运动控制系统综合训练三
指导教师
院（系、部）电气与控制工程学院专业班级
学号
姓名
日期
综合训练项目三
目的：通过搭建仿真模型，克服传统教学中枯燥、抽象、难于理解等弊端，消化知识单元六
中矢量控制的理论知识，达到良好的教学效果，提高学生仿真水平和能力，为日后建立实验
平台奠定基础。
要求：利用MATLAB/simulink中的电力系统工具箱搭建构建永磁同步电机矢量控制系统仿
真模型，通过调节PI参数，得到良好的动静态性能，观察系统突加减变负载运行工况下的
速度、电流及转矩变化情况。
所建仿真模型：
图 1
如图1，SVPWM用惯性环节等效代替，若采用实际的SVPWM方法仿真，将大大增加仿真计算时间，对计算机的运行速度和内存容量要求很高。转速，转子磁链和两个电流调节器均采用带有积分环节和输出限幅的PI调节器。
图2转速的仿真结果从仿真结果
图2中可以看出，给定输出转速102，在0.13秒时突然加入负载，这时转速下降，PI调节器开始作用，使转速开始上升，直到输出转速102稳定。
图3三相绕组ABC电流
转矩调节到0，在0.13秒时加入0.57的负载，转矩调节到0.57左右稳定。
图 5 Iq的仿真结果
在没有负载情况下，Iq在0处稳定，在0.13秒时加入负载0.57，Iq逐渐调节到2.8 左右稳定。
以上为所做的永磁同步电机的矢量控制仿真。
安全性 □对信息系统安全性的威胁 任一系统，不管它是手工的还是采用计算机的，都有其弱点。所以不但在信息系统这一级而且在计算中心这一级(如果适用，也包括远程设备)都要审定并提出安全性的问题。靠识别系统的弱点来减少侵犯安全性的危险，以及采取必要的预防措施来提供满意的安全水平，这是用户和信息服务管理部门可做得到的。 管理部门应该特别努力地去发现那些由计算机罪犯对计算中心和信息系统的安全所造成的威胁。白领阶层的犯罪行为是客观存在的，而且存在于某些最不可能被发觉的地方。这是老练的罪犯所从事的需要专门技术的犯罪行为，而且这种犯罪行为之多比我们想象的还要普遍。 多数公司所存在的犯罪行为是从来不会被发觉的。关于利用计算机进行犯罪的任何统计资料仅仅反映了那些公开报道的犯罪行为。系统开发审查、工作审查和应用审查都能用来使这种威胁减到最小。 □计算中心的安全性 计算中心在下列方面存在弱点： 1.硬件。如果硬件失效，则系统也就失效。硬件出现一定的故障是无法避免的，但是预防性维护和提供物质上的安全预防措施，来防止未经批准人员使用机器可使这种硬件失效的威胁减到最小。 2.软件。软件能够被修改，因而可能损害公司的利益。严密地控制软件和软件资料将减少任何越权修改软件的可能性。但是，信息服务管理人员必须认识到由内部工作人员进行修改软件的可能性。银行的程序员可能通过修改程序，从自己的帐户中取款时漏记帐或者把别的帐户中的少量存款存到自己的帐户上，这已经是众所周知的了。其它行业里的另外一些大胆的程序员同样会挖空心思去作案。 3.文件和数据库。公司数据库是信息资源管理的原始材料。在某些情况下，这些文件和数据库可以说是公司的命根子。例如，有多少公司能经受得起丢失他们的收帐文件呢?大多数机构都具有后备措施，这些后备措施可以保证，如果正在工作的公司数据库被破坏，则能重新激活该数据库，使其继续工作。某些文件具有一定的价值并能出售。例如，政治运动的损助者名单被认为是有价值的，所以它可能被偷走，而且以后还能被出售。 4.数据通信。只要存在数据通信网络，就会对信息系统的安全性造成威胁。有知识的罪犯可能从远处接通系统，并为个人的利益使用该系统。偷用一个精心设计的系统不是件容易的事，但存在这种可能性。目前已发现许多罪犯利用数据通信设备的系统去作案。 5.人员。用户和信息服务管理人员同样要更加注意那些租用灵敏的信息系统工作的人。某个非常无能的人也能像一个本来不诚实的人一样破坏系统。 □信息系统的安全性 信息系统的安全性可分为物质安全和逻辑安全。物质安全指的是硬件、设施、磁带、以及其它能够被利用、被盗窃或者可能被破坏的东西的安全。逻辑安全是嵌入在软件内部的。一旦有人使用系统，该软件只允许对系统进行特许存取和特许处理。 物质安全是通过门上加锁、采用防火保险箱、出入标记、警报系统以及其它的普通安全设备就能达到的。而作为联机系统的逻辑安全主要靠“口令”和核准代码来实现的。终端用户可以使用全局口令，该口令允许利用几个信息系统及其相应的数据库；终端用户也可使用只利用一个子系统或部分数据库的口令。 □安全分析过程
. 电力拖动自动控制系统—运动控制系统答案 上海大学陈伯时主编 1-1为什么PWM-电动机系统比晶闸管----电动机系统能够获得更好的动态性能？ 答：PWM—电动机系统在很多方面有较大的优越性： （1）主电路线路简单，需用的功率器件少。 （2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。 （3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000 左右。 （4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。 （5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。 （6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 PWM 开关频率高，响应速度快，电流容易连续，系统频带宽，动态 响应快，动态抗扰能力强。 1-2试分析有制动通路的不可逆PWM变换器进行制动时，两个VT是如何工作的？ 答：制动时，由于U g1 的脉冲变窄而导致i d反向时，U g2 变正，于是VT2 导通， VT2 导通，VT1 关断。 