機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)二

姓名：張英偉學(xué)號(hào)：1120830107課程名稱：機(jī)電系統(tǒng)控制根底實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)序號(hào)：實(shí)驗(yàn)二實(shí)驗(yàn)日期：2014.12.1實(shí)驗(yàn)室名稱：機(jī)電系統(tǒng)控制根底實(shí)驗(yàn)室同組人：吳濤甘建安實(shí)驗(yàn)成績(jī)：總成績(jī)：教師評(píng)語： 教師簽字： 年月日二角位置伺服系統(tǒng)頻域特性測(cè)試與分析實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜ぶ绷魉欧妱?dòng)機(jī)角位置控制系統(tǒng)的組成及各環(huán)節(jié)工作原理，包括：電動(dòng)機(jī)參數(shù)、增量式碼盤精度、機(jī)械負(fù)載慣量、信號(hào)采樣頻率、死區(qū)、控制方法等與角位置伺服系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的關(guān)系，針對(duì)該典型機(jī)電對(duì)象或系統(tǒng)，掌握輸入信號(hào)的設(shè)置與離散方法，輸出信號(hào)的采集與歸一化方法，通過速度階躍響應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)，通過掃頻法，測(cè)試系統(tǒng)的頻域特性的相位特性和幅頻特性曲線，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性并掌握系統(tǒng)PID控制的離散方法，主要目的是培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行根本性能實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。1、掌握各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法；2、掌握機(jī)電系統(tǒng)根本調(diào)試方法；3、通過掃頻法，繪出系統(tǒng)的對(duì)數(shù)頻率特性曲線，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線上，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)定裕度、快速性、頻帶寬、校正環(huán)節(jié)的形式與根本離散化方法。1.2實(shí)驗(yàn)原理直流電動(dòng)機(jī)角位置伺服系統(tǒng)，由直流減速電機(jī)、膜片聯(lián)軸器、磁滯制動(dòng)器、增量式空心軸碼盤組成的角位置反應(yīng)閉環(huán)系統(tǒng)。碼盤感知的角位置信號(hào)通過采集卡的I/O傳給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)的控制模型計(jì)算輸出位置信號(hào)，通過采集卡的DA、驅(qū)動(dòng)電路，使直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，組成的計(jì)算機(jī)控制的角位置伺服系統(tǒng)示意圖如圖2.1.圖2.1計(jì)算機(jī)控制的角位置伺服系統(tǒng)示意圖1.3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容繪制同一頻率輸入/輸出信號(hào)的時(shí)域曲線選擇輸入為5V——6.5Hz，其輸入輸出數(shù)據(jù)如下所示，其中左側(cè)為輸入數(shù)據(jù)，右側(cè)為輸出數(shù)據(jù)。通過Originpro繪出的輸入輸出曲線分別為：6.5Hz5V輸入6.5Hz5V輸出繪出系統(tǒng)幅頻特性曲線頻率〔Hz〕輸入信號(hào)幅值V〔伏〕輸出信號(hào)幅值B〔度〕相位差0.16366.7735.7248511-67.50.5672.9521.69748092-72.90.9640.3416.55169287-69.661.3627.7713.30849259-95.941.7621.0910.91850659-73.442.1617.149.117191344-71.822.5614.337.5618988-992.9612.396.29840112-109.623.3610.95.185504951-100.983.769.844.296876961-106.564.168.793.316752494-62.734.5682.498774732-105.34.967.121.486574865-101.435.366.771.048748366-104.945.766.150.214477308-112.86665.8-0.294465136-118.86.165.36-0.979729214-120.786.265.45-0.835094962-117.186.365.45-0.835094962-107.736.465.36-0.979729214-97.926.565.36-0.979729214-1176.665.19-1.259677851-106.926.765.01-1.56627049-114.576.865.01-1.56627049-85.686.964.92-1.723722952-124.2764.66-2.195306674-119.77.164.75-2.029152815-127.87.264.48-2.537464728-129.67.364.57-2.364701006-118.26764.57-2.364701006-113.47.564.31-2.873479604-121.57.664.39-2.713734603-123.127.764.31-2.873479604-124.747.864.22-3.056775988-112.327.964.13-3.244023975-127.98863.87-3.808805707-100.88.263.34-5.088095671-103.328.563.25-5.325357788-84.158.863.52-4.632171738-126.72963.52-4.632171738-89.19.163.34-5.088095671-114.669.263.34-5.088095671-74.529.363.25-5.325357788-100.449.463.34-5.088095671-135.369.563.25-5.325357788-119.79.662.99-6.049601241-120.969.763.16-5.569283355-122.229.863.16-5.569283355-123.489.962.99-6.049601241-133.651062.99-6.049601241-12610.162.99-6.049601241-127.2610.262.99-6.049601241-146.8810.362.81-6.58889861-129.7810.462.9-6.31506505-131.0410.562.72-6.871646927-94.510.662.81-6.58889861-133.5610.762.81-6.58889861-115.5610.862.72-6.871646927-116.6410.962.72-6.871646927-127.531162.64-7.13094647-138.611.262.55-7.432221399-141.1211.562.37-8.068058087-124.211.862.37-8.068058087-127.441262.29-8.366315361-129.6根據(jù)數(shù)據(jù)使用Originpro繪出的幅頻曲線如下列圖所示。