KSD-1型晶閘管直流隨動控制系統(tǒng)的分析與校正之歐陽法創(chuàng)編

1、前言時(shí)間：2021.03.09時(shí)間：2021.03.09這次的課程設(shè)計(jì)是鑒于自動控制理論的，主要是 練習(xí)自動控制系統(tǒng)的校正方法。本報(bào)告主要是采 用老師課上所mailab 軟件來加以驗(yàn)證校正好的系統(tǒng)的各項(xiàng)返回去改變校正時(shí)選擇的參數(shù)，繼續(xù)校 正直到契合要求為止。在撰寫報(bào)告的進(jìn)程中可能會有許多不規(guī)矩的地 方，希望老師能指出錯誤。謝謝！編者2014 3 月目錄自動控制理論課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1KS-1型隨動系統(tǒng)的工作原理和性能指標(biāo)2主要環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型3串聯(lián)相位滯后校正-10 - 串聯(lián)相位超前校正- 12 - 校正網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)-16 -心得與體會-17 -附錄- 18 -歐陽法創(chuàng)編2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2

2、021.03.092021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.092021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.092021.03.09自動控制理論課程設(shè)計(jì)任務(wù)書、題目：KS-1 型隨動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的分析及校正。二、 目的和要求：1、 利用所學(xué)的反饋控制理論知識分析KS-1 型隨動自動控 制系統(tǒng)，并且設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的校正裝置，使之滿足給定的指標(biāo)要求。 經(jīng)過本課程設(shè)計(jì)，加深關(guān)于反饋控制理論的掌握、理解，并且使之與 實(shí)際聯(lián)系相接合。2、 培養(yǎng)關(guān)于自動控制系統(tǒng)及其有關(guān)部件的分析研究、計(jì)算、校正、 調(diào)試的能力。3、 提高實(shí)驗(yàn)技能，了解設(shè)訃步驟，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題 的能力。三、 設(shè)計(jì)內(nèi)容：1、 了

3、解KS-1 型晶閘管直流隨動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)、主 要單元的作用和工作原理。2、 求取各環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型。3、 設(shè)計(jì)校正環(huán)節(jié)，使整個系統(tǒng)達(dá)到給定的性能指標(biāo)。4、 每個同學(xué)必需獨(dú)力完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告，并且山指導(dǎo)教師進(jìn)行質(zhì)疑 考核。四、 課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容：1、 整個裝置的工作原理及任務(wù)指標(biāo)。2、 主要環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型的求取。3、 校正裝置的設(shè)計(jì)。4、 整個裝置性能指標(biāo)的驗(yàn)算。5、 校正網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。6、 收獲體會和存在問題的分析。五、 工程圖紙：1、 校正網(wǎng)絡(luò)電路圖一張。2、 伯德圖一張。3、 系統(tǒng)框圖一張。六、 設(shè)計(jì)時(shí)間：周。KS-1 型隨動系統(tǒng)的工作原理和性能指標(biāo)工作原理：KS-1 型隨動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝

4、置是釆用自整角機(jī)作為反饋元件， 線性運(yùn)算放大器作為放大元件?？煽毓枳鳛楣β史糯笤绷?伺服電機(jī)作為執(zhí)行元件的小功率隨動系統(tǒng)。為了改善系統(tǒng)的動態(tài) 品質(zhì)指標(biāo)，釆用了直流測速發(fā)電機(jī)反饋?zhàn)鳛椴⑶衣?lián)校正，用電圧放 大器作為有源串聯(lián)校正器。自整角機(jī)關(guān)于，用來測量兩個機(jī)械的轉(zhuǎn)角差，當(dāng)系統(tǒng)靜止時(shí) 兩個自整角機(jī)轉(zhuǎn)子相關(guān)于于三相繞組的夾角之差為零。兩個自整角 機(jī)處于平衡狀態(tài)，自整角接受機(jī)亠的輸出繞組沒有電壓輸出，整 個系統(tǒng)處于協(xié)調(diào)狀態(tài)。假設(shè)/,經(jīng)過輸出變壓器加到全波橋式相敬整 流器上，相敬整流器輸出直流時(shí)，脈動很大，必需經(jīng)過低通濾波 器消除不必要的頻率成分，取出近似正比于誤差角的直流有效訊號，（具有正、負(fù)極性