1-3调速范围和静差率的定义是什么？调速范围，静态速降和最小静差之间有什么关系？为什么脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了？ 答：生产机械要求电动机提供的最高转速 n max 和最低转速 n max n min 之比叫做调速范围， 用字母D 表示，即：D = n min 负载由理想空载增加到额定值时，所对应的转速降落?n N与理想空载转速n0min 之比，称 n 为系统的静差率S,即：s=?N n0min 调速范围，静差速降和最小静差之间的关系为： n s D =N ?n N(1?s) 由于在一定的n N下，D 越大，n min越小?n N又一定，则S 变大。所以，如果不考虑D，则S 的调节也就会容易， 1-4．某一调速系统，测得的最高转速特性为n0min=150 r / min ，带额定负载的速度降落 n0max=1500r / min ，最低转速特性 为 ?n N= 15r / min ，且不同转速下额定速降 ?n N不 变，试问系统能够达到的调速范围有多大？系统允许的静差率是多大？解 D=n max n = n0ma x ? ?n N ??n = ? 1500 15 ? = 11 min n n0min N
现代运动控制已成为电机学，电力电子技术，微电子技术，计算机控制技术，控制理论，信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科。课上老师简单介绍了运动控制及其相关学科的关系，随着其他相关学科的不断发展，运动控制系统也在不断发展，不断提高系统的安全性，可靠性，在课上跟随老师的思路，使我对运动控制系统有了更深刻的理解。 运动控制系统也叫做电力拖动控制系统。运动控制系统的任务是通过对电动机电压，电流，频率等输入电量的控制,来改变工作机械 的转矩，速度，位移等机械量，使各种机械按人们期望的要求运行以满足生产工艺及其他应用的需要。工业生产和科学技术的发展对运动控制系统提出了日益复杂的要求，同时也为研制和生产各类新型的控制装置提供了可能。在前期课程控制理论、计算机技术、数据处理、电力电子等课程的基础上，学习以电动机为被控对象的控制系统，培养学生的系统观念、 运动控制系统的基本理论和方法、初步的工程设计能力和研发同类系统的能力。 课堂上老师全面、系统、深入地介绍了运动控制系统的基本控制原理、系统组成和结构特点、分析和设计方法。 运动控制内容主要包括直流调速、交流调速和伺服系统三部分。 直流调速部分主要介绍单闭环、双闭环直流调速系统和以全控型功率器件为主的直流脉宽调速系统等内容；交流调速部分主要包括基于异步电动机稳态模型的调速系统、基于异步电动机动态模型的高性能调速系统以及串级调速系统；随动系统部分介绍直、交流随动系统的性能分析与动态校正等内容。此外，书中还介绍了近几年发展起来的多电平逆变技术和数字控制技术等内容。《运动控制系统》既注重理论基础，又注重工程应用，体现了理论性与实用性相统一的特点。书中结合大量的工程实例，给出了其仿真分析、图形或实验数据，具有形象直观、简明易懂的特点。 第一部分中主要介绍直流调速系统，调节直流电动机的转速有三种方法：改变电枢回路电阻调速阀，减弱磁通调速法，调节电枢电压调速法。 变压调速是是直流调速系统的主要方法，系统的硬件结构至少包含了两部分：能够调节直流电动机电枢电压的直流电源和产生被调节转速的直流电动机。随着电力电子技术的发展，可控直流电源主要有两大类，一类是相控整流器，它把交流电源直接转换成可控直流电源；另一类是直流脉宽变换器，它先把交流电整流成不可控的直流电，然后用PWM 方式调节输出直流电压。本章说明了两类直流电源的特性和数学模型。当用可控直流电源和直流电动机组成一个直流调速系统时，它们所表现车来的性能指标和人们
《运动控制系统》课程设计报告 时间 2014.10 _ 学院自动化 _ 专业班级自1103 _ 姓名曹俊博 __ 学号 41151093 指导教师潘月斗 ___ 成绩 _______
摘 要 本课程设计从直流电动机原理入手，建立V-M双闭环直流调速系统，设计双闭环直流调速系统的ACR和ASR结构，其中主回路采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，触发器采用KJ004触发电路，系统无静差；符合电流超调量σi≤5%；空载启动到额定转速超调量σn≤10%。并详细分析系统各部分原理及其静态和动态性能，且利用Simulink对系统进行各种参数给定下的仿真。 关键词：双闭环；直流调速；无静差；仿真 Abstract This course is designed from DC motor, establish the principles of V-M double closed loop DC speed control system design, the double closed loop dc speed control system and the structure, including ACR ASR the main loop thyristor three-phase bridge type all control the power supply and trigger the rectifier circuit KJ004 trigger circuit, the system without the static poor; Accord with current overshoots sigma I 5% or less; No-load start to the rated speed overshoot sigma n 10% or less. And detailed analysis of the system principle and the static and dynamic performance, and the system of simulink to various parameters set simulation. Key Words：double closed loop；DC speed control system；without the static poor；simulation
