四川大学电气信息学院
目录
? 单回路控制系统及调节器参数整定实验
实验目的………………………………………………………………….…1 实验仪器及设备…………………………………………………………….1 实验原理图……….…………………………………………………………1 实验内容和步骤………….…………………………………………………1
? 实验一:响应曲线法整定参数
实验步骤……………………………………………………………3 实验数据采集及分析..……………………………………………3
? 实验二:临界比例度法参数整定
实验步骤…………………………………………………………….7 实验数据采集及分析..……………………………………………7
? 实验三:实验参数的在线修改
实验步骤…………………………………………………………….10 实验数据采集及分析……………………………………………10
实验总结与思考…………………………………………………………10 实验心得…………………………………………………………………11
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运动控制系统实验
一、 实验项目名称
带电流截止负反馈的电流调速系统
二、 实验基本内容
1. 晶闸管—电动机系统开环机械特性测试
1) 连接晶闸管直流电源—电动机系统主电路及负载;
2) 系统加入恒定给定U*nm,在1.1倍额定负载范围内测量一条机械特性(5
组以上数据)。
2.
3. 系统阶跃响应特性测试
空载时,突加给定Un=-7v,用示波器观测并通过数码拍照记录Jd、n的动态形态。
三、 实验条件描述
设备仪器:
MCL—III型电气传动教学实验台,浙江大学求是公司
电动机 220V 1.2A 1600r/min 185W,青海微特电机有限公司
发电机 200V 0.5A 1600r/min 100W,青海微特电机有限公司
Tektronix TDS 1012示波器
小组成员分工:
实验操作人: 姜明明 汪妍冰
数据记录人: 谢玉芳
报告撰写人: 汪妍冰 姜明明 谢玉芳
四、 系统设计
实验系统组成及工作原理:
采用闭环调速系统,可以提高系统的动静态性能指标。转速单闭环直流调速系统是常用的一种形式。下图是带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统的实验线路图。
图中电动机的电枢回路由晶闸管组成的三相桥式全控整流电路供电,电枢回路负载由与电动机同轴的发电机组成,通过与电动机同轴刚性连接的测速发电机检测电动机的转速,并经转速反馈环节分压后取出合适的转速反馈信号Un,此电压与转速给定信号Un*经速度调节器ASR综合调节,ASR的输出作为移相触发 1
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器GT的控制电压Uc,由此组成转速单闭环直流调速系统。在本系统中ASR采用比例调节器,属于有静差调速系统,增加ASR的比例放大系数即可提高系统的静特性硬度。为了防止在启动和运行过程中出现过大的电流冲击,系统中引入了电 流截止负反馈。有电流变换器取出与电流成正比的电压信号Ui,当电枢回路电流超过一定值时,将稳压管US击穿,送出电流反馈信号Ui进入ASR输入端进行综合,以限制电流超过其允许的最大值。改变设定值Un*即可调节电动机的转速。
实验已知内容:
实验对象:
直流他励电动机: Unom=220v , Inom=1.1A ,nnom=1450rpm
电枢回路电阻: Ra = 22 ? ;电枢绕组
RL = 12 ? ;平波电感
Rn = 12 ? ;整流电源
另:负载直流发电机一台
控制设备:
晶闸管整流电源: Ks=135
调节器: Ro=22 K? ;输入电阻
截止稳压管: Uw=6.9v
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系统指标:
︱U*nm ︱= 7 v ;最大给定电压
Idcr = 1.1Inom
Idblm = 1.4Inom ;最大堵转电流
D = 3
s ≤ 10%
设计要求:
采用P调节器,设计如下参数:
P调节器反馈电阻R1 ;
电流截止反馈回路电阻R2 ;
画出表明实际参量的系统稳态结构图。
计算结果如下:
第一问:
?nnNs
cl?D(1?s)?1450?0.1
3?(1?0.1)r/min?53.7rpm
CUN?INRa
e?n?220?22?1.1?0.135
N1450V·min/r
?nINR1.1?(22?
op?C?12?12)?374.8rpm
e0.135
K??nop
?n?1?374.8
cl53.7?1?5.978?6
KU*
n?pKsnRId
由Ce(1?K)?Ce(1?K)得
Kp?1.5, 又有Kp?R1
R0?R1?33K?
??K6
K?1.5?135?0.004
pKs
Ce0.135
第二问:
Idbl?1.4In?1.4*1.1?1.54A,
当I=Idbl时,n=0,Ks*Uc=I*R?Uc=1.54*(22?12?12)
135?0.525V
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Idcr?1.1*In?1.21A
??Ucom/Idcr?6.9/1.21?5.7V/A
Ui?Idbl*??Ucom?1.54*5.7?6.9?1.878V
速度放大器部分有Un*UiUc??(?),得R2=6.2K?R0R2R1
第三问:
稳态结构框图如下
五、 系统调试
(一)实验过程描述
? 步骤一:V-M系统开环机械特性测试
1. 连接晶闸管直流电源—电动机系统主电路及负载,并且要在电气传动试验台ASR部分的9、10号引脚之间外接电容。
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(思考) 如何避免电机启动电流过大?
