自动控制元件实验指导

1、绪论 自动控制元件实验指导本章学习目的u 了解自动控制实验的目的u 了解实验中的基本要求u 了解一个完整实验的基本步骤u 掌握实验数据处理的方法一、实验的意义实验是研究自然科学的极为重要的环节。在自控元件的教学中，实验课程是实践性教学环节之一，是基本训练的重要部分。它的主要作用是：1、巩固和加深理解在课堂上所讲授的理论，通过实验以及对实验现象的观察能增强感性认识，并在对理论知识的验证和综合运用中更牢固地掌握基本知识。2、进行实验技巧的训练，对一般常用仪器设备，要求能正确并熟练地使用和操作，逐步为使用精密仪器与灵敏仪表以及进行复杂的实验打下基础。3、培养理论联系实际的作风，树立重视实践的观点。为

2、将来根据科学研究或实际工作的需要进行实验研究打下初步的基础。4、通过在实践中实际动手，养成一丝不苟，勇于探索精神和实事求是的科学态度。总之，实验是培养具有一定能力的工程技术人员的一个非常重要的环节。二、对实验的要求为了达到实践课程所要求的目的，必须树立认真对待实验的态度，扎扎实实作好实验中的每一步。实验技能对实验的成败有着直接的关系，因此有必要对实验技能提出一定的要求，并逐步通过实验课来加以训练和养成。通过自控元件实验课，要求达到下列各点：1、对常用电工仪表，要能正确选择和熟练使用。能掌握实验中的所用到的精密仪器及灵敏仪表的使用方法和注意事项。能初步了解电子仪器的性能和使用方法。对常用的控制和

3、调节设备能熟练使用。对仪器设备及电机的各种额定值也要求掌握，以便能正确地选择。2、要求能够正确地联接线路，合理地安排仪表与布线。并掌握检查电路，找寻故障和处理故障的方法，对人身及设备的安全和防护设施也要求能掌握。 3、要求会观察实验现象和读取、选择、检查、处理数据的方法，明了有效数字的概念。对实验报告的编写，工程曲线的绘制，坐标尺度的选择，实验结果的分析计算等，要能正确进行。三、实验步骤每一个实验，从准备工作开始，经过在实验室进行实验直到提出报告为止后完成。对实验前的预习，实验中工作的进行及实验报告的编写等整个实验步骤做出如下的要求：1、预习预习时首先要仔细的阅读指导书，了解实验中所用仪器、仪

4、表的使用方法。复习有关理论知识，明确实验的目的和要求，很好地了解实验原理和实验方法。同时要认真思考预习思考题和课后思考题，带着问题走进实验室。在上述基础上简要的写一份实验提纲即预习报告，预习报告一般应包括：(1)实验名称(2)实验目的（本次实验所涉及并要求掌握的知识点）(3)实验内容与实验步骤（实验内容、原理、原理图分析及具体实验步骤）(4)实验环境（实验所使用的器件、仪器设备名称及规格）(5)设计实验数据表格如果实验还要求事先计算与设计，也应在实验提纲中完成。2、进行实验进行实验时，实验者应按规定时间或预先预定的时间进人实验室。在实验过程中，要求聚精会神、仔细认真。任何粗心大意、草率急燥都可

5、能导致损失和失败，在实验进行中应注意以下几点：(1)仪器设备的配置与检查。在实验开始时，应把实验所用的仪器设备配齐并检查其类型及量程是否合用，有些仪表还要检查其指针是否在零位。所使用的仪器设备的编号应登记在记录纸上。(2)联接线路。首先应把仪器设备布置得便于操作和读取数据，并且选择长度适合的导线，然后进行连接。接线时，按线路图先接主要串联电路(由电源一端开始，顺次而行，再回到电源的另一端)，然后再连接分支电路。导线的接头应足够紧。仪表设备的设置要注意避免可能发生的互相影响。接线完毕必须复查一遍。如有错误，应立即纠正，必须在线路接妥，检查无误，并经过指导教师复查同意后，方能接通电源进行实验。(3

6、)实验设备的操作与数据的记录。实验设备的操作，要在了解设备性能及使用方法后进行，这样才能使设备运行得正常，实验进行得顺利。数据应记录在事先准备好的表格中，在操作读数记录中，组内同学需要适当的分工合作。当需要把数据绘成曲线时，读数的多少和分布情况，应以满足足够描绘一条光滑而完整的曲线为原则。读数的分布可随曲线的曲率而异。在曲率较大处多读几点，在曲率较小处则可少读几点。读取数据后可先把曲线粗略地描绘一下，如有误，应进行补读。注意：读取指针仪表时，应在仪表刻度的正前方读取避免误差。最终的实验数据记录，要经过指导教师检查，确认无漏测、无错误测量后，再拆除线路。(4)人身和设备安全。应随时注意安全，避免

7、造成危险与不必要的损失，所以必须遵守以下安全措施： 禁止在实验室内吸咽、打闹、开玩笑。当线路接通电源后，禁止直接用手触摸没有带绝缘保护层的带电的仪器设备部分。 确实弄清仪器设备使用的规定电源电压才能合电源联线。并在合闸时再次检查一次电源是否符合规定。实验线路联好后，必须经过指导教师复查同意后才能合闸或打开电源开关接通电源。发生异常现象，要及时断电并报告指导教师，正确处理。拆除(联接)线路时，应先断开电源避免造成短路事故。遵守各种仪器的使用说明和操作规程。发生较大差错，要忠诚老实，如实报告事情的真象，以便正确处理。实验中自始至终注意保持良好的工作次序。不得随意涂改预习报告中的原始实验数据。3、实

