郑州大学电气工程自动控制理论课程设计KSD-1型晶闸管直流随动控制系统的分析与校正

1、电气工程学院课程设计报告课程名称： 自动控制理论 设计题目： KSD-1型晶闸管直流随动 控制系统的分析与校正 专 业： 自动化 班 级： 3 学号： 20090220 学生姓名： 时 间： 2012.02.272012.03.03 以下由指导教师填写分项成绩：出勤 成品 答辩及考核 总 成 绩：总分 成绩 指导教师（签名）： 课程设计报告要求和成绩评定1 报告基本内容前言，目录，任务书，正文，参考文献。2 书写用纸A4复印纸或指定用纸。3 书写要求报告的主要部分应手工双面或单面书写（计算机绘图等指定内容可以打印），字迹清楚，每页20行左右，每行30字左右，排列整齐；页码在页脚居中；版芯上下左

2、右4侧边距均为2cm。前言和目录合写作为第一页；参考文献接正文书写，不另起页。公式单占一行并居中书写；插图须有图号和图题，图号和图题书写于插图下方；表格要有表号和表题，表号和表题在表格上方书写；物理量单位和符号、参考文献引用和书写以及图纸绘制要符合有关标准规定。有关细节可参考我院毕业设计成品规范。4 装订装订顺序：封面（封二），前言和目录，任务书，正文及参考文献，图纸，封底。左边为装订边，三钉装订，中间钉反向装订。5 成绩评定课程设计成绩由出勤（10分）、报告书写规范性及成品注质量（30分）、答辩及考核（60分）三部分成绩合成后折合为优秀（90-100分）、良好（80-89分）、中（70-79

3、分）、及格（60-69分）或不及格（60分以下）。注：成品含义由课程设计任务书规定，除课程设计报告外，还可以包括图纸、计算机程序、制作品、实验或测试方案等。前 言KSD-1型晶闸管直流随动系统是按输入角度与反馈角度之间的偏差原理进行的。它采用自整角机作为反馈元件，线性运算放大器作为放大元件，晶闸管作为功率放大元件和直流伺服电动机作为执行元件，属小功率随动系统，为了提高系统的稳定性和动态品质，在系统中加入PID串联或并联校正装置。 该装置性能指标为: (1)静态位置误差e00.5o (2)振荡次数N2 (3)超调量Mp30% (4) 过度过程时间tp0.7s (5) 系统速度误差esr1o(最大

4、速度为50o/s) 目 录 一、KSD-1随动系统工作原理 二、KSD-1性能指标（校正后） 三、随动系统方块图 四、系统中有关环节的传递函数 五、系统的闭环方框图 六、对系统进行校正的过程 七、参考文献 一、KSD-1工作原理KSD-1型晶闸管直流随动系统是按输入角度与反馈角度之间的偏差原理进行的。它采用自整角机作为反馈元件，线性运算放大器作为放大元件，晶闸管作为功率放大元件和直流伺服电动机作为执行元件，属小功率随动系统，为了提高系统的稳定性和动态品质指标，采用了直流测速发点机反馈作为并联校正。用电压放大器作为有源串联校正器。本系统是采用电枢控制直流伺服电动机的随动系统，系统图采用变压式自整

5、角机对，用来测量两个机械轴的转角差，当系统静止时，两个自整角机转子相对于三相绕组的夹角之差为零。两个自整角机处于平衡状态，没有电压输出。假设系统有一输入角，这时，自整角机输出误差电压Uc，通过输出变压器加到相敏整流器上，相敏整流器输出通过低通滤波器，取出近似正比于误差角的直流有效讯号，加到线性组件Ko的反相输入端，经过电压放大后，加到同相器TX和反相器PX的同相和反相输入端作为SCR控制脚的控制信号，经触发陷入CP1或CP2产生触发脉冲，去触发可控硅，由可控硅功率放大器输出控制伺服电动机转动，经减速器i同时带动自整角机Sc的转子转动，直至Sc跟上Sr的转角后，系统重新处于平衡，为了使系统正常工

6、作，必须加入串联校正装置或者并联校正装置。二、KSD-1型随动系统性能指标（校正后）该装置性能指标为: (1)输入轴最大变化速度50度/秒，最大加速度50度/秒2(2)静态位置误差e00.5o (3)振荡次数N2 (4)超调量Mp30% (5) 过度过程时间tp0.7s (6) 系统速度误差esr1o(最大速度为50o/s)(7)执行电动机参数执行电机类型型号功率电流电压转速激磁电压直流执行电动机S569160瓦2.2安110伏3300转/分110伏三、随动系统方块图四、系统中有关环节的传递函数1自整角机自整角机发送机的转子与输入轴相接。接收机的转子和系统输出轴相连，自整角机对必须事先校正零位

