哈工大机电系统控制实验报告二.docx
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哈工大机电系统控制实验报告二.docx
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哈工大机电系统控制实验报告二
姓名:
学号:
课程名称:
实验序号:
二实验日期:
实验室名称:
同组人:
安永佳邓振强
实验成绩:
总成绩:
教师评语:
教师签字:
年月日
2.角位置伺服系统频域特性测试与分析实验
2.1实验目的
熟悉直流伺服电动机角位置控制系统的组成及各环节工作原理,包括:
电机参数、增量式码盘精度、机械负载惯量、信号采样频率、死区、控制方法等与角位置伺服系统控制性能指标的关系,针对该典型机电对象或系统,掌握输入信号的设置与离散方法,输出信号的采集与归一化方法,通过速度阶跃响应进行系统参数辨识,通过扫频法,测试系统的频域特性的相位特性和幅频特性曲线,分析系统的稳定性、快速性并掌握系统PID控制的离散方法,主要目的是培养学生进行基本性能实验和综合设计实验的能力。
1、掌握各环节的设计方法;
2、掌握机电系统基本调试方法;
3、通过扫频法,绘出系统的对数频率特性曲线,从实验数据曲线上,分析系统的稳定性、稳定裕度、快速性、频带宽、校正环节的形式与基本离散化方法。
2.2实验原理
2.2.1直流电动机角位置伺服系统组成
直流电动机角位置伺服系统,由直流减速电机、膜片联轴器、磁滞制动器、增量式空心轴码盘组成的角位置反馈闭环系统。
码盘感知的角位置信号通过采集卡的I/O传给计算机,由计算机的控制模型计算输出位置信号,通过采集卡的DA、驱动电路,使直流电动机转动,组成的计算机控制的角位置伺服系统示意图如图2.2.
2.2.2电动机及其驱动电路
直流减速电动机采用惠城区日松菱五金电气商行的Z2D15-24GN,电动机额定电压24V,额定电流1A,额定转速60rpm,额定转矩2.4Nm,减速比为50。
直流减速电动机的电枢接驱动电路板,当电动机的电枢电压从1.8v升高至7.5v时,电机转速从4.763671875度/秒(约0.79rpm)升高至243.28125度/秒(约40.5rpm),而且呈线性关系y=42.797*x−77.48,式中x为给定电压(伏),y为电机正转转速(度/秒),死区电压0∼1.81伏,线性相关系数为1,用码盘测得电动机正转转速与电枢电压的关系如图2.5
直流电动机的电枢接驱动电路板,当电动机的电枢电压从0.7v减小至-4.7v时,电机转速从12.19921875度/秒(约2rpm)升高至244.9863281度/秒(约40.1rpm),而且呈线性关系y=42.436*x−45.277,式中x为给定电压(伏),y为电机反转转速
(度/秒),死区电压0∼1.067伏,线性相关系数为1,用码盘测得电动机反转转速与电枢电压的关系如图2.6。
2.2.3输入信号
实验采用扫频方法获得实验系统的幅频特性和相频特性,系统输入为电
机电枢电压V=V0cosωt,式中,ω为输入信号的角频率,由图2.5和图2.6
知,电动机转速与电枢控制电压成线性关系,故其对应的电机的角速度余弦,
如图2.12(a),电机的角位置正弦0A=Asinωt,如图2.12(b)。
考虑正反转死区电压以及转速和电压的线性度,电压幅值0V推荐范围为2.5V~6V,余弦电枢电压的频率ω推荐范围为0.1Hz∼12Hz,其中输入的余弦电枢电压每个周期被离散为100个点,点击“启动”,生成c:
\testdata\inputfile(*Hz-*V).txt文件,文件中共保存2个周期的离散点,共200个数据点,第一列为离散点时刻,第二列为离散后该时刻的电压值。
2.2.4参数设置
当完成输入信号设置,即电动机余弦电枢电压的幅值和频率设置,需要在系
统主界面进行电机角位置采样周期的设置(系统默认为1ms),其中采样周期的
选择,必须满足采样定理。
参数设置完成后,点击“启动”,电机角度自动由码
