运动控制实验指导.docx

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运动控制实验指导

实验一转速负反馈有静差直流调速系统

一、实验目的

1．熟悉单闭环直流调速系统的组成及其主要组成单元的原理与作用。

2．学习调速系统单元及系统调试的基本方法及其注意事项。

3．分析、研究转速负反馈有静差和无静差直流调速系统的静特性及其特点。

二、实验内容

1．调速系统的单元调试及系统静态参数的整定。

2．直流电动机开环与闭环系统的静态特性测试。

3．分析、研究转速负反馈有静差和无静差直流调速系统的静特性及其特点。

三、实验设备与仪器

1．综合实验台主体（主控箱）及其主控电路、转速变换（DD02）、电流检测及变换电路变（DD06）、同步变压器（DD05）、负载控制器单元（DD07）等单元以及平波电抗器。

2．可控硅主电路挂箱（DSM01）

3．触发电路挂箱Ⅱ（DST02）——DT04。

4．给定单元挂箱（DSG01）——DG01单元

5．调节器挂箱Ⅰ（DSA01）——DA01、DA02单元。

6．直流电动机+磁粉制动器+旋转编码器机组。

7．慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器。

四、实验电路的组成

“带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统”是单闭环直流调速系统的典型实例，系统的组成框图如图1-1所示，接线电路见附图1-1。

主要由“DG01”、“DA01”、“DT04”、“DSM01”、“DD02”、“DD06”等基本环节组成。

该系统简单实用，在要求不高的场合常见采用。

图1-1带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统的组成

五、实验步骤与方法

（一）实验电路连接、检查及调试。

1．本实验系统所使用的单元环节，其中“触发器单元GT1（DT04）”和“可控硅主电路（DSM01）”的调试要点和方法见《触发电路挂箱（DST02）使用说明》和《可控硅主电路挂箱（DSM01）使用说明》。

“给定及给定积分器（DG01）”见《给定单元挂箱（DSG01）使用说明》，“转速调节器ASR（DA01）”和“零速封锁（DA02）”见《调节器挂箱Ⅰ（DSA01）使用说明》。

2．按附图1-1连接系统。

确保转速给定和转速、电流反馈极性正确合理，转速、电流反馈系数α、β调至最大（将转速和直流电流变换单元DD02、DD06的输出电位器顺时针调至最大）；“工作模式选择”开关置“直流调速”档；给定单元（DG01）的极性开关S1、阶跃开关S2拨向上方，并调整正、负给定电位器使输出为0。

3．将转速调节器ASR输入端子Un和Ui1的转速和电流负反馈输入改为接地输入，即先断开转速负反馈和电流截止负反馈；ASR接成1:

1的比例状态（取Rn=R0=40kΩ、）；经实验指导教师检查认可后，打开钥匙开关（电源控制与故障指示（CTD）单元，检查各指示灯状态，确认无异常后开始以下步骤。

4．闭合控制回路（电源控制与故障指示（CTD）面板控制电路按钮ON），保持主电路分断。

并将励磁电源整定至额定励磁电流；负载控制器模式选择为“恒转矩”模式，负载给定为零；旋动正、负给定电位器，经极性开关切换，依次使给定U*n=±0.5、±2V，检查转速调节器ASR的比例特性；取给定U*n=±2V，电容Cn=2μF，用万用表测量ASR的输出，同时整定所要求的限幅值。

5．检查并调整“触发器单元GT1”和“直流调速系统主电路”，整定触发零位：

用双踪示波器检查“双路晶闸管移相触发器”是否工作正常及主电路接线的正确与否；触发电路和主电路正常后，微调“DT04”单元的偏置电位器，使U*n=0时，触发角α=90°（整定零位）。

6．控制电路状态正常后，将正、负给定电位器重新调至0，将阶跃开关拨向上方，极性开关拨向下方（为什么？

）。

（二）直流电动机的开环机械特性测试

1．负载给定为零，保持转速负反馈，使电流截止负反馈为断开状态，转速调节器ASR重新接成1:

1的比例状态，检查无误后，闭合主电路。

注意：

“开环系统”或“无电流截止负反馈”的“单闭环系统”，不得阶跃起动，实验中只能缓慢改变给定电压和电机转速（为什么？

）。

2．缓慢增大给定电压U*n，使电动机转速逐渐上升，用双踪示波器观察整流装置输出电压Ud，看波形是否正常、连续可调。

当电动机电枢电压达到额定值Ud=Udnom，记录并保持此时的转速给定U*nnom不变，调节负载给定，使电动机电枢电流Id在Id0～Idm（Idm≤1.5Idnom）间分别读取五级负载电流Id和转速n录于表1-1；减小给定并恒定于1/2U*nnom，调节负载给定，在Id0～Idm（Idm≤1.5Idnom）之间分别读取电流Id和转速n等五组数据录于表1-1。