实验三 控制系统设计 一、 实验目的 掌握串联频域校正以及极点配置等控制系统常用设计方法。 二、 实验题目 1.考虑一个单位负反馈控制系统，其前向通道传递函数为： ) 2(k )(0+=s s s G a) 试分别采用串联超前和串联滞后装置对该系统进行综合，要求系统 的速度误差系数为20（1/s ）,相角裕量大于50。。 b) 对比两种设计下的单位阶跃响应、根轨迹图以及bode 图的区别。 采用串联超前装置 实验代码 t=[0:0.01:2]; w=logspace(-1,2); kk=40; Pm=50; ng0=kk*[1]; dg0=[1,2,0]; g0=tf(ng0,dg0); %原系统开环传递函数? [ngc,dgc]=fg_lead_pm(ng0,dg0,Pm,w); %调用子函数fg_lead_pm? gc=tf(ngc,dgc) %超前校正装置传递函数? g0c=tf(g0*gc); %校正后系统开环传递函数? b1=feedback(g0,1);%校正前系统闭环传递函数? b2=feedback(g0c,1); %校正后系统闭环传递函数? step(b1,'r--',b2,'b',t); %绘制校正前后系统阶跃响应曲线? grid on, %绘制校正前后系统伯德图? figure,bode(g0,'r--',g0c,'b',w); %绘制校正前后系统伯德图? grid on rlocus(g0c) %绘制校正后系统根轨迹图? [gm,pm,wcg,wcp]=margin(g0c) 执行结果 dgc = 0.0545 1.0000 gc = 0.2292 s + 1 ------------- 0.05452 s + 1 Continuous-time transfer function.
运动控制系统 课后习题答案 系统的调速范围是1000~100min r ，要求静差率s=2%，那么系统允许的静差转速降是多少 解：10000.02(100.98) 2.04(1) n n s n rpm D s ?==??=- 系统允许的静态速降为2.04rpm 某一调速系统，在额定负载下，最高转速特性为0max 1500min n r =，最低转速特性为 0min 150min n r =，带额定负载时的速度降落15min N n r ?=，且在不同转速下额定速降 不变， 试问系统能够达到的调速范围有多大系统允许的静差率是多少 解：1）调速范围 max min D n n =(均指额定负载情况下） max 0max 1500151485N n n n =-?=-= min 0min 15015135N n n n =-?=-= max min 148513511D n n === 2) 静差率 01515010%N s n n =?== 直流电动机为P N =74kW,UN=220V ，I N =378A ，n N =1430r/min ，Ra=Ω。相控整流器内阻Rrec=Ω。采用降压调速。当生产机械要求s=20%时，求系统的调速范围。如果s=30%时，则系统的调速范围又为多少 解：()(2203780.023)14300.1478N N a N Ce U I R n V rpm =-=-?= 378(0.0230.022)0.1478115N n I R rpm ?==?+= [(1)]14300.2[115(10.2)] 3.1N D n S n s =?-=??-= [(1)]14300.3[115(10.3)] 5.33N D n S n s =?-=??-= 某龙门刨床工作台采用 V-M 调速系统。已知直流电动机
运动控制系统实验报告 专业班级 学号 姓名 学院名称 运动控制仿真实验报告 一、实验内容与要求 1.单闭环转速负反馈 2.转速电流双闭环负反馈
3.晶闸管相控整流双闭环直流调速系统仿真模型搭建 具体要求：针对1 2 （1）仿真各环节参数 （2）仿真模型的建立 （3）仿真结果，分为空载还是负载，有无扰动 （4）仿真结果分析 二、Simulink 环境下的仿真 1.单闭环转速负反馈 1.1转速负反馈闭环调速系统仿真各环节参数 直流电动机：额定电压N U =220V ，额定电流dN I =55A ，额定N n =1000r/min ，电动机电动 势系数e C =0.192V ·min/r 。 假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数s K =44，滞后时间常数 s T =0.00167s 。 电枢回路总电阻R=1.0Ω，电枢回路电磁时间常l T =0.00167s ，电力拖动统机电时间 常数m T =0.075s 。 转速反馈系数α=0.01V ·min/r 。 对应额定转速是的给定电压 n U =10V 。
1.2仿真模型的建立 图1-1单闭环转速负反馈直流调速系统的仿真模型 PI 调节器的值定为 =0.56， = 11.43。 图1-2单闭环转速负反馈直流调速系统加入扰动负载时的仿真模型 1.3仿真结果 p K 1
