自動控制課程設(shè)計--有刷直流電機速度閉環(huán)設(shè)計及實物調(diào)試

1、<p><b>　　課程設(shè)計說明書</b></p><p>　　題 目 有刷直流電機速度閉環(huán)設(shè) </p><p>　　計及實物調(diào)試 </p><p>　　課 程 名 稱 自動控制原理 </p><p>　　院（系、部、中心） </p>&

2、lt;p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p><p>　　班 級 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　設(shè) 計 時 間 </p><p

3、>　　設(shè) 計 地 點 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.課程設(shè)計任務(wù)書…………………………………………………</p><p>　　1.1課程設(shè)計應(yīng)達到的目的……………………………………</p>

4、<p>　　1.2 課程設(shè)計題目及要求………………………………………</p><p>　　1.3課程設(shè)計任務(wù)及工作量要求………………………………</p><p>　　1.4 主要參考文獻………………………………………………</p><p>　　1.5課程設(shè)計進度安排…………………………………………</p><p>　　1.6成績

5、考核方法………………………………………………</p><p>　　2.有刷直流電機速度閉環(huán)設(shè)計及實物調(diào)試………………………</p><p>　　2.1有刷直流電機的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　2.1.1有刷直流電機的基本方程………………………………</p><p>　　2.1.2 數(shù)學(xué)建?！?</p

6、><p>　　2.2 Matlab仿真……………………………………………………</p><p>　　2.2.1建立系統(tǒng)的開環(huán)模型……………………………………</p><p>　　2.2.2對系統(tǒng)進行校正…………………………………………</p><p>　　2.2.3 Matlab仿真部分的結(jié)論…………………………………</p>&l

7、t;p>　　3.硬件調(diào)試…………………………………………………………</p><p>　　3.1 未加干擾時電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)（P、I、PI校正）……………</p><p>　　3.2 加入干擾后的系統(tǒng)的比例積分控制PI校正………………</p><p>　　3.3 硬件調(diào)試部分的結(jié)論………………………………………</p><p>　　4.課

8、程設(shè)計結(jié)論及體會……………………………………………..</p><p>　　5. 參考資料………………………………………………………….</p><p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　課 程 名 稱 自動控制原理 </p><p>　　院（系、部、中心）

9、 </p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p><p>　　班 級 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　學(xué)

10、 號 </p><p>　　起 止 日 期 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 </p><p>　　一.直流電機速度閉環(huán)設(shè)計及實物調(diào)試</p><p>　　該題目包括MATLAB軟件仿真和硬件實物調(diào)試部分，軟件仿真的目的是對系統(tǒng)

11、先進行建模，然后設(shè)計控制器使其滿足任務(wù)書上的性能指標要求，并調(diào)整控制器參數(shù)，分析控制器各參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。</p><p>　　硬件調(diào)試的目的是為了實現(xiàn)理論和實踐的結(jié)合，將仿真得到的心得體會在硬件平臺上加以驗證，一邊得到更加形象具體的認識。</p><p>　　二.MATLAB 軟件仿真單元</p><p>　　1.直流電機的物理模型及數(shù)學(xué)建模</p&g

12、t;<p><b>　?、盼锢砟Ｐ?lt;/b></p><p>　　圖表 1 直流伺服電機的物理模型</p><p>　　—電樞輸入電壓(V) 　 —電樞電阻(Ω) 　 —電樞電感( H) 　</p><p>　　—感應(yīng)電動勢(V) 　 —電機電磁轉(zhuǎn)矩　(N·m) 　J —轉(zhuǎn)動慣量</p><p&g

13、t;　　(kg·) 　B —粘性阻尼系數(shù)(N·m·s) 　 —流過電樞的電流(A) 　</p><p>　　θ—電機輸出的轉(zhuǎn)角(rad)</p><p>　　表格 1 直流電機參數(shù)</p><p><b>　?、茢?shù)學(xué)建模</b></p><p>　　根據(jù)基爾霍夫定律和牛頓第二定律對圖

