自动控制原理课程设计报告模板.docx

1、自动控制原理课程设计报告模板课程设计报告正文第一章 直流电动机转速自动控制系统的组成原理1.1广义对象组成1.1.1直流电机闭环调速系统工作原理直流电机闭环调速系统工作原理框图如图所示：1.1.2被控对象工作原理和被控制量被控对象：电动机被控量：电动机的转速直流电动机的工作原理基于电磁感应定律，即：运动导体切割磁力线，在导体中产生切割电势；或者说匝线链线圈的磁通发生变化，在线全中产生感应电势。N极下到导体中的电流流出纸面，用表示；S极下到导体中的电流流出纸面，用表示；载流导体在磁场中受到电磁力的作用。如果导体在磁场中的长度为L，其中流过的电流为I,导体所在的磁通密度为B，那么导体受到的磁力的值

2、为F=BI，式中：F的单位为牛顿（N）；B的单位为韦伯/米2（Wb/m2）；L的单位为米（m）；I的单位为安（A）；力F的方向用左手定则来确定。1.1.3驱动电路及工作原理驱动电路如图所示：功放的作用是通过对控制信号的功率放大以产生足够的功率来驱动执行机构。功率放大器的工作原理就是利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率将电源转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的倍，是三极管的交流放大倍数。应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了

3、电流（或电压）是原来的倍的大信号，这种现象成了功率放大。而场效应管则是栅极变化一毫伏，原极电流变化一安，就成称跨导为1，功率放大器就是利用这些作用来实现小信号来控制大信号，从而使多级放大器实现了大功率输出，并非真的将功率放大了。1.1.4测速装置组成及工作原理测速光栅盘如下图所示： 因为电刷两端的感应电势与电机的转速成正比，即电势值能表征转速的大小，因此直流测速发电机可以把转速信号转换成电视信号，从而用来测速。测速装置是由市场上购买的光栅盘，配合着槽型光耦产生脉冲，再通过主控芯片计脉冲数来实现测速的测速装置示意图如下图所示1.2广义对象数学模型的建立1.2.1广义对象时间响应特性的测试1.2.

4、1.1测试实验原理图测试实验原理图如下图所示：1.2.1.2测试过程与方法在实验箱上接线，接线方法如下所示：C2模块的pulse孔连接到B9模块的IRQ7B9模块的OUT连接到B9的IRQ6B9的1.229MHZ连接到B9的CK1运行LABACT程序，选择控制系统菜单下的直流电机闭环调速试验项目，再选择开始实验，就会弹出速度示波器的界面。设置比例系数Kp为1，积分系数Ti为200，微分系数Td为0，设定转数T为2000转。点击“开始”后将自动加载相应源文件，然后点击“发送”，实现直流电机的闭环调速，在需要观察结果时，点击“停止”。1.2.1.3测试结果曲线由图可得：n()=2000，n(0)=

5、527，n(r)=2000，t1=0.02s，t2=0.06s1.2.2数学模型辨识1.2.2.1辨识方法选择常用的辨识方法有数学建模法和实验测试两点法，此处使用实验测试两点法：K=(n()-n(0)/(n(r)-n(0)当0.32t1/t20.46时：(s)=K/(Ts+1)2 ,T=(t1+t2)/2.16n且n=(1.075t1/(t2-t1)+05)2 (四舍五入取整)当t1/t20.32时：(s)=K/(Ts+1), T=(t1+t2)/2.12根据测速结果曲线可得n()=2000，n(0)=527，n(r)=2000，t1=0.02s，t2=0.06s因0.32t1/t20，所以系

6、统稳定。2.3系统稳态误差计算稳态误差ess ：当时间t趋于无穷时，系统稳态响应的希望值与实际值之差，叫做稳态误差。由于稳态误差与输入形式有关，故这里采用一般表示形式，设输出稳态希望值用cr（）表示，输出稳态实际值用c（）表示，则稳态误差表达式为：ess= cr（）- c（）由于此次系统在未校正时即可达到每分钟2000转，故ess= cr（）- c（）=2000-2000=0 2.3.1终值定理求误差传递函数：e(s)=E(s)/R(s)，en(s)=E(s)/N(s)用终值定理求稳态误差：ess= e(s)R(s)+en(s)N(s)故求得稳态误差ess=0 2.3.2静态误差系数法由于系统