图1-3空载启动不加扰动转速和电流波形 图1-4空载启动加负载扰动转速和电流波形 1.4仿真结果分析 （1）空载启动无扰动：由空载启动不加扰动转速和电流波形可知，当 =0.56， = 11.43。系统转速有较大的超调量，但快速性较好的。空载启动电流的最大值有230A 左右，而额定电流 dN I =55A ，远远超过了电动机承受的最大电流。 （1）空载启动加负载扰动：由空载启动加负载扰动转速和电流波形可知，在空载启动1S 后加负载扰动，在1S 到1.5S 时间段，转速和电流有明显的下降，但系统马上进行了调节。 p K 1
实验三控制系统的稳定性分析 实验报告 1画出步骤5的模拟电路图。 2 ?画出系统增幅或减幅振荡的波形图。 C=1uf 时： R3=50K K=5: 段弋三?LSn：rKim^- VunV rlRr^lK ：IQ口口 关粹：远口口f IQ tn； R3=100KK=10 ltirn SODO '6 ODO[□MJ gciao lc aod -1DC0 -2DC0 -3DC0 Xl ￥l a xa 5?g Yz eg ■5QW looaa
D lU'.O ZDOC JOO0 驷 口。 5OD0 6OOD [C ? 6DQO gciao lc aod R3=200K K=20: D 10QO tDdC E0C0 瓦鲨三 HIMPZ : K IM - * UhV 目佗证■ iooa mV 灵禅：HCICICI 十 io tn ； ■QW 3 oco -2-QC€ >3000 ■叫 DC 口 TWM Xi a xa mg locaa ￥1 5oca TE 卫oc IrIXlOO ?；0M 4 口 Cd 30M 1DCC a -1DC0 -2DCO ?3DCC ■叫口 t 口 Xl Y1 a Xi 50da Tg gg -■5QW looaa jrIXIg 6OCD R CPO B DQ 4 ?oao
■Z DbDCll - T ；CKJC&- S￡DOOS TA DO&OT ?scr EX D TX 0 口口CH ODQkd wag 00091 口口QE OQQE ODQa OCDT a :>izis=ed :鑒缈劇蓊
C=0.1uf 时: R3=50k: ltirn 1OO J SODO '6 ODO [□MJ gciao lc aod sow段弋三?LSn：rKim^- VunV 同:1 ana mV 共.桿;H￡I口口f ia tn； 35M -1DCO -2DCQ -SDC-Cl ■^.OCQ Xl Y1 口Xl 5DC0 TS■5Q0C iooaa JrIXIg R3=100K: a iaao EDQO WP 4￡三和t(E； ?C K TK-V Ltn# 冃用宅 压：IMQ inv 石祥:IOQO ia tXl￡ Hl DOO ^□OD5OO 口 6OOD ?ooe B DOO lc^io - ■Da e 2DCO long -3 口爾 ■■二? 口口Cl ■300 c MD00 -?.DCO Xl Y1 1'KOC 50dQ T2 locao i- ooaa
《运动控制系统》课程设计报告 时间2014.10 _ 学院自动化 _ 专业班级自1103 _ 姓名曹俊博__ 学号 指导教师潘月斗 ___ 成绩 _______
摘要 本课程设计从直流电动机原理入手，建立V-M双闭环直流调速系统，设计双闭环直流调速系统的ACR和ASR结构，其中主回路采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，触发器采用KJ004触发电路，系统无静差；符合电流超调量σi≤5%；空载启动到额定转速超调量σn≤10%。并详细分析系统各部分原理及其静态和动态性能，且利用Simulink对系统进行各种参数给定下的仿真。 关键词：双闭环；直流调速；无静差；仿真 Abstract This course is designed from DC motor, establish the principles of V-M double closed loop DC speed control system design, the double closed loop dc speed control system and the structure, including ACR ASR the main loop thyristor three-phase bridge type all control the power supply and trigger the rectifier circuit KJ004 trigger circuit, the system without the static poor; Accord with current overshoots sigma I 5% or less; No-load start to the rated speed overshoot sigma n 10% or less. And detailed analysis of the system principle and the static and dynamic performance, and the system of simulink to various parameters set simulation. Key Words：double closed loop；DC speed control system；without the static poor；simulation
目录 一、课程设计系统概述 (1) 1.1课程设计项目参数 (1) 1.2课程设计要求： (1) 1.3课程设计设计任务 (2) 1.4.稳态分析及参数设计计算 (2) 1.4.1静态参数计算 (2) 1.4.2.动态参数计算 (3) 1.4.3稳定性分析 (4) 1.4.4系统校正 (4) 1.4.5.控制结构图 (5) 二、MATLAB仿真设计 (6) 三、总结 (10) 四、参考文献 (10)
