自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)--有刷直流電機(jī)速度閉環(huán)設(shè)計(jì)及實(shí)物調(diào)試

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　　題 目 有刷直流電機(jī)速度閉環(huán)設(shè) </p><p>　　計(jì)及實(shí)物調(diào)試 </p><p>　　課 程 名 稱 自動(dòng)控制原理 </p><p>　　院（系、部、中心） </p>&

2、lt;p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí) </p><p>　　學(xué) 生 姓 名 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　設(shè) 計(jì) 時(shí) 間 </p><p

3、>　　設(shè) 計(jì) 地 點(diǎn) </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.課程設(shè)計(jì)任務(wù)書…………………………………………………</p><p>　　1.1課程設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到的目的……………………………………</p>

4、<p>　　1.2 課程設(shè)計(jì)題目及要求………………………………………</p><p>　　1.3課程設(shè)計(jì)任務(wù)及工作量要求………………………………</p><p>　　1.4 主要參考文獻(xiàn)………………………………………………</p><p>　　1.5課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排…………………………………………</p><p>　　1.6成績

5、考核方法………………………………………………</p><p>　　2.有刷直流電機(jī)速度閉環(huán)設(shè)計(jì)及實(shí)物調(diào)試………………………</p><p>　　2.1有刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　2.1.1有刷直流電機(jī)的基本方程………………………………</p><p>　　2.1.2 數(shù)學(xué)建?！?</p

6、><p>　　2.2 Matlab仿真……………………………………………………</p><p>　　2.2.1建立系統(tǒng)的開環(huán)模型……………………………………</p><p>　　2.2.2對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正…………………………………………</p><p>　　2.2.3 Matlab仿真部分的結(jié)論…………………………………</p>&l

7、t;p>　　3.硬件調(diào)試…………………………………………………………</p><p>　　3.1 未加干擾時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)（P、I、PI校正）……………</p><p>　　3.2 加入干擾后的系統(tǒng)的比例積分控制PI校正………………</p><p>　　3.3 硬件調(diào)試部分的結(jié)論………………………………………</p><p>　　4.課

8、程設(shè)計(jì)結(jié)論及體會(huì)……………………………………………..</p><p>　　5. 參考資料………………………………………………………….</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　課 程 名 稱 自動(dòng)控制原理 </p><p>　　院（系、部、中心）

9、 </p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí) </p><p>　　姓 名 </p><p>　　學(xué)

10、 號(hào) </p><p>　　起 止 日 期 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 </p><p>　　一.直流電機(jī)速度閉環(huán)設(shè)計(jì)及實(shí)物調(diào)試</p><p>　　該題目包括MATLAB軟件仿真和硬件實(shí)物調(diào)試部分，軟件仿真的目的是對(duì)系統(tǒng)

11、先進(jìn)行建模，然后設(shè)計(jì)控制器使其滿足任務(wù)書上的性能指標(biāo)要求，并調(diào)整控制器參數(shù)，分析控制器各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。</p><p>　　硬件調(diào)試的目的是為了實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的結(jié)合，將仿真得到的心得體會(huì)在硬件平臺(tái)上加以驗(yàn)證，一邊得到更加形象具體的認(rèn)識(shí)。</p><p>　　二.MATLAB 軟件仿真單元</p><p>　　1.直流電機(jī)的物理模型及數(shù)學(xué)建模</p&g

12、t;<p><b>　?、盼锢砟Ｐ?lt;/b></p><p>　　圖表 1 直流伺服電機(jī)的物理模型</p><p>　　—電樞輸入電壓(V) 　 —電樞電阻(Ω) 　 —電樞電感( H) 　</p><p>　　—感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(V) 　 —電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩　(N·m) 　J —轉(zhuǎn)動(dòng)慣量</p><p&g

13、t;　　(kg·) 　B —粘性阻尼系數(shù)(N·m·s) 　 —流過電樞的電流(A) 　</p><p>　　θ—電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)角(rad)</p><p>　　表格 1 直流電機(jī)參數(shù)</p><p><b>　?、茢?shù)學(xué)建模</b></p><p>　　根據(jù)基爾霍夫定律和牛頓第二定律對(duì)圖

