KSD-1型晶闸管直流随动控制系统的分析

1、- -.- - 可修编-. - - - 可修编-前言这次的课程设计是基于自动控制理论的，主要是练习自动控制系统的校正方法。本报告主要是采用教师课上所教的串联校正的方法：串联滞后校正，串联超前校正，串联滞后-超前校正。然后分别按照预定的系统指标进展设计，求出校正系统的传递函数，得出校正后系统的传递函数。最后通过matlab软件来加以验证校正好的系统的各项性能指标，假设满足要求则求出校正系统的网络参数，否则返回去改变校正时选择的参数，继续校正直到符合要求为止。在撰写报告的过程中可能会有许多不规的地方，希望教师能指出错误。！ 编 者2014年3月. 目录TOC o 1-1 h z uHYPERLIN

2、K l _Toc383550439自动控制理论课程设计任务书 PAGEREF _Toc383550439 h - 1 -HYPERLINK l _Toc383550440KSD-1型随动系统的工作原理和性能指标 PAGEREF _Toc383550440 h - 2 -HYPERLINK l _Toc383550441主要环节数学模型 PAGEREF _Toc383550441 h - 3 -HYPERLINK l _Toc383550442串联相位滞后校正 PAGEREF _Toc383550442 h - 10 -HYPERLINK l _Toc383550443串联相位超前校正 PAGE

3、REF _Toc383550443 h - 12 -HYPERLINK l _Toc383550444校正网络的实现 PAGEREF _Toc383550444 h - 16 -HYPERLINK l _Toc383550445心得与体会 PAGEREF _Toc383550445 h - 17 -HYPERLINK l _Toc383550446附录 PAGEREF _Toc383550446 h - 18 -. 自动控制理论课程设计任务书一、 题目：KSD1 型随动系统实验装置的分析及校正。二、目的和要求：1、利用所学的“反应控制理论“知识分析 KSD1型随动自动控制系统，并设计该系统的校

4、正装置，使之满足给定的指标要求。通过本课程设计，加深对反应控制理论的掌握、理解，并使之与实际联系相结合。2、培养对自动控制系统及其有关部件的分析研究、计算、校正、调试的能力。3、提高实验技能，了解设计步骤，培养学生分析问题和解决问题的能力。 三、设计容：1、了解 KSD1 型晶闸管直流随动系统实验装置的总体构造、主要单元的作用和工作原理。2、求取各环节的数学模型。3、设计校正环节，使整个系统到达给定的性能指标。4、每个同学必须独立完成课程设计报告，并由指导教师进展质疑考核。 四、课程设计报告容：1、整个装置的工作原理及任务指标。2、主要环节数学模型的求取。3、校正装置的设计。4、整个装置性能指

5、标的验算。5、校正网络的实现。6、收获体会和存在问题的分析。 五、工程图纸：1、校正网络电路图一。2、伯德图一。3、系统框图一。 六、设计时间：一周。. KSD-1型随动系统的工作原理和性能指标工作原理： KSD-1型随动系统实验装置是采用自整角机作为反应元件，线性运算放大器作为放大元件。可控硅作为功率放大元件，直流伺服电机作为执行元件的小功率随动系统。为了改善系统的动态品质指标，采用了直流测速发电机反应作为并联校正，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机的随动系统，系统采用变压式自整角机对，用来测量两个机械的转角差，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

6、差为零。两个自整角机处于平衡状态，自整角接收机的输出绕组没有电压输出，整个系统处于协调状态。假设系统有一输入角，这时，自整角机的转子相对于三相绕组的夹角差不为零，于是自整角接收机的输出绕组就输出误差电压，通过输出变压器加到全波桥式相敏整流器上，相敏整流器输出直流时，脉动很大，必须通过低通滤波器消除不必要的频率成分，取出近似正比于误差角的直流有效讯号，具有正、负极性加到线性组件的反向输出端，经过电压放大后，加到同相器T*和反相器P*的同相和反相输入端作为可控硅简称S、C、R，控制角的控制信号，经触发线路或产生触发脉冲，去触发可控硅，有可控硅功率放大器输出控制伺服电动机转动，经过减速器i同时带动自

7、整角接收机的转子转动，直至跟上的转角后，系统重新处于平衡，为了使系统正常工作，改善系统的动态品质，必须参加串联校正装置或并联校正装置。校正后系统性能指标：1输入轴最大变化速度50度/秒，最大角加速度50度/秒。2静态误差不大于0.5度。3震荡次数小于2次。4超调量30% 。5调节时间0.7秒。6系统速度误差1度最大速度为50度/秒。r=50t7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.- - 可修编-. 主要环节数学模型1、敏感元件自整角机本系统采用图1所示的变压器式自整角机对，用来测量两个机械轴的转角差。自