盘采集,并生成数据文件c:
\testdata\outputdata(*Hz-*V).txt,点击“暂停”,数据
记录结束。
2.2.5输出信号
对于线性系统,系统输入正弦信号,输出一定是正弦信号,输入/输出如图
2.16。
如图2.16(b),当输入位置信号角频率
时(
为穿越零分贝线的角频率,即开环剪切频率),输出位置正弦信号的幅值
,即在对数幅频特性曲线零分贝线之上;反之,如图2.16(c),当输入位置正弦角频率
时,输出位置正弦信号的幅值
,即在对数幅频特性曲线零分贝线之下。
同理可知,当输入位置正弦角频率
时,输出位置正弦信号的幅值等于输入信号幅值。
值得注意的是,无论输入位置正弦角频率ω是多少,输出信号相对输入信号都存在时间的滞后
,对应的滞后相角
。
针对图2.1所示角位置伺服系统,输出角位置信号由码盘直接检测,输出曲线如图2.16(d)和(e),分别为输出信号曲线发生零点漂移和无零点漂移两种情况。
根据在如图2.13(a)控制系统主界面中输入的采样周期,并且自动生成c:
\testdata\inputdata(*Hz-*V).txt文件,文件的第一列为采样时刻,第二列为在该采样时刻由码盘检测得到的角度值。
c:
\testdata\inputdata(*Hz-*V).txt文件,文件的第一列为采样时刻,第二列为在该采样时刻由码盘检测得到的角度值。
2.2.7数据处理
在每个频率和输入电枢电压下得到一组输入和输出文inputdata.txt,outputdata.txt,将数据文件分别保存。
系统界面如图2.13(a),单击“启动/暂停”,数据记录结束,保存为输出文件outputdata.txt,第一列为离散点时刻(秒),第二列为离散后该时刻的角度。
5Hz6V输入数据如图2.15。
不同频率ω的输入电枢电压幅值V0和输出角位置幅值B关系可以列入表2.1,其中推荐使用信号频率ω值范围为0.1Hz∼12Hz,根据实测数据画出
与
的曲线,即为对数特性曲线中的幅频特性曲线。
输出信号的滞后时间02t根据码盘读出,输出信号相对于输入信号-的时间滞后为
秒或者
,输出信号相对于输入信号滞后的角度为
,其中不同频率的输出信号滞后输入信号的角度和频率的关系可列入表2.2,画出
与
的曲线,即为对数特性曲线中的相频特性曲线。
表2.1不同频率的输入和输出信号幅值关系
频率(Hz)
0.1
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
输入信号幅值V0(伏)
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
输出信号幅值B(度)
478.35
88.24
43.15
28.92
21.80
17.23
14.33
12.74
11.43
11.16
8.70
8.00
频率(Hz)
6.0
6.2
6.4
6.6
6.8
7.0
7.2
7.4
7.6
7.8
8.0
8.5
输入信号幅值V0(伏)
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
输出信号幅值B(度)
7.38
7.29
频率(Hz)
9.0
9.5
10
10.5
11
11.5
12
输入信号幅值V0(伏)
6
6
6
6
6
6
6
输出信号幅值B(度)
表2.2不同频率的输入和输出信号相位差
频率(Hz)
0.1
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.2
(度)
6.75
6.3
9.9
3.62
14.4
11.25
6.30
1.80
3.6\0
19.34
31.5
18.89
34.19
38.35
频率(Hz)
6.4
6.6
6.8
7.0
7.2
7.4
7.6
7.8
8.0
8.5
9.0
9.5
10
10.5
(度)
频率(Hz)
11
11.5
12
````
(度)
2.5思考题
1.电动机选择的依据是什么?