14、表1所示的電機(jī)列基本方程:</p><p><b>　　公式 1</b></p><p><b>　　公式 2</b></p><p><b>　　公式 3</b></p><p><b>　　公式 4</b></p><p>　　

15、式中：為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)（N·m）A;</p><p>　　為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)常數(shù)（V·s）rad。</p><p>　　對(duì)公式1-4進(jìn)行拉普拉斯變換，得到：</p><p><b>　　公式 5</b></p><p><b>　　公式 6</b></p><p&g

16、t;<b>　　公式 7</b></p><p><b>　　公式 8</b></p><p>　　設(shè)Ω（s） = s·θ(s), 則圖1 所示的伺服直流電機(jī)模型的方塊圖如圖表2 所示。</p><p>　　圖表2 　直流伺服電機(jī)模型結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　消去公式5-6的中間變量,整

17、理得</p><p><b>　　公式 9</b></p><p>　　即G(s)就是有刷直流電機(jī)的開環(huán)傳遞函數(shù)。</p><p>　　帶入?yún)?shù)得到電機(jī)的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　公式 10</b></p><p>　　2.繪制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)的單位階躍響應(yīng)

18、</p><p>　　建立如圖所示的開環(huán)傳遞系統(tǒng)：</p><p>　　由圖表3的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的單位階躍輸入的響應(yīng)，即電機(jī)輸入1V單位階躍電壓時(shí)，響應(yīng)曲線不停上升，沒達(dá)到要求，需要進(jìn)行校正。</p><p><b>　　3.PID校正</b></p><p>　?、沤⑾到y(tǒng)的仿真模擬結(jié)構(gòu)圖</p>&l

19、t;p>　　圖表4 系統(tǒng)仿真模擬結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　因?yàn)?lt;/b></p><p><b>　　公式 11</b></p><p><b>　　公式 12</b></p><p>　　所以：P（比例系數(shù)）=（比例常數(shù)）</p><p

20、>　　I（積分系數(shù)）=（積分時(shí)間常數(shù)）</p><p>　　Ｄ（微分系數(shù)）＝（微分時(shí)間常數(shù)）</p><p>　　分步驟實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的PID校正。</p><p>　　表格 2 齊格勒-尼克爾斯整定公式（第二種方法）</p><p>　?、七M(jìn)行比例（P）校正</p><p>　　由大到小設(shè)定一系列Kp值，觀察響應(yīng)

21、波形，尋找等幅震蕩時(shí)Kp值。</p><p>　　當(dāng)Kp=128，設(shè)置參數(shù)如圖，響應(yīng)波形</p><p>　　當(dāng)Kp=140，設(shè)置參數(shù)如圖，響應(yīng)波形如圖：</p><p>　　當(dāng)Kp=134，設(shè)置參數(shù)如圖，響應(yīng)波形如圖：</p><p>　　由以上波形圖可以發(fā)現(xiàn)減小P環(huán)節(jié)之后，系統(tǒng)超調(diào)量減小，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間卻增大，因此僅只有P環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，無

22、法達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)一步進(jìn)行校正。</p><p>　　⑶進(jìn)行比例積分（PI)校正</p><p>　　由ZN整定法，當(dāng)Kp=270，Pc=0.06s時(shí)，采用PI整定，可確定Kp=121.5,Ti=0.05,則Ki=Kp/Ti=2430。</p><p>　　設(shè)置PI參數(shù)如圖，此時(shí)響應(yīng)波形如圖：</p><p>　　保持Kp=不變，令K

23、i=2000，如圖所示</p><p>　　通過比較可以得出，積分參數(shù)Ki對(duì)消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差有很大的影響。Ki越小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。在控制系統(tǒng)的前向通道中，只要有積分環(huán)節(jié)，總能做到調(diào)節(jié)無靜差，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性還要靠調(diào)節(jié)微分環(huán)節(jié)。</p><p>　?、冗M(jìn)行比例積分微分（PID)校正</p><p><b>　　控制器的傳遞函數(shù)