3．计算转速比n*=n/n0和电流比I*d=Id/Idnom，也录于表1-1。

4．依次（

、

）绘制高、低速两条机械特性曲线n=f（Id）于图1-2中。

表1-1开环机械特性实验数据

U*n（V）

U*nnom=

1/2U*nnom=

Id（A）

Id0

Id1

Idnom

Id2

Idm

Id0

Id1

Idnom

Id2

Idm

I*d

n（r∕min）

n*

额定参数

Pnom=KW；Unom=V；Idnom=A；nnom=r∕min

图1-2直流电动机的开环机械特性与转速负反馈系统的闭环静特性

开环机械特性：

高速闭环静特性：

有静差系统

高速

低速

低速无静差系统

高速

低速

（三）转速负反馈有静差直流调速系统

1．逐步减小给定电位器至0，待电机停止后关闭主电路；按附图1-1恢复转速负反馈（接线端子Un由接地改为转速负反馈输入，注意反馈极性，确保负反馈无误，但仍不接电流截止负反馈；RC阻容箱取Rn=kpR0（kp为转速调节器ASR的放大倍数，以系统稳定运行为限，尽量取大些，或实验前设计、计算得出）、短接电容Cn。

负载给定置0，检查无误后闭合主电路。

2．缓慢增大给定U*n，使电机转速逐渐上升，当给定电压达到U*n=-6V时保持恒定（即取U*n=U*nm=-6V），调整（减小）转速反馈系数直至n=nnom，同时用万用表测量反馈电压Unnom以完成转速反馈系数的整定，并计算转速反馈系数α（α=Unm/nnom）录于表1-2。

3．调节负载给定，在Id0～Idm（Idm≤1.5Idnom）之间分别读取电枢电流Id和转速n等五组数据录于表1-2；置负载至为0，减小给定并恒定于1/2U*nm，调节负载给定，在Id0～Idm（Idm≤1.5Idnom）之间分别读取电流Id和转速n五组数据录于表1-2。

4．逐步减小给定至0，侍电机停止后关闭主电路；将负载减小至0。

5．计算转速比n*=n/n0、电流比I*d=Id/Inom，也录于表1-2。

6．于图1-2中，依次（

、

）绘制高、低速两条静特性曲线n=f（Id）。

表1-2转速负反馈有静差系统静特性实验数据

U*n（V）

U*nm=

1/2U*nm=

Id（A）

Id0

Id1

Idnom

Id2

Idm

Id0

Id1

Idnom

Id2

Idm

I*d

n（r∕min）

n*

反馈系数

α=Unm/nnom=V·min/r

六、思考题

1．为什么“单闭环直流调速系统”，在未带电流截止负反馈前，不得阶跃起动，只能缓慢增加给定？

2．在转速负反馈系统中，引入“电流截止负反馈”的目的是什么？

3．有静差系统为什么要限制其开环放大倍数？

产生静差的原因是什么？

为什么说，理论上讲该系统是无法消除静差的，为什么？

注：

各个控制电路以及检测电路的地用细实验导线连起来，但是绝对不能接到主电路的地上

附图1-1带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统

实验二带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统

一、实验目的

1．分析、研究转速负反馈有静差和无静差直流调速系统的静特性及其特点。

2．熟悉“电流截止负反馈”的组成及其在“转速负反馈系统”中的作用。

3．分析、研究“带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统”的静、动态特性和电流反馈系数β、截止电压（稳压二极管Vs的稳压值）的整定及其对系统静、动特性的影响。

二、实验内容

1．分析、研究转速负反馈有静差和无静差直流调速系统的静特性及其特点。

2．“带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统”的静特性测试。

3．“带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统”的静态精度和动态稳定性的实验与分析

4．分析研究电流截止负反馈环节的作用和参数变化对系统特性的影响。

三、实验设备与仪器

1．综合实验台主体（主控箱）及其主控电路、转速变换（DD02）、电流检测及变换电路变（DD06）、同步变压器（DD05）、负载控制器单元（DD07）等单元以及平波电抗器。

2．可控硅主电路挂箱（DSM01）

3．触发电路挂箱Ⅱ（DST02）——DT04。

4．给定单元挂箱（DSG01）——DG01单元

5．调节器挂箱Ⅰ（DSA01）——DA01、DA02单元。

6．直流电动机+磁粉制动器+旋转编码器机组。

7．慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器。

四、实验电路的组成

“带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统”是单闭环直流调速系统的典型实例，系统的组成框图如图1-1所示，接线电路见附图1-1。

