【精品】清华大学控制工程实验指导书

1、资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除控制工程基础实验指示书郭美凤赵长德清华大学精密仪器与机械学系2004-550 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除实验一 Matlab 仿真实验一、基本实验对于一阶惯性系统KG(s) Ts1当分别取以下几组参数时，试画出系统单位阶跃响应曲线、频率特性乃氏图和伯德图。1)。K=1,T=10；2)。K=1，T=1;3).K=1,T=0.1对于二阶系统1G(s) T s 2Ts122分别就 T=1 和 分别取 0,0。2,0.5,0.7，1，10时，画出系统单位阶跃响应曲线、频率特性乃氏图和伯德图。自构造高阶系统，试利用

2、 Matlab 软件工具分析其时域、频域特性.对于下列系统，试画出其伯德图，求出相角裕量和增益裕量,并判其稳定性1 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除G(s)H(s) s(0.03ss（1)250(0.5s（2)G(s)H(s) ssss二、结合“运动控制系统”实验，熟悉 MATLAB 的控制系统图形输入与仿真工具SIMULINK。并把仿真结果与“运动控制系统”实验结果进行比较1实验目的1）熟悉直流伺服电机控制系统各环节的传递函数模型；2）根据给定的性能指标，设计速度环与位置环的控制器参数。2实验内容及要求2.1速度环仿真实验2 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之

3、处，请联系改正或者删除1MUnrM+T +anET 2图 11 双环调速系统方框图速度环的传递函数方框图见图 1.测速发电机系数K 24V /1000rpm=0.024V/=0.229V/(rad/s),rpmfE 30V 1.74.5A而电动机反电势系数0.213V/s,所以C e1000rpmnCa 11.71=550M / 2rad A s14.510 3 0.213JTCMe0。5A/VKVA2 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除R测速机滤波时间常数19.5K0.22F4.29 （也可以重新T 3 C 2 23设计) rad/s为电机转速,最大转速为 1000

4、rpm,反馈系数 ,G (s)为n速度环的校正网络。当G (s)为比例积分（PI）调节器时，其传递函数为1 snG (s) （1）T sn当G (s)为比例(P）调节器时，其传递函数为G (s) K（2）n1给定速度环的性能指标如下：3 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除1）单位阶跃响应的超调量小于 30；2）单位阶跃响应的调整时间小于 0。06s；3）闭环带宽不小于 10Hz。当速度环分别采用 P 与 PI调节器时，设计满足给定指标的调节器参数.提示:有关参数的参考取值为: 60.004s。，K,Ts，nnn2根据设计的调节器参数，给出速度环采用 P 与 PI 调节

5、器时的波特图，比较二者的稳定裕量和剪切频率。3给出速度环分别采用 P 与 PI 调节器时的闭环频率特性及频域指标（闭环带宽，谐振峰值，谐振频率。4比较速度环采用 P 与 PI 调节器时的阶跃响应及瞬态响应指标（超调量与调2.2位置环仿真实验位置环的传递函数方框图见图 1-2。V2xpiGpcnV0.076(V/mm)pf图 12 位置环简化函数方框图图 12 中VxV (s)G (s)Gn(s)当G11 spT sG (s) K）pcpp(s)当GG (s) K(4)p1。给定位置环的性能指标如下:3 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除1) 单位阶跃响应的超调量小于

6、30%；2) 单位阶跃响应的调整时间小于 0。2s；3) 闭环带宽不小于 4Hz.当位置环分别采用 P 与 PI调节器时，设计满足给定指标的调节器参数。提示：1。速度环可任选 P或 PI调节器（建议选 PI2位置环调节器参数参考取值:100K , 0.0047 s，T 0.02 s.ppp2. 根据设计的调节器参数,给出位置环采用 P 与 PI 调节器时的波特图，比较二者的稳定裕量和剪切频率.3. 给出位置环分别采用P与PI谐振峰值,4. 比较位置环采用 P 与 PI关于伺服电机控制系统的详细资料参见附录 1。4 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除实验二直流电动机调速