一、课程设计系统概述 1.1课程设计项目参数 1)电动机：额定数据为PN=10kW，UN=220v，IN=52A，nN=1460r/min，电枢电阻RS=0.5Ω,飞轮力矩GD2=10N.m2。 2)晶闸管装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压U2l=230v,触发整流环节的放大系数Ks=40。 3)V-M系统主电路总电阻R=1Ω。 4)测速发电机：永磁式，ZYS231/110型；额定数据为23.1w，110v，0.18A，1800r/min。 5)系统静动态指标：稳态无静差，调速指标D=10，s≤5% 6)电流截止负反馈环节：要求加入合适的电流截止负反馈环节，使电动机的最大电流限制（1.5-2）I N。（选座） 7)给定电压Un*=15V。 1.2课程设计要求： （1）根据题目要求，分析论证确定系统的组成，画出系统组成的原理框图； （2）对转速单闭环直流调速系统进行稳态分析及参数设计计算； （3）绘制系统的动态结构图； （4）动态稳定性判断，校正，选择转速调节器并进行设计； （5）绘制校正后系统的动态结构图； （6）应用MATLAB软件对转速单闭环直流调速系统进行仿真，验证所设计的调节器是否符合设计要求； （7）加入电流截止负反馈环节；（选做） （8）应用MATLAB软件对带电流截至负反馈的转速单闭环直流调速系统进行仿真，完善系统；
1 忽略定子电阻的影响,讨论定子电压空间矢量s u 与定子磁链s ψ的关系。当三相电压AO u 、BO u 、CO u 为正弦对称时，写出电压空间矢量s u 与定子磁链s ψ的表达式，画出各自的运动轨迹。 解: 用合成空间矢量表示的定子电压方程式: dt d i R u s s s s ψ+= 忽略定子电阻的影响， dt d u s s ψ≈ dt u s s ?≈?ψ 即电压空间矢最的积分为定子磁链的增量。 当三相电压为正弦对称时，定子磁链旋转矢量 )(1 ?ωψψ+=t j s s e : 电压空间矢量)2(11?π ωψω++≈t j s s e u 图 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹 图 电压矢量圆轨迹 2两电平PWM 逆变器主回路的输出电压矢量是有有限的，若期望输出电压矢量s u 的幅值小于d U 3 2，空间角度θ任意，如何用有限的PWM 逆变器输出电压矢量来逼近期望的? 解:两电平pWM 逆变器有六个基本空间电压矢量，这六个基本空间电压矢量将电压空间矢
量分成六个扇区，根据空间角度θ确定所在的扇区，然后用扇区所在的两个基本空间电压矢量分别作用一段时间等效合成期望的输出电压矢量。 3 按磁动势等效、功率相等的原则，三相坐标系变换到两相静止坐标系的变换矩阵为 ????? ???????=23-23121-21-13223C 现有三相正弦对称电流)sin(t I i m A ω=，)32sin(πω+ =t I i m B ，)3 2sin(πω+=t I i m C ，求变换后两相静止坐标系中的电流αs i 和βs i ，分析两相电流的基本特征与三相电流的关系。 解:两相静止坐标系中的电流 ??????????? ?-=????????????---=??????????????????????---=??????C B A C B C B A C B A s s i i i i i i i i i i i i i 2323000233223230212132232302121132βα 其中,0=++C B A i i i
科技学院 综合实验报告 ( -- 第1 学期) 名称: 控制系统综合实验 题目: 水位控制系统综合实验 院系: 动力工程系 班级: 自动化09K1 学号: 09191 116 学生姓名: 秦术员 指导教师: 平玉环 设计周数: 1周 成绩: 日期: 1月7日
《控制系统》综合实验 任务书 一、目的与要求 本综合实验是自动化专业的实践环节。经过本实践环节, 使学生对实际控制系统的结构、系统中各环节的关系、数字控制器的应用和控制系统的整定等建立起完整的概念。培养学生利用所学理论知识分析、解决实际问题的能力。 1. 了解单容水箱水位控制系统的实际结构及各环节之间的关 系。 2. 学会数字控制器组态方法。 3. 掌握控制系统整定方法, 熟悉工程整定的全部内容。 二、主要内容 1．熟悉紧凑型过程控制系统, 并将系统调整为水位控制状态。 2．对数字控制器组态。 3．求取对象动态特性。 4．计算调节器参数。 5．调节器参数整定。 6．做扰动实验, 验证整定结果。 7．写出实验报告。 三、进度计划
四、实验成果要求 完成实验报告, 实验报告包括: 1．实验目的 2．实验设备 3．实验内容, 必须写出参数整定过程, 并分析控制器各参数的作用, 总结出一般工程整定的步骤。 4．实验总结, 此次实验的收获。 以上内容以打印报告形式提交。 五、考核方式 根据实验时的表现、及实验报告确定成绩。 成绩评分为经过以及不经过。 学生姓名: 秦术员 指导教师: 平玉环 1月7日
一、综合实验的目的与要求 本综合实验是自动化专业的实践环节。经过本实践环节, 使学生对实际控制系统的结构、系统中各环节的关系、数字控制器的应用和控制系统的整定等建立起完整的概念。培养学生利用所学理论知识分析、解决实际问题的能力。 1. 了解单容水箱水位控制系统的实际结构及各环节之间的关 系。 2. 学会数字控制器组态方法。 3. 掌握控制系统整定方法, 熟悉工程整定的全部内容。 二、实验正文 1. 实验设备 紧凑型过程控制系统; 上位机 2. 液位控制系统 2.1 液位控制系统流程图, 如图1