幅頻特性曲線〔橫坐標(biāo)為頻率的自然對(duì)數(shù)〕擬合后的曲線如下列圖所示〔橫坐標(biāo)為頻率的自然對(duì)數(shù)〕在幅頻特性曲線中，穿越零分貝線的頻率即為開環(huán)剪切頻率ω。由幅頻特性曲線可知，剪切頻率為6.09Hz。繪出系統(tǒng)相頻特性曲線經(jīng)擬合后如下列圖所示實(shí)測(cè)系統(tǒng)傳遞函數(shù)由系統(tǒng)的幅頻特性曲線可知，此系統(tǒng)為一階系統(tǒng)，傳遞函數(shù)設(shè)為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)頻率為5Hz，所T=0.2，由頻率為1Hz時(shí)的幅頻特性可知所以，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為7.給出控制系統(tǒng)的simulink實(shí)現(xiàn)圖，通過改變開環(huán)增益K，用示波器觀察系統(tǒng)輸出。對(duì)系統(tǒng)的傳動(dòng)韓碩經(jīng)過matlab的simulink仿真，其輸入為6.5Hz5V的正弦波，仿真結(jié)果如下。將K改為10以后的輸出曲線如下，其穩(wěn)態(tài)值升高。1.4思考題1.電動(dòng)機(jī)選擇的依據(jù)是什么？〔1〕根據(jù)負(fù)載啟動(dòng)特性及運(yùn)行特性，選擇最適于這些特性的電動(dòng)機(jī)；〔2〕選擇具有與使用場(chǎng)所的環(huán)境相適應(yīng)的防護(hù)方式及冷卻方式的電動(dòng)機(jī)；〔3〕計(jì)算相確定適宜的電動(dòng)機(jī)容量；〔4〕選擇可靠性高，便于維護(hù)的電動(dòng)機(jī)；〔5〕考慮到互換性，盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)；〔6〕為使整個(gè)系統(tǒng)高效率運(yùn)行，要綜合考慮電機(jī)的極數(shù)和電壓等級(jí)。2.系統(tǒng)輸入余弦電樞電壓的幅值和系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)精度是否有關(guān)？為什么？系統(tǒng)輸入余弦電樞電壓的幅值和系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)精度無關(guān)。由最后得出的Bode圖得出參數(shù)，Bode圖幅頻特性曲線為與關(guān)系，幅值變化位置幅度也變化，但比值不變。因?yàn)橄到y(tǒng)參數(shù)辨識(shí)精度是系統(tǒng)本身的特性，和輸入信號(hào)無關(guān)，即系統(tǒng)組成器件不發(fā)生改變，系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)精度就不會(huì)改變。3.采樣頻率的上下對(duì)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)精度有何影響？實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是辨識(shí)的根底，只有高質(zhì)量的數(shù)據(jù)才能得出良好的數(shù)學(xué)模型，因此，采樣頻率較高時(shí)，得到精度高，采樣頻率低時(shí)，得到精度低。4.分析輸出信號(hào)的時(shí)域曲線零點(diǎn)漂移的原因。由于傳感器橋路中元件參數(shù)本身就不對(duì)稱，彈性元件和電阻應(yīng)變計(jì)和取感柵材料溫度系數(shù)，線脹系數(shù)不同，組橋引線長(zhǎng)度不一致等綜合因素，最后導(dǎo)致傳感器組成電橋后相鄰臂總體溫度系數(shù)有一定差異，當(dāng)溫度變化時(shí)，相鄰臂電阻變化量不同，從而使電橋產(chǎn)生輸出不平衡，即產(chǎn)生了零點(diǎn)漂移。5.分析電機(jī)轉(zhuǎn)速和電樞電壓之間產(chǎn)生死區(qū)的原因？死區(qū)如何影響系統(tǒng)的控制性能？在運(yùn)動(dòng)控制中如何減小死區(qū)的影響？〔1〕啟動(dòng)和反轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)由于慣性，不能對(duì)輸入信號(hào)及時(shí)反映，而且電機(jī)和零件之間有間隙，也會(huì)對(duì)死區(qū)影響；〔2〕在死區(qū)時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)對(duì)輸入信號(hào)作出相應(yīng)回應(yīng)，會(huì)影響系統(tǒng)功能；〔3〕提高電機(jī)參數(shù)，減小各零件的誤差。6.分析電機(jī)的正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與電壓的線性系數(shù)不同的原因以及如何提高系統(tǒng)辨識(shí)精度？〔1〕原因：由于正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變時(shí)，電機(jī)的三相電路要對(duì)調(diào)兩相，在實(shí)際中，難以保證三相完全相同?！?〕提高采樣頻率。7.滿足相角滯后10o時(shí)的頻帶寬是多少？滿足幅值衰減10%的頻帶寬是多少？同時(shí)滿足相角滯后10o和幅值衰減10%的頻帶寬是多少？滿足相角滯后10°時(shí)的頻帶寬是5.5Hz，滿足幅值衰減10%的頻帶寬是6.35Hz，同時(shí)滿足相角滯后和幅值衰減10%的頻帶寬是4.3Hz。8.在繪制對(duì)數(shù)頻率特性圖時(shí)，為什么將余弦電樞電壓幅值作為輸入信號(hào)，將由碼盤檢測(cè)的角位置信號(hào)作為輸出信號(hào)？并分析輸入信號(hào)