主要由“DG01”、“DA01”、“DT04”、“DSM01”、“DD02”、“DD06”等基本环节组成。

该系统简单实用，在要求不高的场合常见采用。

图1-1带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统的组成

五、实验步骤与方法

（一）实验电路连接、检查及调试。

1．本实验系统所使用的单元环节，其中“触发器单元GT1（DT04）”和“可控硅主电路（DSM01）”的调试要点和方法见《触发电路挂箱（DST02）使用说明》和《可控硅主电路挂箱（DSM01）使用说明》。

“给定及给定积分器（DG01）”见《给定单元挂箱（DSG01）使用说明》，“转速调节器ASR（DA01）”和“零速封锁（DA02）”见《调节器挂箱Ⅰ（DSA01）使用说明》。

2．按附图1-1连接系统。

确保转速给定和转速、电流反馈极性正确合理，转速、电流反馈系数α、β调至最大（将转速和直流电流变换单元DD02、DD06的输出电位器顺时针调至最大）；“工作模式选择”开关置“直流调速”档；给定单元（DG01）的极性开关S1、阶跃开关S2拨向上方，并调整正、负给定电位器使输出为0。

3．将转速调节器ASR输入端子Un和Ui1的转速和电流负反馈输入改为接地输入，即先断开转速负反馈和电流截止负反馈；ASR接成1:

1的比例状态（取Rn=R0=40kΩ、）；经实验指导教师检查认可后，打开钥匙开关（电源控制与故障指示（CTD）单元，检查各指示灯状态，确认无异常后开始以下步骤。

4．闭合控制回路（电源控制与故障指示（CTD）面板控制电路按钮ON），保持主电路分断。

并将励磁电源整定至额定励磁电流；负载控制器模式选择为“恒转矩”模式，负载给定为零；旋动正、负给定电位器，经极性开关切换，依次使给定U*n=±0.5、±2V，检查转速调节器ASR的比例特性；取给定U*n=±2V，电容Cn=2μF，用万用表测量ASR的输出，同时整定所要求的限幅值。

5．检查并调整“触发器单元GT1”和“直流调速系统主电路”，整定触发零位：

用双踪示波器检查“双路晶闸管移相触发器”是否工作正常及主电路接线的正确与否；触发电路和主电路正常后，微调“DT04”单元的偏置电位器，使U*n=0时，触发角α=90°（整定零位）。

6．控制电路状态正常后，将正、负给定电位器重新调至0，将阶跃开关拨向上方，极性开关拨向下方（为什么？

）。

（二）转速负反馈无静差直流调速系统实验

1．将转速调节器ASR改接成PI调节器，取Cn=2μF，检查无误后闭合主电路。

2．缓慢增大给定电压U*n直至U*n=U*nnom=U*nm=-6V恒定，调整（减小）转速反馈直至n=nnom，从而完成转速反馈系数α的整定。

（为什么？

）

3．重复有静差实验步骤3、4、5、6相应数据录于表1-3。

4．依次绘制高、低速（

、

）两条静特性曲线n=f（Id）于图1-2中。

并分析、比较图1-2中高、低速各三组特性曲线，得出开环系统、有静差和无静差转速负反馈系统等三类简单直流调速系统的特点。

表1-3转速负反馈无静差系统静特性实验数据

U*n（V）

U*nm=

1/2U*nm=

Id（A）

Id0

Id1

Idnom

Id2

Idm

Id0

Id1

Idnom

Id2

Idm

I*d

n（r∕min）

n*

（三）带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统实验

1．连接并调试完成电流截止负反馈（接线端子Ui2由接地改为电流反馈输入，其比较电压为Ucom=UVS2=3.6V注意反馈极性），检查无误后闭合主电路。

注：

电流截止负反馈环节参数按《调节器挂箱Ⅰ（DSA01）使用说明》中转速调节器的单元调试部分确定，此处不另重复。

2．逐步增大给定U*n直至U*n=U*nm=-6V、n=no恒定；系统稳定后，缓慢减小电流反馈强度和增大负载给定直至Id=Idnom（电流截止负反馈尚未起作用）；用万用表测量此时的电流反馈电压Ui1（ASR输入端子Ui1处）和记录给定转矩，并令电流反馈系数β=β1=Ui1/Idnom、负载给定为额定转矩录于表1-4；最后恢复负载给定为0。

