diǎn)是直觀逼真，后者對(duì)工程分析和設(shè)計(jì)比較方便?？捎行У乩妙l率特性曲線，而不必求解復(fù)雜的解析式，這一點(diǎn)對(duì)

11、于無法取得數(shù)學(xué)模型的某些復(fù)雜對(duì)象尤為重要。系統(tǒng)的頻率特性測(cè)試要比時(shí)域響應(yīng)測(cè)試復(fù)雜，但由于測(cè)試頻率特性時(shí)，被測(cè)系統(tǒng)施加一種穩(wěn)態(tài)正弦信號(hào)，系統(tǒng)處在穩(wěn)態(tài)，外來隨機(jī)干擾對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響比測(cè)試時(shí)域響應(yīng)時(shí)小得多，因此測(cè)量準(zhǔn)確度較高。此外，對(duì)于最小相位系統(tǒng)，在未知系統(tǒng)傳遞函數(shù)的情況下，則可對(duì)感興趣的頻率范圍內(nèi)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的對(duì)數(shù)頻率特性，并對(duì)此作出對(duì)數(shù)頻率特性曲線，即可求出具有一定精度的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)。測(cè)試控制系統(tǒng)頻率特性有很多方法，下面就幾種常用的方法作些簡(jiǎn)要說明。一、輸人輸出曲線直接記錄法測(cè)試框圖如圖1-2-1所示。正弦信號(hào)發(fā)生器每固定一個(gè)頻率，待輸出穩(wěn)定后，即可以在雙線示波器或雙線記錄儀上獲得一

12、組輸入輸出曲線，如圖1-2-1（b）所示。其中輸出曲線常常夾雜著干擾，因而已不是光滑的正弦曲線了，但是峰值比還是容易確定的。測(cè)量幅頻特性時(shí)，一般為了讀取方便，輸入和輸出的幅值均取其峰峰值，即測(cè)量相頻特性時(shí)，可測(cè)量輸入與輸出峰值間的距離，并量出輸入曲線前(a)方框圖 (b)波形圖 圖1-2-1 直接記錄法測(cè)試頻率特性的原理圖后兩個(gè)峰間的距離，則可得到某一頻率為時(shí)的相位差值 在上式中，若輸出超前于輸入，則符號(hào)應(yīng)取正。這樣，在測(cè)定的頻率范圍內(nèi)逐漸改變輸入頻率，重復(fù)上述測(cè)量，就可得到一系列對(duì)應(yīng)不同頻率的幅值比和相位差的值，從而得到被測(cè)系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性曲線。用直接記錄法測(cè)量和需要逐點(diǎn)測(cè)量和換算，

13、使用較麻煩，測(cè)量精度較低，諧波與噪聲抑制能力也較差，因此目前一般已不再采用。二、李沙育圖形法將正弦信號(hào)作為輸入信號(hào)，并和被測(cè)系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸出分別接到慢掃描示波器的X軸和Y軸上，如圖1-2-2所示，就可以在示波器上顯示李沙育圖形。設(shè)被測(cè)系統(tǒng)的輸入量和輸出量的表 圖1-2-2李沙育圖形測(cè)試頻率特達(dá)式分別為： 則李沙育圖形的產(chǎn)生如圖1-2-3所示若以t作為參變量，則隨t的變化，圖1-2-3 李沙育圖形測(cè)試頻率特性(a)輸入輸出波形；(b)示波器X軸的輸入波形；(c)示波器Y軸的輸入波形；(d)李沙育圖形和所確定的點(diǎn)的軌跡，將在示波器屏幕上形成一條封閉的曲線(通常是一個(gè)橢圓)。這就是所謂的李沙育圖

14、形。由圖可知，時(shí)，由此得： （1-2-1）同理： （1-2-2）其中：為橢圓與Y軸交點(diǎn)之間的長(zhǎng)度。為橢圓與X軸交點(diǎn)之間的長(zhǎng)度。上式適用于橢圓長(zhǎng)軸在第一、三象限；當(dāng)橢圓長(zhǎng)軸在第二、四象限時(shí)計(jì)算公式為 （1-2-3） （1-2-4）因此，在某頻率范圍內(nèi)逐點(diǎn)改變頻率重復(fù)測(cè)量，就可得到相頻特性和幅頻特性實(shí)際測(cè)量相頻特性時(shí)，通常保持信號(hào)發(fā)生器的輸出幅值不變因此，采用 (1-3-2)式和(1-3-4)式為好這樣既可減少實(shí)驗(yàn)工作量，也可提高測(cè)量精度。因?yàn)檎麄€(gè)實(shí)驗(yàn)過程中2X。只需測(cè)量一次即可。表1-2-1應(yīng)當(dāng)指出，系統(tǒng)輸出大多是遲后于輸入的，在這種情況下，示波器上的光點(diǎn)作逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，用上述公式計(jì)算的結(jié)果需加負(fù)

15、號(hào)。如果光點(diǎn)是順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，則輸出超前于輸入，計(jì)算結(jié)果應(yīng)為正。上述原理見表1-2-1。李沙育圖形法對(duì)儀器要求不高，但所得的精度較低，特別在頻率較高時(shí)，光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向不易看出，這時(shí)只能按測(cè)試的數(shù)據(jù)的連續(xù)性和對(duì)測(cè)試系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的初步了解來估算其符號(hào)。三、補(bǔ)償法 用補(bǔ)償法測(cè)試控制系統(tǒng)頻率特性的原理如圖l-2-4所示。這是使用超低頻系列儀器組合在一起來測(cè)量被測(cè)系統(tǒng)的幅值比和相位差。幅頻特性的測(cè)試較容易，在輸入幅值給定的情況下，改變信號(hào)頻率，斷開開關(guān)K，用超低頻示波器直接測(cè)量出系統(tǒng)輸出的幅值，即可求出幅值比。相頻特性是借助于超低頻移相器從示波器顯示的李沙育圖形來測(cè)得對(duì)應(yīng)的相角，當(dāng)兩個(gè)頻率相同的正弦信號(hào)，同

