控制工程實(shí)驗(yàn)報(bào)告碩

仿真實(shí) 直流電機(jī)的階躍響 實(shí)驗(yàn)內(nèi) 實(shí)驗(yàn)結(jié) 直流電機(jī)的速度閉環(huán)特 實(shí)驗(yàn)內(nèi) 實(shí)驗(yàn)結(jié) 直流電機(jī)的位置閉環(huán)控 實(shí)驗(yàn)內(nèi) 實(shí)驗(yàn)結(jié) 直流電動機(jī)調(diào)速系 實(shí)驗(yàn)?zāi)?實(shí)驗(yàn)原 實(shí)驗(yàn)內(nèi) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及仿真分 理論分 仿真模 速度環(huán)為P調(diào)節(jié)時的時域響應(yīng)與仿真結(jié)果對 速度環(huán)為PI調(diào)節(jié)時的時域響應(yīng)與仿真結(jié)果對 測試速度環(huán)的品質(zhì)系 思考 實(shí)驗(yàn)收獲與建 直流電動機(jī)位置伺服系 實(shí)驗(yàn)?zāi)?實(shí)驗(yàn)原 位置環(huán)的構(gòu) 比例位置調(diào)節(jié)器與位置 比例積分調(diào)節(jié)器及其對應(yīng)的位置環(huán)分 實(shí)驗(yàn)內(nèi) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及仿真分 仿真模 測試位置環(huán)的速度品質(zhì)系 位置環(huán)為P調(diào)節(jié)時的時域響應(yīng)與仿真結(jié)果對 位置環(huán)為PI調(diào)節(jié)時的時域響應(yīng)與仿真結(jié)果對 反饋電壓、工作臺位移與輸入電壓的靜特 常值干擾力矩造成的位置誤差分 思考 實(shí)驗(yàn)收獲與建 實(shí)驗(yàn)總 仿真實(shí)驗(yàn)直流電機(jī)的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)結(jié)果主導(dǎo)極點(diǎn)是s=--10，另一個極點(diǎn)s=--10000直流電機(jī)的速度閉環(huán)特性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)結(jié)果假設(shè)Gc(s)=100，用 畫出控制系統(tǒng)開環(huán)Bode圖，計(jì)算增益剪切頻率、相位裕量、相位剪切頻率、增益裕量。Gc(s)=100(1+0.1s)(1+0.001s)(1+c增益剪切頻率：784.3434rad/c相位裕量:相位剪切頻率:=3179.7rad增益裕量:KgBode圖，選擇合適的常數(shù)????作為????(??)，使閉環(huán)單位階躍響應(yīng)超調(diào)量小于5%。減小，相位裕量增大，但快速性降低，故選擇Kp=49。此時最大超調(diào)量為（3--50）/50=3.1%<5%,此時的相位裕量是64.6483°，滿計(jì)算此時的穩(wěn)態(tài)誤差函數(shù)，畫出閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線，穩(wěn)態(tài)值是否與理論值一致？ =lim

??!??=由圖中得到實(shí)驗(yàn)穩(wěn)態(tài)值值為50-- 1，因此二者是一致的令??????=????????，通過分析（2）Bode圖，判斷如何取合適的????????的值，使得閉環(huán)系統(tǒng)既具有高的剪切頻率和合適的相位裕量，又具有盡可能高的穩(wěn)態(tài)速度誤差系數(shù)。畫出階躍響應(yīng)曲線。KI1

1K!×49×446=2185.4，隨著??!KKIKP

K10c即

Pc!=時,剪切頻率為446.8081rad，相位裕量為64.6483°，閉環(huán)傳遞函數(shù)如下： 50(!+ (0.1??+1110!+1

50(!

+ ·

(0.1??+10!!??+1)0.001??+考慮實(shí)際的飽和特性對響應(yīng)曲線的影響：在（4）的基礎(chǔ)上，在控制器的輸出端加飽和環(huán)節(jié)，飽和值為±??，輸入單位階躍信號，看各點(diǎn)波形，階躍響應(yīng)曲線與（4）有何區(qū)別？直流電機(jī)的位置閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)結(jié)果1---3為Kp形式，確定其參數(shù)。設(shè)Td=1（t）??，分析穩(wěn)態(tài)誤差。輸入引起穩(wěn)態(tài)誤差：G(s)H(s) Ⅰ干擾引起的誤差： 偏差：(s)= 0.001s1 1200 lims(s)

ss

50.7143。調(diào)試位置環(huán)：令Td=0，分析速度環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，設(shè)計(jì)、調(diào)試形式的Gc(s)，使位置環(huán)具有盡可能快的響應(yīng)速度并且無超調(diào)。14??14??+280+!??+1+!??!+