7、系统一、实验目的1. 熟悉直流伺服电机控制系统各环节的传递函数模型;2. 制系统的设计与校正方法.二、实验原理请仔细阅读见教材P248261 或附录1.接线图参考图21，其中S 是实验中需要用万用表和示波器测试的点;R4F给SSMSFSC图21 速度环接线图三、实验步骤与要求：5 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除1图Mfz1CMU( )n sU-RiK+-VAU34UUKT S 1ff2图2图中，因电机最大转速 1000rpm,故传递函数方框图中应再加一个饱和环节。当G (s)为比例积分）调节器时，其传递函数为s1 R C S 1G (s) n 4 4）T sR C

8、 Sn3 4当G (s)为比例（P）调节器时，其传递函数为RG (s) K 4（2)nR31. ,馈电压为负。当正反馈时，输入电压趋于 0 时，电动机仍然高速转动。2. 掌握速度环静态传递特性的调试方法。采用PI调节器，要求输入为 8V。调节 ，使电机输出为 1000rpm，即此时测速发电机输出为 24V。3. 了解调速系统刚度与系统参数和结构的关系。采用比例调节器，且R46 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除为最小（100K）,调节输入电压，使电机转速很低，可用手使电机停转。而采用 PI调节器,同是电机转速很低,用手不能使电机停转.试从理论上分析之4掌握速度环动态特

9、性的测试方法。掌握数字示波器的使用方法。当阶跃输入为 用数字示波器测试采用 P 与 PI .观察速度调节器输出波形是否饱和？调整时间与输入电压有什么关系？1别测试速度环采用 PI 调节器和 P 调节器（最小）的静特性，即RU )4n f，电机转速可测量测速机电压计算，至少正反两个方向,输入vi电压从8V+8V 测试 10 多点，计算传递系数。这两条曲线有什么不同,为?/ J2CM统的各个参数后，可供系统分析和仿真时使用。方法是将速度环开环 ,利用82K作为输入电阻（R ,采用 P 校正，R 为 100K，先输入较小的电压，使34之刚刚克服死区，记录这时的启动输入电压U 。再继续加大输入电压U（

10、例如 2.0V),测量dV /dt k ,测速机两端电压的阶跃响应曲线，记录之，并计算其斜率的速度品质系数为系统xK (R /R )(K R /C T )(K )/V43ae Mf已知(R R ) (K R C T/) (k U U ) K 431VAaeMfx式中，R /R 100/821.22，从而可计算R 39K以及不同R 时的速度品质434系数K 了;另外，已知(K )(K R /C T )系fV统分析和仿真。ae M四、实验思考1如何判断系统的反馈极性？2给定较低的速度,这时可以用手捏住电动机轴,使其转速为 （尽管系统是一阶 PI环节时,即使用很大的劲，电动机仍然可以低速转动！为什么

11、？我们把转速对于电动机负载力矩的变化率叫做刚度。请分析采用两种调节器时的系统刚度。3不用测速发电机作为角速度测量元件，本实验还可以用什么作为速度反馈？7 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除当不用速度反馈时,以只用比例环节组成速度调节器，使该运算放大器的电压极性不同改变电动机的转向，幅值不同而改变转速?4什么叫跨导放大器？驱动电动机什么时候用定压源，什么时候用定流源?5PWM 6本实验为什么要把电动机到丝杠的连轴节断开？7你认为 TEK公司的 TDS1000 数字式记忆示波器应用的关键是什么？8当示波器探头选择 10:1 时，其等值电路是什么？传递函数为 0。1 的条件