16、時(shí)從示波器的X、Y軸輸入時(shí)，顯然沒有相位差，其圖形一定是一條直線，根據(jù)這個(gè)原 圖1-2-4 補(bǔ)償法測(cè)試頻率特性的原理圖 理，把被測(cè)系統(tǒng)的輸出加到示波器的Y軸，而移相器的輸出加到示波器X軸，由于兩個(gè)信號(hào)有相位差，故示波器上呈現(xiàn)橢圓，只要調(diào)節(jié)移相器的相位旋鈕，當(dāng)示波器顯示一直線時(shí)即停止調(diào)節(jié)。此時(shí)移相器上指示的相角值就是被測(cè)系統(tǒng)輸出的相位差。這種測(cè)量方法，擾干擾能力差，因測(cè)量值取峰值，在被測(cè)系統(tǒng)中可能存在非線性因素，輸出并不是正弦波，故測(cè)得的峰值不是基波的幅值，因此會(huì)造成誤差。四、相關(guān)測(cè)量法 現(xiàn)代的頻率特性測(cè)試儀一般都采用相關(guān)測(cè)量原理來測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其測(cè)試頻率特性的原理如圖1-2-5所示。從圖

17、中可得知相關(guān)測(cè)量法是將被測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)與參考信號(hào)和分別相乘，然后在基波的整數(shù)周期內(nèi)積分并求其平均值，則可得到基波分量的實(shí)部和虛部，同時(shí)抑制直流分量、高次諧波和噪聲。故測(cè)量精度高，目前應(yīng)用十分廣泛。 圖1-2-5 相關(guān)法測(cè)試系統(tǒng)頻率特性的框圖在實(shí)際測(cè)試頻率特性時(shí)要注意以下情況：由于被測(cè)系統(tǒng)具有某些非線性因素，必須適當(dāng)選擇輸入正弦信號(hào)的幅度。如果輸入信號(hào)太大，會(huì)引起輸出信號(hào)飽和；輸入信號(hào)太小，也會(huì)由于死區(qū)而引起誤差這可通過檢查輸出信號(hào)是否接近正弦波形來考慮輸入信號(hào)的大小。2試驗(yàn)前應(yīng)先確定頻帶范圍，求出最大頻率，在已定的初始頻率下，逐漸增大輸入正弦信號(hào)的頻率，直到輸出幅值只有幅值的1/201/10

18、0。把到這一頻帶分成5至10段，確定、然后把選好的頻率依次逐個(gè)地加到被測(cè)系統(tǒng)上，記下所測(cè)試數(shù)據(jù)，得出被測(cè)系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。3若用超低頻系列儀器測(cè)試頻率特性，則應(yīng)注意超低頻示波器交流耦合的下限頻率。如輸入信號(hào)頻率低于下限頻率時(shí)，則必須用直流檔輸入。4對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析時(shí)，總是認(rèn)為信號(hào)源輸出阻抗為零，測(cè)量?jī)x器的輸入阻抗為無窮大。但實(shí)際測(cè)試時(shí)，只有當(dāng)被測(cè)系統(tǒng)的輸入抗遠(yuǎn)大于信號(hào)發(fā)生器的輸出阻抗及被測(cè)系的輸出阻抗遠(yuǎn)小于測(cè)量?jī)x器的輔入阻抗時(shí)，論分析才能接近于實(shí)測(cè)值。第二章第三章 控制系統(tǒng)的電子模擬實(shí)驗(yàn)§21 電子模擬實(shí)驗(yàn)的基本部件 電子模擬裝置的基本部件都是運(yùn)算放大器，它被用來作為積

19、分器、比例器、加法器、系數(shù)器等運(yùn)算部件。這些運(yùn)算部件均屬于線性運(yùn)算部件，運(yùn)算放大器視為滿足以下條件的為理想放大器： 1放大器的開環(huán)放大倍數(shù)為無限大； 2開環(huán)輸入阻抗為無限大，輸出阻抗等于零； 3通頻帶為無限大； 4輸入與輸出間呈線性特性。由于運(yùn)算放大器的通頻帶遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于控制系統(tǒng)中各種典型環(huán)節(jié)的工作頻段，上述條件3一般均能滿足。當(dāng)輸入信號(hào)取得比較小時(shí)，運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)，因此可以滿足條件4。下面介紹幾種常用運(yùn)算部件的線路圖 (輸入信號(hào)使用反相輸入端)。一、比例器RiRfuiuo比例器的線路圖2-1-1所示，運(yùn)算放大器的輸入、輸出關(guān)系為反饋?zhàn)杩购洼斎胱杩怪?。在比例器中，輸入量只有一個(gè)，而且輸入

20、阻抗和輸出阻抗均為電阻，所以其輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系 （2-1-1） 式比例器的傳遞系數(shù)(又稱放大倍數(shù))。改變或的電阻值便可以改變比例器的放大 圖2-1-1比例器的線路圖RnR2R1u2unRfu1uo倍數(shù)K。 二、加法器加法器是完成多個(gè)信號(hào)相加運(yùn)算的部件。使用它可模擬各種信號(hào)的綜合。圖2-1-2為加法器的線路圖，加法器的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系為 圖2-1-2 加法器的線路圖 （2-1-2）式中為每一輸入量的傳遞系數(shù)，這就實(shí)現(xiàn)了n個(gè)輸入量按比例相加的運(yùn)算。 三、積分求和器u2unRnR2R1Cfu1uo積分求和器的其原理線路圖如圖2-1-3所示。積分求和器的輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系為 式中