24、為</b></p><p>　　由ZN整定公式可得：</p><p>　　=162=0.48，=0.03，=0.0075,</p><p>　　∵P（比例系數(shù)）=（比例常數(shù)）</p><p>　　I（積分系數(shù)）=（積分時(shí)間常數(shù)）</p><p>　?。模ㄎ⒎窒禂?shù)）＝（微分時(shí)間常數(shù)）</p>&

25、lt;p>　　∴P=152，I=5400,D=1.215。</p><p>　　如圖調(diào)節(jié)P=162，I=5400,D=1.215:</p><p>　　得到如圖表12的比例控制的系統(tǒng)閉環(huán)輸出</p><p>　　此時(shí)系統(tǒng)仍不滿足如下性能指標(biāo)：最大超調(diào)量<20%，上升時(shí)間<0.15s，調(diào)節(jié)時(shí)間<0.85s，所以需要進(jìn)一步調(diào)試。</p>

26、;<p>　　經(jīng)過調(diào)試可知，由于加入了D作用, 系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高了，可適當(dāng)增加比例增益可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，通?？蓪⑻岣?0 %左右。剛啟動(dòng)時(shí)比例作用最大，積分作用為0，穩(wěn)定時(shí)比例作用為0，積分作用最大。增大能減小誤差，但是太大時(shí)，會(huì)引起超調(diào)，系統(tǒng)輸出達(dá)到設(shè)定值時(shí)不能立即停下來。積分作用是累加的，比例作用和積分作用共同影響超調(diào)量和上升時(shí)間，兩者有權(quán)限切換點(diǎn)。當(dāng)不改變時(shí)且只增加時(shí)，振蕩加劇。最終確定P、I、D的值。</p&

27、gt;<p>　　如圖調(diào)節(jié)P=40，I=1,D=0.1:</p><p>　　通過比較，可知微分參數(shù)Kd的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性，其主要作用是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但Kd不能過小，否則使響應(yīng)過程提前制動(dòng)，延長調(diào)節(jié)時(shí)間，并且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。</p><p><b>　　三.硬件調(diào)試單元</b><

28、;/p><p><b>　　1.設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　?、僭谧詣?dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，控制實(shí)際的模擬對(duì)象，加深對(duì)理論的理解。</p><p>　?、谡莆臻]環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能的影響。</p><p><b>　　2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備</b></p><p>　

29、?、貯CCC-Ⅱ型自動(dòng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。</p><p><b>　?、跀?shù)字式萬用表</b></p><p><b>　　③示波器</b></p><p><b>　　3.設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　圖表15 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖</p>

30、;<p>　　圖15為直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，它由給定、PI調(diào)節(jié)器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、轉(zhuǎn)速測量電路和輸出電壓反饋等幾個(gè)部分組成。在參數(shù)給定的情況下，在PI調(diào)節(jié)器的補(bǔ)償作用下，直流電機(jī)可以按給定的轉(zhuǎn)速閉環(huán)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p>　　給定Ug由ACCT-II自動(dòng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)面板上的電源單元U1提供，電壓變化范圍為1.3V～15V。</p><p>　　經(jīng)PI

31、運(yùn)算后的控制量作為驅(qū)動(dòng)單元輸入信號(hào)，經(jīng)過功率放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p>　　轉(zhuǎn)速測量電路單元將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，作為反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。它由轉(zhuǎn)盤、光電轉(zhuǎn)換和頻率/電壓（F/V）轉(zhuǎn)換電路組成。由于轉(zhuǎn)速測量的轉(zhuǎn)盤為60齒，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，光電變換后輸出60個(gè)脈沖信號(hào)，對(duì)于轉(zhuǎn)速為n的電機(jī)來說，輸出的脈沖頻率為60n/min，我們用這個(gè)信號(hào)接入以秒作為計(jì)數(shù)單位的頻率計(jì)時(shí)，頻率計(jì)的讀數(shù)即為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以轉(zhuǎn)速

