自控课程设计报告.docx

自控课程设计报告.docx

《自控课程设计报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自控课程设计报告.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

自控课程设计报告

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

一、广义对象组成

1、被控对象工作原理及被控量

被控对象：

电动机

被控量：

电动机的转速

直流电动机的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为F=BLI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。

2、功率放大器工作原理

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β倍，β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β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原来的β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。

3、测速元件工作原理

Ea=Ceφn当每极磁通一定时,Ea=Ken。

式中，Ke=Ceφ称电势系数。

因此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。

4、测速光栅盘

测速装置是由市场上购买的光栅盘，参见图3.8，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。

光栅盘上有200个孔，对应车轮滚动一周，将有200个脉冲信号产生。

车轮周长为0.167m，即车轮每转动一周，小车将移动0.167m，也将有200个脉冲产生，对应到每个脉冲车体移动距离为0.167m/200=0.000853m。

这样在固定的时间段内计脉冲的个数就可以达到测速的目的。

采用定时的时间间隔为0.1s，实际车速1m/s对应的脉冲数为117个。

车速脉冲对应公式参见公式：

光栅盘及光藕

其中，v为车速，L为车轮的周长，z为栅盘的齿数，Ts为时间间隔，N为计到的脉冲数。

二、广义对象数学模型的建立

1、实验方法建立

时域法：

通过测量对应特定输入信号的系统输出响应，来确定系统的传递函数。

按t1/t2的值估计结构形式

i.当t1/t2<0.32可以用一阶惯性环节近似

G（S）=

T=

，附加e-ts（时间死区延迟）

ii.当0.32

T1+T2=（t1+t2）/2.16,

T1·T2/（T1+T2）2=（1.74*t1/t2-0.55）

iii.t1/t2=0.46,G（S）=

K/（ToS+1）2，To=

iv.t1/t2>0.46,G（S）=K/（TS+1）n，n=（

+0.5）2n为整数

T=

2、辨识广义对象的传递函数

转速为2000转∕分时的曲线：

T1时刻的3张截图

T2时刻的3张截图

N（0）及N（∞）的截图

当前转速稳态值C（∞）=1992稳态时间ts=0.11s

0.8[C（∞）－C（0）]+C（0）=16600.4[C（∞）－C（0）]+C（0）=1074

计算得：

综上，系统数学模型可近似为二阶惯性系统

系统闭环传递函数为：

系统开环传递函数为：

第二章单闭环转速控制系统分析计算

一、转速控制系统动态结构图

简单模型建立的步骤有：

1）建立模型窗口。

2）将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口，对模块进行连接，从而构成需要的系统模

二、未加校正时闭环系统稳定性分析

用劳斯判据：

s20.000039491

s10.0370

s00.0370

可以判断出系统稳定。

3、未加校正时闭环系统的稳态误差分析

图2.1稳态误差分析图

（1）、峰值时间tp阶跃响应曲线第一次越过稳态值而达到峰点需要的时间。

（2）、超调量σ%阶跃相应超出稳态值的最大偏差量与稳态值之比的百分数，即

σ%=

×100%

式中

为h（t）的最大峰值；h（∞）为h（t）的稳态值；若h（∞）=1时，超调量即为σ%。

一般情况下，超调量愈大，系统的瞬态响应振荡得越厉害，因此，超调量的大小在一定程度上反映了系统振荡的趋势。

（3）.调节时间ts响应到达并停留在稳态值的

5%误差范围内所需的最小时间。

调节时间又称为过渡过程时间。

（4）.延迟时间td响应曲线h（t）上升到达稳态值的50%所需要的时间，叫做延迟时间

（5）.上升时间tr响应曲线第一次上升到稳态值所需要的时间，叫做上升时间。

（6）.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，ess=

s·

·

上述六项性能指标中，延迟时间td，上升时间tr和峰值时间tp均表征系统响应初始段的快慢；调节时间ts表征系统过渡过程持续的时间，从总体上反映了系统的快速性；超调量δ%是反映系统响应过程的平稳性；稳态误差则反映了系统复现输入信号的最终（稳态）精度。