21、為積分求和器的傳遞系數(shù)，這就實(shí)現(xiàn)了n個(gè)輸入量按積分求和的運(yùn)算。 圖2-1-3 積分求和線路§22 非線性部件的模擬所謂非線性特性，是指它的輸出與輸入信號(hào)之間的關(guān)系是非線性在實(shí)際物理系統(tǒng)中，往往許多部件在不同程度上都具有非線性特性。常見的有飽和特性、繼電器特性、死區(qū)特性。下面針對(duì)典型非線性部件的模擬方法及原理分別加以說明。一、飽和特性飽和特性的模擬線路圖及輸入、 輸出特性如圖2-2-1所示它是由比例 圖2-2-1 飽和特性線路極其輸入輸出特性運(yùn)算部件及輸出限幅器兩部分組成。當(dāng)輸入信號(hào)ui在-uio<ui<uio范圍內(nèi)變化，其輸出與輸入成線性關(guān)系； 當(dāng)| ui |>|u

22、io|，其輸出保持一常量M或-M。上述關(guān)系可用如下數(shù)學(xué)表達(dá)式表示： （2-2-1） 其中 ui>uio時(shí)， signui1；ui<-uio時(shí)，signui-1 式2-2-1中的飽和值M等于整定的限幅值，增益K等于反饋電阻與輸入電阻之比。在一般的情況下，系統(tǒng)中由于飽和特性的非線性部件存在，使系統(tǒng)的開環(huán)增益降低，從而增大系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差，但在某些控制系統(tǒng)中，人們有目的地引入飽和非線性環(huán)節(jié)，例如在SCRD雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，其速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均設(shè)計(jì)成具有飽和特性，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和限止系統(tǒng)的最大電流。二、繼電器特性 繼電器特性的模擬線路圖及輸入輸出特性如圖2-2-

23、2所示。由于運(yùn)算放大圖2-2-2 繼電器特性線路圖與輸入輸出特性圖器的反饋回路斷開，其增益趨向于無限大，因此只要非常小的輸入信號(hào)，其輸出就立即增至限幅值M它可用如下數(shù)學(xué)表達(dá)式表示 （2-2-2） 實(shí)際上由于運(yùn)算放大器不可能是理想的，即電子元件和電路有小慣性(盡管非常小)，而且通頻帶有限，因此實(shí)際的繼電器特性是有小回環(huán)。三、死區(qū)特性 死區(qū)特性的模擬線路圖及輸入輸出特性如圖2-2-3所示，即在比例運(yùn)算 圖2-2-3 死區(qū)特性線路圖與輸入輸出特性放大器的輸入回路中接入一個(gè)二極管鉗位電路。當(dāng)輸入信號(hào)ui較小時(shí)，D1、D2均不導(dǎo)通，其輸出電壓uo為零；當(dāng)輸入信號(hào)大于死區(qū)寬度uio時(shí)，其輸出與輸入成線性關(guān)

24、系。上述關(guān)系可用如下數(shù)學(xué)表達(dá)式示 （2-2-3）式中K-線性段的增益；2uio-死區(qū)的寬度； uio-二極管導(dǎo)通的臨界電壓在自動(dòng)控制系統(tǒng)中具有死區(qū)特性的部件較多。例如伺服電機(jī)由于要克服摩擦和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，因此需要有一定的啟動(dòng)電壓，這個(gè)電壓稱作伺眼電機(jī)的死區(qū)。顯然，摩擦和負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，伺服電機(jī)的死區(qū)也越大；又如控制系統(tǒng)中的檢測(cè)部件如測(cè)速發(fā)電機(jī)、自整角機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器等，由于其電刷和換向器的接觸壓降也會(huì)產(chǎn)生死區(qū)。在死區(qū)范圍內(nèi)，系統(tǒng)處于開環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，從而失去了自動(dòng)調(diào)整的功能，將使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變差和穩(wěn)態(tài)誤差增大。因此必須提高部件運(yùn)動(dòng)部分的潤(rùn)滑度，改進(jìn)元件的加工工藝及選用優(yōu)質(zhì)材料等措施，以減小其非線性死區(qū)。

25、但有時(shí)利用死區(qū)特性抑制某種干擾，從而使系統(tǒng)提高抗于擾的能力。§23典型環(huán)節(jié)的模擬及參數(shù)測(cè)試根據(jù)數(shù)學(xué)模型的相似原理，我們應(yīng)用電子元件模擬工程系統(tǒng)中的典型環(huán)節(jié)，然后加入典型測(cè)試信號(hào)，測(cè)試環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)。反之從實(shí)測(cè)的輸出響應(yīng)也可以求得未知環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及其各個(gè)參數(shù)。模擬典型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的方法有兩種：第一種方法，利用模擬裝置中的運(yùn)算部件，采用逐項(xiàng)積分法，進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，構(gòu)成典型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)模擬結(jié)構(gòu)圖；第二種方法將運(yùn)算放大器與不同的輸入網(wǎng)絡(luò)、反饋網(wǎng)絡(luò)組合，構(gòu)成傳遞函數(shù)模擬線路圖，這種方法可以稱為復(fù)合網(wǎng)絡(luò)法。本節(jié)介紹第二種方法。一、慣性環(huán)節(jié)的模擬慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 （2-3-1）其中 K一靜態(tài)

26、放大倍數(shù) T慣性時(shí)間常數(shù)慣性環(huán)節(jié)的模擬電路如圖2-3-1所示模擬電路的傳遞函數(shù)為 （2-3-2）比較（2-3-1）式和（2-3-2）式，得K=R2/R1； T=R2C (a)模擬電路 (b)輸出響應(yīng) 圖2-3-1慣性環(huán)節(jié)的模擬電路及響應(yīng)當(dāng)輸入負(fù)階躍信號(hào)時(shí)，其輸出響應(yīng)如圖2-3-1(b)所示。從圖中可知，T和K是響應(yīng)曲線的兩個(gè)特征量。T表示階躍信號(hào)輸入后，響應(yīng)按指數(shù)上升的快慢，它可從響應(yīng)曲線實(shí)測(cè)得到。二、積分環(huán)節(jié)的模擬積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 （2-3-3） 其中一積分時(shí)間常數(shù) (a)模擬電路 (b)輸出響應(yīng)圖2-3-2 積分環(huán)節(jié)的模擬電路及響應(yīng)積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖如圖2-3-2(a)所示，模擬電路

