直流自动调速系统实验

实验七直流自动调速系统实验一、实验目的：1、了解直流自动调速系统的组成与各个环节的传递函数;2、 掌握直流自动调速系统静态特性测试方法，求出系统开环放大倍数Kv(rad/s)，分析、与稳态误差孔之间的关系：3、 掌握直流自动调速系统开环加校正时频率特性的测试方法，绘出系统Bode图的相角裕度7、幅值裕度Kv(rad/s)和开环传递函数G(S)。二、实验原理：1、直流自动调速系统方块图如图1所示:图中：直流自动调速系统传递函数、各点参数如下:K—K—前置放大器增益K一功率放大器增益2KC一直流测速发电机传递系数a—分压器分压系数PD—G=-TS/(TS+1)C1Ur—给定电压(控制量)n一电动机转速(被控制量)AUe—偏差量uk—前置放大器输出电压U—校正电压GPI—PI—GC2=-K4(1+tS)/BTSPID—GC(S)=GC1(S)+GC2(S)KYS"+1一直流电动机传递函数R一电枢回路等效电阻U—直流电动机电枢电压DM球—干扰信号（负载转矩）U一反馈电压CU一反馈电压fCm—电动机的转矩常数直流电动调速控制系统抗干扰的物理过程:直流电动机的机械特性n=°D'%C①闭环控制系统，抗干扰的顺序过程是：在干扰信号Mfz的作用下（MZ的数值下降），使系统直流电动机的转速n上升、测速发电机电压UC上升、负反馈电压Uf上升、在给定电压UR不变的情况下偏差电压AUe（UR-Uf=AUe）下降。由直流电动机机械特性的公式知道，在其它参数不变的条件下，加在电枢两端的电压UD下降，使直流电动机的转速下降，闭环控制系统靠这样的顺序过程实现自动调速的。同理得出结论，闭环系统能够有效地抑制一切被包围在反馈环内的扰动作用。三、实验仪器1、 直流电动机机组（直流电动机、直流测速发电机、直流发电机）2、 直流调速系统操作台3、 YB4242超低频示波器4、 TD4010或TD4020频率特性测试仪5、 绘图仪和打印机四、实验内容

