《运动控制》讲解.docx

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《运动控制》讲解

运动控制》

实验指导书

控制科学与工程学院自动化系

房方编

华北电力大学（北京）

二00六年六月

1.实验总体目标

运动控制实验是运动控制课程的实验部分，与理论部分同步开设，属于非独立实验课程，

是理论教学的深化、补充与完善，具有较强的实践性，是培养学生动手能力的重要教学环节，也是深入理解课堂教学知识的有效手段。

本实验的开设将培养学生掌握基本的实验方法和操

作技能，在实验中提高学生的自学能力、实践能力、数据分析和处理能力、运用理论解决实

际问题的能力、组织能力以及文字表达能力等，进一步完善自动化专业学生的知识结构，为

他们走向工作岗位打下良好的基础。

2.适用专业

自动化专业

3.先修课程

自动控制原理、电力电子学基础、运动控制系统

4.实验课时分配

实验项目

学时

实验一

单闭环直流调速系统实验

2

实验二

小功率直流随动系统实验

2

5.实验环境

（1）XSJ-II型小功率随动系统学习机，10台；

（2）双踪示波器，10台；

（3）数字万用表，10台。

6.实验总体要求

（1）预习

在实验前做好预习工作，是保证实验顺利进行的必要步骤，也是培养学生独立工作能力、

提高实验质量与效率的重要环节。

要求做到：

A.实验前复习课程的有关章节，熟悉有关理论知识；

B.认真阅读实验指导书及主要实验设备的使用说明书，了解实验系统的工作原理，明

确实验中应注意的问题。

有些内容可以到实验室对照实物进行预习；

C.结合实验线路图，确定接线方式，根据实验步骤，列出实验时所需记录的数据表格。

（2）实验过程

A.合理分工，协同工作

实验分组进行，每组3人，组长负责实验的组织安排，小组成员分工完成接线、参数调整、数据测量及记录等工作。

在实验过程中务求人人动手，分工配合，协调操作，做到实验内容完整，数据记录正确。

B.按图接线，简单明了

根据给定的实验线路及选用的仪表设备，按图接线，力求简单明了，避免重复。

导线长

短合适，连接牢固，减少不必要的接触故障。

C.确保安全，检查无误

为确保安全，线路接好后应互相检查并请指导教师检查，确认无误后方可合闸通电。

D.按照步骤，操作测试

按照实验步骤由简到繁逐步进行操作测试。

实验中严格遵守操作规程和注意事项，仔细观察实验中的现象，认真做好数据测试工作，将理论分析与预测趋势相比较，判断数据的合理性。

E.认真负责，完成实验

实验完毕后，应将记录数据交指导教师检查，经指导教师认可后方可拆线，整理现场，并将导线分类整理，仪表、工具归还原处。

（3）注意事项

为了顺利完成实验，确保实验时的人身和设备安全，养成良好的用电习惯，应严格遵守

实验室的安全操作规程，并注意下列事项：

A.人体不可接触带电线路；

B.电源必须经过开关接入设备，接线或拆线均需在断开电源的情况下进行；

C.实验中如发现问题应立刻切断电源，保持现场，协助教师查明原因后，方能继续进行实验；

D.使用仪器、仪表时要注意选择合适的量程范围，以防损害设备，同时保证数据测量的精度；

E.不动与本实验无关的仪器设备。

实验一

实验二

单闭环直流调速系统实验1

小功率直流随动系统实验4

实验一单闭环直流调速系统实验

、实验目的

（1）了解转速单闭环直流调速系统的组成；

（2）掌握单闭环直流调速系统的调试方法；

（3）深入理解转速负反馈在系统中的作用；

（4）分析扰动作用的形式及位置对调速系统的影响。

实验类型（含验证型、设计型或综合型）

综合型实验。

三、实验仪器

（1）XSJ-II型小功率随动系统学习机;