27、的傳遞函數(shù)為 （2-3-4）比較（2-3-3）和（2-3-4）二式，得當(dāng)輸入負(fù)階躍信號(hào)時(shí)，其輸出響應(yīng)如圖2-3-2(b)所示。從圖中可知，積分時(shí)間常數(shù)是積分環(huán)節(jié)的特征量，它表示階躍輸入后響應(yīng)按線性上升的快慢，可從響應(yīng)曲線上求出，即響應(yīng)上升到階躍輸入幅值時(shí)所需的時(shí)間。積分環(huán)節(jié)的特點(diǎn)是，不管輸入幅值多小，輸出就不斷地按線性增長(zhǎng)，輸入幅值愈小，增長(zhǎng)的速率愈小，只有輸入為零時(shí)，輸出才停止增長(zhǎng)而保持其原來的數(shù)值。從圖中可看出運(yùn)算放大器最終達(dá)到飽和值。三、比例積分環(huán)節(jié)的模擬比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 （2-3-5）其中 K比例系數(shù)； 積分時(shí)間常數(shù) (a)模擬電路 (b)輸出響應(yīng) 圖2-3-3 比例積分環(huán)節(jié)的

28、模擬電路及響應(yīng)比例積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖如圖2-3-3(a)所示。模擬電路的傳遞函數(shù)為 （2-3-6）比較（2-3-5）和（2-3-6）兩式得 當(dāng)輸入負(fù)階躍信號(hào)時(shí)，其輸出響應(yīng)如圖2-3-3(b)所示。從該圖中可以得到比例積分環(huán)節(jié)的特征參數(shù)K和。必須注意：在測(cè)試積分環(huán)節(jié)和比例積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)時(shí)，由于存在儲(chǔ)能元件C，因此每次輸入階躍響應(yīng)時(shí)，必須保證為零，否則將因的初始值不同使每次測(cè)得的響應(yīng)不同。四、比例積分微分環(huán)節(jié)的模擬比例積分微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 （2-3-7）比例系數(shù)；積分時(shí)間常數(shù)；微分時(shí)間常數(shù)該環(huán)節(jié)的模擬電路如圖2-3-4所示，當(dāng)滿足，ui(t)uo(t)CC1R3R2R10uo(t)t (

29、a)模擬電路圖 (b)理想的輸出響應(yīng)圖2-3-4 比例積分微分環(huán)節(jié)的模擬電路及理想的響應(yīng) 時(shí)，該電路的傳遞函數(shù)為 （2-3-8）比較（2-3-7）和（2-3-8）兩式得 對(duì)于理想的比例積分微分環(huán)節(jié)，當(dāng)輸入負(fù)階躍信號(hào)時(shí)其輸出響應(yīng)如圖2-3-4(b)所示，在輸入躍變時(shí)，它的輸出響應(yīng)能夠以無限大的變化率在瞬間躍至，又在此瞬間下降至按某一比例Kp分配的電壓值，并立即按積分時(shí)間常數(shù)Ti規(guī)律線性增長(zhǎng)。而模擬比例積分微分環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)，在輸入躍變時(shí)只能以有限的變化率上升至運(yùn)算放大的飽和值就不再增長(zhǎng)，經(jīng)過一段時(shí)間，又以有限的變化率下降。這是因?yàn)槟M電路是在滿足、的條件下，忽略了小時(shí)間常數(shù)才得到近似的PID數(shù)學(xué)

30、模型式，而且運(yùn)算放大器也不是理想的，因此實(shí)際比例積分微分環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線與圖2-3-4(b)略有不同。綜上所述，典型環(huán)節(jié)的模擬方法是：根據(jù)典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)作為運(yùn)算放大器的輸入阻抗與反饋?zhàn)杩?，使模擬電路的傳遞函數(shù)與被模擬環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)具有同一表達(dá)式，然后根據(jù)被模擬環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的參數(shù)，計(jì)算出模擬電路各元件的參數(shù)值。§24控制系統(tǒng)的模擬在控制系統(tǒng)的研究中，除了用微分方程來描述系統(tǒng)的特性外，還常常采用各種典型環(huán)節(jié)組成的方框圖形式來表示系統(tǒng)的特性，因此控制系統(tǒng)的模擬方法有兩種：一種是根據(jù)系統(tǒng)的微分方程進(jìn)行模擬；一種是根據(jù)系統(tǒng)的方框圖進(jìn)行模擬。一、根據(jù)微分方程的模擬 微分方程模擬

31、的基本原理就是采用逐項(xiàng)積分法首先將方程中的最高階微分項(xiàng)分離出來，輸入到一串積分器中進(jìn)行逐項(xiàng)積分，從而依次得到各低階微分項(xiàng)。然后按照方程的各項(xiàng)系數(shù)將每個(gè)積分器的輸出反饋到輸入端進(jìn)行代數(shù)相加，形成閉合回路，使得模擬電路圖的方程與微分方程的關(guān)系一致。下面以二階系統(tǒng)為例，具體說明模擬方法二階系統(tǒng)又稱振蕩環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式為 （2-4-1）式中阻尼比；無阻尼自然振蕩頻率。圖2-4-1 二階系統(tǒng)的模擬電路圖 圖2-4-2 二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)將式（2-4-1）改寫成微分方程為 （2-4-2）式(2-4-2)可用一只三輸入的加法器來模擬，加法器的輸出即是，加法器的三個(gè)輸入端就是式（2-4-2）右端的三