14、表1所示的電機列基本方程:</p><p><b>　　公式 1</b></p><p><b>　　公式 2</b></p><p><b>　　公式 3</b></p><p><b>　　公式 4</b></p><p>　　

15、式中：為電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)（N·m）A;</p><p>　　為感應(yīng)電動勢常數(shù)（V·s）rad。</p><p>　　對公式1-4進行拉普拉斯變換，得到：</p><p><b>　　公式 5</b></p><p><b>　　公式 6</b></p><p&g

16、t;<b>　　公式 7</b></p><p><b>　　公式 8</b></p><p>　　設(shè)Ω（s） = s·θ(s), 則圖1 所示的伺服直流電機模型的方塊圖如圖表2 所示。</p><p>　　圖表2 　直流伺服電機模型結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　消去公式5-6的中間變量,整

17、理得</p><p><b>　　公式 9</b></p><p>　　即G(s)就是有刷直流電機的開環(huán)傳遞函數(shù)。</p><p>　　帶入?yún)?shù)得到電機的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　公式 10</b></p><p>　　2.繪制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)的單位階躍響應(yīng)

18、</p><p>　　建立如圖所示的開環(huán)傳遞系統(tǒng)：</p><p>　　由圖表3的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的單位階躍輸入的響應(yīng)，即電機輸入1V單位階躍電壓時，響應(yīng)曲線不停上升，沒達到要求，需要進行校正。</p><p><b>　　3.PID校正</b></p><p>　?、沤⑾到y(tǒng)的仿真模擬結(jié)構(gòu)圖</p>&l

19、t;p>　　圖表4 系統(tǒng)仿真模擬結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　因為</b></p><p><b>　　公式 11</b></p><p><b>　　公式 12</b></p><p>　　所以：P（比例系數(shù)）=（比例常數(shù)）</p><p

20、>　　I（積分系數(shù)）=（積分時間常數(shù)）</p><p>　?。模ㄎ⒎窒禂?shù)）＝（微分時間常數(shù)）</p><p>　　分步驟實現(xiàn)系統(tǒng)的PID校正。</p><p>　　表格 2 齊格勒-尼克爾斯整定公式（第二種方法）</p><p>　?、七M行比例（P）校正</p><p>　　由大到小設(shè)定一系列Kp值，觀察響應(yīng)

21、波形，尋找等幅震蕩時Kp值。</p><p>　　當Kp=128，設(shè)置參數(shù)如圖，響應(yīng)波形</p><p>　　當Kp=140，設(shè)置參數(shù)如圖，響應(yīng)波形如圖：</p><p>　　當Kp=134，設(shè)置參數(shù)如圖，響應(yīng)波形如圖：</p><p>　　由以上波形圖可以發(fā)現(xiàn)減小P環(huán)節(jié)之后，系統(tǒng)超調(diào)量減小，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間卻增大，因此僅只有P環(huán)節(jié)進行控制，無

22、法達到預(yù)期的設(shè)計要求，需進一步進行校正。</p><p>　?、沁M行比例積分（PI)校正</p><p>　　由ZN整定法，當Kp=270，Pc=0.06s時，采用PI整定，可確定Kp=121.5,Ti=0.05,則Ki=Kp/Ti=2430。</p><p>　　設(shè)置PI參數(shù)如圖，此時響應(yīng)波形如圖：</p><p>　　保持Kp=不變，令K

23、i=2000，如圖所示</p><p>　　通過比較可以得出，積分參數(shù)Ki對消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差有很大的影響。Ki越小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。在控制系統(tǒng)的前向通道中，只要有積分環(huán)節(jié)，總能做到調(diào)節(jié)無靜差，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性還要靠調(diào)節(jié)微分環(huán)節(jié)。</p><p>　?、冗M行比例積分微分（PID)校正</p><p><b>　　控制器的傳遞函數(shù)