5、）加到線性組件心的反向輸出端，經(jīng)過電 壓放大后，加到同相器TX 和反相器PX 的同相和反相輸入端作為 可控硅（簡稱 S、C、R）,i同時(shí)帶動自整角接受機(jī)亠的轉(zhuǎn) 子轉(zhuǎn)動，直至跟上 $的轉(zhuǎn)角后，系統(tǒng)重新處于平衡，為了使系 統(tǒng)正常工作，改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，必需加入串聯(lián)校正裝置或并且 聯(lián)校正裝置。校正后系統(tǒng)性能指標(biāo)：50度50度/2。0.5度。2次。超調(diào)量W30%o調(diào)節(jié)時(shí)間W0.7秒。系統(tǒng)速度誤差W1度（50度秒）r=50t執(zhí)行電機(jī)類型直流執(zhí)行電動 機(jī)型號S569執(zhí)行電機(jī)類型直流執(zhí)行電動 機(jī)型號S569160瓦2.2安110伏轉(zhuǎn)速3300 轉(zhuǎn)分激磁電壓110伏歐陽法創(chuàng)編2021.03.09歐陽法創(chuàng)編2

6、021.03.092021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.092021.03.09歐陽法創(chuàng)編2021.03.092021.03.091、敬感元件一自整角機(jī)1 角差。自整角機(jī)發(fā)送機(jī) S的轉(zhuǎn)子與輸入軸相接。接受機(jī)亠的轉(zhuǎn)子和系統(tǒng)輸出軸相連，自整角機(jī)關(guān)于必需事先校正零位。1變壓式自整角機(jī)關(guān)于的原理圖確定自整角機(jī)關(guān)于的傳遞函數(shù) K|G）假設(shè)系統(tǒng)的輸入角為系統(tǒng)的輸出角為&2,角&為系統(tǒng)誤差角，即n,如圖 1 所示。設(shè)在的激磁繞組上加交流電壓re = Esincotr則在接受機(jī)的變壓器繞組上輸出的感應(yīng)電勢 為uy =un sinsinf）f=50/2所示。2 （b）的正弦函數(shù)（中包絡(luò)虛線）即通常隨動系

7、統(tǒng)工作期間，失調(diào)角& （絕關(guān)于值）是比較小的，其輸出電壓U= （）（3）式可近似寫成S由此可見，自整角機(jī)關(guān)于的傳遞函數(shù)可看成是一個線性放大環(huán)節(jié), 即在&= o 處的斜率(5)(a)2 自整角機(jī)關(guān)于的輸出特性N因此，可用實(shí)驗(yàn)測得其輸出特性如下，和彳（訣別為404和NCC405 o輸出電壓96.64.32.30.41.94.16.48.85 （伏）33333333（度）（度）-129630369122.42.32.31.91.52.22.32.4KJs) = (1/8)土當(dāng)= 0.7/-I換算成弧度（s）0.7 伏/40伏弧度2、相敏整流元件與低通濾波器系統(tǒng)相敏整流元件選用的是二極管全波橋式相敬整

8、流器，相敬整 流特點(diǎn)是輸出直流電壓的極性能反映輸入交流信號的相位，輸 入控制信號為自整角機(jī)變壓器輸出電壓，交流同步電壓u為參考電壓。實(shí)驗(yàn)測得相敬整流電路的輸入一輸出特性，相敬整流器的傳遞函 數(shù)可以測量結(jié)果得出(取線性范圍內(nèi))Uy00.61Uy00.611.6200.60.4760.41.10.6240.62.10.47610.42.60.5相敬整流器的傳遞函數(shù)為心($)(1/4)(5,1.354低通濾波器的作用是減少相敏整流器的輸出電壓的脈動成分，消 除不必要的高頻成分，其電路如圖 4 所示。由 5G、5&、5 心組4 低通濾波器5&=5 = 1OK05C, =1.47/F6T(5 3 5RJ

