课程设计小功率直流随动系统的设计.docx

1、课程设计小功率直流随动系统的设计课程设计小功率直流随动系统的设计一、主要仪器设备： 小功率直流随动系统 示波器、万用表二、设计要求1设计小功率直流随动系统，随动系统原理结构图如图5-1所示。要求在大惯性轮为负载时，其性能指标为：闭环系统的单位阶跃响应 % 20 % Ts 602、调节器部分元器件参数（1）测量电位器：高精度长寿命塑料电位器 WDD65S-2；阻值1 K，功率2W，电气角度340；机械转动角度360无止挡；线性度0.5%；（2）直流力矩电机（型号SYL-1.5）转子绕组绝缘电阻不小于100兆欧；转子绕组经受耐压500伏/1分钟；静摩擦力矩（组装式）0.0294 N.m；空载启动电

2、流0.18安；转子直流电阻（20C）27欧姆10%；连续堵转力矩0.147 N.m -5%；连续堵转电流0.9安；连续堵转电压约20伏；空载转速约800转/分；（3）测速电机（型号：70CDY-1）灵敏度1伏/弧度/秒；波纹电压1%（20转/分 时波动峰值对平均值）；每转波纹频率33周/转；线性度1%；最大运行速度400转/分；直流电阻230欧姆（20C）；静摩擦力矩 300g.cm。三、数据测试及记录原系统各环节各参数测量记录1、 给定电位器传递系数Kp的测量将给定电位器从零度角旋转一定的小角度Q，并用万用表测量记录下此时电位器的电压U1；在角度Q的基础上，再使电位器旋转角度Q，并用万用表记

3、录下此时的电位器电压U2；依次增加电位器的角度，记录当时的电位器电压Up，记录的数据如下表：旋转角度Q0/18/9/62/95/18/37/184/9/2-/18-/9电位器电压Up（V）0.010.731.412.102.803.494.204.915.576.28-0.68-1.40Up0.720.680.690.700.690.710.710.660.710.680.72表中Up=Up（n+1）- Up（n） 其平均值为Up=1/11（0.72+0.62+0.69+0.70+0.69+0.71+0.71+0.66+0.71+0.68+0.72）=0.70而电位器传递系数Kp=Up/Q=0

4、.70183.14=42、 功率放大器特性测试使用30欧姆的电阻作为假负载，使输入信号为幅值不变的正弦波，并逐渐提高频率，记录下不同频率下功率放大器输出端的电压幅值（示波器监测输出波形），记录数据如下表：输入信号电压峰峰值为Vin=6.56v（保持不变）时间（ms）8.677.676.676.576.476.376.276.176.07电压（V）9.528.407.607.507.447.367.207.127.04功放级的传递系数为 Ke=Vout（低频段）/Vin=9.52/6.56=1.453、 执行电机和测速电机各参数测试采用过度过程法测电机参数，测试时应将反馈电位器脱开，测速电机则联

5、在一起测试：（1） 执行电机和测速电机死区电压测试：将稳压电源置于最小档，和上开关K后，慢慢增大电压到电机刚刚开始转动，读下此时的电压值U1，将电机起始位置放在几个不同的角度，重复实验；将输入电压反极性重复以上步骤，就可以得到两个方向死区电压的平均值和最大值，记录数据如下表：起始位置0/6/3/2顺转电压（V）1.401.451.441.39平均值最大值逆转电压（V）1.451.501.441.491.451.50（2） 电动机时间常数的测定在带大惯性轮的情况下，在稳压电源启动并稳定后，利用开关K作为阶跃输入，在DF4211 示波器上观察得到的指数曲线，如下图：即可读出过渡时间Ts=3Tm，记

6、录得数据如下表：带大惯性轮输入电压（V）235过渡时间（ms）105120136平均值（ms）120 根据公式Tm=1/3 Ts有 Tm=40ms=0.04s （3） 电动机传递系数Km的测定：直接利用直流测速发电机测量转速，而该测速发电机的传递系数为Kt=1，所以电动机的传递系数可以用以下公式求得： Km=Ut/Kt/Ua=Ut/Ua实验测得的数据得下表：Ut（V）54.912.255.56Ua（V）26.36.483.10Km2.101.901.79Km的平均值1.934、 将整个系统的各个环节连接起来，构成一个位置随动系统，其原理结构图如下图： 图1由以上实验数据有，图中Kp=4，K1，

