小功率直流随动系统设计.docx
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小功率直流随动系统设计
小功率直流随动系统设计
【摘要】：
本文对小功率直流随动系统进行了研究与设计。
首先对随动系统进行了实验建模与实验测试，构建了随动系统的系统框图;然后采用频率法为系统设计超前校正装置,并使用Matlab计算机仿真软件对系统进行了仿真;最后对校正装置进行了电路设计与制作，对系统进行校正，使系统满足了性能指标要求。
其建模、仿真以及校正网络设计方法简单易行,对研究其他种类的随动控制系统具有一定的借鉴作用。
【关键词】：
小功率直流随动系统建模仿真超前校正
Abstract：
Inthispaper,low-powerDCservosystemtocarryoutastudyanddesign.Withthefirstexperimentaldynamicsystemmodelingandexperimentaltesting,tobuildaservosystemblockdiagramofthesystem;andthenusingthefrequencyoflawadvancedsystemdesigncorrectiondevice,andusecomputersimulationsoftwareMatlabsimulationofthesystem;theendofthecalibrationdeviceacircuitdesignandproduction,tocorrectthesystem,allowingthesystemtomeettheperformancerequirements.Itsmodeling,simulationandcalibrationnetworkdesignissimple,thestudyofothertypesofservocontrolsystemhasacertainreference.
Keywords：
Low-powerDCservosystemModelingSimulationLeadcorrection
目录
一、引言3
二、设计任务3
2.1设计题目3
2.2设计要求3
三、设计原理3
3.1随动系统的结构原理3
3.2随动系统建模4
四、系统部件特性测试4
4.1主要设备仪器4
4.2电位器传递系数Kp的测定4
4.3功率放大器特性测定5
4.4电动机的传递函数6
4.5电动机死区电压Ui测定6
4.6电动机时间常数Tm测定6
4.7电动机传递系数Km测定6
五、未校正系统阶跃响应7
六、系统校正设计7
七、校正后系统的matlab仿真8
八、电路设计及参数选择9
九、电路制作与调试9
十、课程设计过程与心得体会10
10.1课程设计过程10
10.2问题与解决方法10
10.3心得体会11
十一、参考文献11
十二、附录11
一、引言
随着科学技术的进一步发展，自动控制已广泛地用于工业、农业、商业、军事等各领域，成为现代技术的重要组成部分。
本课程设计是自动控制原理课程学习的一个重要环节，我们的设计内容是以一个“小功率直流随动系统”为研究对象，综合应用控制原理所学的理论和已掌握的实验技能，按着给定的性能指标，独立地分析设计并通过实验研究、调试出一个符合性能指标的电机随动系统。
通过该实践环节，提高自己的分析问题和解决实际问题的能力，巩固和应用所学的知识，提高实践能力，把理论跟实践很好结合起来。
二、设计任务
2.1设计题目
小功率直流随动系统
2.2设计要求
1.按照给定的性能指标，分析并建立实际电路模型并对其实验仿真。
2.测试电机参数，建立电机模型，并根据系统的性能指标设计校正网络，对已设计的电路优化，并进行实验仿真。
3.性能指标：
Ts≤60ms，Mp≤20%。
4.控制范围：
+170°误差+3°。
5.制作PCB板并进行调试改进，制作出满足指标要求的角度随动系统。
三、设计原理
3.1随动系统的结构原理
位置随动系统是一种位置反馈控制系统。
如果反馈电位器的轴与电动机轴联接起来，并将反馈电位器的输出电压U0接到A1的输入端，如图3.1所示，便构成了位置控制系统或称随动系统。
