自动控制原理课程设计说明书

自动控制原理课程设计说明书

目 录

一. 课程设计任务书

二. ACCC-IV型自动控制理论及计算机控制技术实验平台力矩电机转速控制模型工作原理

三. 未校正系统参数的测定

四. 未动态校正直流电机转速控制系统的数学模型

五. 系统动态校正装置设计

六. 心得体会

一. 课程设计任务书

1. 课程设计题目:直流电机转速控制系统的动态校正

2. 应完成的项目:

⑴未校正系统参数的测定

① 了解ACCC-Ⅳ型自动控制理论及计算机控制技术实验平台提供力矩电机转速控制模型的工作原理;

② 通过实验测定力矩电机转速控制模型的传递系数K、电磁时间常数aT、机电时间常数mT；

③ 建立未校正直流电机转速控制系统的数学模型。

⑵系统设计：由建立未校正直流电机转速控制系统的数学模型，对该系统进行动态校正装置设计。

① 设计指标：

静态指标： 转速实现无静差调节；

静差速度误差系数vK 35 1/s 。

动态指标：系统开环频率特性的截止频率'c10 rad/s，相角裕度'45 °，幅值裕度'gL

6 dB；

系统单位阶跃响应最大超调量% 30 %；

过渡过程时间st 1 秒 。

② 理论设计：

根据设计指标，用频率法进行相角超前校正网络设计，并进行MATLAB的SIMULINK结构图仿真，验证设计方案。

③ 实验系统设计实现：

根据理论设计的相角超前校正网络参数，在ACCC-Ⅳ型自动控制理论及计算机控制技术实验平台上选择RC元件和运算放大器，构造实现校正网络，使校正后直流电机转速控制系统投入运行，通过实验验证系统的性能。

⑶设计完成后应缴交设计说明书一分，包括上述设计基本内容、计算过程、实验数据、实验曲线及分析、结论及心得体会。

⑷设计完成期限：

本设计任务书于2009年2月23日发出，2009年3月9日上交设计说明书。

设计者：

教研组主任：彭康拥 批准； 指导教师：彭康拥 签发

参考资料以及说明：

⑴高国 、余文休、彭康拥、陈来好《自动控制原理》，第二版，华南理工大学出版社；

⑵ACCC-Ⅳ型自动控制理论及计算机控制技术实验平台实验指导书：实验一 直流电机转速控制实验； ⑶word文档资料：随动系统中的执行元件；

⑷word文档资料：求是图纸；

二. 力矩电机转速控制模型工作原理

图1.1为直流电机调速系统的结构框图，它由给定、PID调节器、电机驱动单元、转速测量电路和输出电压反馈等几个部分组成。在参数给定的情况下，在PID调节器的补偿作用下，直流电机可以按给定的转速闭环稳定运转。

给定Ug由ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术的实验面板上的电源单元U1提供，电压变化范围为1.3V～15V。

经PID运算后的控制量作为驱动单元输入信号，经过功率放大后驱动电机运转。

转速测量电路单元将转速转换成电压信号，作为反馈信号，构成闭环系统。它由转盘、光电转换和频率/电压（F/V）转换电路组成。由于转速测量的转盘为60齿，电机旋转一周，光电变换后输出60个脉冲信号，对于转速为n的电机来说，输出的脉冲频率为60n/min，我们用这个信号接入以秒作为计数单位的频率计时，频率计的读数即为电机的转速，所以转速测量输出的电压即为频率/电压转换电路的输出，这里的F/V转换率为150Hz/V。

根据设计要求改变输出电压反馈系数可以得到预设的输出电压。

ACCC-Ⅳ型自动控制理论及计算机控制技术实验平台直流电机调速系统采用宽调速力矩电机（简称力矩电机，又称大惯量电机），它具有较大的电枢直径和较多的齿槽数以及如下特点：

① 由于直径较大，故电磁转矩较大，同时电枢转动惯量较大，热容量较大，故过

载时间可较长；

② 由于Jd较大，故负载惯量变化时对系统动态性能影响小；

③ 由于电枢齿槽数较多，故低速运行平稳，力矩波动小。又因力矩电机一般做成扁平

状，电枢直径较大，空载转速很低，电磁较大，过载能力又强，故可直接带动负载，而无需减速器；

④ 机械特性硬度大，线性好。

力矩电机使用注意事项：

①同一般直流伺服电动机相比，力矩电机有两个特殊的技术指标，一是连续堵转矩，是指在电机长时间堵转时，电机温升不超过允许值所能输出的最大转矩。此时的电枢电流称“连续堵转电流”。例如直流力矩电机SYL-20，连续堵转矩2000克厘米，连续堵转电流2.43A。第二个技术指标是峰值转矩，由于力矩电机的激磁方式是永磁的，故电枢电流对磁钢有去磁作用，所以对电枢电流要加以限制，电枢电流的极限值称为“峰值电流”，相应的转矩值称为“峰值转矩”。如电枢电流超过峰值电流，则磁钢便被去磁，电机的空载速升高，转矩下降。