7、K2都可以有自己设计，此时我们取K1=K2=1，而Ke=1.45，Km=1.93，Tm=0.04，即可得以上的系统为如下图： 图2即可有原系统的传递函数为 G（S）=11.194/（0.04S2+S+2.7985）将此系统在MATLAB6.5软件上仿真可得原系统的阶跃响应曲线波形 图3观察此波形可得出其超调量%=3%，过渡时间Ts=500ms，其传递函数的伯德图如下: 图 4在这设计中，我们采用PID校正来对原系统进行校正，使其校正后的系统能够达到所要求的性能指标。从该系统的伯特图和仿真波形来看，要求校正环节能够提高系统的响应速度以及校正后系统的伯特图在wc处的斜率为-20dB/dec且小于-

8、40dB/dec并具有较宽的频带。原系统的伯特图在wc处的斜率小于-20dB/dec,这就需要我们所加的PID校正环节的微分环节处于低频段以使校正后的系统波特图在wc处斜率为-20dB.积分环节处于高频段，使其幅频特性曲线在高频段下降很快以增强系统对噪声的抑制能力。使1/T1和 1/T2落在原系统波德图wc的两端并尽量使校正后系统的波德图的 wc大一些.加校正环节后的框图如下： 图 5校正环节的电路图： 图 6 其中，Rp=5k.校正后的仿真得到如下波形如下图:从仿真波形来看，校正后的系统基本满足要求的系统性能指标，即% =10.9%20 % Ts=46ms60ms 图7. 校正后的伯德图如下

9、图：其中相角裕量Pm=84.8， 幅值裕量为无穷大 图 8四、实验过程及结果描述经过前几天的数据测试及其计算得出了校正环节各参数，测量这些参数是根据其基本系统结构图测量出来的各个环节的参数，并经过整理得出了系统的传递函数为： G（S）=11.194/（0.04S2+S+2.7985）经过软件的仿真，可得出其阶跃响应曲线，当然此时的系统阶跃响应曲线的响应速度不符合设计要求，所以我们利用PID（比例-积分-微分）环节对系统的动态性能和静态性能都进行调整，使其能达到设计要求，即：超调量% = 20%, 调整时间 Ts = 60ms.设计的PID校正环节的传递函数如下： G1（S）=（S+2）（1.5

10、S+150）/S 将此环节加入到系统中，其系统的结构图如图5，将此加入校正环节的系统进行MATLAB仿真，得到了如图7的系统阶跃响应曲线，由图可得其阶跃响应曲线符合设计要求，其超调量% 20%,其过渡时间Ts 60ms 。既而将此校正环节进行电路参数，并按照PID环节设计出了电路图如图6，将此电路图在PROTEL99上进行PCB电路板制作，按照电路中的各参数购买各种元器件，制作了一块PID校正环节的电路板。电路板制作好后，结合原实验箱上的原系统，进行阶跃响应曲线测试，但结果并不如MATLAB软件中仿真效果那么好，得到的数据如下图：（1）输入Ui=1.04V时的波形如下：Uo=1.04V %=0

11、， Ts=180ms（2）输入Ui=2.02V时的波形如下：Uo=2.02V ，%=0，Ts=280ms（3）输入Ui=2.98V时的波形如下：Uo=2.99V ，%=0，Ts=390ms可由以上阶跃响应曲线得出，实际电路中，原系统经过所设计PID校正环节的校正，也并不能达到设计所要求的性能参数，实际电路存在许多不确定因素，使得实验结果达不到设计要求，说明所设计的校正环节还不够正确，所设计的校正的环节虽然在MATLAB软件中仿真能达到设计要求，但是没考虑到实际电路中的存在的不确定因素影响，但具体什么原因将在下面的实验结果分析中具体分析。五、实验结果分析 首先，我们先从开始测原系统各环节参数开始

