自动控制原理课程设计

自动控制原理课程设计任务书

课程设计题目:直流电机转速控制系统的动态校正应完成的项目:⑴未校正系统参数的测定①

了解ACCC-Ⅳ型自动控制理论及计算机控制技术实验平台提供的力矩电机转速控制模型的工作原理;②通过实验测定力矩电机转速控制模型的传递系数Kn、电磁时间常数Ta、机电时间常数Tm；③建立未校正直流电机转速控制系统的数学模型。自动控制原理课程设计任务书⑵系统设计：由建立未校正直流电机转速控制系统的数学模型，对该系统进行动态校正装置设计①设计指标：静态指标：转速实现无静差调节；静差速度误差系数351/s。动态指标：相角裕度45°，幅值裕度6dB；系统开环频率特性的截止频率：相角超前校正方案时10rad/s；相角滞后校正方案时1rad/s系统单位阶跃响应最大超调量30%；过渡过程时间：1.5秒。自动控制原理课程设计任务书②理论设计：根据设计指标，用频率法进行相角超前校正和相角滞后校正两种设计，并进行MATLAB的SIMULINK结构图仿真，验证两种设计方案。③实验系统设计线路实现：根据理论设计的相角超前校正网络和相角滞后校正网络参数，由提供的ACCC-Ⅳ型自动控制理论及计算机控制技术实验平台图纸选择RC元件和运算放大器，构造实现两种校正网络，并画出整个系统联结线路。自动控制原理课程设计任务书④每组带实验参数整理计算结果、两种设计方案、接线图按规定时间到B6-506室进行校核。⑶设计完成后应缴交设计说明书一份，包括上述设计基本内容、计算过程、实验数据、实验曲线及分析、未校正系统的数学模型、频率法相角超前校正设计和相角滞后校正网络设计两种设计方案及两种设计方案的SIMULINK结构图仿真曲线、结论及心得体会。⑷设计完成期限：本设计任务书于2012年12月21日发出，2013年1月18日上交设计说明书。直流电机转速控制系统的组成给定Ug由ACCT-IV自动控制理论及计算机控制技术的实验面板上的电源单元U1提供，电压变化范围为1.3V～15V。经PID运算后的控制量作为驱动单元输入信号，经过功率放大后驱动电机运转。转速测量电路单元将转速转换成电压信号，作为反馈信号，构成闭环系统。

直流电机转速控制系统的组成转速测量电路单元:它由转盘、光电转换和频率/电压（F/V）转换电路组成。由于转速测量的转盘为60齿，电机旋转一周，光电变换后输出60个脉冲信号，对于转速为n的电机来说，输出的脉冲频率为f=60n/min，我们用这个信号接入以秒作为计数单位的频率计时，频率计的读数即为电机的转速;即n=f转速测量输出的电压即为频率/电压转换电路的输出，这里的F/V转换率为150Hz/V。直流电机转速控制系统的组成直流电机转速控制系统的组成实验的接线图如图1.2所示，除了实际的模拟对象、电压表和转速计表外，其中的模拟电路由ACCT-IV自动控制理论及计算机控制技术实验板上的运放单元U9、U15和U11和备用元器件搭建而成。

R0=R1=R2=100K，R3=100K，R4=2M，R5=10K，C1=1F，Rf/Ri=1。给定输出接调节器的输入，调节器输出给电机驱动电路提供输入信号，即将调节器输出接到直流电动机调速功率转换电路的正极输入端（IN＋），负极端（IN－）接地；功率转换的输出接到直流电机的电枢两端.给定输出接调节器的输入，调节器输出给电机驱动电路提供输入信号，即将调节器输出接到直流电动机调速功率转换电路的正极输入端（IN＋），负极端（IN－）接地；功率转换的输出接到直流电机电枢两端.由于转速测量输出的电压为正值，转速测量的输出接到20V电压表头的输入端的同时,还须通过反馈回路反馈系数=Rf/Ri=1的反相器才接到电压反馈输入端Uf,以保证负反馈.直流电机转速控制系统的组成直流电机转速控制系统

的组成及运行按图1.2接线,组成带相角滞后校正装置的有静差调速系统.观测系统对单位阶跃给定输入的响应;观测系统输出转速在负载增加时的变化直流电机转速控制系统的组成及运行直流电机转速控制系统的组成及运行力矩电机转速控制模型宽调速力矩电机（简称力矩电机，又称大惯量电机），与小惯量无槽电枢直流伺服电动机相反，它具有较大的电枢直径和较多的齿槽数以及如下特点：由于直径较大，故电磁转矩较大，同时电枢转动惯量较大，热容量较大，故过载时间可较长；由于Jd较大，故负载惯量变化对系统动态性能影响小;由于电枢齿槽数较多，故低速运行平稳，力矩波动小。又因力矩电机一般做成扁平状，电枢直径较大，空载转速很低，电磁较大，过载能力又强，故可直接带动负载，而无需减速器；机械特性硬度大，线性好力矩电机转速控制模型:工作原理和静态特性Ra为电枢电阻,n为电机转速,Mf为电机轴上阻力矩,Ke为电机常数。则

