課程設(shè)計(jì)ksd-1型晶閘管直流隨動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與校正

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　課程名稱： 自動(dòng)控制理論 </p><p>　　設(shè)計(jì)題目： KSD-1型晶閘管直流隨動(dòng) </p><p>　　控制系統(tǒng)的分析與校正 </p><p>　　專 業(yè)：

2、自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí)： 學(xué)號(hào)： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　時(shí) 間： 2012.02.27～2012.03.03 </p><p><

3、;b>　　前 言</b></p><p>　　KSD-1型晶閘管直流隨動(dòng)系統(tǒng)是按輸入角度與反饋角度之間的偏差原理進(jìn)行的。它采用自整角機(jī)作為反饋元件，線性運(yùn)算放大器作為放大元件，晶閘管作為功率放大元件和直流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件，屬小功率隨動(dòng)系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，在系統(tǒng)中加入PID串聯(lián)或并聯(lián)校正裝置。

4、 </p><p>　　該裝置性能指標(biāo)為: </p><p>　　(1)靜態(tài)位置誤差e0≦0.5o

5、 </p><p>　　(2)振蕩次數(shù)N≦2

6、 </p><p>　　(3)超調(diào)量Mp≦30%

7、 </p><p>　　(4) 過度過程時(shí)間tp≦0.7s </p><p>　　(5) 系統(tǒng)速度誤差esr≦1o(最大速度為50o/s)

8、 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、KSD-1隨動(dòng)系統(tǒng)工作原理

9、 </p><p>　　二、KSD-1性能指標(biāo)（校正后） </p><p>　　三、隨動(dòng)系統(tǒng)方塊圖

10、 </p><p>　　四、系統(tǒng)中有關(guān)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) </p><p>　　五、系統(tǒng)的閉環(huán)方框圖 </p><p>　　六、對(duì)系統(tǒng)

11、進(jìn)行校正的過程 </p><p>　　七、參考文獻(xiàn) </p><p>　　一、KSD-1工作原理</p><p>　　KSD-1型晶閘管直流

12、隨動(dòng)系統(tǒng)是按輸入角度與反饋角度之間的偏差原理進(jìn)行的。它采用自整角機(jī)作為反饋元件，線性運(yùn)算放大器作為放大元件，晶閘管作為功率放大元件和直流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件，屬小功率隨動(dòng)系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)，采用了直流測(cè)速發(fā)點(diǎn)機(jī)反饋?zhàn)鳛椴⒙?lián)校正。用電壓放大器作為有源串聯(lián)校正器。</p><p>　　本系統(tǒng)是采用電樞控制直流伺服電動(dòng)機(jī)的隨動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)圖采用變壓式自整角機(jī)對(duì)，用來測(cè)量?jī)蓚€(gè)機(jī)械軸的轉(zhuǎn)角差，當(dāng)系統(tǒng)靜

13、止時(shí)，兩個(gè)自整角機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)于三相繞組的夾角之差為零。兩個(gè)自整角機(jī)處于平衡狀態(tài)，沒有電壓輸出。假設(shè)系統(tǒng)有一輸入角θ，這時(shí)，自整角機(jī)輸出誤差電壓Uc，通過輸出變壓器加到相敏整流器上，相敏整流器輸出通過低通濾波器，取出近似正比于誤差角的直流有效訊號(hào)，加到線性組件Ko的反相輸入端，經(jīng)過電壓放大后，加到同相器TX和反相器PX的同相和反相輸入端作為SCR控制腳的控制信號(hào)，經(jīng)觸發(fā)陷入CP1或CP2產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，去觸發(fā)可控硅，由可控硅功率放大器輸出控制

14、伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速器i同時(shí)帶動(dòng)自整角機(jī)Sc的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，直至Sc跟上Sr的轉(zhuǎn)角后，系統(tǒng)重新處于平衡，為了使系統(tǒng)正常工作，必須加入串聯(lián)校正裝置或者并聯(lián)校正裝置。</p><p>　　二、KSD-1型隨動(dòng)系統(tǒng)性能指標(biāo)（校正后）</p><p>　　該裝置性能指標(biāo)為: </p><p>　　(1)輸入軸最大變化速度50度/秒，最大加速度50度/秒2</p>

15、<p>　　(2)靜態(tài)位置誤差e0≦0.5o </p><p>　　(3)振蕩次數(shù)N≦2

16、 </p><p>　　(4)超調(diào)量Mp≦30%

17、 </p><p>　　(5) 過度過程時(shí)間tp≦0.7s

18、 </p><p>　　(6) 系統(tǒng)速度誤差esr≦1o(最大速度為50o/s)</p><p>　　(7)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)參數(shù)</p><p><b>　　三、隨動(dòng)系統(tǒng)方塊圖</b></p><p>　　四、系統(tǒng)中有關(guān)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)</p><p><b>　　1．自整角機(jī)&l