3．调节负载给定，在Id0～Idm之间分别读取电流Id和转速n等五组数据录于表1-4；保持此时的转速反馈和电流反馈不变、负载给定为0。

4．保持比较电压Ucom=UVS2不变，增大电流反馈系数使β=β2＞β1（令β2=Ui2/Idnom，录于表1-4）；调节负载给定，在Id0～Idm之间分别读取电流Id和转速n五组数据，录于表1-4；保持此时的转速反馈和电流反馈不变、负载给定为0。

5．保持β=β2＞β1，改变比较电压使Ucom=UVS1=6.3V>UVS2（将电流反馈由接线端子Ui2改为Ui1输入）；调节负载给定，在Id0～Idm之间分别读取电流Id和转速n五组数据，录于表1-4；保持此时的转速反馈和电流反馈不变、负载给定为零。

6．保持比较电压Ucom=UVS1＞UVS2，恢复电流反馈系数β=β1（参照步骤2）；调节负载给定，在Id0～Idm之间分别读取电流Id和转速n五组数据录于表1-4；逐步减小给定至0，侍电机停止后“分断”主电路；保持转速和电流反馈不变，负载给定为0，；恢复比较电压Ucom=UVS2（将电流反馈由接线端子Ui1恢复为Ui2输入）。

7．计算各转速比n*=n/n0和电流比I*d=Id/Inom，录于表1-4。

表1-4带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统静特性实验数据

特性

β=β1=、Ucom=UVS2

β=β2=、Ucom=UVS2

Id（A）

Id0

Id1

Id2

Id3

Idm

Id0

Id1

Id2

Id3

Idm

I*d

n（r∕min）

n*

特性

β=β2＞β1Ucom=UVS1＞UVS2

β=β1、Ucom=UVS1＞UVS2

Id（A）

I*d

n（r∕min）

n*

β1=Uci1/Idnom=β2=Uci2/Idnom=RGnom=

图1－4带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统的闭环静特性

β=β1Ucom=UVS2

β=β2＞β1、Ucom=UVS2

β=β2＞β1Ucom=UVS1＞UVS2

β=β1、Ucom=UVS1＞UVS2

8．根据表1-4数据绘制以上四条系统静特性n=f（Id）于图1-4。

注意观察四条系统静特性的斜率、截止电流Idcr、堵转电流（负载较小，不能满足要求达不到堵转停机）Idbl之异同，并讨论、分析以得出正确结论。

9．将阶跃开关拨向下方，置给定U*n=-6V，设定负载在恒转矩模式下为额定转矩，负载模式选择在2档与恒转矩档之间切换可实现负载的突加和突卸，以完成空载和带载（额定负载）时的突加给定起动过渡过程实验，由双踪示波器观察电流Id和转速n的过渡过程。

变动RC的阻、容值，直至过渡过程曲线满意，并认真临模最满意的一组曲线于图1-5。

10．分析比较图1-5的两条曲线，讨论空载和带载起动过渡过程的异同。

图1－5突加给定起动的过渡过程曲线

空载

带载

11*．通过左下面板的微机接口电路（DD01），接好微机系统，演示、存储、打印相应过渡过程曲线，供撰写实验报告和分析、研究系统动态性能。

（未配置微机时可采用“存储示波器”，或将此项内容省略。

）

12．实验完毕，将阶跃开关拨向下方，待电机停转后，依次分断主电路、控制电路和总电源开关。

六、思考题

1．无静差转速负反馈系统最终真的能使系统的误差为零吗，为什么？

2．什么是“电流截止负反馈”？

3．带电流截止负反馈的直流调速系统中，改变β和Ucom将引起系统的静、动态特性有何变化？

为什么？

注：

各个控制电路以及检测电路的地用细实验导线连起来，但是绝对不能接到主电路的地上

附图2-1带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统

实验三转速、电流双闭环直流调速系统

一、实验目的

1．熟悉“转速、电流双闭环直流调速系统”的组成及其工作原理。

2．熟悉“转速、电流双闭环直流调速系统”及其主要单元环节的调试。

3．分析、研究“转速、电流双闭环直流调速系统”的静特性及其特点。

4．分析、研究“转速、电流双闭环直流调速系统”在突加给定起动过渡过程曲线和系统在突加、突卸负载时的抗扰性以及参数对系统动态性能的影响。

二、实验内容

1．系统的单元调试及静态参数的整定。

2．“转速、电流双闭环直流调速系统”的静特性测试。

3．“转速、电流双闭环直流调速系统”突加给定起动过渡过程研究。

4．“转速、电流双闭环直流调速系统”突加、突卸负载时的抗扰性研究。

三、实验设备与仪器

1．综合实验台主体（主控箱）及其主控电路、转速变换电路（DD02）、电流检测及变换电路（DD06）、同步变压器（DD05）、负载控制器单元（DD07）等以及、平波电抗器（DD11）。

