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1、,州学院GuangzhouCollegeSouthChinaUniversityofTechnology自动控制原理课程设计汇报题目：直流电机转速控制系统的动态校正专业：自动化班级：1班姓名：姚楸同组队员：陈杰涛刘志健黄俊龙吴壁文李卓鸿学号：华南理工大学广州学院电信工程学院自动化专业自动控制原理课程设计任务书（4-1）兹发给自动化2023班学生姚楸自动控制原理课程设计任务书,内容如下：一 .课程设计题目:直流电机转速控制系统的动态校正二 .应完毕的项目：（一）未校正系统参数的测定：试验时间：1周星期一上午12节；试验内容：1 .理解ACCC-IV型试验平台提供力矩电机转速控制模型的工作原理；2
2、 .通过试验测定力矩电机转速控制模型日勺传递系数Kq、电磁时间常数7；、机电时间常数3 .建立未校正直流电机转速控制系统的数学模型。（二）系统设计：由建立未校正直流电机转速控制系统的数学模型，对该系统进行动态校正装置设计。1.设计指标：静态指标：转速实现无静差调整；静差速度误差系数K,28VsO动态指标：频域指标：相角裕度48,幅值裕度46dB；系统开环频率特性日勺截止频率：相角超前校正方案时410rad/s；相角滞后校正方案时5lrads;时域指标：系统单位阶跃响应最大超调量b%30%；过渡过程时间：ts1.5秒。4 .理论设计：根据设计指标，用频率法进行相角超前校正和相角滞后校正两种设计，
3、并进行MATLAB的SlMUIJNK构造图仿真，验证两种设计方案。5 .试验系统设计线路实现：根据理论设计的相角超前校正网络和相角滞后校正网络参数，由提供的ACCC-IV型自动控制理论及计算机控制技术试验平台图纸选择RC元件和运算放大器，构造实现两种校正网络，并画出整个系统联结线路。6 .带试验参数整顿计算成果、两种设计方案、接线图按规定期间：1周星期五上午34节到B6-506室进行校核。（三）设计完毕后应缴交设计阐明书一份，包括上述设计基本内容、计算过程、试验数据、试验曲线及分析、未校正系统的数学模型、频率法相角超前校正设计和相角滞后校正网络设计两种设计方案及两种设计方案的SlMULINK构
4、造图仿真曲线、结论及心得体会。（四）设计完毕期限：本设计任务书于2023年9月2日发出，2023年9月11口上交设计阐明书。设计者：姚楸教研组主任：彭康拥同意；指导教师：彭康拥、陈雪娇签发二.力矩电机转速控制模型工作原理图LI为直流电机调速系统的构造框图，它由给定、PlD调整器、电机驱动单元、转速测量电路和输出电压反馈等几种部分构成。在参数给定的状况下，在PlD调整器的赔偿作用下，直流电机可以按给定的转速闭环稳定运转。给定Ug由ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术的试验面板上的电源单元Ul提供，电压变化范围为1.3V-15V0经PID运算后的控制量作为驱动单元输入信号，通过功率放大后驱动
5、电机运转。转速测量电路单元将转速转换成电压信号，作为反馈信号，构成闭环系统。它由转盘、光电转换和频率/电压（F/V）转换电路构成。由于转速测量的转盘为60齿，电机旋转一周，光电变换后输出60个脉冲信号，对于转速为n的电机来说，输出的脉冲频率为60nmin,我们用这个信号接入以秒作为计数单位的频率计时，频率计的读数即为电机的转速，因此转速测量输出的电压即为频率/电压转换电路的输出，这里的F/V转换率为150HzVo根据设计规定变化输出电压反馈系数B可以得到预设H勺输出电压。U0n=U0f=1/150ACCC-IV型自动控制理论及计算机控制技术试验平台直流电机调速系统采用宽调速力矩电机（简称力矩电
6、机，又称大惯量电机），它具有较大的电枢直径和较多的齿槽数以及如下特点：（1）由于直径较大，故电磁转矩较大，同步电枢转动惯量较大，热容量较大，故过载时间可较长；（2）由于Jd较大，故负载惯量变化时对系统动态性能影响小；（3）由于电枢齿槽数较多，故低速运行平稳，力矩波动小。又因力矩电机一般做成扁平状，电枢直径较大，空载转速很低，电磁较大，过载能力又强，故可直接带动负载，而无需减速器；（4）机械特性硬度大，线性好。力矩电机使用注意事项：同一般直流伺服电动机相比，力矩电机有两个特殊的技术指标，一是持续堵转矩，是指在电机长时间堵转时，电机温升不超过容许值所能输出的最大转矩。此时的电枢电流称“持续堵转电流
7、”。例如直流力矩电机SYL-20,持续堵转矩2000克厘米，持续堵转电流2.43A。第二个技术指标是峰值转矩，由于力矩电机的激磁方式是永磁的，故电枢电流对磁钢有去磁作用，因此对电枢电流要加以限制，电枢电流H勺极限值称为“峰值电流”，对应H勺转矩值称为“峰值转矩二如电枢电流超过峰值电流，则磁钢便被去磁，电机的空载速升高，转矩下降。国产SYL系列力矩电机分组装式和分装式，后者定子、转子、刷架三部分，出厂时并不组装，出厂后由顾客组装。组装前应注意用磁路环将磁路短路，以免磁钢退磁。三1.1直流电机调速系统疮图由2口：源电和15周法系之无拄凌田三.未校正系统参数的测定1、未校正系统运行试验未校正试验系统