24、為</b></p><p>　　由ZN整定公式可得：</p><p>　　=162=0.48，=0.03，=0.0075,</p><p>　　∵P（比例系數(shù)）=（比例常數(shù)）</p><p>　　I（積分系數(shù)）=（積分時間常數(shù)）</p><p>　?。模ㄎ⒎窒禂?shù)）＝（微分時間常數(shù)）</p>&

25、lt;p>　　∴P=152，I=5400,D=1.215。</p><p>　　如圖調(diào)節(jié)P=162，I=5400,D=1.215:</p><p>　　得到如圖表12的比例控制的系統(tǒng)閉環(huán)輸出</p><p>　　此時系統(tǒng)仍不滿足如下性能指標：最大超調(diào)量<20%，上升時間<0.15s，調(diào)節(jié)時間<0.85s，所以需要進一步調(diào)試。</p>

26、;<p>　　經(jīng)過調(diào)試可知，由于加入了D作用, 系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高了，可適當增加比例增益可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，通?？蓪⑻岣?0 %左右。剛啟動時比例作用最大，積分作用為0，穩(wěn)定時比例作用為0，積分作用最大。增大能減小誤差，但是太大時，會引起超調(diào)，系統(tǒng)輸出達到設(shè)定值時不能立即停下來。積分作用是累加的，比例作用和積分作用共同影響超調(diào)量和上升時間，兩者有權(quán)限切換點。當不改變時且只增加時，振蕩加劇。最終確定P、I、D的值。</p&

27、gt;<p>　　如圖調(diào)節(jié)P=40，I=1,D=0.1:</p><p>　　通過比較，可知微分參數(shù)Kd的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性，其主要作用是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預(yù)報。但Kd不能過小，否則使響應(yīng)過程提前制動，延長調(diào)節(jié)時間，并且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。</p><p><b>　　三.硬件調(diào)試單元</b><

28、;/p><p><b>　　1.設(shè)計目的</b></p><p>　　①在自動控制理論實驗基礎(chǔ)上，控制實際的模擬對象，加深對理論的理解。</p><p>　?、谡莆臻]環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)對系統(tǒng)的動態(tài)性能的影響。</p><p><b>　　2.實驗設(shè)備</b></p><p>　

29、?、貯CCC-Ⅱ型自動控制理論及計算機控制系統(tǒng)實驗裝置。</p><p><b>　　②數(shù)字式萬用表</b></p><p><b>　?、凼静ㄆ?lt;/b></p><p><b>　　3.設(shè)計原理</b></p><p>　　圖表15 直流電機調(diào)速系統(tǒng)框圖</p>

30、;<p>　　圖15為直流電機調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，它由給定、PI調(diào)節(jié)器、電機驅(qū)動單元、轉(zhuǎn)速測量電路和輸出電壓反饋等幾個部分組成。在參數(shù)給定的情況下，在PI調(diào)節(jié)器的補償作用下，直流電機可以按給定的轉(zhuǎn)速閉環(huán)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。</p><p>　　給定Ug由ACCT-II自動控制理論及計算機控制技術(shù)的實驗面板上的電源單元U1提供，電壓變化范圍為1.3V～15V。</p><p>　　經(jīng)PI

31、運算后的控制量作為驅(qū)動單元輸入信號，經(jīng)過功率放大后驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。</p><p>　　轉(zhuǎn)速測量電路單元將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓信號，作為反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。它由轉(zhuǎn)盤、光電轉(zhuǎn)換和頻率/電壓（F/V）轉(zhuǎn)換電路組成。由于轉(zhuǎn)速測量的轉(zhuǎn)盤為60齒，電機旋轉(zhuǎn)一周，光電變換后輸出60個脈沖信號，對于轉(zhuǎn)速為n的電機來說，輸出的脈沖頻率為60n/min，我們用這個信號接入以秒作為計數(shù)單位的頻率計時，頻率計的讀數(shù)即為電機的轉(zhuǎn)速，所以轉(zhuǎn)速