12、是?系统存在哪些非线性环节？对系统性能有什么影响？五、实验报告要求1. 速度环静态特性曲线，并分析两种调节器下的特性有什么不同？2. 速度环动态特性曲线。比较不同调节器以及参数不同的阶跃响应曲线，并与仿真结果对比。3. 采用 P 和 PI调节器时,给出速度环的数学模型,在此基础上，理解速度环的构成。nMfz一、实验目的1. 熟悉直流伺服电机位置控制系统各环节的传递函数模型；8 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除制系统的设计与校正方法。二、实验原理见附录1三、实验步骤与要求1470kR2100k470k470kSR147k给定电位计速度环输入S39K24kS100k24

13、k光电编码器AZSBAD669(D/A)数字电位计输出AD669(D/A)1图 1 位置环部分接线图位置环部分接线图见图31，速度环部分见图21。位置环的传递函数方框图见32图，V x, ,V,G(s)为位置环的校正网络，G (s)nrpm 。2x snpf0.076(V/mm)9 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除图2(s)当GG (s) K 1(R4/R 4.7p(s)当G11 spT sG (s) K（2)pcpp1. 通晓位置反馈的原理后，按图 31 接线。 可调到 1,将连轴节脱开.2. 1V,说明电动机速度是否饱和.3. 当继续加大输入电压到2V、3V时，

14、重复上述实验。适当调整输入电压，使系统工作在线性区，再测试阶跃响应曲线并记录.4. 选择较好的位置环 PI 5. 采用较好的调节器参数，断开使能，把连轴节接好,且保证输入电压为 0 时,工作台处于零位（按复位按钮，反馈电压为0特性,从8080mm 至少测试 12 点.计算系统的传递系数（x/U ).sr6. 观察位置锁定后，在负载力矩小，系统刚度越大. P 校正时,逐渐减小速度反馈四、实验思考1CPLD 是什么器件?采用光电编码器作为位置反馈是计算机控制系统普遍采采用了此元件,但利用 CPLD和 D/A转换实现线性位置反馈，计数器复位时，该计数器值是 XXXXH?对应的 D/A值是多少？位置反

15、馈系数如何分析计算?2根据光电编码器的那 2 个信号可以判断转向? / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除运算放大器，功率放大器、电动机转速都具有饱和特性，试根据采用的位置调节器参数分析位置伺服系统的线性范围！这时如何仿真？3这个实验的连轴节什么时候可以连接上？4线性系统调整时间与输入大小无关，实际上，实用的系统都是非线性系统 ,说明这个实验，为说明为什么调整时间与输入大小有关？画出反映实际的位置环方框图和参数,再进行仿真，与实验现象对比。5如果加上积分校正，位置会产生过冲？为什么？机床进给系统是否允许过冲？6系统的静态传递系数输入 1V 单轴工作台移动的位移）如何计算？

16、取决于什?7系统位置环，速度环，电流环（力矩环）各有什么特点？其频带如何分布？8试画出利用现在的元部件加上计算机组成数字式位置控制系统的原理图？系统分辨率能够达到多高？ 对于运动控制来说,什么叫全闭环？什么叫半闭环?五、实验报告要求1. 位置环静态特性曲线。2. 采用 P 校正时，位置环输出（电压）的动态特性曲线。3. 采用 P 调节器时,给出位置环的数学模型，在此基础上，理解位置环的构成.4. 采用 PI校正时，位置环输出电压）的动态特性曲线.5. 6*本实验的体会。附 1:运动控制系统实验设备说明书。 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除控制工程基础课程运动控制系统

17、实验设备说明书赵长德董景新张冠斌编写概述运动控制系统是指通过电动或液动执行环节（大部分采用电动执行部件，功率大的则采用液压传动，在食品、医药工业中也往往采用气动元件)，控制一 运动控制系统已经成为精密仪器设备的一个重要方面,是先进制造系统中的重要组成部分，反映了一个国家的高科技水平。计、MATLAB 仿真和实验掌握电流环、速度环、位置环的基本概念，掌握调试速度环、位置环的设计和实验调试方法,从而从理论与实际的结合上掌握自动控制环基础上，利用数字反馈组成计算机控制的位置伺服系统，编写数字 PID 程序， PID 校正算法和实验调试的方法。 1 为小功率直流电动 指的是电流环和速度环,这是电力拖动