给定电位器和反馈电位器组成一对误差检测器，当给定电位器转过一个角度时，误差检测器产生偏差电压，该电压经放大后驱动直流电动机，电动机带动负载（惯性论）转动的同时，也带动反馈电位器的电刷转动，使误差检测器产生的偏差电压减少，直至减少到零，在新的位置平衡为止。
从而实现被控制轴与给定电位器的输入轴随动的目的。
因此，这又称之为角度随动系统。
图3.1
3.2随动系统建模
图3.2.1
未校正角度随动系统模型如图3.2.1所示,由图3.2.1可得到系统的原理框图如下：
图3.2.2
随动系统的开环传递函数为：
Kp--电位器传递系数
K1、K2—第1、第2级运放增益
Ke—功率放大器增益
Km—电动机传递系数
Tm—电动机时间常数
四、系统部件特性测试
4.1主要设备仪器
1.直流稳压电源
2.模拟示波器
3.数字存储示波器
4.数字万用表
5.毫伏表
6.直流电机及测速机
7.XSJ-2实验平台（编号：
6）
4.2电位器传递系数Kp的测定
给定电位器和反馈电位器的结构参数相同，测量Kp时，利用给定电位器或反馈电位器均可。
测量方法如下：
将电位器的转轴对准某一角度，测量其输出电压，然后将转轴转过一定角度，再测量其输出电压，于是求得电位器的传递系数Kp。
测量方法：
将给定电位器接±12V，从0度位置开始，每转过30度测量一次电压,得到测量结果为：
角度
/°
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
电压/v
0.02
-2.1
-4.2
-6.28
-8.38
-10.45
0
10.34
8.25
6.22
4.7
2.09
-0.02
输出电压的差值
Kp==4
角度差*∏/180°
4.3功率放大器特性测定
将信号发生器接到功放输入端，并用毫伏表测量输入信号幅值，功放输出端接R，用示波器测量输出端波形，用毫伏表测量输出端电压幅值。
Vin=2Vpp=0.85V,R=26.7ohm
f
/°
5
8
16
23
32
37
44
Vout
/v
2.2
2.2
2.2
2
1.88
1.8
1.55
据此可画出功率放大器的幅频特性如图4.3:
图4.3
则Ke=V0/Vin=2.6
4.4电动机的传递函数
因控制电机电枢绕组电感电动机转子惯量影响很小，在建立电动机的数学模型时，常将电枢绕组的电感忽略不计。
这样，电动机的传递函数可近似用下式表示：
式中——电机的输入电压——电动机输入的角速度。
因此，确定了电动机的时间常数Ｔm和传递函数Ｋm，电动机的传递函数即被确定。
4.5电动机死区电压Ui测定
将稳压电源置于最小档，合上开关，慢慢增大到电机刚刚转动，读下这时的Ui，将电机的起始位置防在及格不同角度，重复实验。
将输入电压反极性重复上述实验，可得到两个转动方向的死区电压平均值和最大值。
正向
反向
电压/v
0.6
0.6
0.6
0.6
电压/v
0.5
0.5
0.4
0.5
4.6电动机时间常数Tm测定
在开环系统中，由于放大器都可以认为是无惯性环节，直接操纵开关Ｋ对电动机施加阶跃输入作用，将测速发电机的输出电压接到存贮示波器保存，记录电动机转速变化的阶跃响应曲线。
根据这条曲线从0上升到稳态值的0.632倍的时间即是Tm。
记录阶跃响应曲线时，间断操作时间开关Ｋ，输入不同幅值的阶跃信号，记录不同输入对应的Tm值。
带大惯性轮负载
Vin/v
5
10
15
Ts/ms
120
117
120
Tm/ms
40
39
40
Tm平均值/ms
40
4.7电动机传递系数Km测定
直接利用直流测速发电机来测量转速,该测速发电机的传递函数系数Ｋt＝１。
因此，电动机的传递系数：
Ua/v
5
10
15
Ut/v
9.6
20.2
31.3
得出:
Km=2
所以原系统的开环传递函数为：
G（s）=k1*k2*ke*km/s*（Tm*s+1）=31.2/s*（0.04s+1）
五、未校正系统阶跃响应
图5
如图5所示为原系统的闭环阶跃响应：
σ%=（7.4-5）/5*100%=48%、ｔs=450-100=350ms
所以原系统无法满足指标要求，需要进行校正。
六、系统校正设计
通过引入比例环节，能迅速反应误差，减少稳态误差，减少调节时间。
引入微分环节能抑制误差，防止过冲而导致振荡。
所以选择超前校正环节对系统进行校正，利用PD的相角超前特性，改善系统的动态性能。
PD校正器的传递函数为:
