《电力拖动自动控制系统》课程设计伺服系统设计.docx
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《电力拖动自动控制系统》课程设计伺服系统设计
《电力拖动自动控制系统》课程设计-伺服系统设计
辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计
1、前言.....................................................................................1
1.1设计目的.......................................................................1
1.2设计内容......................................................................12、伺服系统的基本组成原理及电路设计.............................2
2.1伺服系统基本原理及系统框图...................................2
2.2伺服系统的模拟PD+数字前馈控制.........................4
2.3伺服系统的程序........................................................63、仿真波形图.........................................................................9结论.........................................................................................12心得与体会.............................................................................13参考文献.................................................................................14
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辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计1、前言
1.1设计目的
1、使学生进一步掌握电力拖动自动控制系统的理论知识,培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力;
2、使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法,提高电子电路的设计和实验能力;3、熟悉并学会选用电子元器件,为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。
1.2设计内容
1、分析和设计具有三环结构的伺服系统,用绘图软件(matlab)画原理图还有波形图;
2、分析并理解具有三环结构的伺服系统原理。
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辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计2、伺服系统的基本组成原理及电路设计
2.1伺服系统基本原理及系统框图
伺服系统三环的PID控制原理:
以转台伺服系统为例,其控制结构如图2-1所示,其中r为框架参考角位置输入信
号,为输出角位置信号.
图2-1转台伺服系统框图
伺服系统执行机构为典型的直流电动驱动机构,电机输出轴直接与负载-转动轴相连,为使系统具有较好的速度和加速度性能,引入测速机信号作为系统的速度反馈,直接构成模拟式速度回路.由高精度圆感应同步器与数字变换装置构成数字式角位置伺服回路.
转台伺服系统单框的位置环,速度环和电流环框图如图2-2,图2-3和图2-4所示.
图2-2伺服系统位置环框图
图2-3伺服系统速度环框图
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图2-4伺服系统电流框图
u,图中符号含义如下:
r为位置指令;为转台转角;为PWM功率放大倍数;,,,dvi为速度环放大倍数;为速度环反馈系数;为电流反馈系数;L为电枢电感;
CmeR为电枢电阻;为电机力矩系数;为电机反电动势系数;J为等效到转轴上的
JJbbJJmLmLmL转动惯量;b为粘性阻尼系数,其中J=+,b=+,和分别为电机和负
bbmL和分别为电机和负载的粘性阻尼系数;为扰动力矩,包括摩载的转动惯量,Tf
擦力矩和耦合力矩。
假设在速度环中的外加干扰为粘性摩擦模型:
FtFb()sgn(),,,,,,2-1fcc
控制器采用PID控制+前馈控制的形式,加入前馈摩擦补偿控制表示为:
utFb()sgn(),,,,,,fclcl
Fbclcl式中,和为粘性摩擦模型等效到位置环的估计系数,该系数可以根据经验确定,或根据计算得出。
被控对象为一个具有三环结构的伺服系统,伺服系统系数和控制参数在程序中给出描述,系统采样时间为1ms。
取M=2,此时输入指令为正弦叠加信号:
,其中A=0.5,F=0.5.rtAFtAFt()sin
(2)0.5sin(0.5),,,,t
考虑到,L和和等效到摩擦力矩端得系数可KCFbieclcl的值很小,前馈补偿系数
近似写为:
1GainKKKK,,,,,udmgR2-2
Fbclcl式中,为经验系数,摩擦模型估计系数和为:
Kg
FcF,clGain2-3
bcb,clGain2-4
系统总的控制输出为:
ututut()()(),,pf2-5
kut()ppp式中,为PID控制的输出,其三项系数为=15,=0.1,=1.5.程序如kkiiddchap01
控制系统的simulink程序:
chap01,如图2-5和图2-6所示。
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图2-5三环控制的simulink仿真程序
图2-6电机模型的simulink仿真程序
(1)带摩擦无前馈补偿时的仿真。
正弦叠加信号跟踪如图3-1和图3-2所示,由于静摩擦的作用,在低速跟踪存在“平顶”现象,速度跟踪存在“死区”现象。
(2)带摩擦有前馈补偿时的仿真。
正弦叠加信号跟踪如图3-3和图3-4所示,采用PID控制加前馈控制可很大程度地克服摩擦的影响,基本消除了位置跟踪的“平顶”和速度跟踪的:
死区,实现了较高的位置跟踪和速度跟踪精度。
2.2伺服系统的模拟PD+数字前馈控制
伺服系统的模拟PD+数字前馈控制原理
针对三环伺服系统,设电流环为开环,忽略电机反电动系数,将电阻R等效到速度环放大系数Kd上。
简化后的三环伺服系统结构框图如图2-7所示,其中u为控制输入。
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图2-7简化后的三环伺服系统结构框图
采用PD加前馈控制方式,设计的控制规律如下:
ukkrkffkekeff,,,,,,,,,[()],,,,,,,,dpv121212rrrr2-6
kkk,1dper,,,式中,,,。
kkk,2dv
1,,2,Jsbsu2-7
,,
Jbu,,,,即
将控制律带入上式,得:
,,
ffJkbke,,,,,,,,()0,,,21rr122-8取:
,fkb,,fJ,122
得到系统的误差状态方程如下:
,,
Jkbeke,,,,,()0212-9由于J>0,,kb,,0k,021
则根据代数稳定性判据,针对二阶系统而言,当系统闭环特征方程式的系数都大
于零时,系统稳定,系统的跟踪误差e(t)收敛于零。
被控对象为一个具有三环结构的伺服系统。
伺服系统参数和控制参数在程序中给
出描述,系统输入信号的采样时间为1ms,输入指令为正弦叠加信号:
rtAFt()sin
(2),,,其中A=1.0,F=1.0.u(t)为控制器的输出,伺服系统参数为:
2,b=0.50,,k,15,.则,。
程序如chap02k,2.0k,6fkb,,fJ,Jkgm,,2.0pvd122
如图2-8.曲线图3-5,曲线图3-6,曲线图3-7.
