小功率随动系统实验

基于matalab软件的随动系统的控制设计及仿真作者：王泉来源：《科技资讯》2013年第01期摘要：本文对一小功率随动系统进行了分析研究。

并对系统进行了建模，构造了其具体的系统框图；并利用Matlab软件对系统进行了多次仿真，最终为本系统设计了一种串联校正方案，使得系统的性能达到了较高水平。

关键词：随动系统建模 Matlab软件仿真串联校正中图分类号：TP273.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（a）-0032-01随动系统在工程设计中的应用十分广泛，其物理定义为：在控制系统中若给定的输入信号是预先未知且随时间变化，并且系统的输出量随输入量的变化而变化的一种特殊系统。

对于闭环自动控制设备的随动系统，它在生产过程中对运动对象的控制及定位、瞄准、跟踪步骤中起着重要作用，已经成为各种调节系统的必备成分。

本文针对小功率随动系统进行了建模研究，并设计了一种串联校正方案，其实验方法可供参考。

1 系统模型的建立位置随动系统是一类反馈控制系统，其原理为具有位置指令和位置反馈的检测装置通过位置指令装置将希望的位移转换成具有确定精度的电量，利用反馈装置随时检测出被控设备的实际位移（转化为电量）与初始指令进行比较，把偏差信号放大后，控制执行电机向消除偏差的方向旋转直到达到要求为止。

这就是一个简单的位置随动系统结构模型。

1.1 随动系统的模型图（如图1）2 校正前的系统分析小功率随动系统因电机的电枢电阻较大，允许的过载倍数较高，且不必过多限制过渡过程中的电流，为提升系统的快速性，可不设置转速环和电流环。

用SIMULINK进行动态仿真，得出系统校正前的阶跃响应曲线和BODE图，如图2和3所示。

3 由未校正系统得出结论图中所得Gm=-7.57，Pm=-3.2352，Wg=31.6228，Wc=48.8475。

该系统校正前的阶跃响应曲线是发散的，说明系统不稳定，必须进行校正。

4 系统的串联校正提升增益系数Kp能够降低系统的静态误差、缩小过渡过程时间和上升时间；提升积分增益系数Ki，能够降低系统的静态误差；而提升微分增益系数Kd能够降低系统的超调量、缩小过渡过程时间、而对系统的上升时间和静态误差的影响不大。

（三）小功率直流随动系统研究1．目的：（1）了解自动控制参数的测试方法，建立系统的数学模型；（2）记录位置控制系统的阶跃响应曲线，确定系统的动态性能指标；2．实验内容及测试方法：测定系统各元部件的参数，必须在开环系统情况下进行。

为此，应按图5－1连线，并将反馈电位器和电动机之间的联轴器松开，以避免在开环情况因电动机连续旋转而磨损电位器。

实验前应将双路直流稳压电源的电压调好（±24V ），并将它接到控制箱所对应的接线柱上，然后进行放大器各级的零点调整和增益设定。

将各放大器的输入端接地，即可分别对运算放大器A1、A2和功放调零。

功放级调零时，应反复调节运放A3的调零电位器（在控制箱面板A3的上方）和电位器RP8（见图 ），使功放级的输出和运放A3的输出同时为零，以防止功放级工作不平衡。

建议将功放级的增益调成3左右，运算放大器A1和A2的增益按图5－1设定。

（1）电位器传递系数p K 的测定：给定电位器和反馈电位器的结构参数相同，其电源电压为±15V ，电位器最大有效工作角度为3300。

这两个电位器都装有刻度盘和指针线。

测量p K 时，利用给定电位器或反馈电位器均可以。

测量的具体方法是：将电位器的转轴对准某一角度，测量其输出电压（应接通电位器的负载），然后将电位器转轴转过一个角度，例如转过100，再测量其输出电压，于是可以求得电位器的传递系数p K ，即在不同位置多测几点，求其平均值，就能得到p K 的准确结果。

（2）．放大器增益的测试：在图５－１所示的开环系统，调节给定电位器，使其输出电压r U ＝1V （以防止功放级饱和），分别测量各点电压1U 、2U 、a U 及直流测速发电机输出电压t U ，于是可以确定放大器各级的增益：1K 、2K 及功放级的增益w K 。

将r U 改为－1V ，再测一组数据。

（3）．电动机传递系数m K 和时间常数m T 的测定：因控制电机电枢组电感电动机转子惯量的影响很小，在建立电动机的数学模型时，常将电枢绕组的电感忽略不计。

XSJ-Ⅱ小功率随动系统设计
余兰林
【期刊名称】《数字技术与应用》
【年(卷),期】2012(000)007
【摘要】本文给出了建立XSJ-Ⅱ小功率随动系统模型的方法以及实际系统调试过程中应注意的几点,然后用matlab进行数据处理和系统仿真。