直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)原理內(nèi)環(huán)路為電流環(huán)，由電流控制器、功放（包括三角波發(fā)生器、脈沖調(diào)制電路、H橋式功率電路、直流電動機(jī)以及由霍爾電流傳感器測得的電樞電流負(fù)反饋電路等組成。實(shí)驗(yàn)所用的功率放大器殼體圖2---1IaIa與輸入電壓i成正比，所以，輸入電壓通過電流環(huán)控制了電磁轉(zhuǎn)矩。也就是說，電流環(huán)是直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系統(tǒng)。另外，由于電流環(huán)的存在，當(dāng)負(fù)載增大使轉(zhuǎn)速降低時，不會因反電勢降低而使電樞電流過大導(dǎo)致電動機(jī)損壞，因此電PI實(shí)驗(yàn)內(nèi)容圖2---2!!!!!!!C2-2R4調(diào)節(jié)到最小（470K逆時針轉(zhuǎn)到頭UVi值再乘以0.5β即KV。KPR4調(diào)節(jié)到最小(100kΩ)KPKP最大和最小時的調(diào)速系統(tǒng)靜特性，即輸入電壓于測速機(jī)輸出電0.1μF,R4=545kΩ(最大)，R3=38.80.1μF,R4=99kΩ(最小0.47μF,R4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及仿真分析理論分析P和PI調(diào)節(jié)器時速度環(huán)的數(shù)學(xué)模型，并從理論上分析兩種調(diào)節(jié)器下的靜態(tài)特性和動P

100+

=B(s)G(s)

1G(s)H648.8

H(s)0.2290.67 0.004s .4KP(0.004sB(s)0.004s2sP lim 1 P s01P

/[s(0.004s

ss1 limsMfz

1G(s)G(s)H

e P PPI令KR4，K ，PI調(diào)節(jié)部分傳遞函數(shù)G(s)KK

44B(s) 1G(s)H

2G(s)0.5(KK

324.4K1sK2 2 H(s)0.2290.67 0.004s .4K1sK2(0.004s B(s)

輸入引起的穩(wěn)態(tài)誤差（單位階躍輸入 lim 1 324.4K1sK2

0.004s

ss1 H(0) s1G2(s)G1(s)Hessess1ess2仿真模型（1）PPI速度環(huán)為P調(diào)節(jié)時的時域響應(yīng)與仿真結(jié)果對比

A= =100+A= =（1）A速度環(huán)輸入電壓------小大調(diào)整時間?ln0.05? 1?A?ln0.05? 1?!??! !速度環(huán)輸入電壓------小小調(diào)整時間速度環(huán)輸入電壓------小小峰值時間A（--A（--210---------01---------210---------01---------

!

5??!!11!11!??+ns

?? !!????!!

??

=??! 速度環(huán)為PI調(diào)節(jié)時的時域響應(yīng)與仿真結(jié)果對比取

P =100+P =C=（1）PPPP系統(tǒng)下仿真無法模擬無窮inf的狀態(tài)。PI調(diào)節(jié)時，P小時，收斂慢，P2---2---------10---0---------A（--A（--PI調(diào)節(jié)時，測速電壓與輸入電壓為線性關(guān)系，由上圖可以看出，測速且當(dāng)增益A不同時，曲線斜率也基本相同，為---3

= !+0.5??!????+1!????????載力矩對系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速沒有影響。所以采用PI調(diào)節(jié)的電動機(jī)具有更好的剛度。測試速度環(huán)的品質(zhì)系數(shù)（1）A階躍電壓1.2VK=!×!!為電樞電阻（含引線）??≈1.8??，電流環(huán)傳遞系數(shù)??!"= =! 3=??!