设激磁磁通，电枢端电压为Ua,电枢电流为Ia,电机电磁转矩Ma,电机转速为n,反电势为E,电机反电势常数为Ke,转矩常数为Km,则稳态有：力矩电机转速控制模型:工作原理和静态特性通过改变外加电压Ua来控制直流伺服电动机的转速。称电枢控制，具有机械特性和调节特性线性度好，且特性曲线是一组平行线；当控制电压为零时（此时只有激磁电流），输入损耗小；控制回路电感小，响应迅速等优点。

力矩电机转速控制模型的动态特性力矩电机转速控制模型传递函数

力矩电机转速控制模型传递函数

直流伺服电动机的参数可通过实验方法测定。下图为飞升曲线法测线路。

一般直流伺服电动机，故近似估计可认为：测量力矩电机转速控制模型机电时间常数、传递系数测量力矩电机转速控制模型电磁时间常数如果在电枢回路串联一个已知阻值的低值电阻R‘，从上取出反映转速为零时电枢回流变化的信号送到示波器，则从记录到的飞升曲线可求出电磁时间常数；然后将串联的低值电阻改为R“，测出电磁时间常数，则从两次测量结果可求出要求的电磁时间常数。建议阻值:R‘=1欧姆，R’’=10欧姆。则测量力矩电机转速控制模型电磁时间常数测量力矩电机转速控制模型电磁时间常数力矩电机转速控制模型传递函数控制系统校正的基本概念系统分析：对已知结构参数的系统进行建模,然后对系统进行动静态性能指标的计算,研究其与参数关系。系统设计：根据实际运行需要,从工程实际出发,提出期望性能指标,然后根据控制对象,合理选择方案及结构,计算参数和选择元部件,建立起能满足设计指标的系统。固有系统:通常,系统设计中,根据己知被控对象的特点、技术要求以及经济性、可靠性、维修方便性等要求选定系统其它部件,从而组成最基本的控制系统,称为固有系统。控制系统校正的基本概念固有系统中除放大器的放大系数可调外,其余参数在设计过程中往往是不变的,故又称为不可变部分。校正装置:固有系统性能较差,难以满足对性能指标的要求,必须在系统原有结构基础上引入新的附加环节(校正装置)以作为同时改善系统稳态性能和动态性能的手段。这种用添加新环节去改善系统性能的过程称为对控制系统的校正。控制系统校正的基本概念校正方式:1.串联校正2.并联校正(反馈校正);3.复合控制校正控制系统校正的基本概念1.稳态性能指标：常用稳态误差系数给出；2.动态性能指标：⑴时域指标：⑵开环频域指标闭环频域指标：⑶复域指标：常以系统主导极点所允许的最小阻尼系数和最小无阻尼振荡角频率表示。3.设计方法：(1).频率法:利用校正装置改变原系统频率特性形状,使其具有合适的低频段、中频段和高频段从而获得满意的静、动态性能。(2).根轨迹法：假定校正后闭环具有一对主导共轭复数极点,若原系统性能指标达不到要求,则引入适当校正装置,利用其零极点去改变原根轨迹,使通过期望主导极点。考虑到校正后系统的闭环零点和非主导极点对性能的影响,故选择期望主导极点时应留有余地。(3).计算机辅助设计控制系统校正的基本概念：超前校正装置(微分校正装置)控制系统校正的基本概念：超前校正装置(微分校正装置)控制系统校正的基本概念：超前校正装置(微分校正装置)直流电机转速控制系统的动态校正

由设计指标：静态指标：转速实现无静差调节；静差速度误差系数可知，校正后系统无差度应为一阶，即前向通道应含一个积分环节，系统开环放大系数K=35

直流电机转速控制系统的动态校正:Kc的求取直流电机转速控制系统的动态校正:

频域性能指标与时域性能指标的关系直流电机转速控制系统的动态校正

超前校正动态设计指标动态指标：系统开环频率特性截止频率相角裕度，幅值裕度；系统单位阶跃响应最大超调量；过渡过程时间

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系统的动态校正:相角超前校正空白BODE图串联超前校正装置的设计

串联超前校正装置的设计串联超前校正装置的设计系统的动态校正:相角超前校正直流电机转速控制系统的相角超前校正:simulink仿真校验直流电机转速控制系统的动态校正:相角超前校正的实现方案一直流电机转速控制系统的动态校正:相角超前校正的实现方案二电机转速控制系统的相角超前校正:校正后系统单位阶跃响应曲线直流电机转速控制系统的动态校正:相角超前校正的实现方案三直流电机转速控制系统的动态校正:相角超前校正的实现方案三直流电机转速控制系统的动态校正:相角超前校正的实现方案三直流电机转速控制系统的动态校正滞后校正动态设计指标动态指标：系统开环频率特性截止频率相角裕度，幅值裕度；系统单位阶跃响应最大超调量；过渡过程时间

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串联滞后校正装置的设计步骤(1)(1)由稳态误差要求,确定开环放大系数K.绘原系统Bode图,求未校正系统截止频率相角裕度和幅值裕度;(2)确定校正后系统截止频率:由指标,按下式求为补偿滞后网络副作用的新相角裕度在未校正系统相频特性上找对应的频率,作为校正后系统截止频率.(3)求:在未校正系统频率特性上求处的由下式求