答:
⑴根据负载曲起动特性及运行特性,选出最适于这些特性的电动机,满足生产机械工作过程中的各种要求。
⑵选择具有与使用场所的环境相适应的防护方式及冷却方式的电动机,在结构上应能适合电动机所处环境条件。
⑶计算确定合适的电动机容量。
通常设计制造的电动机,在75%~100%额定负载率时,效率最高。
因此应使设备需求的容量与被选电机的容量差值为最小,使电机的功率被充分利用。
⑷选择可靠性高、便于维护的电动机。
⑸考虑到互换性,尽量选择标准电动机。
⑹为使整个系统高效率运行,要综合考虑电机的极数及电压等级。
2.系统输入余弦电枢电压的幅值和系统参数辨识精度是否有关?
为什么?
答:
无关。
因为系统输入余弦电枢电压的幅值和系统参数辨识精度没有关系,因为系统输入的幅值只会随着系统的传递函数由输出反映出来,而系统的辨识精度是指系统对输入的信号变化快慢的测量即输入的频率。
所以,系统的辨识精度只是与输入信号的频率有关系,而与幅值无关。
3.采样频率的高低对系统参数辨识精度有何影响?
答:
采样的频率越高就要求系统的辨识精度越好,这样才能够在极短的时间进行采样并且保证采样的准确性,所以说系统的辨识精度越高所能达到的采样频率也就越高。
相反,如果采样频率过高,就会使得系统的辨识精度降低,不能确保准确性。
4.分析输出信号的时域曲线零点漂移的原因;
答:
在系统的控制电路中存在放大电路,而在放大电路中任何参数的变化,如电源电压的波动、元件的老化、半导体元件参数随温度变化而产生的变化,都将产生输出电压的漂移。
所以在本次试验中,电压的波动,或者是外界环境的干扰,都会使得输出信号时域曲线产生零点漂移。
5.分析电机转速和电枢电压之间产生死区的原因?
死区如何影响系统的
控制性能?
在运动控制中如何减小死区的影响?
答:
⑴当提供的电压不足以驱动电动机时,于是产生了死区电压。
⑵死区对系统控制性能的影响:
因为有死区的存在,在电压小于死区电压时,电动机无法启动,当电压在正负之间转换时就会有一段时间电动机不能转动,从而系统的灵敏度就会降低,即系统控制的准确性和快速性都会降低。
⑶减小死区影响:
尽量增大电压升高的快速性,减小死区的时间,使电压快速的超出死区电压启动电机。
6.分析电机的正反转转速与电压的线性系数不同的原因以及如何提高系统辨识精度?
答:
电机的正反转转速与电压的线性系数不同的原因:
系统各环节存在摩擦阻力,系统的反应精度会有所降低,在电压较小时,由于外负载和各个环节的摩擦阻力,电机无法启动,当电压逐渐提高,输入转矩大于负载转矩时,电机和负载开始转动。
提高系统辨识精度:
提高码盘的相角识别精度。
7.满足相角滞后10o时的频带宽是多少?
满足幅值衰减10%的频带宽是多少?
同时满足相角滞后10o和幅值衰减10%的频带宽是多少?
答:
满足相角滞后时的频带宽是,满足幅值衰减10%的频带宽是,同时满足相角滞后和幅值衰减10%的频带宽是。
8.在绘制对数频率特性图时,为什么将余弦电枢电压幅值作为输入信号,将由码盘检测的角位置信号作为输出信号?
并分析输入信号为角位置信号时,对数频率特性的变化。
如何计算输入角位置信号的大小?
答:
输入余弦电枢电压幅值是为了获得角速度输入信号,以为码盘检测的是角位置信号,而输入信号经过系统所得到的输出信号为角位置信号,所以用码盘检测得到的角位置信号作为输出信号符合要求。
9.简述本实验涵盖的基本知识点,以及你建议可扩展实验内容。
答:
基本知识点:
系统的时间响应时域分析,系统的频率响应、频率特性、频域分析,系统的稳定性分析。
可扩展内容:
让学生自己动手编写系统的控制语言,动手组装完整的角位置伺服系统的各部件,并进行调试和测试。
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- 哈工大 机电 系统 控制 实验 报告
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