7、是阶跃(位置)输入，且为v=0型系统；因为静态位置误差系数Kp=G(s)H(s)= K/=所以稳态误差essp=A/(1+Kp)=02.4系统动态质量指标计算2.4.1响应曲线测量， 系统响应曲线如图所示：由图可得： =0， =0.15s2.4.2在时域中计算， 系统时域曲线如图所示：由图可得： =0， =0.109s2.4.3在频域中计算， 在频域中：谐振峰值Mr：是指闭环频率特性的最大值Mmax与零频值M(0)之比。谐振频率Wr：是指出现谐振峰值Mr时的角频率。带宽频率Wb：是闭环幅频特性M(W)降低到其频率值的70.7%时所对应的频率。又可根据以下三个公式：Wr=Wn (00.707）

8、Mr越小%越小。Mr=1/2(00.707）Wbts=3.5/计算得：%=0， =0.11s2.5计算结果说明（应加校正装置）由于比例环节是用来提高响应速度；积分环节是用来减小稳态误差；微分环节也是用来提高响应速度，但会降低系统的抗干扰能力，故一般不用。又因为未校正系统的稳态误差为0，超调为0，所以本系统仅用加比例环节来提高响应速度，即减小调节时间ts。第三章 转速控制系统的校正3.1校正方式的比较与选择根据对象特征和控制要求，可以灵活改变校正装置的结构，例如：比例（P）调节器，比例积分（PI）调节器，比例微分（PD）调节器等。比例调节器是一种简单的调节器。它具有反应快，抗干扰，是被控参数稳定

9、在给定值附近。但是，对于具有自平衡系统（即系统阶跃响应为一有限值）的被控对象存在静差。对于某一给定系统，当负荷变化时，静差大小与比例作用的强弱有关。加大比例系数可减小静差，但KP过大时，会是动态质量变差，引起控制量震荡甚至导致闭死不稳定。比例积分调节器是在比例调节器的基础上增加积分调节规律。积分调节的实质是调节输出的变化速度与输入偏差的大小成正比。只要有偏差，调节器输出的调节就不断变化，执行器就不断动作，直至偏差信号消除。因此，积分作用能消除比例调节的静差。但是积分作用动作缓慢，器调节作用总是滞后于偏差信号的变化。在上述PI调节器的基础上再加上微分环节就构成了PID调节器。微分调节作用可以克服

10、积分调节作用的缓慢性，避免积分作用可能降低系统响应速度的缺点。另外，微分调节的加入有助于减小超调，克服震荡，改善系统的性能。在实际应用中，PID调节器的实现分模拟和数字模拟两种方法。模拟法就是利用硬件电路实现PID调节规律。PID数字模拟法就是对经典的模拟PID进行数字模拟，用数字调节器来替代模拟调节器。在采样周期较小时，数字模拟PID控制算法是一种较理想的控制算法。因为未校正系统的稳态误差为0，超调为0，仅需要降低调节时间ts，由此选用比例调节器对系统进行校正。3.2用Bode图选择串联校正装置结构和参数系统Bode图如图所示：由图可得：系统(Wc)=-91.5度故系统相角裕度=180度+(

11、Wc)=180度-91.5度=88.5度0，所以系统稳定。又由图可得：系统L(Wg)=-126因为h=1/A(Wg)且20lg|A(Wg)|= L(Wg),所以幅值裕度h=106.3所以系统需要串联一个比例环节进行校正，比例系数Kp定为2故串联校正装置结构如下图所示：3.3用局部反馈校正选择校正装置结构和参数为了能进一步提高校正后的系统性能，于是为添加串联校正的系统再引入局部反馈校正。但由于加入局部反馈校正后系统可能不再会达到要求的稳态值，所以还应提高原来串联校正中的Kp、使系统可以达要求的稳态值。(此处增加Kp到3)故局部反馈校正装置结构如下图所示：第四章 用MATLAB/Simulink仿