32、測量輸出的電壓即為頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出，這里的F/V轉(zhuǎn)換率為150Hz/V。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求改變輸出電壓反饋系數(shù)可以得到預(yù)設(shè)的輸出電壓。</p><p><b>　　4.設(shè)計(jì)內(nèi)容及步驟</b></p><p>　　設(shè)計(jì)的接線圖如圖2所示，除了實(shí)際的模擬對(duì)象、電壓表和轉(zhuǎn)速計(jì)表外，其中的模擬電路由ACCT-II自動(dòng)控制理論及計(jì)

33、算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)板上的運(yùn)放單元和備用元器件搭建而成。這里給出一組參考的設(shè)計(jì)參數(shù)，僅供參考，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中需聯(lián)系實(shí)際的控制對(duì)象進(jìn)行參數(shù)的試湊，以達(dá)到預(yù)定的效果。參考的試驗(yàn)參數(shù)為：</p><p>　　R0=R1=R2=100K，R3=100K，R4=2M，R5=10K，C1=1F，Rf/Ri=1。</p><p>　　具體的設(shè)計(jì)步驟如下：</p><p>　　1．先將

34、ACCT-III自動(dòng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)（二）和ACCT-II自動(dòng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)面板上的 電源船形開關(guān)均放在“OFF”狀態(tài)。</p><p>　　2．利用ACCT-II實(shí)驗(yàn)板上的單元電路U9、U15和U11，設(shè)計(jì)并連接如圖3.5所</p><p>　　圖2 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖</p><p>　　示的閉環(huán)系統(tǒng)。需要注意的是，運(yùn)放的鎖零信號(hào)G接到－15

35、V。</p><p>　　（1）將ACCT-II面板上U1單元的可調(diào)電壓接到Ug；</p><p>　?。?）給定輸出接PI調(diào)節(jié)器的輸入，這里參考電路中Kd=0，R4的作用是提高PI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)特性。</p><p>　?。?）經(jīng)PI運(yùn)算后給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路提供輸入信號(hào)，即將調(diào)節(jié)器電路單元的輸出接到ACCT-III面板上的低壓直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速中的功率轉(zhuǎn)換電路的正極輸入端（

36、IN＋），負(fù)極端（IN－）接地；</p><p>　?。?）功率轉(zhuǎn)換的輸出接到直流電機(jī)的電樞兩端；</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速測量的輸出同時(shí)接到電壓反饋輸入端和20V電壓表頭的輸入端，由于轉(zhuǎn)速測量輸出的電壓為正值，所以反饋回路中接一個(gè)反饋系數(shù)可調(diào)節(jié)的反相器。調(diào)節(jié)反饋系數(shù)=Rf/Ri，從而調(diào)節(jié)輸出的電壓Uo。</p><p>　　3．連接好上述線路，全面檢查線路后

37、，先合上ACCT-III實(shí)驗(yàn)面板上的電源船形開關(guān)，再合上ACCT-II面板上的船形開關(guān)，調(diào)整PI參數(shù)，使系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)觀測輸出電壓變化情況。</p><p>　　4．在閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，外加干擾信號(hào)，系統(tǒng)達(dá)到無靜差。如達(dá)不到，則根據(jù)PI參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響重新調(diào)節(jié)PI參數(shù)。</p><p>　　5．改變給定信號(hào)，觀察系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。</p><p><b&g

38、t;　　5.設(shè)計(jì)所測數(shù)據(jù)</b></p><p>　　未加干擾時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)</p><p>　　實(shí)驗(yàn)條件：輸入信號(hào)為階躍信號(hào)，幅值為5V，占空比為50%，周期為8秒。</p><p><b>　?。?）P調(diào)節(jié)</b></p><p>　　改變R5的值，將其分別設(shè)置成10KΩ和510KΩ，得到輸出曲線。&l