8、验报告实验报告应在整理与计算实验数据记录的基础上写出。不同的实验类型，要求的实验报告的内容也不同。但每份实验报告都应有如下的封皮： 实验课名称 实 验 名 称班 级 姓 名 学 号 实验时间成 绩 指导教师实验室名称 注意：其中实验课名称统一填写为：自动控制元件实验。实验室名称统一填写为：检测与控制元件实验室。实验名称请严格按照教学大纲的实验名称填写，具体名称如下。直流电动机及直流测速发电机实验（验证性）旋转变压器实验（验证性）步进电机实验（验证性）自整角机实验（验证性）交流伺服电动机实验（验证性）旋转变压器测量角和或角差实验（设计性）自整角机测量角和或角差实验（设计性）验证性实验的实验报告的

9、主要内容应包括：实验名称实验目的（本次实验所涉及并要求掌握的知识点）实验内容与实验步骤（实验内容、原理、原理图分析及具体实验步骤）实验环境（实验所使用的器件、仪器设备名称及规格）设计实验数据表格实验过程与分析详细记录在实验过程中发生的故障和问题，并进行故障分析，说明故障排除的过程及方法。根据具体实验，记录、整理相应数据表格、绘制曲线、波形图等，并进行误差分析。实验结果总结对实验结果进行分析，完成思考题目，总结实验的心得体会，并提出实验的改进意见。注意：前5项必须在做实验之前完成，并由指导教师签字后才能做实验。实验报告要求字迹清楚，数据明了，该有表格一定要画表格，电路和曲线图正规，内容齐全，不要

10、漏写名字。四、实验数据处理完成一个实验课题并取得正确的实验结果，是与实验时正确读取实验数据以及实验后合理处理实验数据分不开的，下面对实验数据的读取和处理叙述如下：一、真值与平均值1、真值：通常真值是不知道的，我们需要去测定它。但严格来讲，由于条件所限真值是无法测得的，我们将真值定义为：在无系统误差下，观察次数无限时，求得的平均值。2、平均值：通常我们观察次数是有限的，用有限观察次数求出的平均值，只能是近似真值，或称为最佳值。我们称这一最佳值为平均值。常用的平均值主要有两种：算术平均值和均方根平均值。(1)算术平均值：是常用的一种平均值，设代表各次的观测值，代表观测的次数，则算术平均值为：(2)

11、均方根平均值：设代表各次的观测值，则均方根平均值为：二、误差与误差的分类1、定义：误差是指观测值与真值之差，观测值与平均值之差称为偏差。但习惯上常将两者混用而不加区别。2、分类：根据误差的性质及其产生的原因可将误差分为：(1)系统误差或恒定误差。系统误差是指由于仪器不良，周围环境的改变，个人的习惯与偏向等原因所引起的误差。这种误差在同一实验的测定中为一定值。校正以上不良因素后，可以消除掉。恒定误差是指在测定中未发觉或未确认的因素所引起的误差。这些因素影响的结果朝一个方向偏离，其大小及符号在同一实验中完全相同。 (2)偶尔误差（随机误差）。在测量中，如果已经消除引起系统误差的一切因素，而所测数据

12、仍在末一位或末两位数字上有差别。我们就称这类误差为偶然误差或随机误差。偶然误差大小不一，正负不定，无法控制。但用同一精密仪器，在同样条件下，对同一物理量做多次测量，偶然误差完全服从统计规律，随着测量次数的增加，偶然误差的算术平均值将逐渐趋近于零。(3)过失误差。过失误差是工种显然与事实不符的误差，它主要是由于粗心大意，过度疲劳或操作不正确等原因引起，此类误差无规则可寻，只要多加警惕，细心操作，此类误差就可以避免。3、误差的表示方法误差的表示方法，最常用的有下述两种：算术平均误差式中 观测次数；观测值与平均值的偏差。对有限次的观测可用下式计算：式中 观测值；算术平均值。算术平均误差的缺点是无法表

13、示出各次测量间彼此符合的情况。因为在一组测量中偏差彼此接近情况下与另一组测量中偏差有大、中、小三种的情况下，所得平均值可能相同。 标准误差标准误差也称均方根误差，其定义为：在有限观测次数中，标准误差常用下式表示：标准误差不仅是一组测量中各个鰂值的函数，而且因为与测量误差的符号无关，因此对一组测量中的较大误差或较小误差感觉比较灵敏，故标准误差为表示精确度的较好方法。 三、有效数字与计算法则1、有效数字在许多情况下，被测量的量通过测量仪表的指示而表示其大小时，仪表上的指示点的位置并不恰好与仪表刻度符合，这就需要用估计法来帮忙。估计法就是在仪表刻度的最小分度下，再凭助经验来估计一位数字。这个估计出来

14、的数字称为估计数。在实验数据的记录中，一般有效数字是包括而且仅包括一位估计数的数据。2、计算法则以有效数字进行运算时，其运算结果的记法，根据有效数字的定义有下列两个基本原则。只保留一位估计数字；去掉第二位估计数字时要用四舍五人。几个数相加或相减，其最后的得数在小数点以后的位数，应保留与该几个数中小数点后位数最少的一个有相同的位数；几个数字相乘、除时，其最后得数只需要多保留一位，有时需要少保留一位。第1章 角随动控制系统综合实验本章知识要点：u 了解自动控制元件的分类u 了解本书讲述的自动控制元件在控制系统中的作用u 了解数字随动系统的基本组成和工作原理u 初步掌握对控制系统进行分析的方法1.1