基于 PLC 的两轴运动控制系统设计 学生姓名：张坤森 学号：2014062038 指导教师;彭宽栋 专业：机电一体化 杭州科技职业技术学院 摘要：以可编程控制器 PLC 作为运动控制系统的核心，步进电机作为运动控制系统的执行机构，设计了基于 PLC 的两轴运动控制系统；通过 PLC 高速脉冲口输出高速脉冲，实现了单轴运动或者两轴运动；采用触摸屏作为操作面板，建立了友好的人机交互界面。 关键词：机械制造自动化； PLC；步进电机；运动控制 0 前言 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进电机开环控制结构简单，可靠性高，价格低。但当起动频率太高或者负载太大，步进电机极易失步。而步进电机闭环控制可以克服以上缺点，提高系统精度和稳定性。在闭环控制系统中，采用增量式编码器作为反馈装置。而 PLC 作为一种工业计算机，具有逻辑控制、步进控制、数据处理、存储功能、自诊断功能、通信联网等功能，而且具有较高的可靠性、较强的抗干扰性、较好的通用性等优点。所以，使用 PLC 控制步进电机，构建两轴运动控制系统，具有重要意义。 1 系统组成 本文所实现的示教与再现功能系统组成框图如图1所示。采用西门
子 S 7-200系列的 C P U226 D C/D C /D CP L C作为主控制器。该 C P U具有 4个最高 20k H z的正交高速脉冲计数器 ,能够对输入的正交编码脉冲信号进行 4分频 [ 5] ; 2个最高 20k Hz 的高速脉冲输出 ;24个输入点和 16个输出点 ; 其布尔型指令执行时间只有 0. 22μ s [ 6] 。 2 系统总体设计 该运动控制系统由触摸屏、 PLC、步进电机驱动器、步进电机、限位开关、急停开关、编码器等组成。操作者通过触摸屏端操作，向PLC 发出控制指令，PLC 根据控制指令和内部梯形图控制相应步进电机动作，步进电机将带动相应的进给轴动作，同时，PLC 将采集与步进电机相连的编码器产生的反馈信号，并将反馈信号返回给触摸屏，以完成整个系统的反馈环节。此外，外部限位开关用于限定运动系统的极限位置，急停开关用于发生突发状况时，立即停止机器，防止伤害或者损失扩大。系统总体设计框图如图 1
习题解答（供参考） 习题二 2.2 系统的调速范围是1000~100min r ，要求静差率s=2%，那么系统允许的静差转速降是多少？ 解：10000.02(100.98) 2.04(1)n n s n rpm D s ?==??=- 系统允许的静态速降为2.04rpm 。 2.3 某一调速系统，在额定负载下，最高转速特性为0max 1500min n r =，最低转速特性为 0min 150min n r =，带额定负载时的速度降落 15min N n r ?=，且在不同转速下额定速降 不变， 统允许的静差率是多少？ 解：1）调速范围 max min D n n =(均指额定负载情况下） max 0max 1500151485N n n n =-?=-= min 0min 15015135N n n n =-?=-= max min 148513511 D n n === 2) 静差率 01515010%N s n n =?==
2.4 直流电动机为P N =74kW,UN=220V ，I N =378A ，n N =1430r/min ，Ra=0.023Ω。相控整流器内阻Rrec=0.022Ω。采用降压调速。当生产机械要求s=20%时，求系统的调速范围。如果s=30%时，则系统的调速范围又为多少？？ 解：()(2203780.023)14300.1478N N a N Ce U I R n V rpm =-=-?= 378(0.0230.022)0.1478115N n I R rpm ?==?+= [(1)]14300.2[115(10.2)] 3.1N D n S n s =?-=??-= [(1)]14300.3[115(10.3)] 5.33N D n S n s =?-=??-= 2.5 某龙门刨床工作台采用V-M 调速系统。已知直流电动机，主电路总电阻R=0.18Ω,Ce=0.2V ?min/r,求： （1）当电流连续时，在额定负载下的转速降落N n ?为多少？ （2）开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率N S 多少？ （3）若要满足D=20,s ≤5%的要求，额定负载下的转速降落N n ?又为多少? 解：(1)3050.180.2274.5/min N N n I R Ce r ?=?=?=
运动控制系统 实验指导书 赵黎明、王雁编 广东海洋大学信息学院自动化系
直流调速 实验一不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究 一．实验目的 1．研究晶闸管直流电动机调速系统在反馈控制下的工作。 2．研究直流调速系统中速度调节器ASR的工作及其对系统静特性的影响。 3．学习反馈控制系统的调试技术。 二．预习要求 1．了解速度调节器在比例工作与比例—积分工作时的输入—输出特性。 2．弄清不可逆单闭环直流调速系统的工作原理。 三．实验线路及原理 见图6-7。 四．实验设备及仪表 1．MCL系列教学实验台主控制屏。 2．MCL—18组件（适合MCL—Ⅱ)或MCL—31组件（适合MCL—Ⅲ）。 3．MCL—33(A)组件或MCL—53组件。 4．MEL-11挂箱 5．MEL—03三相可调电阻（或自配滑线变阻器）。 6．电机导轨及测速发电机、直流发电机M01（或电机导轨及测功机、MEL—13组件）。 7．直流电动机M03。 8．双踪示波器。 五．注意事项 1．直流电动机工作前，必须先加上直流激磁。 2．接入ASR构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3电位器逆时针旋到底，使调节器放大倍数最小，同时，ASR的“5”、“6”端接入可调电容（预置7μF）。 3．测取静特性时，须注意主电路电流不许超过电机的额定值（1A）。 4．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。 5．电源开关闭合时，过流保护发光二极管可能会亮，只需按下对应的复位开关SB1