8、的接线图如图1.2所示，除了实际的模拟对象、电压表和转速计表外,其中的模拟电路由ACCT-Il自动控制理论及计算机控制技术试验板上的运放单元和备用元器件搭建而成。参照的试验参数为:Ro=Ri=R2=100K,R3=100KC,Rl=2M,R5=10K,C=lF,R,Rl=l0详细的试验环节如下：（1） .先将AeCTTn自动控制理论及计算机控制技术（二）和ACCT-H自动控制理论及计算机控制技术面板上的电源船形开关均放在“OFF”状态。（2） .运用ACcT-II试验板上的单元电路U9、U15和UIL设计并连接如图L2所示的闭环系统。需要注意的是，运放的锁零信号G接到一15V。将ACCT-II
9、面板上Ul单元的可调电压接到Ug；给定输出接PlD调整器H勺输入，这里参照电路中Kd=O,R4的）作用是提高PT调整器的动态特性。经PlD运算后给电机驱动电路提供输入信号，即将调整器电路单元的输出接到ACCT-III面板上的低压直流电动机调速中的功率转换电路的正极输入端（IN+）,负极端（IN-）接地；转速测量的输出同步接到电压反馈输入端和20V电压表头的输入端，由于转速测量输出的电压为正值，因此反馈回路中接一种反馈系数可调整的反相器。调整反馈系数=RfRi,从而调整输出的电压UOo（3） .连接好上述线路，全面检查线路后，先合上ACCTTU试验面板上口勺电源船形开关，再合上ACCT-II面板
10、上的船形开关，观测输出电压变化状况。（4） .在闭环系统稳定的状况下，外加干扰信号，系统到达无静差。如达不到，则根据PID参数对系统性能的影响重新调整PID参数。（5） .变化给定信号，观测系统动态特性。2、未校正系统参数的测定设激磁磁通,电枢端电压为Ua,电枢电流为Ia,电机电磁转矩Ma,电机转速为n,反电势为E,电机反电势常数为Ke,转矩常数为Km,则稳态有:UQ=I凡+EE-Ce=KenMa=KmIarGD2dnCM“-Mi=O“f375dt式子中，Ra为电枢电阻，GO?/375为电枢轴上总惯量，n电机转速,Mf为电机轴上阻力矩,Ce为电机常数。电机动态方程:n，冷尸Ua(t)=Ia(t
11、)RaLa+E(t)atE(t)=Ken(t)Ma=KmIa(t)MMMa)=累嚓整顿可得电动机机械特性方程:（1）、测量力矩电机转速控制模型机电时间常数、传递系数数字示波器Yl通道记录阶跃输入信号URY2通道记录力矩电机转速控制模型飞升曲线U。+ e INOX0一因一般Til7；,故近似估计时0包*的一S(三)G+1由图图可得Uo()=3,SVUft=5V0.632U。(OO)=2.40V得:Tm=290mS=O.29OS(2)、测量力矩电机转速控制模型电磁时间常数假如在电枢回路串联一种己知阻值的低值电阻R,从上取出反应电枢回流变化日勺信号送到示波器，则从记录到的飞升曲线可求出电磁时间常数4
12、；二；然后将串联的Ra+R低值电阻改为R,测出时间常数7；二7,则从两次测量成果可求出规定的电磁时R。+R间常数S3-0)T：R”-TaR/=IQ由图图可得Ur()=.0SV0.63叫(8)=0.683V寿工=IOmS=O.01OS =10。由图图可得Ur () = 3,2V0.632UJ(8)= 2.022V得；=7.0侬=0.007OSke 一w2-Sep-1310:00StopMPo127nsCHI三：三；耦合直疏带宽限制QgOMHz伏/格W10XVoltage辰相TH(R-R)KR-TaR=0.0105s呸,本本系综KCFnf150_La电机的电磁_GD2R11电机的机电”瓦一时间常数
13、=315KeKm时间常数本例通过例通Ta=0.01055K=U()Uft=3.8/5=飞升曲线求出Tm=0.290sK=1/150=n(s)1_141_14Ua(s)0.003045.V2+0.2905+1(0.0109k+1)(0.279095+1)四.未动态校正直流电机转速控制系统的数学模型n(s)H4114Ua(s)0.00304552+0.2905+1-(0.010915+1)(0.279095+1)五.系统动态校正装置设计由设计指标：静态指标：转速实现无静差调整；静差速度误差系数K,.28可知，校正后系统无差度应为一阶，即前向通道应含一种积分环节，系统开环放大系数K=28设采用有源相
14、角超前触或有源滞后超前校正GP=Kc,或暝 S)=KCnBTS+1把KC归口到增加积分调节彝固有系统固有C小“1八AbKG(三)=K=OCs(Ts+)(T2s+1)s(Tis+)(T2s+l)式中：K=KCKnKCF=Kvz=28,则K=K(KKkCJ=28150/114=37cnCF1、未校正系统进行SIMULINK构造图仿真和频率特性分析、SIMULlNK构造图仿真(2)、频率特性分析GO(S)28.1228.120.00304553+0.2901+5s(0.01091S+1)(0.279095+1)作未校正系统BODE图ffip)3src三08p)sseudBodeDiagram1011