2．可控硅主电路挂箱（DSM01）和触发电路挂箱Ⅱ（DST02）——DT04。

3．给定单元挂箱（DSG02）——DG01、DA01、DA03。

4．直流电动机+磁粉制动器+旋转编码器机组。

5．慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器

四、实验电路的组成

“转速、电流双闭环系统”是不可逆直流调速中，应用最普遍、最基本的典型实例，也是各种可逆和不可逆的直流调速系统的基本组成部分，系统的组成框图如图1－1所示，接线电路见附图1。

主要由“DG01”、“DA01”、“DA03”、“DT04”、“DSM01”以及电流检测（DD06）、转速变换器（DD02）等基本环节组成。

五、实验步骤与方法

（一）实验路的连接与检查。

图1－1转速、电流双闭环直流调速系统组成

1．本实验系统所使用的单元环节，与实验一基本相同，只是增加了一个“电流调节器ACR（DA03）”单元以组成电流内环，其调试要点和方法见《调节器挂箱Ⅰ（DSA01）使用说明》。

2．按附图1连接系统。

负载模式选择为恒转矩模式，负载给定为零；确保各给定和反馈极性正确合理，反馈系数α、β调至最大；“工作模式我把”置“直流调速”档。

3．调节器ASR、ACR接成1:

1的比例状态（Rn＝Ri=R0＝40kΩ）；正、负给定置0V；切断转速和电流负反馈（转速和电流调节器接线端子Un和Ui的反馈输入改为接地）。

4．经实验指导教师检查认可后，打开总电源（左下面板），检查各指示灯状态，确认无异常后开始以下步骤。

（二）静态参数的整定

1．主要单元环节的检查、调整及其参数整定

1）闭合控制电路（电源控制与故障指示（CTD）控制电路按钮ON），主电路保持分断，将给定单元的阶跃开关S2拨向上方；依次使正、负给定U*n＝±0.5、±2V，测量ASR、ACR的输入、输出，检查比例特性；取U*n＝±2V，Cn＝Ci＝2μF，用万用表分别测量ASR、ACR的输出并整定其限幅。

2）．检查并调整“触发器单元GT1”和“直流调速系统主电路”，整定触发零位：

用双踪示波器检查“双路晶闸管移相触发器”斜率、相位、双窄脉冲输出；检查主电路接线，确认触发电路和主电路正常后，整定系统零位，即微调“DT04”单元的偏置电位器，使U*n＝0时，触发角α＝90°。

2．电流内环静态参数整定

1）给定及给定积分器（DG01）单元的阶跃输出端U*n1由引向转速调节器的U*n端改为直接直接引向电流调节器的U*I输入端，（即暂且去掉ASR，注意！

U*n1端不得与ASR的U*n端和ACR的U*i端同时相接）；电流调节器ACR接成PI调节器（取Ri=R0＝40kΩ、Ci＝2μF）。

检查无误后闭合主电路。

2）负载给定为0，给定单元的极性开关S1拨向下方，缓慢增大给定直至U*n＝－U*im；（－U*im为转速调节器ASR的下限幅）待系统稳定运行后，同时调节电流反馈和负载转矩直至Id＝Idm＝1.5Idnom（设电流过载倍数λ＝1.5，若λ不同，系数应随之变更），整定电流反馈系数β＝U*im／Idm，并锁定之。

系统重新稳定运行后，减小给定U*n至0，电机停止后切除主电路。

3．转速外环静态参数整定

1）闭合控制电路，将励磁电流整定至额定值，恢复“转速、电流双闭环直流调速系统”（即恢复ASR的给定输入引自给定单元的阶跃输出端U*n1，ACR的输入U*i引自ASR的输出），将ASR接成PI调节器（取Rn=R0＝40kΩ、Cn＝2μF）。

经检查无误后闭合主电路。

2）给定单元的极性开关S1拨向上方，逐步增加给定使U*n=U*nm=+8V，电机升速至某值稳定后。

调节（减小）转速反馈直至n＝nnom，以完成转速反馈系数α＝U*nm／nnom的整定，并锁定之。

3）减小给定U*n至0，电机停止后切除主电路。

负载给定为零。

（三）转速、电流双闭环直流调速系统的静特性研究

“转速、电流双闭环直流调速系统”的二个调节器（ASR、ACR）都是PI调节器，无论是内环（电流环）还是外环（转速环）都是无静差系统。

理论上，无静差系统的静特性是一条平行于横坐标的直线，即偏差ΔUn＝U*n－Un＝