39、t;/p><p>　　R5=10KΩ, C =0uF，第一張是PI調(diào)節(jié)輸出，第二張是電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出波形。</p><p>　　R5=510KΩ, C =0uF，第一張是PI調(diào)節(jié)輸出，第二張是電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出波形。</p><p><b>　?。?）I調(diào)節(jié)</b></p><p>　　R5固定不變，調(diào)節(jié)C1,觀察I調(diào)節(jié)的作用效果。&

40、lt;/p><p>　　R5=0KΩ, C =10uF，第一張是PI調(diào)節(jié)輸出，第二張是電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出波形。</p><p>　　R5=0KΩ, C =1uF，第一張是PI調(diào)節(jié)輸出，第二張是電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出波形。</p><p><b>　　(3) PI調(diào)節(jié)</b></p><p>　　R5=10KΩ, C =1uF，第一張是PI調(diào)

41、節(jié)輸出，第二張是電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出波形。</p><p>　　R5=10KΩ, C =10uF，第一張是PI調(diào)節(jié)輸出，第二張是電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出波形。</p><p>　　R5=510KΩ, C =1uF，第一張是PI調(diào)節(jié)輸出，第二張是電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出波形。</p><p>　　R5=510KΩ, C =10uF，第一張是PI調(diào)節(jié)輸出，第二張是電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出波形。</p>

42、<p>　　干擾加入后的電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)</p><p>　　實(shí)驗(yàn)條件，輸入信號(hào)為階躍信號(hào)和正弦波的疊加，階躍信號(hào)幅值為5V，占空比為50%，正弦波幅值為1V，頻率為0.75HZ。</p><p>　　改變R5的值，將其分別設(shè)置成10KΩ和510KΩ，并觀察輸出曲線。</p><p>　　接線說明：由于用到信號(hào)的疊加，如圖3所示，運(yùn)放U1實(shí)現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)的加運(yùn)

43、算，運(yùn)放U2實(shí)現(xiàn)加運(yùn)算后的信號(hào)反向作用。最后將綜合信號(hào)輸出接至圖2的U給定。</p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　R5=510KΩ, C =1uF，第一張是PI調(diào)節(jié)輸出，第二張是電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出波形。</p><p>　　R5=10KΩ, C =1uF，第一張是PI調(diào)節(jié)輸出，第二張是電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出波形。</p>

44、<p>　　由圖表29-31可得，在干擾加入后，取不同的值，當(dāng)增大時(shí)，系統(tǒng)的誤差減小，超調(diào)量降低，上升時(shí)間下降，但是調(diào)節(jié)時(shí)間上升。</p><p><b>　　四.結(jié)論</b></p><p>　　這次的課程設(shè)計(jì)讓我領(lǐng)會(huì)到了pid的使用老師生動(dòng)的講解更讓我印象深刻。</p><p>　　該仿真部分使我們具體的認(rèn)識(shí)到了積分環(huán)節(jié)及微分環(huán)

45、節(jié)的作用。若系統(tǒng)是零階系統(tǒng)，則需要加入一個(gè)積分環(huán)節(jié)，以減小穩(wěn)態(tài)誤差；若系統(tǒng)的上升時(shí)間過長難以調(diào)節(jié)，則可加入一個(gè)微分環(huán)節(jié)來提高響應(yīng)速度達(dá)到系統(tǒng)的要求。</p><p>　　于此同時(shí)，該部分的設(shè)計(jì)更使我們對(duì)系統(tǒng)的建模的過程有了新的認(rèn)識(shí)，熟悉了建模的方法，更加熟悉了系統(tǒng)傳遞函數(shù)與數(shù)學(xué)方程，以及框圖之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>

46、;<p>　　[1].白繼平,徐德輝. 基于MATLAB下的PID控制仿真[J].中國航海,2004(4)</p><p><b>　　:77-80.</b></p><p>　　[2].吳素平，劉飛.直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模糊控制仿真分析[J].長沙電力學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2006.4:34-37.</p><p>　　[3].薛