15、自动控制元件的定义、作用和分类随着科学技术的飞速发展，自动控制系统在各种领域中的应用越来越多。尽管它们功能和结构不同，但基本组成是相似的，主要包括信号指令机构、控制器、放大器、执行机构、检测装置和被控对象等几部分。各部分功能是：信号指令机构发出指令信号，检测装置检测被控量（形成输出信号），控制器对误差信号（指令信号与输出信号之差）进行处理（校正）以满足一定的控制品质，放大器将处理后的误差信号放大以驱动执行机构，使被控对象的被控量（如位移、速度、力等）跟随指令信号而变化。 从以上各部分在系统中的功能和作用可知，任何一个自动控制系统都包括大量的检测、放大、执行和校正几大部分，执行这些部分功能的元件

16、统称为自动控制元件。 自动控制元件有很多类型，通常它们可以从能量转换的形式进行分类。因为自然界有多种形式的能量(如机械能、电能、磁能、化学能、原子能等)，其中一部分元件是在磁场参与下进行机械能与电能之间或电能与电能之间转换。它们是利用电和磁的原理进行工作的元件。我们把这类元件统称为电磁元件。电磁元件在自动控制系统中应用得最多，是自动控制元件中最重要的部分。为了学习方便，可以按各种分类原则对电磁元件进行分类。一、按作用分1、功率元件：进行机电能量转换的元件。如力矩电机、三相异步电动机等。 2、信号元件：进行机电信号转换的元件(如将角位移转换成电信号，将转速转换成电压信号)。严格地说，信号也是一种

17、能量，只不过是一种极微弱的能量。如测速发电机、自整角机、旋转变压器等。二、按电流分1、直流元件：如直流继电器，直流电动机等。2、交流元件：如交流电磁铁、两相伺服电动机等。3、脉冲元件：如步进电机等。三、按功用分 1、电机：各类交、直流电机等。2、电器：各类电磁铁、继电器、电磁阀等。3、电磁传感器：微动同步器等。本实验课程中涉及的自控元件也主要是电磁元件，如：直流测速发电机、直流力矩电动机、步进电机、自整角机、旋转变压器、交流伺服电动机等。1.2自动控制系统简单分类自动控制系统特别是计算机自动控制系统已成为现代科学技术、军事工程和现代工业等领域不可缺少的部分。因而使自动控制元件在大型飞机、导弹、

18、人造卫星，汽车、机床、机器人、家用电器等各种控制系统中得到广泛的应用。随着生产和科学技术的发展，它们在国民经济各个领域的应用越来越广泛，所起的作用也越来越重要。自动控制系统有多种分类方法。例如，按控制方式可分为开环控制、反馈控制、复合控制等；按元件类型可分为机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等；按系统功用可分为温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等；按系统性能可分为线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统、确定性系统和不确定性系统等；按参考量变化规律又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统等。一般，为了全面反映自动控制系统的特点，常常将上述各

19、种分类方法组合应用。一、线性连续控制系统这类系统可以用线性微分方程式描述，其一般形式为式中，是被控量；是系统输入量。系数是常数时，称为定常系统；系数随时间变化时，称为时变系统。线性定常连续系统按其输入量的变化规律不同又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。1、恒值控制系统这类控制系统的参考量是一个常值，要求被控量亦等于一个常值，故又称为调节器。但由于扰动的影响，被控量会偏离参考量而出现偏差，控制系统便根据偏差产生控制作用，以克服扰动的影响，使被控量恢复到给定的常值。因此，恒值控制系统分析、设计的重点是研究各种扰动对被控对象的影响以及抗扰动的措施。在恒值控制系统中，参考量可以随生产条件的变

20、化而改变，但是，一经调整后，被控量就应与调整好的参考量保持一致。例如：刨床速度控制系统、温度控制系统、压力控制系统、液位控制系统等均属于恒值控制系统。在工业控制中，如果被控量是温度、流量、压力、液位等生产过程参量时，这种控制系统则称为过程控制系统。2、随动系统这类控制系统的参考量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参考量的变化，故又称为跟踪系统。在随动系统中，扰动的影响是次要的，系统分析、设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。在随动系统中，如果被控量是机械位置或其导数时，这类系统称之为伺服系统。3、程序控制系统这类控制系统的参考量是按预定规律随时间变化的函数，

21、要求被控量迅速、准确地加以复现。机械加工使用的数字程序控制机床便是一例。程序控制系统和随动系统的参考量都是时间函数，不同之处在于前者是已知的时间函数，后者则是未知的任意时间函数，而恒值控制系统也可视为程序控制系统的特例。二、线性定常离散控制系统离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，因而信号在时间上是离散的。连续信号经过采样开关的采样就可以转换成离散信号。一般，在离散系统中既有连续的模拟信号，也有离散的数字信号，因此离散系统要用差分方程描述，线性差分方程的一般形式为式中，为差分方程的次数；为常系数；分别为输入和输出采样序列。工业计算机控制系统就是典型的离散系统，如炉温微机控制系