32、個(gè)系數(shù)。它的模擬電路如圖2-4-1所示在模擬電路中，只要改變加法器的三個(gè)輸入電阻，二階系統(tǒng)的兩個(gè)特征參數(shù)和就隨著改變，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)也隨之變化。若在模擬電路的輸入端加一負(fù)單位階躍信號(hào)，實(shí)際測(cè)量的階躍響應(yīng)曲線如圖2-4-2所示，則可直接得到系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)。二、根據(jù)方框圖的模擬首先根據(jù)控制系統(tǒng)的方框圖分解成若干典型環(huán)節(jié)，再按每個(gè)典型環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)模擬電路，最后將各個(gè)典型環(huán)節(jié)按方框圖連接起來，就得到控制系統(tǒng)的模擬電路圖。如一位置隨動(dòng)系統(tǒng)的方框圖如圖2-4-3所示。根據(jù)該方框圖可以分成四個(gè)典型環(huán)節(jié)：一個(gè)信號(hào)綜合環(huán)節(jié)、二個(gè)慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)積分環(huán)節(jié)。然后按每個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)模擬電路并選擇元件參數(shù)，即R2/R1=K1

33、，R4/R3=K2，R4C1=T1，R3C2=T2，R6C3=1。該系統(tǒng)的模擬電路如圖2-4-4所示，圖中，模擬系統(tǒng)的角差，n模圖 2-4-3 系統(tǒng)方框圖 圖2-4-4 系統(tǒng)模擬電路圖之一擬系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速?？梢?，當(dāng)已知系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，就可畫出系統(tǒng)的模擬方框圖。但值得注意的是：(1)已知系統(tǒng)的方框圖，可分解成不同的典型環(huán)節(jié)，使用運(yùn)算放大器的數(shù)目就不同。即系統(tǒng)模擬電路圖不是唯一的。(2)每經(jīng)過一個(gè)運(yùn)算放大器，符號(hào)要改變一次。因此，如果回路中的運(yùn)算放大器數(shù)目是偶數(shù)時(shí)，那末就會(huì)形成正反饋，變成正反饋系統(tǒng)；輸出電壓將要一直增加到飽和值為止，總之在模擬電路圖中，每一個(gè)回路的運(yùn)算放大器數(shù)目必須是奇數(shù)。 第四章

34、 隨動(dòng)系統(tǒng)§31概 述 隨動(dòng)系統(tǒng)又稱伺服系統(tǒng)或伺服機(jī)構(gòu)，它要解決的主要問題是實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)位置指令(給定量)的準(zhǔn)確跟蹤。在隨動(dòng)系統(tǒng)中，輸出量一般是機(jī)械量，例如機(jī)械位移、速度或加速度等等，反饋裝置將輸出量變換成與輸入量相同的信號(hào)，然后進(jìn)行比較，得出偏差，系統(tǒng)是按照偏善的性質(zhì)(大小及符號(hào))進(jìn)行控制的，控制的結(jié)果是減少或消除偏差，使系統(tǒng)的輸出量準(zhǔn)確地跟蹤或復(fù)現(xiàn)輸入量的變化。因此隨動(dòng)系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中的位置指令(給定量)和被控制量一樣都是位移(或代表位移的電量)，可以是角位移，也可以是直線位移。 隨著控制技術(shù)的發(fā)展，隨動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于軍事工業(yè)和民用工業(yè)。例如機(jī)械制造工業(yè)中仿

35、型機(jī)床的跟蹤控制和數(shù)控機(jī)床的加工軌跡控制；造紙工業(yè)中紙張與卷簡(jiǎn)之間的同步協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)；儀器儀表工業(yè)中的電位差計(jì)、函數(shù)記錄儀等等。雖然隨動(dòng)系統(tǒng)的種類繁多，但其閉環(huán)結(jié)構(gòu)的基本特征是位置反饋。根據(jù)位置給定信號(hào)和位置反饋信號(hào)以及兩個(gè)信號(hào)的綜合比較來分類，可以分成模擬式隨動(dòng)系統(tǒng)和數(shù)字式隨動(dòng)系統(tǒng)。數(shù)字式隨動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)不同的位置信號(hào)檢測(cè)元件，又可分成數(shù)字式相位控制隨動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)字式脈沖控制隨動(dòng)系統(tǒng)和數(shù)字式編碼控制隨動(dòng)系統(tǒng)。本章簡(jiǎn)單介紹模擬式隨動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理、典型部件和控制方法。§32 隨動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理 位置隨動(dòng)系統(tǒng)是一種位置反饋控制系統(tǒng)，因此一定具有位置給定和位置反饋的檢測(cè)裝置。通過位置給定裝置將希望

36、的位移轉(zhuǎn)換成具有一定精度的電量，利用位置反饋裝置隨時(shí)檢測(cè)出被控機(jī)械的實(shí)際位移，也把它轉(zhuǎn)換成具有定精度的電量，與給定進(jìn)行比較，把比較得來的偏差信號(hào)放大以后，控制執(zhí)行電機(jī)向消除偏差的方向旋轉(zhuǎn)，直到達(dá)到一定的精度為止。這樣，被控制機(jī)械的實(shí)際位置就能跟隨給定變化，構(gòu)成一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)隨動(dòng)系統(tǒng)采用的位置給定和位置反饋檢測(cè)裝置是一對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器，其檢測(cè)精度比較高，電氣誤差角一般在520角分；采用的執(zhí)行電機(jī)是直流力矩電機(jī)，由于該電機(jī)能長(zhǎng)期低速運(yùn)行，故拖動(dòng)負(fù)載時(shí)不需減速器。其系統(tǒng)原理圖如圖4-2-1所示。它用一對(duì)正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置輸入和位置反饋的檢測(cè)裝置，也就是說通過位置輸入檢測(cè)裝置將希望移動(dòng)的位移

37、量轉(zhuǎn)換成具有一定精度的電量，利用位置反饋檢測(cè)裝置隨時(shí)檢測(cè)執(zhí)行電機(jī)的實(shí)際位移，并將它轉(zhuǎn)換成一定精度的電量，此電量反饋到系統(tǒng)的輸入端與輸入電壓進(jìn)行比較，比較后得到的偏差經(jīng)相敏整流器，再經(jīng)校正裝置和功率放大器放大，從而推動(dòng)執(zhí)行電機(jī)向消除偏差的方向旋轉(zhuǎn)，因此執(zhí)行軸的位置總是跟蹤輸入軸的位置的變化而變化。圖3-2-1采用旋轉(zhuǎn)變壓器的位置隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖§33隨動(dòng)系統(tǒng)的主要部件及其傳遞函數(shù)隨動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但從結(jié)構(gòu)功能上看，都有很強(qiáng)的共性，事實(shí)上，任何一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，都有角度(或速度)測(cè)量元件、信號(hào)變換元件、功率放大元件以及執(zhí)行元件等幾個(gè)組成部分，如圖3-3-1所示。oio測(cè)量功放變換執(zhí)行