18、和机电控制领域内普遍采用的技术。+Ur+Ug1Ug4+控制逻辑光藕M+UPWUg2Ug3+ / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除图 1 直流电动机双环调速系统原理图下面介绍实验用调速系统的组成：1主要元部件 直流伺服电动机测速发电机的机组：该机组型号为 70SZD01CF24MB70 mm100W，额定转速1000，额定电压30V，额定电流4.5A,额定转矩 1 ，峰Nmrpm值转矩 8Nm ,电枢电阻 1。7，电枢电感 3。7,转动惯量 292Nms2 ，机电mHms时间常数 9。270 ,其mm斜率为 24V/1000rpm，允许带 10负载。其转动惯量为 100N

19、ms2 。考虑到转K动惯量的增加,实际的机电时间常数为 12。4ms .同轴还连接一个光电编码器，500 脉冲/每转,电源 输出 TTL 电平信号,分 ，B,Z 三种信号。其中 A,B 两组信号相差 90 度相位，A超前 BB超前 A表示反转,Z 是每转发出一个零位信号。电机机组外形图见图 2 所示。图 2 伺服电动机测速发电机光电编码器机组图单轴运动工作台外形见图 3 所示，滚动丝杠传动，螺距 2 ,整个行程mm200 ，或100 。电机通过挠性连轴节与工作台的丝杠连接，当调试速度mmmm环时应该脱开连轴节（需要用专用工具）,位置环调试好才需要连接.为防止冲过行程，在9598 mm / 资料

20、内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除图 3 单轴工作台外形图 PWM 功率放大器见网络课件 PWM 功放 霍尔电流传感器见网络课件霍尔传感器 电流环（跨导功率放大器）的分析与设计采用高精度运算放大器组成 PI 电流调节器，其输出送给脉宽调制器的输入,其电路原理图见 4 所示。运算放大器的反馈回路中的电阻R 和C 组成比例积分22校正，其传递函数为R2C2-UcI2+其中：R RM1图 4 电流调节器电路原理图R C S 1G (S) 222RC Si图中 Ui 为电流环的输入，接在速度调节器的输出。U 为霍尔M12电流传感器采样电阻R 上的电压,由于R 为 1，远小于R.另外在

21、两个R电KMM11(R /C11阻之间加一个滤波电容 C ,滤波时间常数。故电流环的传1递函数图如图 5 所示。 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除iaR C S+1 U1cK222R C S+1+PWMa121UR1000MM S+1 =R C /21111图 5 电流环传递函数图 L /R为保证电流环的稳定性和快速性,RC，a22a此时系统成为型系统，电流环的速度品质系数K 为v1RMKI 2RCSK1 2vUSRIKa式中，是校正输出电压U 到电枢电压的平均电压的平均增PWMcSUaUK益，即 PWMc 6280/rad s， ( /2) /2适当选择电流环的各

22、个参数，让 K vRC c,c11 2 1.4这时电流环的通频带为KHz。对于所使用的 PWM 放大器，从电bc流调节器输入到电枢电流输出的传递系数（跨导系数）K 为VAI1000aK =VRMVAi如果选采样电阻R 为 2000 ，则K 0。5A/V。输入电压范围为10 ,VMVA故电机电流可达到5 。为保护放大器，实际限制在 .AA在力矩状态,例如力矩平衡系统，电动扳手等。在调速系统中,启动和制动往往要求恒加速度，其速度波形则为梯形波。 实际使用的跨导放大器实验所用的 PWM 功率放大器是桂林星辰电力电子公司的 SC5HC601 型，其外形图见图 6 所示.放大器输出最大电流 5A，输出电

