南工程自控课设有刷直流电机有刷直流电机速度闭环设计及实物调试.doc
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自动控制原理课程设计
成绩
南京工程学院
课程设计说明书（论文）
题目有刷直流电机速度
闭环设计及实物调试
课程名称自动控制原理
院系电力工程学院
专业建筑电气与智能化
班级建筑电气
学生姓名
设计时间2014.12.15-2014.12.27
设计地点工程实践中心8-323
指导教师
2014年12月南京
目录
一课程设计任务书…………………………………………3
二软件仿真单元……………………………………………7
三硬件调试单元…………………………………………17
四总结………………………………………………………25
五参考文献…………………………………………………26
南京工程学院
课程设计任务书
课程名称自动控制原理
院（系、部、中心）电力工程学院
专业建筑电气与智能化
班级建筑电气
姓名
学号
同组学生姓名
起止日期2014.12.15-2014.12.27
指导教师
1．课程设计应达到的目的
1、通过有刷直流电机速度闭环仿真及实物调试熟悉课程设计的基本流程；
2、掌握控制系统的数学建模；
3、掌握控制系统性能的根轨迹分析或时域特性分析；
4、掌握频率法校正或根轨迹法校正；
5、能够根据性能指标，设计控制系统，并完成相应实验验证系统的设计和实验操作；
6、学会用MATLAB进行基本仿真。
2．课程设计题目及要求
课程设计题目：
有刷直流电机速度闭环系统的设计及实验研究
课程设计要求：
1．分析系统的工作原理，进行系统总体设计。
2．选择系统主电路各元部件。
3．进行触发电路、速度环电路的设计，并完成其单元调试。
4．构成开环系统，并测其动态特性。
5．测出各环节的放大倍数及其时间常数。
6．分析单闭环系统的动态性能。
7．比较开环时和单闭环时的动态响应。
8．软件仿真部分构成速度闭环系统，并测其动态性能指标和提出改善系统动态性能的方法，使得系统动态性能指标满足σ%<20%，＜0.15s,<0.85s.
9.硬件调试部分需对硬件的组成加以认识，对硬件进行接线，将硬件与控制箱进行连接，并调节使之稳定，通过示波器观察后逐步调节达到优化设计。
10．对本课程设计提出新设想和新建议。
3．课程设计任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求〕
课程设计任务
（1）复习有关教材、到图书馆查找有关资料，了解速度闭环直流调速系统的工作原理。
（2）总体方案的构思
根据设计的要求和条件进行认真分析与研究，找出关键问题。
广开思路，利用已有的各种理论知识，提出尽可能多的方案，作出合理的选择。
画出其原理框图。
（3）总体方案的确定
可从频域法、跟轨迹法分析系统，并确定采用何种控制策略，调整控制参数。
（4）系统实现
搭建系统上的硬件电路，实现开环控制，记录实验数据。
引入闭环控制，将设计好的控制策略实现其中，根据实际响应效果调整参数直至最优，并记录数据
4．主要参考文献
1、薛定宇.反馈控制系统设计与分析[M].北京:
清华大学出版社,2000.
2、飞思科技产品研发中心.MATLAB7辅助控制系统设计与仿真[M].北京:
电子工业出版社,2005.
3、胡寿松.自动控制原理[M].4版.北京:
科学技术出版社,2001.
4、白继平，徐德辉.基于MATLAB下的PID控制仿真[J].中国航海，2004（4）：
77-80.
5、吴素平，刘飞.直流电机调速系统模糊控制仿真分析[J].长沙电力学院学报（自然科学版）.2006.4:
34-37.