19、t;/b></p><p>　　自整角機(jī)發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)子與輸入軸相接。接收機(jī)的轉(zhuǎn)子和系統(tǒng)輸出軸相連，自整角機(jī)對(duì)必須事先校正零位。</p><p>　　變壓器式自整角機(jī)對(duì)，用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)機(jī)械軸的轉(zhuǎn)角差。</p><p>　　假設(shè)：系統(tǒng)的輸入角；輸出角，為系統(tǒng)的誤差角：</p><p>　　在發(fā)送機(jī)的激磁繞組上加交流電壓</p>&

20、lt;p>　　則在接收機(jī)的變壓器繞組上</p><p><b>　　輸出的感應(yīng)電勢(shì)為：</b></p><p><b>　　接收機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)：</b></p><p>　　通常隨動(dòng)系統(tǒng)工作期間，失調(diào)角是比較小的，輸出電壓曲線可看成直線</p><p>　　自整角機(jī)對(duì)的傳遞函數(shù)可以看成事一個(gè)線性

21、放大環(huán)節(jié)，即在處的斜率:</p><p>　　因此，可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得其輸出特性，和分別為和。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)測(cè)得的輸出特性如下：</p><p>　　取其增量的平均值，則有:</p><p>　　2．相敏整流元件與低通濾波器</p><p>　　系統(tǒng)相敏整流元件選用的是二極管全橋式相敏整流器，相敏整流特點(diǎn)是輸出直

22、流電壓的極性反映輸入交流信號(hào)的相位，輸入的控制信號(hào)為自整角變壓器輸出電壓，交流同步電壓為參考電壓。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)測(cè)得的相敏整流電路的輸入-輸出特性如下：</p><p>　　相敏整流的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　低通濾波器的作用是減少相敏整流器輸出電壓的脈動(dòng)成分，消除不必要的高頻成分。</p><p>　　低通濾波器的傳遞函

23、數(shù)為：</p><p>　　3．電壓放大環(huán)節(jié)Kv(S)</p><p>　　相敏整流器輸出電壓經(jīng)濾波后的直流信號(hào)加到油線性組件組成的電壓放大器的反相端，其輸出可作為可控硅控制角的控制信號(hào).</p><p>　　電壓放大器的傳遞函數(shù)可由計(jì)算得出:</p><p>　　4．可控硅功率放大器的傳遞函數(shù)</p><p>　　可

24、控硅功率放大器是一個(gè)延遲環(huán)節(jié)，其最大延遲時(shí)間取決于可控硅整流相數(shù)和電源頻率，即：</p><p><b>　　m—整流相數(shù)</b></p><p><b>　　f —供電電源頻率</b></p><p>　　可控硅放大器的傳遞函數(shù)為:</p><p>　　可控硅功率放大器是一個(gè)小時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，

25、其傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　5．直流伺服電動(dòng)機(jī)</b></p><p>　　直流伺服電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)為:</p><p>　　因?yàn)椋詡骱?jiǎn)化為:</p><p><b>　　通過實(shí)際計(jì)算：</b></p><p><b>　　6．減速器</

26、b></p><p>　　減速器的傳遞函數(shù)為:</p><p>　　其中， i 為減速比，i=216</p><p>　　五、系統(tǒng)的閉環(huán)方框圖</p><p><b>　　校正后的原理圖：</b></p><p>　　六、對(duì)系統(tǒng)的校正過程</p><p>　　用Mat

27、lab最上述系統(tǒng)進(jìn)行分析和校正</p><p>　　s=tf('s'); %定義Laplace算子s</p><p>　　G1=(40*1.354*1*(-1)*150*3.52*1)/((0.008*s+1)*2*(0.01*s+1)*(0.375*s+1)*216*s)</p><p>　　%輸入原始系統(tǒng)

28、的開環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　Transfer function:</p><p><b>　　-2.86e004</b></p><p>　　-------------------------------------------</p><p>　　0.01296 s^4 + 2.951 s^3 + 169.8

29、s^2 + 432 s</p><p>　　pzmap(feedback(G1,1)) %畫出原系統(tǒng)閉環(huán)的零極點(diǎn)圖</p><p>　　由上圖可知原系統(tǒng)有>0的極點(diǎn)，可見原系統(tǒng)是不穩(wěn)定的</p><p>　　下面我們通過校正使系統(tǒng)穩(wěn)定并未符合性能指標(biāo)</p><p>　　G=G1*(-1) %由

30、于原函數(shù)開環(huán)傳遞函數(shù)中有負(fù)比例環(huán)節(jié)，在此我</p><p>　　%加上一個(gè)負(fù)號(hào)，以后的分析針對(duì)G而言</p><p>　　Transfer function:</p><p><b>　　2.86e004</b></p><p>　　-------------------------------------------&