32、測量輸出的電壓即為頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出，這里的F/V轉(zhuǎn)換率為150Hz/V。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求改變輸出電壓反饋系數(shù)可以得到預(yù)設(shè)的輸出電壓。</p><p><b>　　4.設(shè)計內(nèi)容及步驟</b></p><p>　　設(shè)計的接線圖如圖2所示，除了實際的模擬對象、電壓表和轉(zhuǎn)速計表外，其中的模擬電路由ACCT-II自動控制理論及計

33、算機控制技術(shù)實驗板上的運放單元和備用元器件搭建而成。這里給出一組參考的設(shè)計參數(shù)，僅供參考，在實際的實驗中需聯(lián)系實際的控制對象進行參數(shù)的試湊，以達到預(yù)定的效果。參考的試驗參數(shù)為：</p><p>　　R0=R1=R2=100K，R3=100K，R4=2M，R5=10K，C1=1F，Rf/Ri=1。</p><p>　　具體的設(shè)計步驟如下：</p><p>　　1．先將

34、ACCT-III自動控制理論及計算機控制技術(shù)（二）和ACCT-II自動控制理論及計算機控制技術(shù)面板上的 電源船形開關(guān)均放在“OFF”狀態(tài)。</p><p>　　2．利用ACCT-II實驗板上的單元電路U9、U15和U11，設(shè)計并連接如圖3.5所</p><p>　　圖2 直流電機調(diào)速系統(tǒng)框圖</p><p>　　示的閉環(huán)系統(tǒng)。需要注意的是，運放的鎖零信號G接到－15

35、V。</p><p>　?。?）將ACCT-II面板上U1單元的可調(diào)電壓接到Ug；</p><p>　?。?）給定輸出接PI調(diào)節(jié)器的輸入，這里參考電路中Kd=0，R4的作用是提高PI調(diào)節(jié)器的動態(tài)特性。</p><p>　?。?）經(jīng)PI運算后給電機驅(qū)動電路提供輸入信號，即將調(diào)節(jié)器電路單元的輸出接到ACCT-III面板上的低壓直流電動機調(diào)速中的功率轉(zhuǎn)換電路的正極輸入端（

36、IN＋），負極端（IN－）接地；</p><p>　?。?）功率轉(zhuǎn)換的輸出接到直流電機的電樞兩端；</p><p>　　（5）轉(zhuǎn)速測量的輸出同時接到電壓反饋輸入端和20V電壓表頭的輸入端，由于轉(zhuǎn)速測量輸出的電壓為正值，所以反饋回路中接一個反饋系數(shù)可調(diào)節(jié)的反相器。調(diào)節(jié)反饋系數(shù)=Rf/Ri，從而調(diào)節(jié)輸出的電壓Uo。</p><p>　　3．連接好上述線路，全面檢查線路后

37、，先合上ACCT-III實驗面板上的電源船形開關(guān)，再合上ACCT-II面板上的船形開關(guān)，調(diào)整PI參數(shù)，使系統(tǒng)穩(wěn)定，同時觀測輸出電壓變化情況。</p><p>　　4．在閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，外加干擾信號，系統(tǒng)達到無靜差。如達不到，則根據(jù)PI參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響重新調(diào)節(jié)PI參數(shù)。</p><p>　　5．改變給定信號，觀察系統(tǒng)動態(tài)特性。</p><p><b&g

38、t;　　5.設(shè)計所測數(shù)據(jù)</b></p><p>　　未加干擾時的電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)</p><p>　　實驗條件：輸入信號為階躍信號，幅值為5V，占空比為50%，周期為8秒。</p><p><b>　?。?）P調(diào)節(jié)</b></p><p>　　改變R5的值，將其分別設(shè)置成10KΩ和510KΩ，得到輸出曲線。&l