5．课程设计进度安排
起止日期
工作内容
12月15日－12月15日
12月16日－12月17日
12月18日－12月19日
12月21日－12月22日
12月23日－12月25日
认识系统构成和原理分析
数学建模
控制策略研究和仿真
实物接线和调试
撰写设计说明书、设计计算书及资料整理
6．成绩考核办法
1、考核方法：
平时表现，设计成果，答辩表现。
2、成绩评定：
平时表现30%，设计成果40%，答辩表现30%。
教研室审查意见：
教研室主任签字：
年月日
院（系、部、中心）意见：
主管领导签字：
年月日
（二）正文
有刷直流电机速度闭环设计及实物调试
该题目包括MATLAB软件仿真和硬件实物调试部分，软件仿真的目的是对
系统先进行建模，然后设计控制器使其满足任务书上的性能指标要求，并调整控制器参数，分析控制器各参数对系统稳定性的影响。
硬件调试的目的是为了实现理论和实践的结合，将仿真得到的心得体会在硬件平台上加以验证，以便得到更加形象具体的认识。
软件仿真单元
由图1可见要想实现系统的软件仿真必须知道四个单元的传递函数：
控制器、功率放大单元、直流电机和转速测量。
其中控制器传递函数因设计而异，可以选择PI或者PID等。
转速测量单元和功率放大单元的传递函数可近似为比例系数。
直流电机传递函数需要通过数学建模得到，建模方法可参考相关文献[1]和书籍，其中电机参数可参考表1。
图1直流电机调速系统框图
1.直流电机的物理模型及数学建模
⑴物理模型
图2直流伺服电机的物理模型
—电枢输入电压（V） —电枢电阻（Ω） —电枢电感（H）
—感应电动势（V） —电机电磁转矩 （N·m） J—转动惯量
（kg·） b—粘性阻尼系数（N·m·s） —流过电枢的电流（A）
θ—电机输出的转角（rad）
表1直流电机参数
参数
参数意义
参数值1
参数值2
参数值3
参数值5
电枢绕组/
0.5
2.0
4
0.1
电枢电感/H
0.003
0.5
机械转动惯量/（）
0.0167
1
0.06
电机常数/（Nm/A）
0.8
0.2
0.03
0.02
转子阻尼系数/Nms
0.0167
0.3
⑵数学建模
根据基尔霍夫定律和牛顿第二定律对图表1所示的电机列基本方程:
公式1
公式2
公式3
公式4
式中：
为电机的转矩常数（N·m）A;
为感应电动势常数（V·s）rad。
对公式1-4进行拉普拉斯变换，得到：
公式5
公式6
公式7
公式8
设Ω（s）=s·θ（s）,则有刷直流电机模型的方块图如图所示：
+
—
消去公式5-6的中间变量,整理得
公式9
即G（s）就是有刷直流电机的开环传递函数。
实验选取第二组参考数值：
第二组直流电机参数
参数
J
K=（）
b
参数意义
电枢绕组/Ω
电枢电感/H
机械转动惯量/（kg·）
电机常数/（Nm/A）
转子阻尼系数/（N·m·s）
参数值
2.0
0.5
1
0.2
1.75×
带入参数得到电机的传递函数为：
公式10
2.绘制系统的开环传递函数的单位阶跃响应
开环系统阶跃输入响应仿真如图3所示：
图3系统的开环传递函数的单位阶跃响应图
由图表3的系统开环传递函数的单位阶跃输入的响应，即电机输入1V单位阶跃电压时，响应曲线不停上升，没达到要求，需要进行校正。
3.PID校正
⑴建立系统的仿真模拟结构图
图4系统仿真模拟结构图
因为
公式11
PID控制器公式：
公式12
所以：
P（比例系数）=（比例常数）
I（积分系数）=（积分时间常数）
Ｄ（微分系数）＝（微分时间常数）
分步骤实现系统的PID校正。
表2齐格勒-尼克尔斯整定公式（第二种方法）
控制器类型
由阶跃响应整定
P
0.5
PI
0.45
/1.2
PID
0.6
0.5
0.125
⑵进行比例（P）校正
控制器的传递函数为
对闭环系统只作用比例控制作用，使从0增加到临界值。
由劳斯判据可得：
公式13
，因此：
50.4
202
0.16-2
2
当达到系统振荡的临界值时，0.16-2=0,即=0.8时系统临界振荡。
所以=0.8。
∵P=∴P=0.8
如图5所示调节P=0.8。
图5P=0.8，I=0，D=0
得到如图表6所示比例控制的系统临界振荡输出。
图6比例控制的系统临界稳定闭环输出
为临界振荡的输出波形的周期，可用示波器测量，由图6可以得出，=23.6s。
由齐格勒-尼克尔斯整定公式可得：
=0.5。
∵P=
∴P=0.5=0.4
如图7所示调节P=0.4。
图7P=0.4，I=0，D=0
得到如图8所示的比例控制的系统闭环输出
图8P=0.4，I=0，D=0时比例控制的系统闭环输出
由图6和图8可以发现减小P环节之后，系统超调量减小，系统的调节时间却增大，因此仅只有P环节进行控制，无法达到预期的设计要求，需进一步进行校正。
⑶进行比例积分（PI）校正
控制器的传递函数为
由齐格勒-尼克尔斯整定公式可得：
=0.
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