15、02103104Frequency(rad/sec)从图读得：（Oa=9.7Mds,o（牡O）=I4。不满足规定，必须动态校正。2、超前校正系统设计方案（1）、直流电机转速控制系统的动态校正超前校正动态设计指标动态指标：系统开环频率特性截止频率3；IOrad/S:相角裕度480,幅值裕度Lg6dB；系统单位阶跃响应最大超调量%30%；过渡过程时间1.5so（2）、超前校正系统设计方案为充分发挥超前校正附各的优点希望网络最大超前角”,出现在新截止频率已附近由指标在10r4ds,再考虑4L5s要求及应有一定的负分贝值以呆证要求,选择”=2Orad/s,由图读得：%QJ=-IIAdh1-3)12.4
16、1.。()+IOlg-=O=10Fr=10记=17.378=0.0575;aa对应=arctg=63,2aYo(Ro)=63+14=77o1=48T=!-=J=0.2085s;m4ae4a2OS575aT=0.0575X0.2085=0.0120s;C,、Ts+0.20855+1Gr(三)=；CaTs+0.0120.V+1超前校正后系统传递函数:G(S) = Gr(S)Go(S) =28.12(0.2085s+1)5(0.010915+1)(0.279095+1)(0.0125+1)5.86302s+28.120.000036554+0.00652.+0.30252+s(3)、超前校正后系统S
17、IMULlNK构造图仿真与频率特性分析H untitled *.【o 回 应File Edit View Simulation Format Tools HelpD 百。昌 X I -夕 10?0- Horal三里图囱彦 ,昌图 0PP AEQ B A 1.41.210.80.60.40.2neoffset:0超前校正后系统传递函数:G(三)=G(三)GOG)=5.8630+28.120.00365s4+0.00652v3+0.302j2+s根据超前校正后系统传递函数作超前校正系统BODE图，如卜QFigure1num=(5.8630228.121den=0.00003650.006520.3
18、021OJ;bode(num.den)gridong,p.wg,wp=margin(num.den)9=8.097228000093940P=60.689956660059515wg三86.224642005701440wp三20.178915243995256C.根据Sinnnink构造图仿真成果可知，%30%,ts1.5s,均符合时域设计指标规定。M文献仿真：Lf,=8.097JB,/=60.69o,c=2f).2rads.结论：以上指标满足设计规定。(4)、超前校正装置实现方案AleEditViewInsertToolsDesktopWindowHelpIQ它BI曲I4|国0电型/D甩I
19、11lBodeDtagramIOT1010,102IO310*超前校正装置实现方案，如下图G；(三)=Gc1(三)Gc2(三)=JTs+1R4C2S+1Ts+1R1R2C1s+1R3CR num=140.628.12; den=0.1979218.85365.291Ol bode(num,den)gridon(g,p,wg,wp=margin(num,den)9=41.668068308163370P三55.157107988171433wg=17.629545874929917wp=1.917102175784138f,File Edit View Insert Tools Desktop
20、Window Help u a ) Q 、-、9 * /，豆 0Bode Diagram100100 ms8pnxf根据SimUIink构造图仿真成果可知,%30%JSL5s,均符合时域设计指标规定。M文献仿真：Lg=41.7dB,=55.20,c=.9rads.结论：以上指标满足设计规定。(4)、滞后校正装置实现方案滞后校正装置实现方案，如下图HMyn3y.mwWJBT = R3G； T&G.K&+&R2+Rc_先选取G=33产=33X10-6F,.T=RC=65s,贝JR3=197。KQ选取K=58Kq=5s, Ke = 37;则RI=164KO六.心得体会本次设计的!是直流电机转速控制系统的动态校止，通过这次设计，我对自动控制原理有了深刻的认识，对此前所学的自动控制原理理论又有了一定的新认知，通过对本课题的仿真设计，不仅对MATLAB软件有了更深入的学习与运用，熟悉掌握了SIMULlNKU勺仿真，也巩固加深了我们对所学的自控知识的掌握与运用，同步培养了自己的自学能力。当然，更离不开团体合作，一起在试验室测得数据，对数据进行处理计算，在进行设计同步，碰到不懂问题，队员间也互相协助，互相处理疑问在，增进了彼此友谊。总的来说，这次课程设计使我受益匪浅，是一次非常故意义H勺课程设计。