Gc（s）=（1+aTs）/（1+Ts）a>1
可以采用频率法求解传递函数：
对于原系统G（s）=31.2/s*（0.04s+1）有:
L（w0）=20*log31.2/（0.04*w0*w0）=0
得出w0=28rad/s
r0=180°-90°-arctan（0.04w0）=42°
系统的最大超前角:
=r-r0+15°=60°
所以a=（1+sin
）/（1-sin
）=14
又L（wc）=0得:
Wc=54rad/s
Wm=Wc=54rad/s
所以T=1/Wm*
=0.03
得出校正器的传递函数为:
Gc（s）=（0.04s+1）/（0.003s+1）
七、校正后系统的matlab仿真
图7.1
图7.1为校正后系统的框图，通过仿真可得到它的阶跃响应如图7.2：
图7.2
Ts=40ms≤60msMp=（5.2-5）/5*100%=4%≤20%
所以符合系统指标要求。
八、电路设计及参数选择
图8
如图8为校正器原理图。
Kp=（Rf+Ri）/Ri=1.2
aT=（Rf//R1+R2）*c=0.04
T=R2*c=0.003
求得:
Ri=43kRf=10kR1=6kR2=300ohmC=10uf
九、电路制作与调试
实际电路中，采用lm358双运放，双电源供电，提高了精度。
电阻采用精密可调电位器，同时引出测试点，方便调试。
做pcb时，加粗线路，并且敷铜，提高电路板抗干扰能力。
涂上酒精松香溶液，防止线路氧化。
电路pcb如图9.1所示：
图9.1
做完电路板后，先检查电路是否虚焊、搭线，再检查电源是否短路。
确保无误后再接到系统中调试。
首先按照理论设计的参数，调好电阻电容，给系统输入阶跃信号，用万用表测量输入输出电压，观察示波器输出波形，测量校正后系统的性能指标。
如果不符合指标要求，再慢慢调整电路。
最终调整后的电路参数为：
Ri=42.2kRf=10kR1=5.7kR2=354ohmC=10uf
校正后系统指标为:
Ts=60msMp=3.6%控制范围+170°误差≤+3满足系统性能指标要求。
校正后系统的阶跃响应如下图9.2所示：
图9.2
十、课程设计过程与心得体会
10.1课程设计过程
1、通过认真听取老师的讲解，了解了随动系统的基本原理和组成。
2、通过对原系统的测试，掌握了原系统的参数和指标。
3、通过查阅书本和参考资料，完成了校正装置的设计，并且对校正装置进行了仿真。
4、完成了电路的设计与制作。
5、对校正后系统进行实验测试，达到了预期性能指标，完成了课程设计。
10.2问题与解决方法
在实验过程中不免遇到各种问题，需要认真观察与分析，排除各种问题。
在实验过程中，首先要检查线路是否短路断路，电源是否正常，各个芯片是否正常工作。
然后再一个一个模块测试，查看各模块是否正常工作和出现的各种误差。
最后再组成系统，进行调试，测量系统的性能指标。
在接成闭环反馈系统之前，一定要判断好反馈的极性，当极性为负时才能接成闭环反馈系统。
如果出现电机在调速运转，应该查看线路是否正常，电机是否接反。
理论设计好的电路参数，接到实际系统中还需要慢慢调试，更改参数以达到性能指标要求。
如果电路出现振荡，应该减小比例增益，或者增大微分系数。
调节时间过大，可以增大比例系数，加快反应速度。
超调过大，可以增大微分系数，减少超调量。
10.3心得体会
通过课程设计，使我掌握了随动系统的基本原理和组成，巩固了自动控制原理知识，掌控了自动控制原理在实际中的应用。
提高了对控制系统的理论分析与设计能力，提高了自己的实践动手能力。
但是这个课程设计应该还得改进和提高，由于原系统是采用实验箱，各个模块也已经给出，限制了学生对整个系统的深入理解和创新能力，同时也出现了学生之间电路的雷同和实验参数的雷同，我认为应该让学生自行设计整个系统，并对自己设计的系统进行测量与校正，以提高学生的项目能力和创新能力。
十一、参考文献
[1]胡寿松自动控制原理（第四版）北京科学出版社
[2]华成英模拟电子技术基础北京高等教育出版社
[3]黄忠霖控制系统MATLAB设计与仿真北京国防工业出版社
[4]张伟Protel99SE实用教程北京人民邮电出版社2008
十二、附录
原系统特性测试及校正后系统性能指标参见实验报告。
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