22、统等。三、非线性控制系统系统中只要有一个元部件的输入输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性控制系统，这时，要用非线性微分(或差分)方程描述其特性。非线性方程的特点是系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项，例如严格地说，实际物理系统中都含有程度不同的非线性元部件，例如放大器和电磁元件的饱和特性，运动部件的死区、间隙和摩擦特性等。由于非线性方程在数学处理上较困难，目前对不同类型的非线性控制系统的研究还没有统一的方法。但对于非线性程度不太严重的元部件，可采用在一定范围内线性化的方法，从而将非线性控制系统近似为线性控制系统。1.3角随动控制系统实验装置简介本实验中控制系统属于角度

23、随动控制系统，实现对角度位置信号的跟踪，下面对其进行简单的分析和学习。由于随动系统的输出量是一种机械量，故其输出常常以机械轴的运动形式表示出来。该机械轴称为输出轴。通常输出轴带动较大的机械负荷而运动，在随动系统中，如果被控量是机械位置或其导数时，这类系统称之为伺服系统。位置随动系统是一种位置反馈控制系统，因此，一定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一定精度的电量，利用位置反馈装置随时检测出被控机械的实际位移，也把它转换成具有一定精度的电量，与指令进行比较，把比较得到的偏差信号放大以后，控制执行电机向消除偏差的方向旋转，直到达到一定的精度为止。这样，被控制机

24、械的实际位置就能跟随指令变化，构成一个位置随动系统。系统基本工作原理该模拟角度随动系统主要由以下部分组成：执行元件直流电动机，测量元件直流测速电机和自整角机，以及相敏解调电路和功率放大电路。系统实物图如图1-1，结构如图1-2所示。 图1-1 模拟角随动系统实物图图1-2 模拟角随动系统结构图该系统采用自整角机作为位置检测元件，相敏解调器为信号变换放大元件，电压放大是采用运算放大器，执行机构是直流伺服电机。自整角机是给系统提供最外环的位置反馈信号的，而直流测速发电机是提供内环的速度反馈信号的，最内层还有电流反馈信号。其具体各个环节的作用如下。自整角机：把位置信号机械角差转变为电压信号。这里起测

25、量元件和比较元件作用。相敏解调电路：交流信号变为直流信号。位置调节器、速度调节器、电流调节器：改善系统性能。PWM电路（脉宽调制电路）：把直流信号调制成与其特定关系的方波信号，此运算放大器工作在开关状态：饱和或截止。功率放大器：对控制信号进一步放大，使系统有足够的功率驱动执行电机转动。执行电机：把电信号转为机械运动，推动负载运动。系统的使用和维护一、验机与准备1、通电前，检查面板上的紧固件、插座是否牢固，连接线是否正确2、通电，合上电源开关。用万用表检测各路电源的电压的数值和极性是否正确。3、检查PWM脉冲调制功率放大器的工作情况。4、检察模拟电路的工作。主要观察电机是否正常运行，同时系统的极

26、性是否满足要求。二、使用注意及维护保养1、电控箱不用时应拔下相应插接线，并盖好箱盖。2、通电前仔细检查执行机构和实验箱的连线是否正确。3、如果要对电动机和测速电机进行维修清洗，必须及时把短路环放入，以免磁钢失去磁性。4、不可以大范围内高速旋转自整角发送机，以免产生电流的畸变烧坏运算放大器。5、不可以在通电情况下大范围快速调节电位计，以免产生电流的畸变烧坏运算放大器。6、打开实验性进行维修时一定要切断电源。1.4角随动控制系统实验一、实验目的1、了解数字随动系统的基本组成。2、了解典型的自控元件在本系统中的作用。3、了解直流电机电机时间常数的测试方法。4、了解控制系统建模的方法。5、了解控制系统

27、综合校正和调试的方法。二、预习要点1、了解自动控制元件以及自动控制系统的概念。2、典型的自动控制元件有哪些?3、常用的自控元件在控制系统中有什么作用？4、有关角随动系统的基本概念。5、常用仪器的使用方法，如示波器，万用表等。三、实验项目1、分析角随动系统的基本工作原理及组成。2、分析各组成部分在系统中的作用。3、根据实际系统，正确寻找典型的控制元件。4、分析找到的控制元件在系统中的作用。5、观看系统的工作过程。四、实验方法本实验主要采取同学们自主学习为主，教师指导和演示为辅的实验方法。主要实验内容包括：1、教师结合实际系统讲述实验系统的组成和基本工作原理。2、学生根据所讲述内容，结合自控元件知

28、识，自主分析实验系统。3、教师演示实验系统的工作过程，分析系统的特性。4、同学们对实验系统进行简单操作，对系统的功能进行探索。5、师生共同总结本实验系统的特点，并对自动控制元件的作用进行总结。五、实验分析1、根据本次实验课程的内容，对自动控制元件在控制系统中的作用加以总结。2、以本课程涉及的控制元件为主，例举一个典型的控制系统，分析系统的组成和工作原理。3、对自动控制元件课程的后期学习制定计划和方法。1.5角随动控制系统的预习思考题及课后思考题一、预习思考题1、什么是自动控制系统？2、什么是自动控制元件？2、典型的自动控制元件有哪些?3、常用的自控元件在控制系统中有什么作用？4、什么是角随动系