即可正常工作。 6．系统开环连接时，不允许突加给定信号U g起动电机。 7．起动电机时，需把MEL-13的测功机加载旋钮逆时针旋到底，以免带负载起动。 8．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。 9．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。 六．实验内容 1．移相触发电路的调试（主电路未通电） （a）用示波器观察MCL—33（或MCL—53，以下同）的双脉冲观察孔，应有双脉冲，且间隔均匀，幅值相同；观察每个晶闸管的控制极、阴极电压波形，应有幅值为1V～2V 的双脉冲。 （b）触发电路输出脉冲应在30°～90°范围内可调。可通过对偏移电压调节单位器及ASR输出电压的调整实现。例如：使ASR输出为0V，调节偏移电压，实现α=90°；再保持偏移电压不变，调节ASR的限幅电位器RP1，使α=30°。 2．求取调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性。 a．断开ASR的“3”至U ct的连接线，G（给定）直接加至U ct，且Ug调至零，直流电机励磁电源开关闭合。 b．合上主控制屏的绿色按钮开关，调节三相调压器的输出，使U uv、Uvw、Uwu=200V。 注：如您选购的产品为MCL—Ⅲ、Ⅴ，无三相调压器，直接合上主电源。以下均同。 c．调节给定电压U g，使直流电机空载转速n0=1500转/分，调节测功机加载旋钮（或直流发电机负载电阻），在空载至额定负载的范围内测取7～8点，读取整流装置输出电压U d 3．带转速负反馈有静差工作的系统静特性 a．断开G（给定）和U ct的连接线，ASR的输出接至U ct，把ASR的“5”、“6”点短接。 b．合上主控制屏的绿色按钮开关，调节U uv，U vw，U wu为200伏。 c．调节给定电压U g至2V，调整转速变换器RP电位器，使被测电动机空载转速n0=1500转/分，调节ASR的调节电容以及反馈电位器RP3，使电机稳定运行。 调节测功机加载旋钮（或直流发电机负载电阻），在空载至额定负载范围内测取7～8
实验三控制系统仿真分析 一、实验目的和要求： 1、通过Matlab求取系统的零极点增益模型直接获得系统的零极点，对控制系统的稳定性及是否为最小相位系统作出判断； 2、控制系统的典型分析方法（时域、频域分析）是目前控制系统界进行科学研究的主要方法，是进行控制系统设计的基础，要求熟练掌握Matlab单位阶跃响应、波特图等常用命令的使用； 3、根轨迹分析是求解闭环特征方程根的简单的图解方法，要求熟练掌握Matlab根轨迹的绘制。 二、实验内容： 1、控制系统稳定性分析 （1）代数法稳定性判据：（用求分母多项式的根和routh函数两种方法） 已知系统的开环传递函数为： 试对系统闭环判别其稳定性 （2）根轨迹法判断系统稳定性： 已知一个单位负反馈系统开环传递函数为： 试在系统的闭环根轨迹图上选择一点，求出该点的增益及其系统的闭环极点位置，并判断在该点系统闭环的稳定性。 （3）Bode图法判断系统稳定性： 已知两个单位负反馈系统的开环传递函数分别为： ; 用Bode图法判断系统闭环的稳定性。 2、系统分析方法 （1）时域分析 ①根据下面传递函数模型：绘制其单位阶跃响应曲线并从图上读取最大超调量，绘制系统的单位脉冲响应、零输入响应曲线。
②典型二阶系统传递函数为： 当ζ=0.7,ωn取2、4、6、8、10、12的单位阶跃响应。 ③典型二阶系统传递函数为： 当ωn =6,ζ取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0的单位阶跃响应。 （2）频域分析 ①典型二阶系统传递函数为： 当ζ=0.7,ωn取2、4、6、8、10、12的伯德图 ②典型二阶系统传递函数为： 当ωn =6,ζ取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0的伯德图。 3、古典控制系统设计——根轨迹法分析 （1）根据下面负反馈系统的开环传递函数，绘制系统根轨迹，并分析系统稳定的K值范围。 （2）设单位负反馈系统的开环传递函数为：
搬运机械手运动控制系统设计
搬运机械手运动控制系统设计 第一部分：题目设计要求。 一、搬运机械手功能示意图 二、基本要求与参数 本作业要求完成一种二指机械手的运动控制系统设计。该机械手采用二指夹持结构，如图1所示，机械手实现对工件的夹持、搬运、放置等操作。以夹持圆柱体为例，要求设计运动控制系统及控制流程。机械手经过升降、左右回转、前后伸缩、夹紧及松开等动作完成工件从位置A 到B 的搬运工作，具体操作顺序：逆时针回转(机械手的初始位置在A 与B 之间)—>下降—>夹紧—>上升—>顺时针回转—>下降—>松开—>上升，机械手的工作臂都设有限位开关SQ i 。 A B 工SQ 1 SQ 2 SQ 3 SQ 4 SQ 5 SQ 6 夹松