9、/(5R 5) 5C, Sms 6將濾波器環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)歸到后級電壓放大環(huán)節(jié)，所以濾波器的 傳遞環(huán)數(shù)為K.(s) = 1 /(7 + 1) = 1 /(0.0085 +1)濾波電路是一個小時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。3、電壓放大環(huán)節(jié)Ks）相敬整流輸出電壓經(jīng)濾波后的直流信號加到油線性組件組成的電 壓放大器的反相端，其輸出Us 所示。1 禺為反饋電阻，輸入端二極管、0,訣別限制加到放大器輸 入端基極1 2 2 電路。電壓放大器的傳遞函數(shù)可山計(jì)算求出K、.（$）Zz（5）/Zf（s）一（1/?3）/（5 ）=_1/2 4、直流伺服電動機(jī)6 電樞電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩（千克米）。一電機(jī)角速度（弧度每秒）電樞轉(zhuǎn)動慣（

10、千克 處 秒 2）J S一減速比 人一負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量（千克一米一秒 2） 負(fù)載轉(zhuǎn)矩+（9）+M = Cw h （io）M = M M c = J Cl./ t（） 其中Gw轉(zhuǎn)矩常數(shù)（安反電勢常數(shù)J=J+ J /i2xL由于系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩很小，所以只考慮慣性負(fù)載，利用（9）、 （10）、（11）三個方程的拉普拉斯變幻，可求得電樞控制直流 伺服電動機(jī)的傳遞函數(shù)為：叱）廣（%）口 亦2 +1）通常7 乂因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是電流斷續(xù)的情況，因此直流伺服電動 機(jī)傳遞函數(shù)可簡化為W”（5）= Q（5）/t/rf（5）=（A, s +計(jì)算。（/1）（下面我們來確定（13）式中各個系數(shù)。111（9）式可知，電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)

11、行時(shí)有:直流伺服電動機(jī)的傳遞函數(shù)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定,叫 4）或山名牌數(shù)據(jù)直接根據(jù)電機(jī)的實(shí)驗(yàn)測定各個參數(shù)，我們釆用過渡進(jìn)程曲線，如圖 7 所示， 由示波器上測量得出G=375s,一切直流伺服電動機(jī)的 傳遞函為肌(巧=3.52/(0.375 s+ 1)7 電機(jī)過渡進(jìn)程曲線5、可控硅功率放大器的傳遞函數(shù)可控硅功率放大器是一個延遲環(huán)節(jié)，其最大延遲時(shí)間決定于可控整流相數(shù)和電源頻率，即TSCR =1 /( )m整流相數(shù) f在本系統(tǒng)中，m=lf=50 周/秒，所以T= l/(2x50) = 0.01s=SCR可控硅功率放大器的傳遞函數(shù)可表示為KSCR(S)=KSCR exp(-厶欲S)式中Ksu 山觸發(fā)電路輸入

12、信號電壓到可控硅輸出電壓的傳遞系 數(shù)。實(shí)際可以認(rèn)為可控硅功率放大器是一個小時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。 的數(shù)值可用實(shí)驗(yàn)測取。實(shí)測觸發(fā)器輸入信號電壓與可控硅輸出電壓之間的輸入輸出特性 如圖所示。8因?yàn)槲覀兯P(guān)懷的知識失調(diào)角很小時(shí)系統(tǒng)的性能，所以我們?nèi)f(xié) 調(diào)位置附近的曲線斜率，作為可控硅功率放大倍數(shù)，這樣取K、=150(K150)6、減速器減速器的作用是將直流伺服電動機(jī)的角速度依照一定的減速比 轉(zhuǎn)化成低速的轉(zhuǎn)速。9 則該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：Q(5) Q(5) si 216s在這個系統(tǒng)中減速器的減速比 i=216o 未校正系統(tǒng)的框圖如下：則未校正系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：102G()(s) = K、 (s) K (S

13、) K3G) Kv(s) Wm(s) Ks(s) Kb(s)2=G0(J) =-66.2(*、0.0085 + 1 0.015 + 1 0.3755 + 1 216$1503.521=G0(5)=5(0.008 5 +1)(0.015 + 1)(0.375 5 + 1)要求校正后的系統(tǒng)速度誤差51(最大速度為50度/)。r=50tesr = = 1, K” = 50二有Ky,即取系統(tǒng)的開環(huán)增益為50在系統(tǒng)串聯(lián)一個比例環(huán)節(jié)使得：G(s) =66.2K5(0.0085 +1)(0.015 +1)(0.3755 + 505(0.008s+1X0.015+1)(0.3755+1)解得:K二-0.755