29、统？二、课后思考题1、在本实验系统中，各控制元件的作用是什么？2、通过本章知识的学习，你认为我们用的实验系统属于那类控制系统？3、利用后面即将学到的知识，考虑本系统中的执行元件可以用普通伺服电机代替吗？4、根据后面即将学到的知识，本实验系统中的各自控元件还可以分别用什么来代替？相应的，系统的功能和结构会有什么变化？ 本章小结通过对本章的学习，我们掌握了有关控制系统和控制元件的基本知识，了解和体验了自动控制元件在自动控制系统中的地位和作用，也学会了如何从系统的角度分析问题和解决问题，相信会给后续的学习带来一些提示和帮助。与自控元件理论课程有关的实验内容也将在后面陆续完成。第2章 直流电机实验本章

30、知识要点：u 直流电机的种类及工作原理u 直流电机的静态和动态特性及其测试方法u 直流电机的主要技术指标及其测定方法u 直流电机时间常数的测试方法u 直流测速发电机的特点及其应用u 力矩式直流伺服电动机的特点及其应用2.1直流电机概述直流电机包括直流伺服电动机、直流测速发电机，二者的工作原理和构成是相同的。他励式直流电机主要由励磁绕组和激磁绕组，以及电刷构成。虽然结构比较复杂，造价比较高，但是因其具有良好的启动和调速特性，被广泛应用于各种自动控制系统中。直流电动机有以下几方面的优点：1、调速范围广，且易于平滑调节；2、过载、启动、制动转矩大；3、易于控制，控制装置的可靠性高；4、调速时能量损耗

31、较小。2.2直流电机应用举例一、直流测速发电机的应用直流测速发电机的输出斜率大，没有相位误差，尽管有电刷和换向器造成可靠性较差的缺点，但仍在控制系统中尤其是在低速测量的装置中得到较为广泛的使用。在系统中作为阻尼元件产生电压信号以提高系统的稳定性和精度；在解算装置中作为微分或积分解算元件；此外它还用作测速元件。下面以具体实例加以说明。1、作系统的阻尼元件图2-1为直流测速发电机在雷达天线控制系统中作阻尼元件的应用实例。如果从自整角机发送机手动输入一个转角，而此时自整角变压器由雷达天线驱动的转角为，则自整角接收机就输出一个正比于角度差的电压，直流测速发电机的输出电压正比于，并负反馈到直流放大器的输

32、入端。这时直流放大器的输入电压为，其中为前置放大器的放大倍数，为测速发电机输出特性的斜率。如果没有测速发电机，直流伺服电动机的转速仅正比于信号电压，电动机旋转使增大，减小，时，直流伺服电动机的输入信号，电动机应停转，但由于电动机及其轴上负载的机械惯性，电机转速并不立即为零，而是继续向增大方向转动，使，此时自整角机又输出反极性的误差信号，电动机将会在此反极性的信号作用下变为反转。同样由于惯性，反转又过了头，这样系统就会产生振荡。当接上测速发电机后，则当时，虽然，伹由于，故直流放大器的信号电压为，由于此信号负反馈到直流放大器，此电压使电动机产生与原来转向相反的制动转矩，以阻止由于惯性而使电动机继续

33、向增大方向转动，因而电动机很快停留在位置。由此可见，系统中引入了测速发电机，就使得由于电动机及负载的惯性所造成的系统振荡受到了阻尼，从而改善了系统的动态性能。图2-1 直流测速发电机作系统的阻尼元件2、应用于调速装置简单的恒速控制系统原理如图2-2所示。负载是一个旋转机械。当直流伺服电动机的负载力矩变化时，电动机的转速也随之改变。为了使旋转机械保持恒速，在电动机的输出轴上耦合一个测速发电机，并将其输出电压和给定电压相减后加到放大器，经放大后供给直流伺服电动机。给定电压取自可调恒压源，改变给定电压值，便能达到所希望的速度。当负载阻力矩由于某种偶然的因素减小时，电动机的转速要上升，此时测速发电机的

34、输出电压增大，给定电压和测速发电机输出电压之间的差值变小，经放大器放大后加到直流电动机两端的电压减小，电动机减速；反之，若负载力矩偶然变大，转速下降，则过程正好相反。这样尽管负载阻力矩会发生扰动，但由于系统的调节作用使旋转机械的转速变化很小，近似于恒速。图2-2 直流测速发电机应用于调速装置二、直流伺服电动机的应用伺服电动机在自动控制系统中主要用作执行元件，通常作为随动系统、遥测和遥控系统以及各种增量系统(如磁带机的主动轮、计算机和打印机的纸带、磁盘存储器的磁头等)的主传动元件。直流伺服电动机在军事上的应用十分广泛，这里主要介绍两种直流伺服电动机在民用工业中的应用。1、电火花加工系统用电火花焊

35、接金属的方法很普遍。为了保持最佳的焊接间隙(即被加工的工件和焊枪之间的间隙，也称火花间隙)及电火花加工系统，通常都包含有电机伺服系统和电容型脉冲发生器，如图2-3所示。焊接间隙通常由直流伺服电动机来调整。直流伺服电动机的电枢绕组接在由电阻和火花间隙所组成的电桥对角线上。电机的转速和转向取决于电桥对角线中流过的电流大小和方向。电枢通过减速装置与焊枪相联。电枢旋转时，焊枪相对加工工件的位置也跟着移动。脉动电流由电容型脉冲发生器供给。适当地移动变阻器的滑动端，可预先调整好击穿电压(也就是火花间隙的大小)。 当无火花时，电桥对角线上就有电流流过，电流方向使电动机带动焊枪朝着被加工的工件方向移动(减小间