②国产SYL系列力矩电机分组装式和分装式，后者定子、转子、刷架三部分，出厂时并不组装，出厂后由用户组装。组装前应注意用磁路环将磁路短路，以免磁钢退磁。

① 直流力矩电机的功率放大器常用脉冲调宽式放大器，电枢电流的交变成分或脉冲分

量产生的磁场会通过电机轴传至与电机同轴的传感器，而形成磁干扰。此时应注意将联轴器改为非磁性材料（工程塑料或铜）。 1/150/fU/nU00三. 未校正系统参数的测定

(一) 未校正系统运行实验

未校正实验系统的接线图如图1.2所示，除了实际的模拟对象、电压表和转速计表外，其中的模拟电路由ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术实验板上的运放单元和备用元器件搭建而成。参考的试验参数为：

R0=R1=R2=100K，R3=100K，R4=2M，R5=10K，C1=1F，Rf/Ri=1。

具体的实验步骤如下：

1．先将ACCT-III自动控制理论及计算机控制技术（二）和ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术面板上的电源船形开关均放在“OFF”状态。

2．利用ACCT-II实验板上的单元电路U9、U15和U11，设计并连接如图1.2所示的闭环系统。需要注意的是，运放的锁零信号G接到－15V。

（1）将ACCT-II面板上U1单元的可调电压接到Ug；

（2）给定输出接PID调节器的输入，这里参考电路中Kd=0，R4的作用是提高PI调节器的动态特性。

（3）经PID运算后给电机驱动电路提供输入信号，即将调节器电路单元的输出接到ACCT-III面板上的低压直流电动机调速中的功率转换电路的正极输入端（IN＋），负极端（IN－）接地；

（4）功率转换的输出接到直流电机的电枢两端；

（5）转速测量的输出同时接到电压反馈输入端和20V电压表头的输入端，由于转速测量输出的电压为正值，所以反馈回路中接一个反馈系数可调节的反相器。调节反馈系数=Rf/Ri，从而调节输出的电压Uo。

3．连接好上述线路，全面检查线路后，先合上ACCT-III实验面板上的电源船形开关，再合上ACCT-II面板上的船形开关，观测输出电压变化情况。

3在闭环系统稳定的情况下，外加干扰信号，系统达到无静差。如达不到，则根据PID参数对系统性能的影响重新调节PID参数。

4改变给定信号，观察系统动态特性。

(二)未校正系统参数的测定

设激磁磁通，电枢端电压为Ua, 电枢电流为Ia,电机电磁转矩Ma, 电机转速为n,反电势为E, 电机反电势常数为Ke, 转矩常数为Km,则稳态有：

03752dtdnGDMMIKMnKnCEERIUfaamaeeaaa

式子中，Ra为电枢电阻,3752/GD为电枢轴上总惯量, n电机转速,Mf为电机轴上阻力矩,Ce为电机常数。

整理可得电动机机械特性方程：

dttdnGD(t)M(t)M(t)IKMn(t)KE(t)E(t)dt(t)dIL(t)RI(t)U：faamaeaaaaa)(3752电机动态方程

因一般aTmT，故近似估计时1)()(sTKnsUsnma

()3.605.20.632()2.2752()/1/1500104T3000.3muvuvRURuuknRknmss由图所得：

如果在电枢回路串联一个已知阻值的低值电阻'R，从'R上取出反映电枢回流变化的信号送到示波器，则从记录到的飞升曲线可求出电磁时间常数''RRLTaaa；然后将串联的低值电阻改为''R，测出时间常数''''RRLTaaa，则从两次测量结果可求出要求的电磁时间常数aT：'''''''''''')(RTRTRRTTTaaaaa

'()1.8'0.632()0.6321.81.14'0.003auvRUvRTs

''()4.80.632()0.6324.83.03'''0.0082auvRUvRTs

''''''()0.0028''''''TTRRaaTsaTRTRaa

四. 未动态校正直流电机转速控制系统的数学模型

由设计指标中静态指标： 转速实现无静差调节；差速度误差系数vK35 1/s ,可知

系统应包含一个积分环节,且开环放大系数K应大于或等于35,取K=35。 ()10422()10.00280.30.31104(0.00281)(0.2971)nsKnUsaTTsTsssammss

(0.00281)(0.2971)()10422()10.00280.30.31104ssnsKnUsaTTsTsssamm

五. 系统动态校正装置设计

取Gc（s）=1，对未校正系统进行SIMULINK结构图仿真和频率特性分析。

1041/15013550KKKKKcnvCFCKc

不满足要求，必须动态校正。

作未校正系统BODE图，从图读得：

0000.7/,78.1ccrads

)1297.0)(10028.0)(101428.0()11785.0(35)()()(:,701,6.51,101428.011785.011)(01428.01785.008.01785.008.0201114574.1051.7864.27)(,64.2721,0784.0121010101lg10)(11)(:,/20,)(1,/10.,0'00101110)(0000ssssssGsGsGTTssTsTssGsTsTarctgLdbLsradLstsradcccmcmmLccccsccmc校正后系统对应由图读得选择要求保证应有一定的负分贝值以要求及再考虑由指标附近出现在新截止频率希望网络最大超前角络的优点为充分发挥超前校正网