14、mat lab命令窗口輸入：stfs) ;G=50/ (s* (0. 008*s+l) * (0. 01*s+l) * (0. 375*s+l); boe(G),gri畫出未校正系統(tǒng)的 boe 圖，如下：&總賈Jz&總賈Jz=12/）相角裕度 Z = L5（，Kgl 12（B）串聯(lián)相位滯后校正設(shè)計(jì)：取校正后的期望相角裕度z=5相角滯后填補(bǔ)量 =1原系統(tǒng)在新剪切頻率處應(yīng)具有的相角裕度：了）=兀 + g = 60因此boe0(e；) = _l 妙+6(r =_12(F時(shí)，0(e) = -120,此時(shí)關(guān)于應(yīng)的幅值為 29. 9BoIOBP 出衰減29. 9B2Olg0 = 29.9 =0 = 31.

15、26選擇滯后網(wǎng)絡(luò)笫二個轉(zhuǎn)折頻率為：則有:3= 1/T = 02Q. =0.282(raJ/j)zc丁 = 1/冬=3.546 /7T = 110.85校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為:校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:3.5465 + 1G；(s) =110.855 + 1G(s) = G(s)G；($) =50(3.5465 + 1)5(110.855 +1)(0.0085 +1)(0.015 + 1)(0.3755 +1)maltlab命令窗口中輸入：s=tf(s);G=50*(3.546*s+l)/(s*(110.85*s+l)*(0.008*s+l)*(0.01*s+l)*(0. 375*s+l); boe

16、(G),gri畫出校正后系統(tǒng)的 boe 圖，如下：由圖可以看出，校正后系統(tǒng)的剪切頻率為ME),相角 裕度為 7=49.5。系統(tǒng)穩(wěn)定且具有一定的裕度，故系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指 標(biāo)契合要求。Eoo iagram20010Q丄 UJ9 5P2C園 -100-200(-180豈)osga-270360W4 101屮10110101102104Frequency (rasoc)12 mat labGsG/(l+G); figure(2), step(Gs, 10), gri 畫出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，如下：Step ResponseQ6cbpw-ujv6125Time67891013 山圖可以求岀，系統(tǒng)的超調(diào)量為：

17、校驗(yàn)：在 mat lab 命令窗口輸入：s=tf C s) :G=50*(0. 157*s+l)/(s*(0. 0157*s+l)*(0. 008*s+l)*(0.01*s+l)*(0. 375*s+l); boe(G),gri畫出校正后系統(tǒng)的 boe 圖，如下：=20 l(m/s),相角裕度 Z Boe iagram10305Q-ira-19320327010!10101102IO3104再看系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)matlabGsG/(l+G);figure(2),step(Gs),griFrequency (rasec)14畫出校正后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，如下：fl System G$fl Sy

18、stem G$K Peak amplrtue:Overshoot (%):Attime(sec):0.15epn七Time (sec)15 由圖可知，系統(tǒng)的超調(diào)量為：131-1Mp = x 100% = 31% 30%1故系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)不契合要求。再設(shè)計(jì)：返回重新取相角裕度齊=55“，則有校正網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)新剪切頻率的超前相角為：血=匕 一 了 + g = 55 一 1.59 + 6.59 = 60a = l-sin601+sin= 0.072在校正后系統(tǒng)的剪切頻率叫=%處校正網(wǎng)絡(luò)的增益為:101g(l/0072) = ll43B-11.43B 處關(guān)于應(yīng)的頻率即為畋，山未 校正boe 圖求得% = 0 = 21 8(m / s)于是校正網(wǎng)絡(luò)的兩個交接頻率訣別為=5.5S(ra /s)22coco/4a 8.3(ra/s)則有校正網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)故校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為7； =1/ =0.177； =l/fy2 =0.01230.175+1G；($) =0.01235 + 1校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G(s) = G)G；G) =50(0.175 + 1)5(0.0123 5 +1)(0.008 5 +1)(0.015 +1)(0.375 5 + 1)校驗(yàn)：在 mat lab 命令窗口中輸