12、真设计转速控制系统4.1未加校正装置的转速控制系统的仿真分析计算未加校正装置的转速控制系统的仿真：由图可得： =0，ts=0.11s4.2加串联校正装置时转速控制系统设计串联比例环节校正装置的转速控制系统的仿真：由图可得： =0，ts=0.055s4.3加局部反馈校正时转速控制系统设计由图可得： =0，ts=0.04s第五章 转速控制系统的校正装置实现和系统运行调试5.1校正装置的实现5.1.1用模拟运算放大电路实现（线路图、电阻电容初步选择）由前面的分析可知：系统应串联一个比例系数Kp为2的比例环节，比例环节如图所示： Uo=(1+Rf/R1)Ui=2Ui5.1.2计算机编程实现校正（校正装

13、置的差分方程）用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程：式中：T采样周期(100ms)； P(n)第n次采样时计算机输出；e(n)第n次采样时的偏差值； e(n-1)第n-1次采样时的偏差值；n采样序号，n=0，1，2，3.离散化的PID位置控制算式表达式为：式中：KI=T/TI*KP积分系数； KD=TD/T*KP微分系数确定了Kp、Ki、Kd后利用如下图所示的程序框图来实现编程校正。5.2模拟控制系统的校正调试 5.2.1实验连接线路图在实验箱上接线，接线方法如下所示：C2模块的pulse孔连接到B9模块的IRQ7B9模块的OUT连接到B9的IRQ6B9的1.229MHZ连接到B9的C

14、K15.2.2调试步骤运行LABACT程序，选择控制系统菜单下的直流电机闭环调速试验项目，再选择开始实验，就会弹出速度示波器的界面。设置比例系数Kp为2，积分系数Ti为200，微分系数Td为0，设定转数T为2000转。点击“开始”后将自动加载相应源文件，然后点击“发送”，实现直流电机的闭环调速，在需要观察结果时，点击“停止”。5.2.3调试结果分析调试后的响应曲线如图所示：由图可得： =0，ts=0.05s所以校正后系统的响应时间ts减小了，满足了超调量：，调节时间：的动态质量指标，同时也满足了稳态误差的要求。第六章 结束语6.1课程设计的收获和体会转眼间，为期两周的自动控制原理课程设计圆满结

15、束了。在这两周里，指导老师先用文化课对我们进行这次自动控制原理课程设计的内容以及所需知识的讲解，然后通过分组，在实验室进行实际操作。最终我们将课堂上所学的自动控制原理知识结合Matlab软件以及它所包含的Simulink软件包综合应用在实践中实现了直流电动机闭环调速实验。通过这次自动控制原理课程设计我深深的认识到：只有将课本中的知识应用到实践中我们所学的知识才有意义，而这种将书本上的知识灵活应用于实际生产生活中的能力正是一个当代大学生所必须具备的。同时我还认识到团队合作也是十分重要的，在这次课程设计中正是通过我们三个人的群策群力克服了许多困难，最终圆满完成了课程设计的任务，而这种团队合作能力又

16、是另一个当代大学生所必须具备的素质。在这次自动控制原理课程设计中我学到了许多知识，比如Matlab软件以及它所包含的Simulink软件包的操作应用，还有PID校正的相关内容等等。这些知识不仅仅是书面上的，而更重要的是它们可以实际的应用于现实生活中的自动控制中。在这次自动控制原理课程设计中我收获了许多，但同时我也看到了自己的不足，比如在以前的学习中我只是仅限于记忆课本上的固有的知识而没有思考如何把它们应用于实践中。在以后的学习中我决心勤于思考、勇于钻研，不仅要学好课本上的知识还要以可以把它们灵活地应用于实际的生产生活中作为自己最终的学习目标而不断努力。最后我要衷心的感谢某某指导老师，正是在她细致、认真的指导下我才能顺利的完成这次自动控制原理课程设计的所有任务，并从这次课程设计中得到收获与体会。6.2建议现实生活中自动控制的应用是多种多样的，所以希望在以后开展自动控制原理课程设计时可以多增加几个自动控制的实验内容来增强大家对自动控制的理解与应用能力。希望学校可以在以后的教学中多开展类似的课程设计或实验来提高学生的动手能力与应用能力，毕竟现代社会所需求的正是应用型人才。