8、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。图1变压式自整角机对的原理图确定自整角机对的传递函数假设系统的输入角为，系统的输出角为，角为系统误差角，即，如图1所示。设在的激磁绕组上加交流电压1则在接收机的变压器绕组上输出的感应电势为2接收机的感应电势是一个调幅的载波信号，载波频率与发送机激磁电源频率一样，在工频情况下f=50周/秒，自整角机的输出特性如图2所示。由图2b可见，输出电压的有效值是失调角的正弦函数图中包络虚线即3通常随动系统工作期间，失调角绝对值是比拟小的，其输出电压曲线可以看成直线，3式可近似写成4由此可见，自整角机对的传递函数可看成

9、是一个线性放大环节，即在处的斜率5图2 自整角机对的输出特性因此，可用实验测得其输出特性如下，和分别为N404和CC405。误差角度12 9 6 3 0 3 6 9 12 输出电压(伏) 9 6.6 4.3 2.3 0.4 1.9 4.1 6.4 8.8 3 3 3 3 3 3 3 32.4 2.3 2.3 1.9 1.52.22.32.4取其增量的平均值，则有：伏/度换算成弧度伏/度= 40伏/弧度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波桥式相敏整流器，相敏整流的特点是输出直流电压的极性能反映输入交流信号的相位，输入控制信号为自整角机变压器输出电压，交流同步电压U为参考

10、电压。实验测得相敏整流电路的输入输出特性，相敏整流器的传递函数可以测量结果得出取线性围图3 相敏整流器与滤波器测量示意图0 0.6 1 1.6 2 0.60.40.60.40 0.476 1.1 2.1 2.6 0.4760.62410.5相敏整流器的传递函数为低通滤波器的作用是减小相敏整流器的输出电压的脉动成分，消除不必要的高频成分，其电路如图4所示。由、组成。图4 低通滤波器6将滤波器环节的放大倍数归到后级电压放大环节，所以滤波器的传递环数为滤波电路是一个小时间常数的惯性环节。3、电压放大环节相敏整流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Us作为可控硅控制

11、角的控制信号，原理电路如图5所示。图5 电压放大器为反应电阻，输入端二极管、，分别限制加到放大器输入端基极上的最大负向和正向电压，由、和组成了输出端的限幅电路。电压放大器的传递函数可由计算求出4、直流伺服电动机图6是直流伺服电动机的电路图，是加在电枢两端的控制电压，是电枢电流，、分别是电枢电感和电阻。图6 直流伺服电动机电枢电流所产生的转矩千克米电机角速度弧度每秒Js电枢转动惯量千克米秒减速比负载转动惯量千克米秒负载转矩91011其中转矩常数千克米/安反电势常数由于系统负载转矩很小，所以只考虑惯性负载，利用9、10、11三个方程的拉普拉斯变换，可求得电枢控制直流伺服电动机的传递函数为：12通常

12、又因为本系统是电流断续的情况，因此直流伺服电动机传递函数可简化为(13)直流伺服电动机的传递函数可根据实验测定，或由名牌数据直接计算。下面我们来确定13式中各个系数。由9式可知，电机处于稳态运行时有：(14)根据电机的实验测定各个参数，我们采用过渡过程曲线，如图7所示，由示波器上测量得出，所有直流伺服电动机的传递函为图7 电机过度过程曲线5、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，其最大延迟时间决定于可控整流相数和电源频率，即16m整流相数f供电电源频率在本系统中，m=1f=50周/秒，所以可控硅功率放大器的传递函数可表示为式中由触发电路输入信号电压到可控硅输出电压的传递系数

13、。实际可以认为可控硅功率放大器是一个小时间常数的惯性环节。的数值可用实验测取。实测触发器输入信号电压与可控硅输出电压之间的输入输出特性如下图。图8因为我们所关心的知识失调角很小时系统的性能，所以我们去协调位置附近的曲线斜率，作为可控硅功率放大倍数，这样取6、减速器减速器的作用是将直流伺服电动机的角速度按照一定的减速比转化成低速的转速。图9 则该系统的传递函数为：在这个系统中减速器的减速比i=216。未校正系统的框图如下：图10则未校正系统的传递函数为：要求校正后的系统速度误差1度最大速度为50度/秒。r=50t有，即取系统的开环增益为50在系统串联一个比例环节使得：解得：K=-0.755在ma