38、減速圖3-3-1隨動(dòng)系統(tǒng)功能方框圖其中 i輸入軸的轉(zhuǎn)角；0輸出軸的轉(zhuǎn)角；=i-0系統(tǒng)的角差 隨著機(jī)電及電子器件的不斷發(fā)展與完善，上圖中的每個(gè)環(huán)節(jié)均采用多種不同的元器件來實(shí)現(xiàn)。例如，采用電位器、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、或光電編碼盤作為角度測(cè)量裝置，采用交磁放大機(jī)、晶體管放大器、脈沖調(diào)寬放大電路作為功率放大環(huán)節(jié)，采用交流測(cè)速發(fā)電機(jī)、測(cè)速電橋作為角速度測(cè)量裝置，變換元件通常指的是調(diào)制器、解調(diào)器、相敏整流器。實(shí)驗(yàn)隨動(dòng)系統(tǒng)的線路圖如圖3-3-2所示。對(duì)于一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)如何確定它的數(shù)學(xué)模型呢？一般需經(jīng)過下列步驟：1分析系統(tǒng)的工作原理和每個(gè)部件的功能，并確定系統(tǒng)的輸入量和輸出量后，畫出系統(tǒng)的功能方框圖，如圖3-

39、3-3所示。 2對(duì)系統(tǒng)及每個(gè)部件確定出既不影響運(yùn)動(dòng)過程本質(zhì)特征，又能使數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化的條件，并確定每巾部件的輸入量和輸出量，然后根據(jù)機(jī)理或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)確定每個(gè)部件的數(shù)學(xué)模型。3將每個(gè)部件的數(shù)學(xué)模型填入功能方框圖中的相應(yīng)方框中，得到系統(tǒng)方框圖，圖3-3-2實(shí)驗(yàn)隨動(dòng)系統(tǒng)的線路圖 圖3-3-3實(shí)驗(yàn)隨動(dòng)系統(tǒng)的功能方框圖下面根據(jù)上述步驟先簡(jiǎn)單介紹該系統(tǒng)中各主要部件的工作原理。一、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器是一種高精度的控制電機(jī)，用來測(cè)量輸入軸與執(zhí)行軸轉(zhuǎn)角的傳感器。它的原理和普通變壓器一樣，但結(jié)構(gòu)與普通變壓器不同，而與一般的控制電機(jī)一樣，由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子由兩個(gè)匝數(shù)相同，空間位置互相垂直的繞組組成，

40、轉(zhuǎn)子也由兩個(gè)匝數(shù)相同，空間位置互相垂直的繞組組成，定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙磁場(chǎng)為嚴(yán)格的正弦分布。定子的兩個(gè)繞組有四個(gè)輸出端D1、D2、D3、D4；轉(zhuǎn)子的兩個(gè)繞組也有四個(gè)輸出端Z1、Z2、Z3、Z4，它分別與四個(gè)滑環(huán)連接，由四個(gè)電刷引出電信號(hào)。在隨動(dòng)系統(tǒng)中一般用一對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器（BR）來檢測(cè)輸入軸與執(zhí)行軸之間的誤差，它們的測(cè)角原理線路如圖3-3-4所示，圖中轉(zhuǎn)子繞組對(duì)應(yīng)整步連接，與輸入軸相聯(lián)的稱為發(fā)送器(BRT)，它產(chǎn)生并發(fā)送角度位置信號(hào)。與輸出軸相聯(lián)的稱為接收器(BRR)，它反映跟蹤電機(jī)的實(shí)際位置信號(hào)。假設(shè)兩旋轉(zhuǎn)變壓器的參數(shù)完全相同，若對(duì)發(fā)送器的定子繞組施加激磁電壓為 圖3-3-4 旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)角線路

41、如果忽略旋轉(zhuǎn)變壓器所產(chǎn)生的微小差異，則接收器轉(zhuǎn)子的輸出誤差電壓為一載波調(diào)制信號(hào)，表達(dá)式為： （3-3-1）式中：，稱載波頻率，一般常用400Hz到500Hz。從式(3-3-1)可以看出：角差線路的輸出電壓uo的相位與激磁電壓ui成正比，uo的幅值與正弦成正比。uo不僅反應(yīng)角差，而且能反應(yīng)角差的極性。在實(shí)驗(yàn)隨動(dòng)系統(tǒng)中，若系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差角和靜態(tài)誤差角均小于200，則檢測(cè)裝置的誤差電壓uo與誤差角近似為線性關(guān)系，即 （3-3-2）從上式可知，在滿足<200的條件下，旋轉(zhuǎn)變壓器的測(cè)角線路，可近似為一比例環(huán)節(jié)。公式(3-3-2)可以通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證若使發(fā)送器勻速旋轉(zhuǎn)，接收器靜止，則角差將從00到36

42、00之間周期性地均勻變化。我們用示波器觀察接收器的 圖3-3-5 波形輸出電壓uo的波形，如圖3-3-5所示，其中交流載波頻率與發(fā)送器激磁電壓頻率相同，其幅值與的正弦成正比。交流載波包絡(luò)線的頻率與發(fā)送器的轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速愈高，包絡(luò)線的頻率愈高。從上所述，用一對(duì)正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)誤差角的輸出電壓原理相當(dāng)于乘積調(diào)制器原理，即調(diào)制器 的輸信號(hào)是uo是輸入信號(hào)與交流載波信號(hào) 的乘積。二、相敏整流器實(shí)驗(yàn)隨動(dòng)系統(tǒng)采用二極管全波相敏整流器，它實(shí)質(zhì)上是一種開關(guān)解調(diào)器(又稱同步解調(diào)器)，其原理線路如圖3-3-6所示。其中四個(gè)參數(shù)相同的二極管Dl、D2、D3、D4與四個(gè)阻值相同的電阻R1 、R2 、R3 、R4按