今后我们侧重以超调量，调节时间和稳态误差这三项指标，分别评价系统单位阶跃响应的平稳性，快速性和稳态精度。

如果某些系统要求响应过程单调上升，并逐步逼近希望值，即cr=c（

），也就是要求δ%=0,ess=0时，则对系统的结构形式和元，部件参数均有严格要求。

因此，根据不同的具体情况，不同的系统，对稳，准，快的要求可以不同。

一般来说，对同一个系统稳，准，快是相互制约的。

提高过程的快速性，可能会引起系统的强烈振荡；改善了系统的平稳性，过程又可能很滞缓，甚至使用、稳态精度很低，如何来分析和解决这些矛盾，将是此次课程设计的主要内容。

四、未加校正时闭环系统动态质量超调量、稳定时间计算

1、零、极点方法

将传递函数化为零极点式：

其中：

σ%=

×100%=0

ess=

s·

·

=2000

=10rad

2、对数幅频特性、相频特性

未加校正系统Bode图

第三章转速控制系统的校正

一、校正方式选择

选PID校正。

（1）附加负实根极点，使δ%减小，使系统响应速度降低，tp增大。

（2）附加负实根零点，使δ%增加，使系统响应速度降低，tp减小。

（3）闭环增益改变，对动态性能无影响。

（4）加比例环节可以提高系统增益。

（5）加微分环节可以加快系统的调节时间。

（6）加积分环节可以减慢系统的调节时间。

二．用根轨迹图选择串联校正装置结构

如果比例控制系统的静差达不到设计要求，这时可以加入积分作用。

在整定时积分系数K1由小逐渐增强，观察输出会发现，系统的静差会逐渐减少甚至消除，知道消除静差的速度满意为止。

注意这时的超调量会比原来加大，应适当的降低一点比例系数Kp。

校正后系统根轨迹图

其中σ%=0.1%，tS=0.042,ess=0

所以该调节符合系统的参数要求

三、加校正装置后转速闭环控制系统的动态结构图

第四章用MATLAB/simulink对转速控制系统仿真研究

一、转速自动控制系统的仿真程序

1、未加校正装置时的仿真程序

num=[0.995]

den=[0.00003949,0.037,1]

g=tf（num,den）

step（g）

gridon

由图得：

ess=0,

=0,ts=0.19s

二、仿真操作方法

在MATLAB/Simulink下进行仿真计算。

Simulink模块库简介

1、建立空白文档。

2、将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口，对模块进行连接，从而构成需要的系统模型。

3、用示波器观察控制系统Simulink仿真结果。

仿真结果分析

由图得：

ess=3.7%，

=0ts=0.16s

经过给系统加PID校正，仿真后，由仿真结果可知系统的延迟得到改善,基本上消除了延迟环节,系统ts<0.5s,δ%<5%，说明所加的校正装置改善了原来系统的质量指标.所选的参数也基本符合要求.，但出现了静态误差。

一般我们所选的参数都大于实际值.这是机器和数据传输中产生的误差,我们可以忽略.

第五章转速控制系统校正装置实现与调试

一、模拟电路实现校正装置

1、电路形式

2、电阻、电容参数选择

二、差分方程实现

1、校正装置传递函数用差分方程表示

数字PI调节规律数字化。

PI微分方程

位置式：

增量式：

2、系数确定

三、转速自动控制系统的调试运行

1、调试步骤

将数学模型换成电机

将加入的校正环节（数学模型），换成实际中的电机将原记录的参数加入得到图像，观察是否与仿真后的图像相吻合

2、结果分析

校正后电机转速图

所选参数：

Kp=1.3,Td=180msTi=80ms.

由图得：

ess=0，

=0ts=0.08s

第六章结束语

一、课程设计的收获和体会

通过课程设计，我们将理论与实践更好的联系起来，通过不断尝试校正，不断修改参数，我们从中掌握了PID校正的一般规律，并且加深了对理论知识的理解。

经过本次自动控制原理实验的学习，我对MATLAB当中的SIMLINK有了全新的认识，那是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。

同时通过课程的学习，复习了SIMLINK中的各个环节的操作，掌握了改变步长和算法的基本分析方法。

对我们当代大学生来讲，要想立足于社会实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。

这也是一次预演和准备毕业设计工作。

通过课程设计，让我找出自身情况与实际需要的差距，并在以后的学习期间及时补充相关知识，为求职与正式工作做好充分的知识、能里准备，从而缩短从校园走向社会的心理转型期。

课程设计达到了专业学习的预期的。

二、建议

1、建议课程设计安排在学完此课程的下一个学期，这样大家可以对课程的有一个全方位的了解，也能保证课程设计的质量。

2、在以后的学习中，希望能有更多的机会能参加实践，积累一些实践经验。