36、隙)。电容器开始放电，火花间隙内电子浓度减小，产生火花放电，工件也就开始被加工。如焊枪和工件直接短路，电桥对角线中的电流改变方向。因此，伺服电动机改变转向，并迅速带动焊枪离开加工工件，火花消失。上述过程就如此周而复始。图2-3 电火花加工系统2、张力控制系统在纺织、印染和化纤生产中，有不少生产机械(如整经机、浆纱机和卷染机等)在加工过程中以及加工到最后，都要将加工物(纱线或织物)卷绕成筒形。为使其卷绕紧密、整齐，要求在卷绕过程中，在织物内建立适当的张力，并保证张力恒定。实现这种要求的控制系统叫做张力控制系统，图2-4是利用张力辊进行检测的张力控制系统。当织物经过导辊从张力辊上兜过时，张力弹簧通

37、过摇杆拉紧张力辊。如织物张力发生波动，则张力辊的位置将上下移动。它带动摇杆改变电位器滑动端位置，使张力反馈信号随之发生变化。譬如，张力减小，在张力弹簧的作用下，摇杆使电位器滑动端向反馈信号减小的方向移动，在某一张力给定信号下，输入功率放大后，使直流伺服电动机的转子速度升高，因而张力增大并保持近似恒定。这种张力控制系统简单易行，不少纺织机都有采用。这种张力控制系统在造纸工业和钢铁企业中也得到广泛的应用，例如钢板或薄钢片卷绕机就采用这种控制系统。图2-4 张力控制系统2.3实验中相关仪器设备的技术指标及使用说明本实验的主要仪器设备包括：直流电机实验装置、光电测速表、万用表。后二者的使用方法详见附录

38、，在这里只介绍直流电机实验装置。直流电机实验装置主要由：实验台和控制箱两大部分组成。装置的实物组成如图2-5所示。图2-5 直流电机实验装置实物组成图一、直流电机实验台1、实验台基本组成实验台主要提供实验电机和负载转矩施加装置。实验台上主要包括：永磁式直流测速发电机、永磁式直流伺服电动机、测力计、涡轮蜗杆、转速传动装置。2、各组成部分的技术指标各组成部分的技术指标如下：永磁式直流测速发电机：型号45CYD02，最大转速2800r/min；永磁式直流伺服电动机：型号SYL-0.5，控制电压20V，最大转速1600r/min；测力计：量程5N和2.5N各一个；3、重要部分的作用及使用说明1)皮带轮

39、 用于电机的速度传递。2)涡轮蜗杆 用于施加负载转矩。3)弹簧管式测力计 作用是测量交流伺服电机的负载转矩。具体计算公式是：。式中：负载转矩；量程为的测力计的读数；量程为的测力计的读数；负载转矩的力臂长度，值取。二、直流电机控制箱控制箱主要完成对电机的控制和数据显示功能。前面板示意图如图2-6所示， 1-保险管；2-输出电压调节旋钮；3-直流电压输出；4-显示信号切换；5-开闭环切换；6-直流电压输入；7-负载电阻选择按钮；8-数码显示图2-6 直流电机控制箱前面板示意图2.4直流电机实验的主要实验内容2.4.1直流测速发电机实验一、实验目的1、了解直流测速发电机的基本结构。2、掌握直流测速发

40、电机输出特性的测试方法。3、掌握用实验方法测试计算电机常数。二、预习要点1、直流测速发电机的工作原理。2、直流测速发电机的静态特性。三、实验项目1、测直流测速发电机的空载输出特性。2、测直流测速发电机的负载输出特性。四、实验方法1、直流测速发电机空、负载输出特性的测试图2-7 直流测速发电机输出特性测试线路图1)按图2-7接线。2)观察在不同负载的作用下，电机的输出特性有何不同？试分析原因。3)测试在不同的转速下，直流测速发电机的空载和负载（）输出电压。测量若干组数据，记录在表2-1中。（注：转速不需要为整数值，只需要每隔大约100转测量一组数据即可）。表2-1 直流测速电机外特性转速n(r/

41、m)空载输出(V)负载输出(V)五、实验报告1、根据实验记录数据，绘制直流测速发电机的空、负载输出特性曲线。2、分析实验中出现的问题，总结实验收获。2.4.2直流力矩电动机实验一、实验目的1、掌握直流力矩电动机的基本结构。2、掌握直流力矩电动机静态特性（控制特性和机械特性）的测试方法。3、掌握直流力矩电动机机电时间常数的测试方法。二、预习要点1、直流力矩电动机在结构上有什么特点?2、直流力矩电动机静态特性如何？三、实验项目1、测直流力矩电动机在不同控制电压下的机械特性。2、测直流力矩电动机在不同负载转矩下的控制特性。3、测直流力矩电动机的内阻。四、实验方法1、直流力矩电动机机械特性测试1)按图

42、2-8接线，将控制箱调成开环状态。2)控制电压恒定不变，测试伺服电动机的稳态转速随电磁转矩（或负载转矩）的改变而变化的规律，即时，的关系，数据记录于表2-2。3)控制电压恒定不变，测试伺服电动机的稳态转速随电磁转矩（或负载转矩）的改变而变化的规律，数据记录于表2-3。图2-8 直流力矩电动机特性测试线路图表2-2 ，负载转矩（）转速控制电压表2-3 ，负载转矩（）控制电压控制电压2、直流力矩电动机控制特性测试1)按图2-8接线，测试在负载转矩，开环状态下，稳态转速随着控制电压的改变而变化的规律，即，的关系，数据记录于表2-4。表2-4 ，控制电压(V)始动电压24681012空载电枢电流(A)