12、分析。 我们测量的第一组数据是给定电位器传递系数Kp的测量，在此次测量过程中，电位器处于不同的角度上，用万用表进行多次测量电压，最后取其平均电压，每两组数据之间的电压差值都差不多，且取了十多组数据取其平均值，所以这样的一个数据测得误差不会太大，受到外界因素的影响也比较小，所以次组数据是比较准确的。在这下一步，我们测量的是功率放大器的传递系数Ke，其值是输入信号在低频段时，输出电压与输入电压的比值。在测量此组数据的过程中，我们进行了多次测量，在不同的时刻进行测量，曾经出现过许多不同的结果，有的时候测得的结果Ke非常小，竟然小于0.01，这明显不符合实际情况，经过多次调节功放平衡调节旋钮，最终得到

13、相对正确的结果，输出波形也较为正确，此时计算其结果可得功放的传递系数为Ke=1.45，但是我觉得此传递系数还是存在相当大的误差，不管是人为造成的，还是仪器造成的原因。测量完功放传递系数，原系统的下一级就是电机环节各参数的测量。在此环节的参数测量上，我们首先测的是电机时间常数Tm。测量电机时间常数Tm是在带大惯性轮的情况下，利用开关作为阶跃输入，并根据示波器上输出电压波形的指数曲线来读出过渡时间Ts=3Tm，改变输入电压，使之分别为2V，3V，5V，测量出这三种情况下的输出波形曲线上过渡时间Ts的值，我觉得在这环节上，根据一定读数方式，误差不会太大，所以此组数据应该是比较准确的。接下来测量电机传

14、递系数Km，在测量此组数据时，测量了三组电压值不一样时的电压比值，但其结果相差较大，然后取三组数据的平均值，其中最大值与最小值相差竟达0.4，所以我认为这测量过程中，必定存在什么其他元素的影响，使得不同输入电压下，输入电压与输出电压比值存在如此大的偏差。综合以上的分析，在数据测量这块上，有两个地方可能存在较大的偏差，即功放传递系数Ke和电动机传递系数Km，这两组数据直接影响到校正环节设计加入原系统中后的校正效果，所以也可能是校正后达不到实验设计要求的原因之一。在原系统各环节的参数计算完全后的几天时间里，我们运用实验箱上的运放电路进行了校正环节的设计，尽管有的电路参数达不到精确的要求，但其电阻电

15、容的值基本上已经近似达到了实验要求。在这样的条件下，对原系统进行校正，但根本就达不到实验设计要求，接入校正环节后，电机转动甚至是连续转动，或者是振荡，使得系统到不稳定由于这样的情况的出现，我们在实验过程中，不断检查自己的连线是否正确，也在适当的改变着校正环节的各参数，就这样的一个过程就发费了我们将近一周的时间，我们始终不相信在MATLAB的仿真成功的校正环节，怎么在实验箱上无法实现于是我们也想到了EWB软件的仿真，由于刚刚开始接触该软件，其中很多功能都不知道用，经过一段时间的学习，对EWB软件有了个大概了解后，运用其对该系统进行了仿真，在这软件中仿真可得其原系统的阶跃响应曲线如下图 图 9 T

16、s=324.519ms 将设计的校正环节加入系统后，再一次进行仿真，得到的结果却是振荡的波形但是在MATLAB软件中仿真是符合实验要求的啊，考虑到这样的情况，我们对校正电路参数进行了适当的修改，但是还是一直是使系统不稳定。由于MATLAB 软件中的仿真效果成功，我们还是制作了一块PID校正环节的电路板，并在实验台上进行测试。实验测试结果如实验结果描述中的那样，达不到实验要求。由于时间问题，在实验验收后，我们在EWB软件上继续重新设计校正环节，总结了上一个PID的校正环节，PID环节给原系统又加入了一个积分环节，使得原系统变成了三阶系统，系统的稳定性就更难掌握。于是我们就直接设计了一个微分环节即比例微分环节，该环节的电路图如下图所示 图 10加入以上微分环节后仿真的结果如上图，效果远比加入PID校正环节要好。虽然还是没严格达到实验设计要求。六、实验总结与心得体会 在大一大二的基础课程学完后，并在大三上学期接触了一定的专业课自动控制原理基础上，在这个学期在老师的指导下我们做了这个课程设计实验，这是一次时间比较长的课程实验任务，需要一个系统的设计