小功率直流随动系统设计.docx
- 文档编号:6437820
- 上传时间:2023-01-06
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:362.17KB
小功率直流随动系统设计.docx
《小功率直流随动系统设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《小功率直流随动系统设计.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
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:
Inthispaper,low-powerDCservosystemtocarryoutastudyanddesign.Withthefirstexperimentaldynamicsystemmodelingandexperimentaltesting,tobuildaservosystemblockdiagramofthesystem;andthenusingthefrequencyoflawadvancedsystemdesigncorrectiondevice,andusecomputersimulationsoftwareMatlabsimulationofthesystem;theendofthecalibrationdeviceacircuitdesignandproduction,tocorrectthesystem,allowingthesystemtomeettheperformancerequirements.Itsmodeling,simulationandcalibrationnetworkdesignissimple,thestudyofothertypesofservocontrolsystemhasacertainreference.
Keywords:
Low-powerDCservosystemModelingSimulationLeadcorrection
目录
一、引言3
二、设计任务3
2.1设计题目3
2.2设计要求3
三、设计原理3
3.1随动系统的结构原理3
3.2随动系统建模4
四、系统部件特性测试4
4.1主要设备仪器4
4.2电位器传递系数Kp的测定4
4.3功率放大器特性测定5
4.4电动机的传递函数6
4.5电动机死区电压Ui测定6
4.6电动机时间常数Tm测定6
4.7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、电路制作与调试9
十、课程设计过程与心得体会10
10.1课程设计过程10
10.2问题与解决方法10
10.3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:
Ts≤60ms,Mp≤20%。
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3.1
3.2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
Tm—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
/°
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
电压/v
0.02
-2.1
-4.2
-6.28
-8.38
-10.45
0
10.34
8.25
6.22
4.7
2.09
-0.02
输出电压的差值
Kp==4
角度差*∏/180°
4.3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=26.7ohm
f
/°
5
8
16
23
32
37
44
Vout
/v
2.2
2.2
2.2
2
1.88
1.8
1.55
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=2.6
4.4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Tm和传递函数Km,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/v
0.6
0.6
0.6
0.6
电压/v
0.5
0.5
0.4
0.5
4.6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K对电动机施加阶跃输入作用,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K,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/v
5
10
15
Ts/ms
120
117
120
Tm/ms
40
39
40
Tm平均值/ms
40
4.7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Kt=1。
因此,电动机的传递系数:
Ua/v
5
10
15
Ut/v
9.6
20.2
31.3
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/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:
σ%=(7.4-5)/5*100%=48%、ts=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)a>1
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/(0.04*w0*w0)=0
得出w0=28rad/s
r0=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=54rad/s
Wm=Wc=54rad/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7.2
Ts=40ms≤60msMp=(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
图8
如图8为校正器原理图。
Kp=(Rf+Ri)/Ri=1.2
aT=(Rf//R1+R2)*c=0.04
T=R2*c=0.003
求得:
Ri=43kRf=10kR1=6kR2=300ohmC=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=42.2kRf=10kR1=5.7kR2=354ohmC=10uf
校正后系统指标为:
Ts=60msMp=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Protel99SE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。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 功率 直流 系统 设计