=0.9由 = ??!??= !??! 1.8

×0.229=解 =思考題如何判斷系統(tǒng)的反饋極性？當(dāng)速度調(diào)節(jié)器采用比例環(huán)節(jié)時，把增益調(diào)節(jié)到最小（電位計(jì)逆時針轉(zhuǎn)動到頭，給定較低的速度，這時可以用手捏住電動機(jī)軸，使其轉(zhuǎn)速為（盡管系統(tǒng)是一階無差系統(tǒng)）；但當(dāng)速度調(diào)節(jié)器采用PI環(huán)節(jié)時，即使用很大的勁，電動機(jī)仍然可以低速轉(zhuǎn)動，為什么？轉(zhuǎn)速對于電動機(jī)負(fù)載力矩的變化率為系統(tǒng)剛度，請分析采用兩種調(diào)節(jié)器時的系統(tǒng)剛度。注意，會利用基本概念，計(jì)算輸入電壓和負(fù)載力矩同時存在的誤差。P而PI調(diào)節(jié)則不同，這是誤差調(diào)節(jié)，對于輸入信號與干擾信號的穩(wěn)態(tài)PI調(diào)節(jié)的速度穩(wěn)態(tài)值PKp增大而增大，PI調(diào)節(jié)為無窮大剛度，與KI的具體數(shù)值無關(guān)。不用測速發(fā)電機(jī)作為角速度測量元件，還可以用什么作為速度反饋？實(shí)驗(yàn)收獲與建議 直流電動機(jī)位置伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)原理位置環(huán)的構(gòu)成比例位置調(diào)節(jié)器與位置環(huán)3---2PK和αK!這時，整個位置環(huán)的函數(shù)方塊圖如圖3---4所示。比例積分調(diào)節(jié)器及其對應(yīng)的位置環(huán)分析3--5PI實(shí)驗(yàn)內(nèi)容接好速度環(huán)，速度調(diào)節(jié)器可以用PI調(diào)節(jié)器或比例調(diào)節(jié)器，速度環(huán)輸6V18VUD/A不連接到反饋電阻48K(24K+24K)上，令位置環(huán)處于開環(huán)狀態(tài)。先斷開功率放大器的使能，把連軸節(jié)接上，再把輸入電壓調(diào)整為0V，工作實(shí)驗(yàn)結(jié)果及仿真分析仿真模型（1）P（2）PI測試位置環(huán)的速度品質(zhì)系數(shù)P6VP調(diào)節(jié)，增益旋鈕逆時針擰到底，位置環(huán)衰減系數(shù)調(diào)為α=1。輸入電壓為0.332V。K1.17VK

×5.7

×5.7=s 位置環(huán)為P調(diào)節(jié)時的時域響應(yīng)與仿真結(jié)果對比位置環(huán)輸入電壓P調(diào)整時間PI調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)也沒有發(fā)生超調(diào)，原因是速度環(huán)的時間常數(shù)很響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)方式（P或PI）幾乎不影響位置環(huán)的響應(yīng)速度。位置環(huán)輸入電壓調(diào)整時間II2.13×4.7=10V，沒飽和；II10V30V，達(dá)到1250rpm僅需1250/3t--10/2，解得t=31ms，位置電壓1V，電機(jī)旋轉(zhuǎn)1/0.15=77/1250/60=336msIII級速度環(huán)雖然飽和，但速度很位置環(huán)輸入電壓調(diào)整時間R2A，對比調(diào)整位置環(huán)輸入電壓小大小大調(diào)整時間P調(diào)節(jié)時，可以用手改變位置；當(dāng)位置環(huán)、速度環(huán)其中任意一個為PI時，無法用手改變位置。位置環(huán)為PI調(diào)節(jié)時的時域響應(yīng)與仿真結(jié)果對比位置環(huán)輸入電壓調(diào)整時間R2A，對比調(diào)整位置環(huán)輸入電壓小大小大調(diào)整時間反饋電壓、工作臺位移與輸入電壓的靜特性10------10------------------0123456y=---1.0785x+床進(jìn)給系統(tǒng)不能夠有超調(diào)，又要改善剛度，這時，應(yīng)該采用速度環(huán)PI0y=13.454x+ 3456工作臺位移與輸入電壓成線性上升關(guān)系，斜率k13.454mmV由前圖3---4H(s) 0.00012s KH(0)213.1mm/常值干擾力矩造成的位置誤差分析 R1=47k，R2=100k，R3=39k，R4=100K，C1=0.68μμF，C2思考題線性系統(tǒng)調(diào)整時間與輸入大小無關(guān)，實(shí)際上，實(shí)用的系統(tǒng)都是非線性系統(tǒng)，本次實(shí)驗(yàn)中，為什么調(diào)整時間與輸入大小有關(guān)？畫出反映實(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)象對比。如果加上積分校正，位置會產(chǎn)生過沖？為什么？機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)是否允許過沖？系統(tǒng)的靜態(tài)傳遞系數(shù)（1V單軸工作臺移動的