基于模擬電路仿真實驗平臺的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

基于模擬電路仿真實驗平臺的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

0實驗平臺的構(gòu)筑兩個環(huán)形旋轉(zhuǎn)壓縮性輥擠出系統(tǒng)是“自動控制系統(tǒng)（直速設(shè)備系統(tǒng)）”課程的重要內(nèi)容和難點。對于學生的其他生產(chǎn)管理系統(tǒng)的設(shè)計也有指導意義，但部分內(nèi)容的性和性相對抽象，因此實驗和教學網(wǎng)絡(luò)鏈接的效果起著非常重要的作用。以往的實驗教學是依據(jù)課堂教學講授的方法先對一個控制對象進行參數(shù)設(shè)計,然后就直接到直流調(diào)速實驗臺上進行操作調(diào)試,總感到缺少了一個過渡過程,使學生對所學內(nèi)容并沒有完全吃透。所以,近年來有教師開發(fā)了一些Matlab/Simulink仿真軟件作為輔助教學手段,但從總體上看還是存在下述一些不足之處:(1)由于實驗條件的限制,普通示波器不能存儲記錄實驗波形,難以對實驗結(jié)果進行定量分析,又由于電流等信號干擾較大等原因,實驗波形不理想;(2)在課堂上對實驗結(jié)果進行理論推導時采用了一些合理性缺乏實驗驗證的近似方法;(3)在學習不同調(diào)節(jié)器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響等內(nèi)容時,有些同學提出一些未經(jīng)嚴格理論計算的參數(shù)設(shè)計和控制方法,但因不允許破壞性使用實驗設(shè)備而無法進行驗證;有些同學因不熟悉實驗設(shè)備而存在恐懼心理,影響了正常使用;(4)如采用Matlab/Simulink模擬軟件,一方面因?qū)W生需學習Matlab/Simulink的相關(guān)知識,課時緊張;一方面由于Matlab/Simulink的模擬結(jié)果過于理想化,對初學者來說,仍感覺不夠直觀。為了解決以上這些問題,我們設(shè)計了模擬電路仿真實驗平臺,來進行雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計,作為理論教學與實際操作的中間環(huán)節(jié)。該方法采用我們自行研制的模擬電路仿真實驗平臺,利用運算放大器及電阻電容等模擬調(diào)節(jié)器及控制對象的各個環(huán)節(jié),利用計算機采集分析數(shù)據(jù),操作靈活方便,實驗內(nèi)容豐富,分析手段科學化,大大提高了學生的學習興趣,取得了很好的教學效果。1實驗平臺及原理圖1是我們研制的模擬電路仿真實驗裝置的結(jié)構(gòu)圖,該系統(tǒng)中由計算機通過并口A/D、D/A接口板實現(xiàn)信號發(fā)生器、示波器的功能,實驗時不用打開機箱,使用非常方便。本系統(tǒng)軟件提供了由一路可發(fā)出多種波形的信號源及一個軟件雙蹤示波器組成的實驗平臺,可根據(jù)實驗需要靈活配置,信號源可選波形包括階躍信號、斜坡信號、加速度信號、方波、正弦波、三角波、鋸齒波等,雙蹤示波器可實時動態(tài)地顯示實驗波形,并具有X-Y功能,本系統(tǒng)充分發(fā)揮了計算機的優(yōu)勢,可完成實驗數(shù)據(jù)的采集、存儲和計算處理并可將實驗結(jié)果與理論分析值進行對比,因此提高了實驗效率。本系統(tǒng)軟件運行于Windows環(huán)境,人機界面友好,操作簡便,可靈活地設(shè)計出各種實驗方案,應用于不同的自控系統(tǒng)的課程設(shè)計。2在雙環(huán)流暢系統(tǒng)的課程設(shè)計中2.1電流環(huán)模擬電路直流電動機:5V,4A,5r/minCe=0.556Vmin/r,λ=1.1晶閘管裝置放大系數(shù):Ks=1,Ts=0.01s電樞回路總電阻:R=0.6Ω時間常數(shù):Tl=0.167s,Tm=0.282s電流反饋系數(shù):α=1轉(zhuǎn)速反饋系數(shù):β=1上述設(shè)計參數(shù)考慮了可避免運算放大器進入飽和,但實驗結(jié)果仍不失一般性。電流環(huán)(見圖2)可設(shè)計成典型Ⅰ型系統(tǒng)或典型Ⅱ型系統(tǒng),典型Ⅰ型系統(tǒng)跟隨性能好而抗擾性能較差,典型Ⅱ型系統(tǒng)抗擾性能好而跟隨性能較差,這兩種情況的電流調(diào)節(jié)器均可采用PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為Ki(τi+1)/τis。當設(shè)計為典型Ⅰ型系統(tǒng)時,其參數(shù)取5×(0.167s+1)/0.167s,若設(shè)計成典型Ⅱ型系統(tǒng)時,其參數(shù)取6×(0.05s+1)/0.05s。學生可在模擬實驗箱上利用運放及電阻電容搭建電流環(huán)的模擬電路并嘗試各種調(diào)節(jié)器參數(shù),參考接線圖如圖3所示。其階躍輸入響應及抗擾性能的實驗波形分別如圖4所示。本例中,調(diào)節(jié)對象的Tl/T∑I>10,電流環(huán)可設(shè)計成典型Ⅱ型系統(tǒng),抗擾性能較好。2.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。為達到穩(wěn)態(tài)無靜差,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器,轉(zhuǎn)速環(huán)按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為7.84×(0.1s+1)/0.1s。學生可在模擬實驗箱上利用運放及電阻電容搭建雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的模擬電路并嘗試各種調(diào)節(jié)器參數(shù),參考接線圖如圖6所示。圖7(a),(b),(c),(d),(e),(f)為雙閉環(huán)系統(tǒng)的實驗波形。2.4參數(shù)調(diào)整學生可對轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)進行調(diào)整,以觀察系統(tǒng)性能所發(fā)生的相應變化,并對各種不同的實驗結(jié)果進行對比與分析討論。2.5完善控制體系在進行了以上實驗的基礎(chǔ)上,可嘗試各種其它的控制方案,如引入轉(zhuǎn)速微分負反饋等,并與原方案的實驗結(jié)果進行對比分析。3動的直直性設(shè)計利用模擬電路仿真實驗平臺實現(xiàn)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計,生動直觀