设计参数： （1）抓重:10Kg （2）最大工作半径：1500mm （3）运动参数： 伸缩行程：0-1200mm； 伸缩速度：80mm/s； 升降行程：0-500mm； 升降速度：50mm/s 回转范围：0-1800 控制器要求： （1）在PLC、单片机、PC微机或者DSP中任选其一； （2）具备回原点、手动单步操作及自动连续操作等基本功能。 三、工作量 （1）驱动及传动方案的设计及部件的选择； （2）二指夹持机构的设计及计算； （3）总体控制方案及控制流程的设计； （4）设计说明书一份。 四、设计内容及说明 （1）机械手工作臂及机身驱动部件的选择及设计，需设计出具体的驱动及传动方案，画出方案原理框图。 （2）末端夹持机构设计，该结构需保证抓取精度高，重复定
位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能力。设计应包括确定夹持方案、计算夹持范围、计算夹紧力及驱动力，完成夹持机构设计图。 （3）控制系统设计，包括确定控制方案、核心功能部件的选择、主要功能模块的实现原理、绘制控制流程框图。 第二部分：设计过程 搬运机械手运动控制系统设计
基于VC++的运动控制卡软件系统设计 在自动控制领域，基于PC和运动控制卡的伺服系统正演绎着一场工业自动化的革命。目前，常用的多轴控制系统主要分为3大块：基于PLC的多轴定位控制系统，基于PC_based的多轴控制系统和基于总线的多轴控制系统。由于PC 机在各种工业现场的广泛运动，先进控制理论和DSP技术实现手段的并行发展，各种工业设备的研制和改造中急需一个运动控制模块的硬件平台，以及为了满足新型数控系统的标准化、柔性化、开放性等要求，使得基于PC和运动控制卡的伺服系统备受青睐。本文主要是利用VC++6.0提供的MFC应用程序开发平台探索研究平面2-DOF四分之过驱动并联机构的运动控制系统的软件开发。 平面2-DOF四分之过驱动并联机构的控制系统组成 并联机构的本体如图1，该机构由4个分支链组成，每条支链的一段与驱动电动机相连，而另一端相交于同一点。该并联机构的操作末端有2个自由度（即X 方向和Y方向的平动），驱动输入数目为4，从而组成过驱动并联机构。 控制系统的硬件主要有4部分组成：PC机，四轴运动控制卡，伺服驱动器和直流电动机。系统选用的是普通PC机，固高公司的GT-400-SV-PCI运动控制卡，瑞士Maxon公司的四象限直流伺服驱动器及直流永磁电动机。伺服驱动器型号为4-Q-DCADS50/5，与驱动器适配直流电动机型号为Maxon RE-35。运动控制系统的
构成如图2所示。上位控制单元由PC机和运动控制卡一起组成，板卡插在PC机主板上的PCI插槽内。PC机主要负责信息流和数据流的管理，以及从运动控制卡读取位置数据，并经过计算后将控制指令发给运动控制卡。驱动器控制模式采用编码器速度控制，驱动器接受到运动控制卡发出的模拟电压，通过内部的PWM电路控制直流电动机RE-35的运转，并接受直流电动机RE-35上的编码器反馈信号调整对电动机的控制，如此构成一个半闭环的直流伺服控制系统。 1.1 GT-400-SV控制卡介绍 固高公司生产的GT系列运动控制卡GT-400-SV-PCI可以同步控制4个轴，实现多轴协调运动。其核心由ADSP2181数字信号处理器和FPGA组成，能实现高性能的控制计算。控制卡同时提供了C语言函数库和Windows下的动态链接库，可实现复杂的控制功能。主要功能如下： （1） PCI总线，即插即用； （2）可编程伺服采样周期，4轴最小插补周期为200us，单轴点位运动最小控制周期为25us； （3） 4路16位分辨率模拟电压输出信号或脉冲输出信号模拟量输出范围：-10V-+10V，每路课独立控制，互不影响；
《运动控制系统仿真》实验讲义 谢仕宏 xiesh@https://www.doczj.com/doc/216144054.html,
实验一、闭环控制系统及直流双闭环调速系统仿真 一、实验学时：6学时 二、实验内容： 1. 已知控制系统框图如图所示： 图1-1 单闭环系统框图 图中，被控对象s e s s G 1501 30010 )(-+= ，Gc(s)为PID 控制器，试整定PID 控制器 参数，并建立控制系统Simulink 仿真模型。再对PID 控制子系统进行封装，要求可通过封装后子系统的参数设置页面对Kp 、Ti 、Td 进行设置。 2. 已知直流电机双闭环调速系统框图如图1-2所示。试设计电流调节器ACR 和转速调节器ASR 并进行Simulink 建模仿真。 图1-2 直流双闭环调速系统框图 三、实验过程： 1、建模过程如下： （1）PID 控制器参数整顿 根据PID 参数的工程整定方法（Z-N 法），如下表所示， Kp=τ K T 2.1=0.24，Ti=τ2=300， Td=τ5.0=75。 表1-1 Z-N 法整定PID 参数
（2）simulink仿真模型建立 建立simulink仿真模型如下图1-3所示，并进行参数设置： 图1-3 PID控制系统Simulink仿真模型 图1-3中，step模块“阶跃时间”改为0，Transport Delay模块的“时间延迟”设置为150，仿真时间改为1000s，如下图1-4所示： 图1-3 PID控制参数设置 运行仿真，得如下结果：
图1-5 PID控制运行结果 （3）PID子系统的创建 首先将参数Gain、Gain1、Gain三个模块的参数进行设置，如下图所示： 图1-6 PID参数设置 然后建立PID控制器子系统，如下图1-7所示： 图1-7 PID子系统 再对PID子系统进行封装，选中“Subsystem”后，单击鼠标右键，选择“Mask subsystem”，弹