14、tlab命令窗口输入： s=tf(s);G=50/(s*(0.008*s+1)*(0.01*s+1)*(0.375*s+1); bode(G),grid画出未校正系统的bode图，如下：图11在图中可以看出，系统的剪切频率，相角裕度，增益裕度。很明显系统的相角裕度缺乏，需要加校正装置。串联相位滞后校正设计：取校正后的期望相角裕度，相角滞后补偿量原系统在新剪切频率处应具有的相角裕度：因此 在未校正的系统bode图查的，当时，此时对应的幅值为29.9dB。为使校正后系统在处穿过0dB线，则要求滞后环节在出衰减29.9dB选择滞后网络第二个转折频率为：则有： 校正网络的传递函数为：校正后系统的传递函

15、数为：校验：在maltlab命令窗口中输入： s=tf(s);G=50*(3.546*s+1)/(s*(110.85*s+1)*(0.008*s+1)*(0.01*s+1)*(0.375*s+1); bode(G),grid画出校正后系统的bode图，如下：由图可以看出，校正后系统的剪切频率为，相角裕度为。系统稳定且具有一定的裕度，故系统的稳态指标符合要求。图12再看校正后系统的阶跃响应曲线在matlab命令窗口中输入： Gs=G/(1+G); figure(2),step(Gs,10),grid画出系统的阶跃响应曲线，如下：图13由图可以求出，系统的超调量为： 符合指标而系统的调节时间已远远

16、大于要求的0.7s,从原系统的bode图看出，假设靠减小系统的相角裕度来加快阶跃响应，其效果不明显，故该方法不符。串联相位超前校正设计：取校正后的期望相角裕度，则校正网络在新剪切频率处的超前相角为：因此 在校正后系统的剪切频率处校正网络的增益为找出为未校正系统在衰减为-10dB处对应的频率即为，由未校正系统的bode图求得于是校正网络的两个交接频率分别为则有校正网络的时间常数分别为故校正网络的传递函数为校正后系统的传递函数为校验：在matlab命令窗口输入： s=tf(s);G=50*(0.157*s+1)/(s*(0.0157*s+1)*(0.008*s+1)*(0.01*s+1)*(0.3

17、75*s+1); bode(G),grid画出校正后系统的bode图，如下：由图可以看出，校正后系统剪切频率，相角裕度。系统稳定且具有一定的稳定裕度，系统在稳态指标方面符合要求。图14再看系统的动态指标在matlab命令窗口输入： Gs=G/(1+G); figure(2),step(Gs),grid画出校正后系统的单位阶跃响应曲线，如下：图15由图可知，系统的超调量为：故系统的动态指标不符合要求。再设计：返回重新取相角裕度，则有校正网络在系统新剪切频率的超前相角为：则 在校正后系统的剪切频率处校正网络的增益为：找出为未校正系统在衰减为-11.43dB处对应的频率即为，由未校正系统的bode图

18、求得于是校正网络的两个交接频率分别为则有校正网络的时间常数分别为故校正网络的传递函数为校正后系统的传递函数为校验：在matlab命令窗口中输入： s=tf(s);G=50*(0.17*s+1)/(s*(0.0123*s+1)*(0.008*s+1)*(0.01*s+1)*(0.375*s+1); bode(G),grid画出校正后系统的bode图，如下：由图可以看出，校正后系统的剪切频率，相角裕度为。系统的具有稳定性且有较大的裕度，设计时已考虑系统速度误差，所以速度误差也符合要切，此外系统为型系统，所以静态误差为0。图16再看系统的阶跃响应曲线在matlab命令窗口中输入： Gs=G/(1+G); figure(2),step(Gs,1.5),grid画出校正后系统的阶跃响应曲线，如下：图17由图可以求得：超调量： 调节时间：系统的震荡次数为1次，符合指标小于2次。校正网络的实现在前面已经求出校正网络的传递函数：有因为在满足实现该传递函数的电路图如下：则有解上面三个方程得：又因为在满足系统速度误差的时候系统串联了一个比例环节：K=-0.775其实现电路如下列图：则有取 解得综上可知，系统的总校正网络传递函数为：其实现的电路图在附录中给出. 心得与体会时光飞逝，我们很快的学完了重要的专业根底课程自动控制理论。虽然说上学期上课的时候没有做到认认真真的听课，但是经过考试复习周之后我