43、同一方向串聯(lián)成一閉合環(huán)路，環(huán)路的四個(gè)橋臂是對(duì)稱的。在它的一個(gè)對(duì)角線上加解調(diào)激勵(lì)電壓ut，在另一個(gè)對(duì)角線上加輸入信號(hào)電壓ui(即隨動(dòng)系統(tǒng)測(cè)角線路的接收器定子輸出的誤差電壓)。一般要求激勵(lì)電壓ut的幅值要比輸入信號(hào)ui的幅值大一倍以上橋臂中的電阻為限流電阻。圖3-3-6相敏整流器原理圖 圖3-3-7 相敏整流電壓波形 激勵(lì)電壓ut起著開關(guān)作用，使二極管導(dǎo)通和截止。當(dāng)輸入交流信號(hào)ui=0時(shí)，在激勵(lì)電壓的正半周時(shí)(如圖3-3-6中的e為正，f為負(fù))，二極管D3、D4導(dǎo)通，D1、D2截止。由于環(huán)路的四個(gè)橋臂和變壓器次級(jí)繞組都是對(duì)稱的，所當(dāng)D3、D4導(dǎo)通時(shí)，a點(diǎn)g點(diǎn)是等電位，同理，在激勵(lì)電壓的負(fù)半周時(shí)(e

44、為負(fù)f為正)，a點(diǎn)和g點(diǎn)也是等電位，所以當(dāng)輸入信號(hào)ui為零時(shí)，盡管開關(guān)不斷地動(dòng)作，二極管中有電流流過，但負(fù)載電阻RL中無電流流過，輸出電壓仍然為零。當(dāng)輸入交流信號(hào)ui0，假定它與解調(diào)激勵(lì)信號(hào)uf是同相位(如圖3-3-7)所示的同名端)，在電源正半周時(shí)，在ut的作用下，電橋的右兩臂D1R1、D2R2截止。左兩臂D3R3、D4R4導(dǎo)通。輸入信號(hào)ui極性上正、下負(fù)，電流經(jīng)uf的右半邊繞組、D3R3及負(fù)載RL形成閉路。輸出電壓u0=ILRL的極性上正、下負(fù)，或u0為正，同理在電源負(fù)半周時(shí)，電橋右兩臂D1R1、D2R2導(dǎo)通，左兩臂D3R3、D4R4截止，在輸入信號(hào)ui作用下，電流經(jīng)RL、D2R2及ut的

45、右半邊繞組形成閉路，輸出電壓u0=ILRL的極性仍然是上正下負(fù)，即uo正。如果輸入交流信號(hào)ui的相位與ut的相位差1800(在圖3-3-6中以+、-標(biāo)記)，則在電源正半周時(shí)，仍然是電橋左兩臂導(dǎo)通，右兩臂截止，在ui作用下，電流經(jīng)RL、D4R4及ut的左半邊繞組構(gòu)成閉合回路，電流IL改變了方向，自下而上流過RL，所以輸出電壓uo改變了極性，或稱uo為負(fù)。同理，在電源負(fù)半周時(shí)，uo極性也是為負(fù)。旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)角線路的輸出電壓波形和相敏整流器的輸出電壓波形可通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，將實(shí)驗(yàn)隨動(dòng)系統(tǒng)開環(huán)(跟蹤電機(jī)TM2不接)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)TM1，即誤差角在00與3600之間變化。此時(shí)將接收器輸出電壓接至相敏整流器的

46、輸入端，并將其輸入電壓和輸出電壓分別接到示波器，得到的披形圖如圖3-3-8所示。uo中有800Hz，說明電容濾波不夠理想。從圖3-3-8中的輸入與輸出電壓波形圖，還可求出二者的相移角為 （3-3-3）說明相敏整流器的輸出電壓遲后其輸入電壓的相位角為 。圖3-3-8 相敏整流器的輸入輸出電壓波形 圖3-3-9 相敏整流器的等效電路圖由于相敏整流器中四只二極管是非線性元件，其正反向電阻隨其工作點(diǎn)的變化而變化，在理論推導(dǎo)該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)時(shí)，用如圖4-3-9所示的等效電路來分析，從輸出端來看，有一個(gè)內(nèi)阻Ro（Ro常數(shù)），該電路的傳遞函數(shù)為 式中 由于濾波時(shí)間常數(shù)很小，故可近似： （3-3-4）三、校正

47、裝置在實(shí)際反饋控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象的絡(luò)構(gòu)和參數(shù)往往已經(jīng)確定如果僅僅以誤差信號(hào)e(t)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一般來說是難以滿足用戶的技術(shù)要求。因此，需要對(duì)原系統(tǒng)加入合適的校正裝置，校正裝置可分為并聯(lián)校正、串聯(lián)校正及復(fù)合校正三類，采用哪一類校正方式，取決于系統(tǒng)中被控對(duì)象本身的物理結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性，對(duì)系統(tǒng)性能的要求以及可采用的元件等實(shí)際情況。一般來說，串聯(lián)校正比較簡(jiǎn)單，調(diào)試也較容易，若采用有源串聯(lián)校正，還能起到前后級(jí)的隔離作用。校正裝置在控制系統(tǒng)中聯(lián)接位置的選擇原則上應(yīng)考慮兩點(diǎn)，第一在傳遞功率較小的電路中，即在系統(tǒng)主通道的前半部，不能串接在系統(tǒng)的功率放大部分。第二，直流校正網(wǎng)路只能接在傳遞直流信號(hào)的電路中。本實(shí)