23、压最大 60V。放大器频带接近 1000Hz，增益为 电气接线图见 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除图 7 所示。实验所用 H桥的直流电源是通过 220V/25V，50Hz / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除的隔离变压器副边电压提供的内部经过全桥整流滤波另外220V工频电压也经V过航空插座送入,供内部电子线路的、5V电源使用.图 6 跨导功率放大器外形图（注意容量，必要时外加继电器转接放大）561812V/200mA10.3A/125VAC0.3A/110VDC1A/30VDC电流采样输出模拟地红红绿220VAC921COM36229851

24、0FUSE图 7SC5HC601 电气联线图放大器有一个 10 36 25V，50Hz),其 9、10 引脚为 220V，50HzD50Hz / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除电源输入，58 引脚为电机电枢引线。放大器还有一个25 芯 D 型插座，其1325 为控制输入(25 引脚为输入地 BB公司的隔离放大器送 25 引脚不等于其内部模拟地 17 引脚。1 脚为内部 12V电源引脚，11 为使能输入，11 引脚与 1 短路即为使能（.为消除 PWM 对感，以提高电磁兼容性能。2 速度环介绍为了实验调试方便，制作了运动控制系统的实验箱，其外形图如图8 所示，面板图如图

25、 9 所示。图 8 运动控制系统实验箱外形图图 9 运动控制系统实验箱面板图测速发电机原理及其滤波该部件同轴安装在电机上，其定子是永磁的 ,故发 K n电机的电压En，式中 是电动机测速机组的转速。为了滤除发电机转nn子的齿谐波,如同电流调节器一样，在反馈回路中加入阻容网络,组成低通滤波 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除器。速度调节器见图 10 所示，速度调节器也是一个有源 PI校正装置。 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除R4C4-i+n图 10 速度调节器电路图R C S 1 S 1G (S)n4 4RC ST SnG (s)i nR

26、C ,Tn 2R C ,R =39K3 4 3,式中3444n速度环分析与设计双环调速系统的传递函数方框图见图 11 所示，但由于电流环的频带接近 1 ，而速度环的通频带要小很多倍，故可认为电流环是一KHz个比例环节。另外，由于电流环本身是一阶无差系统，故电机的反电势可以忽略不计，这样图 11可简化为图 12。1MMnU(s)1JSrG (s)nT S+1+aEKnT S+1n图 11双环调速系统方框图 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除MCM N sRraCeTSm测速及滤波其中： Tm= RaJ/CeCM图12 双环调速系统简化方框图下面求校正前固有的开环传递函数

27、，已知：K 24V /1000rpm/(rad /s)测速发电机系数。024V/rpm=0.229V，fE 30V 1.74.5AC e1000rpm0。213,V s而电动机反电势系数/ 所以nR11.71CMJa14.510 3 0.213=550TMC/ 2rad A seK 0。5A/VVART C 19.5K0.22F 4.29ms32测速机滤波时间常数23(也可以重新设 1(4.29 CG (s) (KM K )gVA JnST S SS32CKK 0.55500.229MJ式中, VA63n系统期望频率特性为典型高阶最佳,其传递函数为K ( SG (s)anS T Sq2(192

28、K 63/T 39 n式中，KC ,R C ，可以选择R ，C ，4 4 4 4ann4 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除，画出系统希望的Bode MATLAB仿真，计算系统校正装置参数，再到实验室调试，测试速度环的静特性和动特性。在测速反 1/U 2馈衰减系数的情况下，速度环静态传递系数为U左右,对于角速度的增益为：n21000rpm/V 1.39rad /sVU24。r为了能够使电机转速达到或超过 1000rpm。可把 调到 0.5 左右,这时n211000rpm/V 1000rpm/V 2.78rad/sVU246。r当 PI调节器选择 0。1F ,R3 39K R4=400K，其仿真参考方框图如下：，图 13 速度环模型如果输入是负载力矩,请考虑采用等效的数学模型仿真。1（二）电压位置随动系统位置环原理位置环原理图见图 14 / 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除-3-UUU+速度调节器+Ui4M+34200mm直线电位计xXU /2mm螺距转动位移机构图 14 电压位置随动系统原理图但由于安装 200 毫米的直线