39、t;/p><p>　　R5=10KΩ, C =0uF，第一張是PI調(diào)節(jié)輸出，第二張是電機轉(zhuǎn)速輸出波形。</p><p>　　R5=510KΩ, C =0uF，第一張是PI調(diào)節(jié)輸出，第二張是電機轉(zhuǎn)速輸出波形。</p><p><b>　?。?）I調(diào)節(jié)</b></p><p>　　R5固定不變，調(diào)節(jié)C1,觀察I調(diào)節(jié)的作用效果。&

40、lt;/p><p>　　R5=0KΩ, C =10uF，第一張是PI調(diào)節(jié)輸出，第二張是電機轉(zhuǎn)速輸出波形。</p><p>　　R5=0KΩ, C =1uF，第一張是PI調(diào)節(jié)輸出，第二張是電機轉(zhuǎn)速輸出波形。</p><p><b>　　(3) PI調(diào)節(jié)</b></p><p>　　R5=10KΩ, C =1uF，第一張是PI調(diào)

41、節(jié)輸出，第二張是電機轉(zhuǎn)速輸出波形。</p><p>　　R5=10KΩ, C =10uF，第一張是PI調(diào)節(jié)輸出，第二張是電機轉(zhuǎn)速輸出波形。</p><p>　　R5=510KΩ, C =1uF，第一張是PI調(diào)節(jié)輸出，第二張是電機轉(zhuǎn)速輸出波形。</p><p>　　R5=510KΩ, C =10uF，第一張是PI調(diào)節(jié)輸出，第二張是電機轉(zhuǎn)速輸出波形。</p>

42、<p>　　干擾加入后的電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)</p><p>　　實驗條件，輸入信號為階躍信號和正弦波的疊加，階躍信號幅值為5V，占空比為50%，正弦波幅值為1V，頻率為0.75HZ。</p><p>　　改變R5的值，將其分別設(shè)置成10KΩ和510KΩ，并觀察輸出曲線。</p><p>　　接線說明：由于用到信號的疊加，如圖3所示，運放U1實現(xiàn)兩個信號的加運

43、算，運放U2實現(xiàn)加運算后的信號反向作用。最后將綜合信號輸出接至圖2的U給定。</p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　R5=510KΩ, C =1uF，第一張是PI調(diào)節(jié)輸出，第二張是電機轉(zhuǎn)速輸出波形。</p><p>　　R5=10KΩ, C =1uF，第一張是PI調(diào)節(jié)輸出，第二張是電機轉(zhuǎn)速輸出波形。</p>

44、<p>　　由圖表29-31可得，在干擾加入后，取不同的值，當增大時，系統(tǒng)的誤差減小，超調(diào)量降低，上升時間下降，但是調(diào)節(jié)時間上升。</p><p><b>　　四.結(jié)論</b></p><p>　　這次的課程設(shè)計讓我領(lǐng)會到了pid的使用老師生動的講解更讓我印象深刻。</p><p>　　該仿真部分使我們具體的認識到了積分環(huán)節(jié)及微分環(huán)

45、節(jié)的作用。若系統(tǒng)是零階系統(tǒng)，則需要加入一個積分環(huán)節(jié)，以減小穩(wěn)態(tài)誤差；若系統(tǒng)的上升時間過長難以調(diào)節(jié)，則可加入一個微分環(huán)節(jié)來提高響應(yīng)速度達到系統(tǒng)的要求。</p><p>　　于此同時，該部分的設(shè)計更使我們對系統(tǒng)的建模的過程有了新的認識，熟悉了建模的方法，更加熟悉了系統(tǒng)傳遞函數(shù)與數(shù)學(xué)方程，以及框圖之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系</p><p><b>　　參考文獻</b></p>

46、;<p>　　[1].白繼平,徐德輝. 基于MATLAB下的PID控制仿真[J].中國航海,2004(4)</p><p><b>　　:77-80.</b></p><p>　　[2].吳素平，劉飛.直流電機調(diào)速系統(tǒng)模糊控制仿真分析[J].長沙電力學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版）.2006.4:34-37.</p><p>　　[3].薛