介绍了多种校正仿真设计,并分析了各种校正方法对系统的稳定性和稳态精度的影响。

在软件仿真中还考虑了实际系统运行时的非线性因素的影响,通过实验数据表明,该方法能更好的指导实际系统的调试。

【总页数】1页(P120-120)
【作者】余兰林
【作者单位】西南大学工程技术学院,重庆400716
【正文语种】中文
【中图分类】TP275
【相关文献】
1.小功率随动系统中模拟校正装置的数字化设计与实现 [J], 赵文龙;刘洋;黄雅娜;陈能祥;彭洁
2.XSJ-II小功率随动系统设计 [J], 曹志琨
3.基于 XSJ-Ⅱ小功率随动系统的超前校正 [J], 李承成
4.XSJ-II小功率随动系统设计 [J], 余兰林
5.晶闸管交流调压供电的小功率位置随动系统的设计 [J], 田素娟
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2011- 2012 学年 第二学期计算机控制实验报告班级 姓名392311 李 柏学院 学号高等工程3903· 24152012 年 6 月 12 日实验 1 模拟式小功率随动系统的实验调试一、实验目的1.熟悉反馈控制系统的结构和工作原理，进一步了解位置随动系统的特点。

2. 掌握判别闭环系统的反馈极性的方法。

3.了解开环放大倍数对稳定性的影响及对系统动态特性的影响，对静态误差的影响。

二、实验仪器XSJ-3 小功率直流随动系统学习机一台 DH1718 双路直流稳压电源一台 4 1/2 数字多用表一台三、 实验原理模拟式小功率随动系统结构如图 2-3 所示 调试步骤如下： 零位调整：为了保证精度，同时判断运放是否好用，在连接成闭环系统之前进行零位的调整。

首先，把三个运放负相端输入 电阻接地，并使其增益为 1（利用电阻调整） ，再利用运放上方的调零旋钮，使输出端输出为 0；然后将电位计两端接上±10V 电压后，用数字电压表测其电刷输出，旋转之，使其电刷输出为 0，并同时调整刻度盘零点于 0 点。

开环工作状态：断开反馈电为计，加入给定电压，使电压从小到大，当信号大时，电机转速高，信号反极性时，电机反转。

反馈极性判断。

首先判断测速机反馈极性。

在一级运放处加一电压（正或负） ，记住电机转向，然后断开输入，用手旋转电 机按同一转向转动，测量测速机输出电压，如与前电机所加电压极性相同，则可将该信号接入运放二的负端；否则应把测速 机输出极性倒置， 即把另一信号接入运放二的负相端。

其次判断位置反馈极性。

将回路接成开环状态， 给电机加入一正电压， 可使其转动，然后使电机回零，顺着电机刚才转动的方向转一小角度（不可转到非线性区） ，同时用数字电压表测电位计电 刷的输出电压，倘若其值为负，则表明此时是负反馈，否则，需把电位计两端±10V 接线头对调，以保证闭环系统是负反馈。

检验系统跟随情况：按图 2-2 连线，逐渐加大电压，察看输出角度是否也同时增加（绝对量值） ，如跟随则系统跟随情况良 好。

晶闸管交流调压供电的小功率位置随动系统的设计田素娟【期刊名称】《《黑龙江科技信息》》【年(卷),期】2017(000)013【总页数】1页(P5)【关键词】交流; 调压; 位置; 随动【作者】田素娟【作者单位】包头职业技术学院电气工程系内蒙古包头014030【正文语种】中文主电路采用正、反两组双向晶闸管给交流伺服电动机供电，正、反两组双向晶闸管的控制极信号分别来自正、反组触发电路，图1是由晶闸管交流调压供电的小功率位置随动系统原理图。

2.1 被控对象——交流伺服电动机SM交流伺服电动机SM的定子为空间位置相差90o的两相绕组A 和B，A为励磁绕组，B为控制绕组。

在励磁绕组中串入电容器C1，控制绕组B中不串电容，使励磁电流iA和控制电流iB在时间上相差90o电角度，交流电源通过变压器T1变压后向励磁绕组A供电，交流电源通过变压器T2变压后向励磁绕组B供电，励磁绕组和控制绕组共用同一个交流供电电源。

2.2 主电路位置随动系统的位置偏差Δθ可能是正信号，也可能是负信号。

要想消除位置偏差，必须要求伺服电动机既能正向运行，又能反方向运行。

因此，系统的主电路设计成由双向晶闸管构成的单相交流调压电路，并且是由正、反两组交流调压电路VT正和VT反组成供电电路，正组控制电机的正向运行，反组控制电机的反方向运行。

正组的双向晶闸管VT正导通时，有自右向左的电流i正流过变压器T2的一次侧绕组中的a绕组，电源的交流电压经变压器T2变压后提供给控制绕组B，使交流伺服电动机正向运转；当反组双向晶闸管VT反导通时，有自左向右的电流i反流过变压器T2的一次侧绕组中的b绕组，电源的交流电压经变压器T2变压后提供给控制绕组B，使交流伺服电动机反方向运转。