（2）双踪示波器；

（3）

数字万用表。

图1-1XSJ-II型小功率随动系统学习机

四、实验原理

采用闭环调速可以提高系统的动静态性能，转速单闭环直流调速系统是常用的形式。

本

实验以XSJ-II型小功率随动系统学习机为基础，采用插接连线的方式，搭建控制电路，优点是原理清晰、简便易行。

实验原理线路如图1-2所示。

本实验装置采用运算放大器+功率放大器联合给直流电动机供电，属于小功率调速（随动）系统。

电动机的转速由同轴连接的测速发电机测得，经电位器RP9分压后形成转速反

馈信号Un,与转速给定信号U*n比较，经转速调节器A1形成控制电压，从而驱动运算放大器A3和功率放大器给直流电动机供电。

在本实验中，转速调节器A1可以采用比例调节器或比例积分调节器，增加调节器的比例系数即可提高系统的静特性硬度，但比例系数过大也会对系统的稳定性产生影响。

五、实验内容和要求

（1）开环实验

A.断开给定电位计RP1和测速发电机的反馈信号，使系统处于开环状态，将运算放大器A1的放大倍数置1;将A1输入端X5接地，输出端X7与功率放大器输入端X13相连，把电位器RP7置于中间位置，调节“平衡调节”电位器RP8,使功率放大器输出端X19为0。

B.将A1输入端X5与接地端断开，接入给定电位器RP1的X1端，使给定电位计RP1转过一个小的角度（给定一个小的电压信号），则电动机有一个恒定转速。

继续增大或减小

电位计的角度，观察电机转向及转速的变化情况。

C.用数字万用表测量给定电位计RP1输出端及测速发电机反馈电压信号的极性，判断

反馈接入点如何连接，确保系统能够形成闭环负反馈。

（2）单闭环调速实验

有静差调速系统试验

A.将给定电位计RP1恢复到0位，把测速电机的反馈信号与运算放大器A1的反馈端

X6相连，判断该连接是否可以形成负反馈，如果不行则要进行信号极性的变换；

B.调整给定电位计RP1的旋转角度（调节给定电压U*n的大小），观察电机转向及转

速的变化情况，与开环时的转速变化情况进行比较。

C.用数字万用表或示波器测量给定电压U*n和反馈电压Un，观察二者是否相等或基本

相等。

D.通过调节电位器RP2改变运算放大器A1的比例系数，观察电机转速的调节性能；不断增大运算放大器A1的比例系数，观察电机转速的稳定性是否受到了影响。

无静差调速系统试验

A.将给定电位计RP1恢复到0位，在运算放大器A1的反馈部分串入一个1犷的电容,

构成比例积分调节器；调整给定电位计RP1的旋转角度，观察电机转向及转速的变化情况，

与开环及采用比例调节器时的转速变化情况进行比较。

B.用数字万用表或示波器测量给定电压U*n和反馈电压Un,观察二者是否相等或基本

相等。

（3）抗扰性能实验

A.将给定电位计RP1恢复到0位，电机停止转动后，在运算放大器A1的输入端X5

加入一个10V的阶跃型扰动（先连接VS1与X5，通过开关S2加入扰动），观察电机转速的变化情况，分析系统的抗扰动能力。

B.将扰动源与运算放大器A1的输入端断开，等电机停止转动后，在功率放大器的输入端X13加入10V的阶跃型扰动（先连接VS1与X13，通过开关S2加入扰动），观察电机转速的变化情况，分析系统的抗扰动能力。

C.根据上述A、B两组实验分析扰动发生的位置与系统抗扰动能力的关系。

六、注意事项

（1）完成线路连接，经指导老师检查正确后方可接通电源；

（2）调节器的初始位置应设置的比较小，防止直流电动机发生震荡；

（3）电机启动时，给定电位器必须缓慢增加给定，以免产生过大的冲击电流；

（4）实验中如发现问题应立刻切断电源，保持现场，协助教师查明原因后，方能继续进行实验；

（5）使用仪器、仪表时要注意选择合适的量程范围，以防损害设备，同时保证数据测量的精度。

七、思考题

（1）开环调速系统与闭环调速系统的调速范围有什么不同？

为什么？

（2）系统闭环稳定运行以后，如果突然断开反馈环节，则电机的转速会发生什么变化？

为什么？

（3）调节器比例增益的变化对系统的性能有什么影响？

试分析原因。

（4）调节器中加入积分作用后，给定电压U*n和反馈电压Un是否能达到完全一致，为什么？

（5）不同位置的阶跃扰动（在调节器的输入和输出端分别加入）对转速的影响有何不同？

为什么？

实验二小功率直流随动系统实验

、实验目的

（1）了解小功率直流随动系统的组成；

（2）掌握直流随动系统的调试方法；

（3）深入理解位置负反馈在系统中的作用；

（4）分析扰动作用的形式及位置对随动系统的影响。

实验类型（含验证型、设计型或综合型）

综合型实验。

三、实验仪器

（1）XSJ-II型小功率随动系统学习机;