43、转速n(r/m)微动2)测试在负载转矩（具体取值自行选择）的条件下，稳态转速随着控制电压的改变而变化的规律，数据记录于表2-5。表2-5 ，控制电压(V)20181614似动非动转速n(r/m)3、测试电枢电阻和电刷接触电阻之和转动电机的转轴，每转过测量一个值，共测六组数值，然后取平均值，则，数据记录于表2-6。表2-64、直流电机闭环恒速系统实验由放大电路、直流伺服电动机、直流测速发电机构成恒速控制系统。1）选择开环控制状态，增大直流电机的负载力矩，观察其转速变化，观察其控制电压变化。2）选择闭环控制状态，增大直流电机的负载力矩，观察其转速变化，观察其控制电压变化。3）比较开环与闭环特性的区

44、别，分析这些区别的原因，加深理解所学过的元件的作用。五、实验报告1、根据实验记录数据，绘制直流力矩电动机的机械特性曲线。2、根据实验记录数据，绘制直流力矩电动机的控制特性曲线。3、根据实验记录数据，计算直流力矩电动机的内阻。4、给出开环系统和闭环系统的实验现象，分析存在区别的原因。5、分析实验中出现的问题，总结实验收获。2.5直流电机实验的预习思考题及课后思考题一、预习思考题1、直流测速发电机的工作原理是什么。2、直流测速发电机的静态特性如何，与负载有什么关系？3、直流力矩电动机在结构上有什么特点?4、直流力矩电动机静态特性如何？二、课后思考题1、在直流测速发电机输出特性的测试实验中，如何合理

45、的选择施加给测速机的转速?2、直流测速发电机随着负载的变化，输出特性有什么样的变化？3、在直流测速发电机输出特性的测试实验中，对于空、负载特性都须测试的情况，在实验中可以采用哪些方法使测量的数据准确、快速？4、在直流力矩电动机机械特性测试的实验中，如果控制电压不严格的保证恒定，对实验的结果有什么影响？。5、直流力矩电动机在进行内阻测试的实验中，实验方法的依据是什么？这种方法测试的结果可靠吗?6、根据你所掌握的有关直流电机的知识，你能否对我们在第一章中学过的角随动系统中的直流电机的作用重新回顾和分析？本章小结通过对本章的学习，我们掌握了有关直流电机的基本知识，也学会了如何用实验的方法测试直流电机

46、的有关特性，这为包含有直流电机的控制系统的分析和建模建立了初步的基础。第3章 步进电动机实验本章知识要点：u 反应式步进电动机的工作原理u 单相控制的步进电动机的矩角特性u 步进电动机的动态特性u 步进电动机的驱动电源的设计和选择u 步进电动机的应用3.1步进电动机概述步进电动机是由电脉冲控制的特殊同步电动机，对应每一个供电脉冲，都产生一个恒定量的步进运动，可以是角位移或线位移。这就是说，电机运动的步数与脉冲数相等，或者在一定频率连续脉冲供电时可得到恒定的转速。在负载能力范围内，这些关系将不受电源电压、负载、环境、温度等因素的影响，还可在很宽的范围内实现调速，快速启动、制动和反转。随着数字技术

47、和电子计算机的发展，使步进电机的控制更加简便、灵活和智能化。一个步进电机系统的组成如图3-1所示。图3-1 步进电动机系统原理图按结构分，步进电动机有反应式、永磁式及永磁感应子式三种。其中反应式步进电动机应用最广。3.2步进电动机应用举例步进电机的应用是十分广泛的，下面仅举几个十分典型的应用。一、增量式数字阀控制的电液系统用数字信息直接控制的阀，称为数字阀。数字阀可以直接与计算机连接，不需要DA转换器，具有结构简单、抗干扰能力强、重复性好、工作稳定可靠等优点。因此在微机实时控制的电液系统中，它可部分取代比例阀或伺服阀，为计算机在液压领域的应用开拓了一种新的方向。增量式数字阀是一种用步进电机作电

48、一机械转换器的阀。它是在原有步数的基础上增加或减少一些步数，从而达到需要的幅值，以达到控制的目的。图3-2是增量式数字阀控制的电液系统方框图。图3-2 增量式数字阀控制的电液系统这种控制系统由计算机、驱动电源、数字阀和液压缸及传感器等组成。工作原理如下：由计算机发出需要的脉冲序列，经驱动电源放大后使步进电机按信号动作，每当电机得到一个脉冲时，它便沿着控制信号给定的方向转动一个固定的步距角。并带动凸轮或螺纹等机构，使旋转角度转换成位移量，从而带动液压阀的阀芯(或挡板等)移动一定的位移，因此根据步进电机原有的位置和实际走的步数，可得到数字阀的开度(阀口开启的大小)，计算机可按此要求控制液压缸(或马