1、直流调速系统静态特性:系统工作方式如图2所示：直流电动机组是由直流电动机、直流发电机、直流测速机同轴连接而组成，发电机作为电动机的负载，在发电机枢绕组两端接入一个可变负载电阻，（发电机电枢电流与负载电阻值成反比），由直流电动机的可逆性知道，当电动机的转速一定时，发电机电枢两端就产生一个电压。改变发电机电枢回路中的负载电阻，回路中的负载电流也相应改变，因为发电机的负载转矩与负载电流成正比（M广Cm%）,所以改变负载电阻相当于改变发电机的负载转矩，因发电机与电动机是同轴连接，对电动机来讲，改变负载电阻值的大小，就是改变电动机电磁转矩M的大小。测试方法：系统处于开环和闭环（SI开关打开或闭合）工作状态，在负载空载时（负载电阻在1档位置），调节给定电压"r使电动机转速达到理想空载转速n，逐次改变负载电阻值，逐点记录电动机转速n与电磁转矩M数值的变化。它们之间的函数关系为M(M(gcm)n(rpm)开环K=3、闭环K=3闭环K=6根据记录数据绘出静态特性曲线，如图3所示：从两条静态特性曲线可以看出，开环特性曲线比较软，而闭环特性曲线比较硬，也就是在同一个负载时闭环系统有抗干扰信号的能力。在静态特性曲线中选负载Med，负载Med和开环静态特性曲线、闭环静态特性曲线分别有一个交点(A、B)，这两个交点和理想空载转速n均有一个差值，开环的差值被称为开环系统静态速降用An^,表示。在调速系统中：竺=二工K(rads)被称为系统的开环放大倍数An 1+K V要求：求出系统的Kv(rad/s)和系统的稳态误差es。讨论题：这个定值调节系统工作在开环时，突然加一个闭环负反馈，系统转速将发生什么变化；开环放大倍数K值对系统稳定的影响，系统跟踪单位阶跃信号时引起的稳V态误差。2.直流自动调速系统动态特性的时域测试：直流调速系统的工作方式如图4所示：KPID牛J >t 测试方法：直流调速系统处于闭环工作状态，调节给定电压Ur使电动机转速n达到700(rpm)左右，在给定电压Ur上叠加一个电压在0.6V左右，波形频率0.2Hz左右的方波信号，方波信号的上升沿和下降沿是对系统突加的单位阶跃信号，在单位阶跃信号作用下二阶系统的阶跃响应如图5所示：Umax的测量是Uc轨迹最大值在示波器Y轴上投影的坐标格数。Us的测量是Uc轨迹最大值在示波器上的时标。伊(峰值时间)Us的测量是Uc轨迹的稳态值正负百分之5的误差带这一点在，轴上的投影的坐标格数乘以波器上的时标。改变系统的校正网络和校正参数(KF/D)，即可改变二阶系统的阻尼系数&，可以使&>1，&=0和0<&<1。该直流自动调系统的超调量©P在。p=25%，记录时域性能指标表格如下:校正形式bp超调量/值时间(秒)七过渡程时间(秒)N振荡次PID25%PD25%根据测量的时域性能指标，求出频率域性能指标。二阶控制系统的时域性能指标与频域性以指标公式如下：兀&bp=e,1[ 一超调量兀① • —无阻尼自振率(rad/s)TOC\o"1-5"\h\z〃 "I2①.=w〃J『+4&2—2&2 —开环剪切频率（rad/s）①b=必\J4&4—4&2+2—2&2+1 一闭环截止频率(rad/s)根据二阶系统闭环传递函数标准形式：C(S) ①2①(S)=()= nR(S)S2+2&①S+①2求出：二阶控制系统的闭环传递函数①(S)=?及①=?、气=?讨论题：直流自动调速系统响应速度的快慢与哪些因素有关。测量直流调速系统开环加较正频率特性的测试：测试控制系统的开环频率特性要比测试时间域响应曲线更为复杂，但频率特性法不必计算其分析式，利用Bode图就能更有效地来反映被测控制系统的动态特性。这种方法对于无法取得描述动态特性分析式的某些复杂系统就更为重要。直流调速系统开环加校正时频率特性的测试原理及连接方法如图6所示:TD4oiom*«数字式频率特性测试仪采用目前国内比较先进和TD4010和TD4020这两种型号的仪器。这两种超低频率仪是采用相关分析法测试系统的动态特性的仪器，该仪器采用微处理器技术、数字式相关分析技术、频率合成技术，轻触式智能化面板。数字式频率特性测试仪由数字振荡器，数字乘法器，数字积分器以及数模转换器等组成。数字式频率特性测试仪主要由三部分组成：信号发生器：信号发生器产生一个高稳定性正弦波形，它能产生一个精确的激励信号，激励被测系统。一个（二个）频率分析器：它们用于测量被测系统的相对激励的响应，分析系统响应的结果，并实现计算和显示。O日壬甄3.显示器：显示三种(对数坐标、极坐标、直角坐标)坐标之一的测量结果。测试方法：直流自动调速系统工作在开环加入PID校正状态下工作，K(前置放大器的增益)、PID参数分别是；K的参数6.50左右、P的参数9.50左右、I的参数6.50左右、D的参数6.50左右、给定电压U调节在5：05左右(直流自动调速系统设置的初始状态，保证在测试过程中直流调速系统始终沿着一个方向转动)。在测试直流自动调速系统频率特性时，在被测直流自动调速系统其输入端施加不衰减的正弦信号u(t)=Asin®t)，直流自动调速系统处于稳态输出过程，其输出信号也为正弦信号，角频率①与输入相同，即y(t)=Rsin(①t-0)。在实际测试时注意以下两点：必需适当选择输入正弦信号的幅值。在保证输出正弦信号y(t)=Rsin(①t-0)不失真的情况下使输入正弦的信号幅值尽量的大，从而保证直流调速系统的测量精度。试验前应先确定频带范围。即«回至®max的取值，根据经验可将频率F取在0.3—8.0HZ之内。通过数字式频率特性测试仪测量，在该仪器的LED显示器，分别显示出不同频率时的幅频特性、相频率特性。LE显示器方式如下：13.5(的)115.3()300(MHZ)幅频特性相频特性频率将数字频率特性测试仪连接打印机的数据表格如下:V(A)FABR9200LOGR/10mv输入信号频率实测实际实测实际0.3150.3121-05943.413.40.3151.2Fc57.5-122.530.50.50.3152.6Fg2.017812.5-7.50.3158.0325-2250.1-19.9标题栏说明：第一列V（A）表示输入信号的幅值；第二列F表示从F1变化到F〃的各点频率值；第三、四列A>B表示在直角坐标中的实部和虚部；第五、六列R、^表示在极坐标中的矢量和相角；第六列 0表示在对数坐标中的相频率特性，在该列中的每一个值应减去180，例如：频率在0.3赫兹时，实测0=121度送减去180度，实际0=—59度；第七列20LDGR/10MV表示中打频特性。在该列中的每一个值应减去30，例如：频率在0.3赫芝时，实测db=43.4分贝，实际db=13.4根据表格中的数据绘出系统Bode图如下:

根据实际数据绘制Bode图的方法如下：首先在Bode图中的幅频特性起始点左下脚，绘出两条斜率为—20bB/dec和一40dB/dec渐近线。在根据测试数据绘制出系统图中找出系统的转折频率①t(①t=1/T)、在①]=1处(20L0GKy—xdB)系统的开放大倍数「、剪切频率3c、相角裕度Y和幅值裕度Kg。求出：系统的K=?