（2）双踪示波器；

（3）数字万用表。

四、实验原理

本试验分别对单闭环位置随动系统和具有转速负反馈并联校正的双闭环位置随动系统进行研究，实验线路分别如图2-1和图2-2所示。

图2-1单闭环位置随动系统实验原理图

本实验装置采用运算放大器+功率放大器联合给直流电动机供电，属于小功率随动系

统。

电动机的转角由同轴连接的位置电位器RP10测得，形成转角反馈信号Up,与由电位器

RP1给出的转角给定信号U*p比较，经位置调节器A1形成控制电压一一转速环的给定值信号；电动机的转速由同轴连接的测速发电机测得，经电位器RP9分压后形成转速反馈信号

Un；与转速给定信号U*n比较，经转速调节器A2驱动运算放大器A3和功率放大器给直流电动机供电。

五、实验内容和要求

（1）系统输出调零

断开给定电位计RP1和测速发电机的反馈信号，使系统处于开环状态，将运算放大器

A1的放大倍数置1;将A1输入端X5接地，输出端X7与功率放大器输入端X13相连，把电位器RP7置于中间位置，调节“平衡调节”电位器RP8，使功率放大器输出端X19为0。

（2）反馈极性判断

A.将A1输入端X5与接地端断开，接入给定电位器RP1的X1端，使给定电位计RP1

转过一个小的角度（给定一个小的电压信号），则电动机有一个恒定转速。

用数字万用表测

量给定电位计RP1输出端及测速发电机反馈电压信号的极性，判断反馈接入点如何连接，

确保系统能够形成闭环负反馈；

B.记住电机的转动方向，将给定电位器RP1置0（或断开），按原来电机的转动方向，用手转动电机轴使反馈电位计从0位转过一个角度，用数字万用表测量反馈电位计的输出电压极性，判断反馈接入点如何连接，确保系统能够形成闭环负反馈。

（2）单闭环位置随动系统实验

A.将给定电位计RP1恢复到0位，把位置电位器的反馈信号与运算放大器A1的反馈

端X6相连，判断该连接是否可以形成负反馈，如果不行则要进行信号极性的变换；

B.调整给定电位计RP1的旋转角度（调节给定电压U*p的大小），观察电机转向及转

角的变化情况，判断电机的实际转角是否能较好地跟踪给定值；

C.通过调节电位器RP2改变运算放大器A1的比例系数，观察电机转角的调节性能；不断增大运算放大器A1的比例系数，观察电机转角调节的稳定性是否受到了影响。

（2）双闭环位置随动系统实验

A.将给定电位计RP1恢复到0位，把运算放大器A1的输出端X7与运算放大器A2的输入端X10相连，运算放大器A2的输出端X12接运算放大器A3的输入端X13；

B•把测速发电机的反馈信号与运算放大器A2的反馈端X9相连，判断该连接是否可以

形成负反馈，如果不行则要进行信号极性的变换；

C.调整给定电位计RP1的旋转角度（调节给定电压U*p的大小），观察电机转向及转

角的变化情况，判断电机的实际转角是否能较好地跟踪给定值；

D.通过调节电位器RP2改变运算放大器A1的比例系数，观察电机转角的调节性能；不断增大运算放大器A1的比例系数，观察电机转角调节的稳定性是否受到了影响。

六、注意事项

（1）完成线路连接，经指导老师检查正确后方可接通电源；

（2）调节器的初始位置应设置的比较小，防止直流电动机发生震荡；

（3）电机启动时，给定电位器必须缓慢增加给定，以免产生过大的冲击电流；

（4）实验中如发现问题应立刻切断电源，保持现场，协助教师查明原因后，方能继续进行实验；

（5）使用仪器、仪表时要注意选择合适的量程范围，以防损害设备，同时保证数据测

量的精度；

七、思考题

（1）调速系统具有开环和闭环之分，位置随动系统是否也有开环和闭环之分？

为什么？

（2）从理论上分析，相比于单闭环位置随动系统，具有转速负反馈并联校正的双闭环位置随动系统有什么优势？

实验结果能否证明这种优势？

为什么？

（3）调节器参数的变化对系统的性能有什么影响？

试分析原因。

（4）根据实验时记录的数据，在实验电路图上标注出给定信号、反馈信号及调节器输出信号的极性。

试给出在实验装置上改变反馈信号极性的几种方法。