49、达)按需要的规律运动。 二、数字程序控制系统数字程序控制系统的典型实例数控机床。数控机床主要由数控装置、伺服系统和机床本体；三大部分组成。伺服系统多用步进电机(执行元件)、驱动装置以及位置检测装置(部分机床具有)等组成。现代数控机床采用计算机数控装置完成零件加工程序的读人、存储，输入信息的处理和计算，然后根据所得的结果向各坐标轴(x, y, z方向)分配指令脉冲。每来一个指令脉冲，步进电动机就旋转一个角度，它所拖动的工作台就对应地完成一个脉冲当量(对每一个脉冲，步进电动机带动负载所转的角度或直线位移，叫脉冲当量)的位移。这样两个或三个坐标轴的联动就能加工出程序中记录的几何图形来，即完成加工过程

50、的实时控制。图3-3是数控机床的简单的工作示意图。图3-3 数控机床工作示意图三、软盘驱动系统软盘存储装置是一种经济有效的计算机记忆存储器。经过读写磁头的磁带通常是由一台与螺杆直接联接的步进电动机驱动(如图3-4所示)。 图3-4 软盘驱动系统步进电动机在该系统中用作驱动元件。此外它还用作字符处理机或打印机纸的进给机构。此时步进电动机可直接与卷筒联接，也可以通过皮带或齿轮系统与卷筒联接。3.3实验中相关仪器设备的技术指标及使用说明本实验主要用到的仪器设备有：步进电机实验装置、万用表等，主要介绍步进电机实验装置。该实验仪器主要由步进电机控制箱和实验装置两部分构成。装置的实物组成如图3-5所示。图

51、3-5 步进电机实验装置实物组成图一、步进电机控制箱本控制箱用以控制步进电机的各种运行方式，它的控制功能是由单片机来实现的。通过键盘的操作和不同的显示方式来确定步进电机的运行状况。本控制箱可适用于四相反应式步进电动机各种运行方式的控制。因实验中所使用的实验装置需提供四相反应式步进电动机，故控制箱提供四相步进电动机的驱动电源，实验箱后部有四相步进电动机的绕组接口。 1、面板示意图步进电动机控制箱面板实物图如图3-6所示。图3-6 步进电动机控制箱面板实物图2、技术指标 功能：能实现单步运行、连续运行和预置数运行；能实现单拍、双拍运行。电脉冲频率：3Hz0.5KHz工作条件：供电电源AC220V&

52、#177;10%，50Hz环境温度：-540相对湿度：80%重量：2kg规格：180*180*300 mm33、使用说明(1)开启电源开关，面板上的数字频率计将显示“0000”；由4组LED数码管组成的步进电机运行状态显示器。角度显示4位表示当前步进电机指针的实际位置，运行频率表示当前控制器发出的脉冲频率，转向步距表示电机的正反转和当前步距角，步数累计表示从启动开始不计电机的运行步数。(2)控制键盘功能说明单步键：手动单步运行方式，可实现步进电机的单步运行。步距键：可实现整步和半步运行方式的切换，步距角可以进行两种方式的切换。模式键：可进行频率输入和步数输入之间的转换。转向键：电机正、反转选择

53、。设定键：预置步数的数据位设置。清除键：更改已设置的数据。启动键：以当前设定的方式启动步进电机。停止键：使步进电机运行停止。数字键：输入频率，设定转动步数，可以以任意频率让步进电机转动，或让步进电机转动任意角度。+-键：可以动态提高降低运行频率或已设定的步数。(3)控制系统试运行1)单步操作运行：每按一次“单步键”，完成一拍的运行，步数累计的数码显示管的数字会加1，也可连续按执行键。2)连续运行：通过数字键输入频率、转向、单步或是半步等，然后按运行键，步进电机便以所设置的状态连续运行。运行过程中可通过加减键提高或是降低运行频率，也可按停止键重新设置运行状态。a、按“步距”键：“转向步距”显示器

54、末位数码管显示在“1.8”、“0.9”之间切换，分别表示单步运行步距角为1.8度，半步运行步距角为0.9度。b、按“转向”键：“转向步距”显示器首位数码管显示在“”与“”之间切换，“”表示正转，“”表示反转。3)步进电机转速的调节与电脉冲频率显示面板上的“运行频率”可显示当前步进电机的运行频率，通过数字键的输入可以使步进电机以任意频率运行，从而改变了步进电机的转速。4)脉冲波形观测在面板上设有序列脉冲和步进电机四相绕组驱动电源的脉冲波形观测点，分别将各观测点接到示波器的输入端，即可观测到相应的脉冲波形。经控制系统试运行无误后，即可接入步进电机的实验装置，以完成实验指导书所规定的各项实验内容。二

55、、步进电机实验装置该装置系统由步进电动机、刻度盘、指针以及弹簧测力矩机构组成。1、步进电动机技术数据型号：55BF009相数：四相每相绕组电阻：1.2每相静态电流：3A 直流励磁电压：27V 保持转矩：8Kg.cm)2、装置结构 (1)本装置已将步进电动机紧固在实验架上，步进电动机的绕组已接好,并已将引出线接在控制箱的接线端上。(2)步进电动机转轴上固定有红色指针及力矩测量盘，底面是刻度盘(刻度盘的最小分度为1°)。(3)本装置门形支架的上端，装有定滑轮和一固定支点(采用卡簧结构)，20N的弹簧秤连接在固定支点上，30N的弹簧秤通过丝线与下滑轮、测量盘、棘轮机构等连接。装置的下方设有涡轮蜗杆机构，可连续调节步进电机负载力矩。整套系统由丝绳把涡轮蜗杆机构、定滑轮、弹簧秤