2.3 触发电路——VT正、VT反提供触发脉冲触发电路也有正、反两组，由同步变送器T3提供同步信号电压。

如图1所示，引脚①、③为正组触发电路的输出，送往VT正的门极和阴极；引脚②、③为反组触发电路的输出，送往VT反的门极和阴极；其中引脚③为阴极公共端。

一、数控系统设计任务1.依据动态指标要求，设计系统参数，并选择校正方法；2.得到离散域的校正算法；3.用单片机实现控制算法及显示等要求。

二、实验设备及软件环境1.MATLAB仿真•对系统建模、仿真•得到阶跃、脉冲等响应图形•根轨迹绘制2.uVision2编程环境•启动uVision2,创建一个项目•创建新的源文件•添加配置启动代码•为目标设置工具选项•编译项目,创建hex文件3.S51ISP软件•S51系列单片机的在线编程软件。

•安装软件后，1)打开S51ISP下载软件，右侧方框显示：初始化并口完成；2)单击擦除器件，显示擦除器件完成；3)单击打开文件，装载.hex文件或.bin文件，显示读入文件xxxxxxx到缓冲区1xxxxx字节；4)单击（自动）写器件，显示写器件完成。

5)至此，程序正常下载到器件中。

三、数字控制器设计与仿真1.原系统模型系统闭环传递函数：Φ2. 根据经验设计PID 校正环节由于以前做过PID 相关控制环节，对PID 各项意义比较了解，故根据经验及实际系统调试得到PID 校正器：D （z ）＝3.4-2z -1（一阶后差变换法D （s ）=1.4+0.032s ）对应比例系数Kp=1.4、微分系数Kd=2、积分系数为0调试依据：• 比例P 项增大使开环增益提高，调节作用变强，上升时间变小，闭环中产生恒定的稳态误差，而且P 值越大，稳态误差越大。

但是在此系统中P 项增大会使系统静态误差减小（即增大K1）。

• 微分项增大使上升时间变大，产生一定延时，但是可以消除振荡；• 积分项增大使上升时间变小，并且消除控制器的稳态误差，但是会加大系统的振荡性。

系统未加PID 校正器时，K1＝2上升时间较小，静态精度均满足要求，但是有一定振荡，系统动态参数不满足要求。

故不加积分I 校正，只采用PD 校正，经调试得比例系数Kp=1.4、微分系数Kd=2时，控制效果较好。

3. 加入PD 校正环节后系统模型系统闭环传递函数：272.373166()119.53166s s s s +Φ=++4. 仿真结果：未加校正未加采样阶跃响应 未加校正加采样阶跃响应调节时间ts=389ms 、超调σ％=19.76% 调节时间ts=624ms 、超调σ％=43.12％，对应ξ=0.4587、ωn=25.2220 对应ξ= 0.2586 ωn= 27.8819加PD校正阶跃响应调节时间ts=227ms、超调σ％=0% 满足ξ≥0.9 ωn≥20 rad/s对应调节时间ts<250ms，超调σ％<0.1524%的动态特性要求。

一、实验目的●掌握小功率随动系统的工作原理及设计过程●掌握元部件选择、参数测试，根据给定技术指标进行系统建模、设计与仿真的过程●学习利用matlab进行参数估计、数据处理及系统分析的方法●锻炼在实际系统中解决问题的能力二、实验内容●熟悉系统组成与工作原理●选择元部件，测试、拟合元部件参数，获得元部件传递函数●对组件和系统进行建模，进行模拟系统的硬件设计●根据系统静态与动态参数的要求进行系统方案设计●使系统模型在matlab下的simulink中进行仿真，同时测试实际模拟系统静、动态性能指标，比较二者的差别●分析仿真结果，调试模拟系统三、技术指标●输入±5v产生最大转角±90°●D/A输出±5v时达到转速26 rad/s●静态精度±1.5°●D/A输出<120mv电机起动●闭环系统近似为二阶非周期环节ξ≥0.9 ωn≥20 rad/s四、实验设备●XSJ-II型直流小功率随动系统实验箱●稳压电源●示波器●数字万用表●转速表●直流力矩电机、角位置测量电位器、测速发电机五、系统组成及工作原理1．工作原理整个系统的原理线路如下图所示：给定电位器和反馈电位器组成一对误差检测器，当给定电位器转过一个角度时，误差检测器产生偏差电压，该电压输入信号通过A/D转换器进入80C196KB芯片中，经过控制算法的处理，产生控制指令，由D/A转换器输出后加到运算放大器的输入端，再经放大后驱动直流电动机，电动机带动负载 (惯性轮)转动的同时，也带动反馈电位器的电刷转动，使误差检测器产生的偏差电压通过A/D又加到芯片中，运用控制指令的计算，形成一个完整的闭环控制系统，直至偏差电压减小到零，在新的位置达到平衡为止，才实现了被控制轴与给定电位器的输入轴随动的目的。

2．实验系统组成小功率随动系统的元部件共包括执行电机、测速发电机、角位置测量电位计、直流放大器、系统控制台、单片机开发系统等六个主要部分，其中执行电机和系统控制台构成被控对象，测速发电机和角位置测量电位计分别构成速度反馈(内环)和位置反馈(外环)。