小功率直流随动系统设计.docx

1、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：In this paper, low-power DC servo system to carry out a

2、 study and design. With the first experimental dynamic system modeling and experimental testing, to build a servo system block diagram of the system; and then using the frequency of law advanced system design correction device, and use computer simulation software Matlab simulation of the system; th

3、e end of the calibration device a circuit design and production, to correct the system, allowing the system to meet the performance requirements. Its modeling, simulation and calibration network design is simple, the study of other types of servo control system has a certain reference.Keywords： Low-

4、power DC servo system Modeling Simulation Lead correction目录一、引言 3二、设计任务 32.1设计题目 32.2设计要求 3三、设计原理 33.1随动系统的结构原理 33.2随动系统建模 4四、系统部件特性测试 44.1主要设备仪器 44.2电位器传递系数Kp的测定 44.3功率放大器特性测定 54.4电动机的传递函数 64.5电动机死区电压Ui测定 64.6 电动机时间常数Tm测定 64.7 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

5、制作与调试 9十、课程设计过程与心得体会 1010.1 课程设计过程 1010.2 问题与解决方法 1010.3 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

6、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 ：Ts60ms，Mp20% 。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

7、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3.13.2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T

8、m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/0306090120150180210240270300330360

9、电压/v0.02-2.1-4.2-6.28-8.38-10.45010.348.256.224.72.09-0.02 输出电压的差值Kp= =4 角度差*/1804.3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=26.7ohmf/581623323744Vout/v2.22.22.221.881.81.55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=2.64.4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

10、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m和传递函数m，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/v0.60.60.60.6电压/v0.50.50.40.54.6 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，直接操纵开关对电动机施加阶跃输入作用，

11、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，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/v51015Ts/ms120117120Tm/ms403940Tm平均值/ms404.7 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t。因此，电动机的传递系数：Ua/v51015Ut/v9.620.231.3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

12、/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：% =(7.4-5)/5*100%=48 %、s= 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) a1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

13、.04*w0*w0)=0得出w0=28 rad/sr0=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=54 rad/sWm=Wc=54 rad/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 7.2Ts=40ms60ms Mp=(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

14、图8如图8为校正器原理图。Kp=(Rf+Ri)/Ri=1.2aT=(Rf/R1+R2)*c=0.04T=R2*c=0.003求得:Ri=43k Rf=10k R1=6k R2=300ohm C=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

15、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=42.2k Rf=10k R1=5.7k R2=354ohm C=10uf校正后系统指标为: Ts=60ms Mp=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

16、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

17、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 Protel 99SE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。