7、。变压器式自整角机对，用于测量两个机械轴的转角差。假设：系统的输入角；输出角，为系统的误差角：在发送机的激磁绕组上加交流电压则在接收机的变压器绕组上输出的感应电势为：接收机的感应电势：通常随动系统工作期间，失调角是比较小的，输出电压曲线可看成直线自整角机对的传递函数可以看成事一个线性放大环节，即在处的斜率:因此，可由实验测得其输出特性，和分别为和。实验测得的输出特性如下：取其增量的平均值，则有:2相敏整流元件与低通滤波器系统相敏整流元件选用的是二极管全桥式相敏整流器，相敏整流特点是输出直流电压的极性反映输入交流信号的相位，输入的控制信号为自整角变压器输出电压，交流同步电压为参考电压。实验测得的

8、相敏整流电路的输入-输出特性如下：相敏整流的传递函数为：低通滤波器的作用是减少相敏整流器输出电压的脉动成分，消除不必要的高频成分。低通滤波器的传递函数为： 3电压放大环节Kv(S)相敏整流器输出电压经滤波后的直流信号加到油线性组件组成的电压放大器的反相端，其输出可作为可控硅控制角的控制信号.电压放大器的传递函数可由计算得出:4可控硅功率放大器的传递函数可控硅功率放大器是一个延迟环节，其最大延迟时间取决于可控硅整流相数和电源频率，即： m整流相数 f 供电电源频率可控硅放大器的传递函数为:可控硅功率放大器是一个小时间常数的惯性环节，其传递函数为：5直流伺服电动机直流伺服电动机的传递函数为:因为，

9、所以传函简化为:通过实际计算： 6减速器减速器的传递函数为: 其中， i 为减速比，i=216五、系统的闭环方框图校正后的原理图：六、对系统的校正过程用Matlab最上述系统进行分析和校正s=tf('s'); %定义Laplace算子sG1=(40*1.354*1*(-1)*150*3.52*1)/(0.008*s+1)*2*(0.01*s+1)*(0.375*s+1)*216*s) %输入原始系统的开环传递函数 Transfer function: -2.86e004-0.01296 s4 + 2.951 s3 + 169.8 s2 + 432 spzmap(feedback

10、(G1,1) %画出原系统闭环的零极点图由上图可知原系统有>0的极点，可见原系统是不稳定的下面我们通过校正使系统稳定并未符合性能指标G=G1*(-1) %由于原函数开环传递函数中有负比例环节，在此我%加上一个负号，以后的分析针对G而言 Transfer function: 2.86e004-0.01296 s4 + 2.951 s3 + 169.8 s2 + 432 sGc1=zpk(leadlagc(G,30,50,1000,1) %Gc1以零极点形式表示%函数leadlagc调用格式为leadlagc（G, Wc,Gam_c，key）%使用串联超前之后函数leadlagc对系统进行校

11、正【说明】Leadlagc函数为基于校正后系统剪切频率和相位裕度的串联超前滞后校正器的设计函数。在函数leadlagc中输出为所需串联的环节传递函数，key为校正器类型标示，1对应超前校正，2对应滞后校正，3对应超前滞后校正，参数Wc,Gam_c为预期的剪切频率和相位裕度，Kv为容许的静态误差的增益，Leadlagc函数的M文件源程序见附录我们采用最为常见的目标期望相角域度是50度，剪切频率为30度对系统进行校正 Zero/pole/gain: %系统输出的Gc142.0717 (s+3.919)-(s+229.7)mag,phase,w=bode(G*Gc1) %画出校正后系统波特图并且求出

12、相角域度剪%切频率和幅值域度margin(mag,phase,w)由图可知系统相角域度为49.7度，剪切频率为29.9度，系统稳定了。step(feedback(G*Gc1,1) %校正后闭环系统的阶跃响应由图可知：超调量过渡时间震荡次数系统的静态误差为0 Gf=feedback(G*Gc1,1) %此时我们求出校正后的系统的闭环传递函数GfZero/pole/gain: 92832040.7481 (s+3.919)-(s+4.082) (s2 + 408.3s + 4.311e004) (s2 + 44.96s + 2067)Gh=Gc1*G %求出开环传递函数Gh Zero/pole/g

13、ain: 92832040.7481 (s+3.919)-s (s+229.7) (s+125) (s+100) (s+2.667) 很遗憾，系统的速度误差（r=50t）不满足要求。接下来我们只好再次对系统进行校正（与上次校正程序方法相同的地方不再加注释） Gc1=zpk(leadlagc(G,30,55,1000,1) %这次我们增大了相角域度，以期系统性能更加稳定Zero/pole/gain:63.5537 (s+2.594)- (s+346.9) mag,phase,w=bode(G*Gc1);margin(mag,phase,w)由图可知系统相角域度为55度，剪切频率为30度，系统稳定。step(feedback(G*Gc1,1)超调量过渡时间震荡次数以上性能接满足要求Gf=feedback(G*Gc1,1) Zero/pole/gain: 140232490.2371 (s+2.594)-(s+338.8) (s+1