48、驗(yàn)隨動(dòng)系統(tǒng)的串聯(lián)校正裝置的聯(lián)接位置介于相敏整流器與功率放大器之間。串聯(lián)校正采用得比較普遍其作用是將系統(tǒng)中的誤差信號(hào)e(t)加工成合適的控制信號(hào)。校正裝置所進(jìn)行的運(yùn)算叫做控制規(guī)律，并且根據(jù)各種校正裝置所實(shí)現(xiàn)的具體控制規(guī)律把它們分別稱為比例控制器、比例積分控制器和比例積分微分控制器等。下面分別說明幾種基本控制器的作用。1比例（P)控制器比例控制器的傳遞函數(shù)為 （3-3-5）比例控制器的輸出信號(hào)u(t)成比例地、無延遲地反應(yīng)其誤差信號(hào)e(t)即 （3-3-6）它的作用是增大系統(tǒng)的開環(huán)比例系數(shù)，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，降低系統(tǒng)的惰性，加快響應(yīng)速度。但過大的KP通常會(huì)造成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變壞，甚至不穩(wěn)定，因

49、此比例控制器通常不單獨(dú)使用。 2積分(I)控制器 積分控制器的傳遞函數(shù)為 （3-3-7）它的輸出量u(t)是輸入量e(t)對(duì)時(shí)間的積分，即 （3-3-8）它的特點(diǎn)是：當(dāng)輸入信號(hào)e(t)變?yōu)榱阋院?，控制信?hào)u(t)如不為零，即可以維持在某一非零值。系統(tǒng)中加入積分控制器后，可以提高系統(tǒng)的型別，以達(dá)到消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的目的。但積分校正卻使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變壞，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，此外積分控制作用往往導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)遲緩。3比例微分(PD)控制器比例微分控制器的傳遞函數(shù)為 （3-3-9）PD控制器的輸出信號(hào)u(t)既成比例地反應(yīng)輸入信號(hào)e(t)，又成比例地反映輸入信號(hào)的導(dǎo)數(shù)，即 （3-3-10）其中比例

50、系數(shù) 微分時(shí)間常數(shù)微分控制作用有時(shí)也叫做速率控制，即輸入信號(hào)的變化越大，輸出信號(hào)越大。微分時(shí)間常數(shù)，是速率控制作用超前于比例控制作用的時(shí)間間隔，也就是說微分控制作用具有預(yù)測(cè)的特性。但是當(dāng)動(dòng)態(tài)過程接近于穩(wěn)態(tài)時(shí)，誤差信號(hào)變化不大或是變化緩慢，微分作用也就微不足道，所以微分作用不能單獨(dú)使用，它總是與比例作用結(jié)合起來使用。 4比例積分(PI)控制器比例積分控制器的傳遞函數(shù)為 （3-3-11）其輸出信號(hào)u(t)同時(shí)成比例地反應(yīng)輸入信號(hào)e(t)及其積分 （3-3-12）式中Kp比例系數(shù) Ti積分時(shí)間常數(shù)由于PI控制器有Kp和Ti兩個(gè)可調(diào)參數(shù)，適當(dāng)加以選擇就有可能使系統(tǒng)既穩(wěn)定又具有較好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，即兼

51、有比例和積分兩種控制器的優(yōu)點(diǎn)。其中，積分控制作用是提高系統(tǒng)的型別，以消除或減小穩(wěn)態(tài)誤差，而比例微分的作用是提高系統(tǒng)的阻尼程度，從而保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 5比例積分微分(PID)控制器PID控制器的傳遞函數(shù)為 （3-3-13） 它是一種由比例、積分、微分等基本控制規(guī)律組合而成的復(fù)合控制規(guī)律，兼有幾種單獨(dú)控制器各自的優(yōu)點(diǎn)。其運(yùn)動(dòng)方程式為 （3-3-14）PID控制器的傳遞函數(shù)可改寫為 （3-3-15） 當(dāng)時(shí)，上式還可寫成 （3 -3-16）從上式看出，比例積分微分控制規(guī)律既可使系統(tǒng)的型別提高，又將提供兩個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn)，它比PI控制器多提供一個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn)，從而進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。因此比例積分

52、微分控制規(guī)律在控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。四、功率放大器。功率放大器的原理線路如圖所示，其主要作用是給出足夠的電流以滿足驅(qū)動(dòng)直流力矩電機(jī)的需要，同時(shí)還要具有較低的輸出阻抗和較高的輸入阻抗以起到放大器與力矩電機(jī)間的隔離作用。本實(shí)驗(yàn)采用OCL準(zhǔn)互補(bǔ)推挽功率放大電路。 圖3-3-10 功率放大器電路圖功率放大器的電壓放大倍數(shù)的計(jì)算公式為 （3-3-17）五、直流力矩電機(jī) 一般的直流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于控制系統(tǒng)時(shí)，因電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，往往要用齒輪減速后拖動(dòng)負(fù)載，這樣由于齒輪傳動(dòng)引起的齒隙誤差，降低于系統(tǒng)的精度，為取消減速齒輪以改善其性能，可用長(zhǎng)期低速運(yùn)行的力矩電動(dòng)機(jī)。它的工作原理與普通直流伺服電動(dòng)機(jī)相同，為了在同樣體積與電樞電壓下降低轉(zhuǎn)速、增加力矩，通常把電機(jī)作成扁平型，并做成多極永磁式，無須激磁。為了減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，電樞的槽數(shù)、換向片數(shù)和串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)設(shè)計(jì)得都比較多。這種電機(jī)低速轉(zhuǎn)時(shí)可達(dá)每分鐘幾轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)可在5%以內(nèi)，并可長(zhǎng)期在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下運(yùn)行，輸出足夠大的轉(zhuǎn)矩而不致?lián)p壞電機(jī)。此外，機(jī)械特性、調(diào)節(jié)特性以及快速響應(yīng)特性都比較好(機(jī)電時(shí)間常數(shù)一般只有十幾毫秒至幾十毫秒)。因此力矩電機(jī)適合