31、lt;/p><p>　　0.01296 s^4 + 2.951 s^3 + 169.8 s^2 + 432 s</p><p>　　Gc1=zpk(leadlagc(G,30,50,1000,1)) </p><p>　　%Gc1以零極點(diǎn)形式表示</p><p>　　%函數(shù)leadlagc調(diào)用格式為leadlagc（G, Wc,Gam_c，ke

32、y）</p><p>　　%使用串聯(lián)超前之后函數(shù)leadlagc對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正</p><p>　　【說明】Leadlagc函數(shù)為基于校正后系統(tǒng)剪切頻率和相位裕度的串聯(lián)超前滯后校正器的設(shè)計(jì)函數(shù)。在函數(shù)leadlagc中輸出為所需串聯(lián)的環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，key為校正器類型標(biāo)示，1對(duì)應(yīng)超前校正，2對(duì)應(yīng)滯后校正，3對(duì)應(yīng)超前滯后校正，參數(shù)Wc,Gam_c為預(yù)期的剪切頻率和相位裕度，Kv為容許的靜態(tài)誤差

33、的增益，Leadlagc函數(shù)的M文件源程序見附錄</p><p>　　我們采用最為常見的目標(biāo)期望相角域度是50度，剪切頻率為30度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正</p><p>　　Zero/pole/gain: %系統(tǒng)輸出的Gc1</p><p>　　42.0717 (s+3.919)</p><p>　　--------------

34、---</p><p><b>　　(s+229.7)</b></p><p>　　[mag,phase,w]=bode(G*Gc1) %畫出校正后系統(tǒng)波特圖并且求出相角域度剪%切頻率和幅值域度</p><p>　　margin(mag,phase,w)</p><p>　　由圖可知系統(tǒng)相角域度為49.7度，剪切

35、頻率為29.9度，系統(tǒng)穩(wěn)定了。</p><p>　　step(feedback(G*Gc1,1)) %校正后閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)</p><p><b>　　由圖可知：</b></p><p><b>　　超調(diào)量</b></p><p><b>　　過渡時(shí)間&

36、lt;/b></p><p><b>　　震蕩次數(shù)</b></p><p>　　系統(tǒng)的靜態(tài)誤差為0 </p><p>　　Gf=feedback(G*Gc1,1) %此時(shí)我們求出校正后的系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Gf</p><p>　　Zero/pole/gain:</p><p>

37、　　92832040.7481 (s+3.919)</p><p>　　----------------------------------------------------------</p><p>　　(s+4.082) (s^2 + 408.3s + 4.311e004) (s^2 + 44.96s + 2067)</p><p>　　Gh=Gc1*G

38、 %求出開環(huán)傳遞函數(shù)Gh</p><p>　　Zero/pole/gain:</p><p>　　92832040.7481 (s+3.919)</p><p>　　-------------------------------------</p><p>　　s (s+229.7) (s+125) (s+100)

39、(s+2.667)</p><p>　　很遺憾，系統(tǒng)的速度誤差（r=50t）不滿足要求。</p><p>　　接下來我們只好再次對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正（與上次校正程序方法相同的地方不再加注釋） </p><p>　　Gc1=zpk(leadlagc(G,30,55,1000,1)) </p><p>　　%這次我們?cè)龃罅讼嘟怯蚨?，以期系統(tǒng)性能

40、更加穩(wěn)定</p><p>　　Zero/pole/gain:</p><p>　　63.5537 (s+2.594)</p><p>　　-----------------</p><p><b>　　(s+346.9)</b></p><p>　　[mag,phase,w]=bode(G*Gc1

41、);</p><p>　　margin(mag,phase,w)</p><p>　　由圖可知系統(tǒng)相角域度為55度，剪切頻率為30度，系統(tǒng)穩(wěn)定。</p><p>　　step(feedback(G*Gc1,1))</p><p><b>　　超調(diào)量</b></p><p><b>　　過

42、渡時(shí)間</b></p><p><b>　　震蕩次數(shù)</b></p><p><b>　　以上性能接滿足要求</b></p><p>　　Gf=feedback(G*Gc1,1)</p><p>　　Zero/pole/gain:</p><p>　　140232

43、490.2371 (s+2.594)</p><p>　　-------------------------------------------------</p><p>　　(s+338.8) (s+182) (s+2.588) (s^2 + 51.19s + 2279)</p><p><b>　　GH=G*Gc1</b></p&g

44、t;<p>　　Zero/pole/gain:</p><p>　　140232490.2371 (s+2.594)</p><p>　　-------------------------------------</p><p>　　s (s+125) (s+100) (s+346.9) (s+2.667)</p><p>