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图2-8
2.3伺服系统的程序
根据是否加入摩擦干扰和前馈不偿分别进行仿真。
初始化程序:
chap01
%ThreeLoopofFlightSimulatorServoSystemwithDirectCurrentMotor
clearall;
closeall;
%
(1)Currentloop
L=0.001;%L<<1InductanceofmotorarmatureR=1;%Resistenceofmotorarmatureki=0.001;%Currentfeedbackcoefficient
%
(2)Velocityloop
kd=6;%Velocityloopamplifiercoefficientkv=2;%Velocityloopfeedbackcoefficient
J=2;%Equivalentmomentofinertiaofframeandmotor
b=1;%Viscositydampcoefficientofframeandmotor
km=1.0;%Motormomentcoefficient
Ce=0.001;%Voltagefeedbackcoefficient
%Frictionmodel:
Coulomb&ViscousFrictionFc=100.0;bc=30.0;%Practicalfriction
%(3)Positionloop:
PIDcontroller
ku=11;%VoltageamplifiercoefficientofPWMkpp=150;
kii=0.1;
kdd=1.5;
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%FrictionModelcompensation%Equavalentgainfromfeedforwardtopracticalfriction
Gain=ku*kd*1/R*km*1.0;Fc1=Fc/Gain;bc1=bc/Gain;%Feedforwardcompensation
%InputsignalinitializeF=0.50;
A=0.50;
ts=0.001;%Samplingtime
M=2;
ifM==1%SineSignal
k=5000;
time=[0:
ts:
k*ts]';%Simulationtime
rin=A*sin(2*pi*F*time);
drin=2*pi*F*A*cos(2*pi*F*time);elseifM==2%RandomSignal
T=4999;
time=zeros(T,1);
rin=zeros(T,1);
drin=zeros(T,1);
rin
(1)=0;
drin
(1)=0;
fork=1:
1:
T
time(k+1)=k*ts;
%Randomsignal
rin(k+1)=A*sin(2*pi*F*k*ts)+0.5*A*sin(2*pi*0.5*F*k*ts)+...
0.25*A*sin(2*pi*0.25*F*k*ts);
drin(k+1)=(rin(k+1)-rin(k))/ts;end
End
初始化程序:
chap02
%FlightSimulatorServoSystemclearall;
closeall;
J=2;
b=0.5;
kv=2;
kp=15;
kd=6;
f1=(b+kd*kv);
f2=J;
F=1;
A=1;
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辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计t=[0:
0.001:
10]';%Simulationtime
r=A*sin(2*pi*F*t);
dr=2*pi*F*A*cos(2*pi*F*t);
ddr=-4*pi*pi*F*F*A*sin(2*pi*F*t);
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3、仿真波形图
图3-1正弦叠加信号跟踪
图3-2正弦叠加信号跟踪
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图3-3正弦叠加信号跟踪
图3-4正弦叠加信号跟踪
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图3-5位置波形
图3-6给定与相应波形
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辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计结论
此伺服系统在三环结构作用之下,由MATLAB的仿真结果可以看出,在正弦给定信号的作用下,系统在调节时间小于等于1S的范围内,能够做到无静差跟踪。
这样实现了伺服系统快速的跟踪给定的设计要求。
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辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计心得与体会
两周的课程设计结束了,在这次的课程设计中不仅检验了我所学的知识,也培养了我如何把握一件事情,如何去做一件事情,又如何较好地完成一件事情。
在设计过程中,与同学分工设计,与同学相互探讨,相互学习,相互监督。
学会了合作,学会了运筹帷幄,学会了宽容,学会了理解,学会了做人与处世。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练,是我们迈向社会,从事职业工作前一个必不可少的一个过程。
“千里之行始于足下”,通过这次设计,我深深体会这句千古名言的真正含义。
我用两周的时间认真的进行课程设计,学会脚踏实地地迈开这一步,就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。
通过这次电机拖动自动控制系统课程设计,本人学到了伺服系统三环的PID控制原理。
伺服系统执行机构为典型的直流电动驱动机构,电机输出轴直接与负载转动轴相连,为使系统具有较好的速度和加速度性能,引入测速机信号作为系统的速度反馈,直接构成模拟式速度回路。
由高精度圆感应同步器与数字变换装置构成数字式角位置伺服回路。
在这次设计过程中,体现自己能力以及综合运用知识的能力,体会了学以致用,突出自己劳动成果的喜悦心情,从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节,从而加以弥补。
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参考文献
[1]陈伯时(电力拖动自动控制系统(第3版)(北京:
机械工业出版社,2004([2]李德华(电力拖动控制系统(运动控制系统)(北京:
电子工业出版社,2006[3]裴润,宋申明(自动控制原理(上册)(哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社,2006([4]黄忠霖(自动控制原理的MATLAB实现(北京:
国防工业出版社,2007([51]先进PID控制及其MATLAB仿真电子工业出版社2002[6]自动控制系统机械工业出版社2003
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- 电力拖动自动控制系统 电力 拖动 自动控制系统 课程设计 伺服系统 设计