KSD1型晶闸管直流随动控制系统的分析.docx
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KSD1型晶闸管直流随动控制系统的分析
前言
这次的课程设计是基于自动控制理论的，主要是练习自动控制系统的校正方法。
本报告主要是采用老师课上所教的串联校正的方法：
串联滞后校正，串联超前校正，串联滞后-超前校正。
然后分别按照预定的系统指标进行设计，求出校正系统的传递函数，得出校正后系统的传递函数。
最后通过matlab软件来加以验证校正好的系统的各项性能指标，若满足要求则求出校正系统的网络参数，否则返回去改变校正时选择的参数，继续校正直到符合要求为止。
在撰写报告的过程中可能会有许多不规范的地方，希望老师能指出错误。
谢谢！
编者
2014年3月
自动控制理论课程设计任务书
一、题目：
KSD—1型随动系统实验装置的分析及校正。
二、目的和要求：
1、利用所学的《反馈控制理论》知识分析KSD—1型随动自动控制系统，并设计该系统的校正装置，使之满足给定的指标要求。
通过本课程设计，加深对反馈控制理论的掌握、理解，并使之与实际联系相结合。
2、培养对自动控制系统及其有关部件的分析研究、计算、校正、调试的能力。
3、提高实验技能，了解设计步骤，培养学生分析问题和解决问题的能力。
三、设计内容：
1、了解KSD—1型晶闸管直流随动系统实验装置的总体结构、主要单元的作用和工作原理。
2、求取各环节的数学模型。
3、设计校正环节，使整个系统达到给定的性能指标。
4、每个同学必须独立完成课程设计报告，并由指导教师进行质疑考核。
四、课程设计报告内容：
1、整个装置的工作原理及任务指标。
2、主要环节数学模型的求取。
3、校正装置的设计。
4、整个装置性能指标的验算。
5、校正网络的实现。
6、收获体会和存在问题的分析。
五、工程图纸：
1、校正网络电路图一张。
2、伯德图一张。
3、系统框图一张。
六、设计时间：
一周。
KSD-1型随动系统的工作原理和性能指标
工作原理：
KSD-1型随动系统实验装置是采用自整角机作为反馈元件，线性运算放大器作为放大元件。
可控硅作为功率放大元件，直流伺服电机作为执行元件的小功率随动系统。
为了改善系统的动态品质指标，采用了直流测速发电机反馈作为并联校正，用电压放大器作为有源串联校正器。
本系统是采用电枢控制直流伺服电机的随动系统，系统采用变压式自整角机对，用来测量两个机械的转角差，当系统静止时两个自整角机转子相对于三相绕组的夹角之差为零。
两个自整角机处于平衡状态，自整角接收机
的输出绕组没有电压输出，整个系统处于协调状态。
假设系统有一输入角
，这时，自整角机的转子相对于三相绕组的夹角差不为零，于是自整角接收机的输出绕组就输出误差电压
，通过输出变压器加到全波桥式相敏整流器上，相敏整流器输出直流时，脉动很大，必须通过低通滤波器消除不必要的频率成分，取出近似正比于误差角的直流有效讯号，（具有正、负极性）加到线性组件
的反向输出端，经过电压放大后，加到同相器TX和反相器PX的同相和反相输入端作为可控硅（简称S、C、R），控制角的控制信号，经触发线路
或
产生触发脉冲，去触发可控硅，有可控硅功率放大器输出控制伺服电动机转动，经过减速器i同时带动自整角接收机
的转子转动，直至
跟上
的转角后，系统重新处于平衡，为了使系统正常工作，改善系统的动态品质，必须加入串联校正装置或并联校正装置。
校正后系统性能指标：
（1）输入轴最大变化速度50度/秒，最大角加速度50度/秒²。
（2）静态误差不大于0.5度。
（3）震荡次数小于2次。
（4）超调量≤30%。
（5）调节时间≤0.7秒。
（6）系统速度误差≤1度（最大速度为50度/秒）。
r=50t
（7）执行电动机参数。
执行电机类型
型号
功率
电流
电压
转速
激磁电压
直流执行电动机
S569
160
瓦
2.2
安
110
伏
3300
转/分
110
伏
主要环节数学模型
1、敏感元件—自整角机
本系统采用图1所示的变压器式自整角机对，用来测量两个机械轴的转角差。
自整角机发送机
的转子与输入轴相接。
接收机
的转子和系统输出轴相连，自整角机对必须事先校正零位。
图1
变压式自整角机对的原理图
确定自整角机对的传递函数
假设系统的输入角为
，系统的输出角为
，角
为系统误差角，即
，如图1所示。
设在
的激磁绕组上加交流电压
（1）
则在接收机
的变压器绕组上输出的感应电势
为
（2）
接收机的感应电势是一个调幅的载波信号，载波频率与发送机激磁电源频率相同，在工频情况下f=50周/秒，自整角机的输出特性如图2所示。
由图2（b）可见，输出电压的有效值是失调角
的正弦函数（图中包络虚线）即
（3）
通常随动系统工作期间，失调角
（绝对值）是比较小的，其输出电压
曲线可以看成直线，（3）式可近似写成
（4）
由此可见，自整角机对的传递函数可看成是一个线性放大环节，即在
处的斜率
（5）
图2自整角机对的输出特性
因此，可用实验测得其输出特性如下，
和
分别为N404和CC405。
误差角
（度）
‐12
‐9
‐6
‐3
0
3
6
9
12
输出电压
（伏）
9
6.6
4.3
2.3
0.4
1.9
4.1
6.4
8.8
3
3
3
3
3
3
3
3
2.4
2.3
2.3
1.9
1.5
2.2
2.3
2.4
取其增量的平均值，则有：
伏/度
换算成弧度
伏/度=40伏/弧度
2、相敏整流元件与低通滤波器
系统相敏整流元件选用的是二极管全波桥式相敏整流器，相敏整流的特点是输出直流电压的极性能反映输入交流信号的相位，输入控制信号为自整角机变压器输出电压
，交流同步电压U～为参考电压。
实验测得相敏整流电路的输入—输出特性，相敏整流器的传递函数可以测量结果得出（取线性范围内）
图3相敏整流器与滤波器测量示意图
0
0.6
1
1.6
2
0.6
0.4
0.6
0.4
0
0.476
1.1
2.1
2.6
0.476
0.624
1
0.5
相敏整流器的传递函数为
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