答:将三个电阻(励磁电阻、电动机电枢电阻、发电机电枢电阻)调至最大,以保证电机启动不要太过强烈,避免电机损坏。。
(思考)如何测量电极机械特性?
答:加Uct,测量n,I,逐步增大Uct,使输出Ud0=220V,调节电动机电枢电阻为0,减小励磁电阻,使负载增大,再调节Uct,使电机工作在额定工作点(1.1A,1450r/min。此时固定Uct,改变电阻值,记录电流和转速,作为机械特性的参数。
? 步骤二:带电流截止负反馈的有差系统
接线准备:在电流处引入一带稳压管的电阻反馈,作为电流反馈回路。其中,稳压管的极性需预先测量,用数字电表的二极管测量档测量。将电笔两端接在二极管两端,有电流流过即为正端。取其反端接电流反馈。
1. 确定满足设计要求的电流反馈强度,正确连接电流反馈支路;并思考如何
在装置上调试所设计的电流反馈强度β值?
答:根据稳压管的稳压值Uvst,和主电路所允许的截止电流Idcr,计算出β。由电流互感器输出的电流经过电阻RP3后转化为电压输出,而滑动变阻器正好可以充当调节β值的功能。用电流表测主电路中电流I,再测出RP3分压后的电压Ui,两者相除,如果比值不等于计算出来的β值,调节RP3,直到得到需要的输出。
2. 确定满足设计要求的比例调节参数;
答:上述计算可以得到比例调节器Kp=1.5 ;与之相关的几个电阻值为
R0?22K?,R1?33K?,R2?6.2K?。
3. 确定满足设计要求的速度反馈强度(Un=-7v,nN=1450rpm);
答: 由上述计算出??0.004。测量输出的转速n和Un,调节滑动螺丝,使 Un=αn.。
4. 在最大给定的1.1倍额定负载范围内则量一条机械特性。
调节步骤:空载时,加入最大给定,U=-7V。随后先减小励磁电阻,再增大发电机回路电阻,注意在此期间,观察电流表的测量值,使其小于1.1A,即在电流截止负反馈之前。记录电流和转速,测量5组数据。
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5. 在1/3倍系统最大给定内测量一条机械特性。
调节步骤:空载时,加入,U=-2.3V。随后先减小励磁电阻,再增大发电机回路电阻,注意在此期间,观察电流表的测量值,使其小于0.6A,即在电流截止负反馈之前。记录电流和转速,测量5组数据.。
? 步骤三:
空载时,突加给定Un=-7v,用示波器观测并通过数码拍照记录Id、n的动态形态。
(思考) 如何测量Id,n的波形?
答:
Id的波形:将示波器的正表笔接电流反馈回路方向稳压管的前端,负表笔接地。通过电流反馈电阻两端的电压波形表示出电流波形。
n的波形:通过反馈电压Un来表示。
(二)实验数据处理
1. 晶闸管—电动机系统开环机械特性
V—M系统开环机械特性图
2. 空载时,系统加入最大给定U*nm,随后加上负载,在1.1倍额定负载范
围内测量一条机械特性(5组以上数据);
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物理仿真,测出五组数据,列表如下:
分析:
对比开环机械曲线和带电流截止负反馈后的静特性曲线。
1.在设定的Un*下,当Id<Idcr时,带电流截止负反馈的单闭环调速系统的机械静特性和单回路速度反馈的机械静特性形状大体一样。原因是电流未超过给定值,使得稳压管没有被击穿,电流反馈回路相当于开环,并未接入到系统中。
2.但开环静特性要较软,原因是在开环系统中,当负载电流增大时,电枢压降也增大,转速只能降下来;闭环系统装有反馈装置,转速稍有回落,反馈降低,通过比较和放大,提高Ud0,使系统工作在新的机械特性下上,因而转速有回升,机械特性变硬。
2. 空载时,系统加入最大给定U*nm/3,随后带上负载运行,在0.6倍额定负载范围内测量一条机械特性(5组以上数据)。 先用MATLAB仿真出机械特性,如下图: 物理仿真,测出五组数据,列表如下:
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分析:
对不同电压给定下的机械特性分析比较可以看出:
1. 系统加入不同的给定电压,输出的速度也不同,说明这是个定值系统,
并有一定的跟踪能力。
2. 在给定电压降低时,在负载较低的阶段,转速输出略有下降,系统的
跟踪能力变差。说明此时系统不稳定。及在给定较低时,系统的带负
载性能较差。
3. 对比给定电压降低前后的图形可以看出,降低后系统的静特性变差,
说明反馈对来源于给定电压的扰动没有调节能力。
3.空载时,突加给定Un=-7v,用示波器观测并通过数码拍照记录Id、n的 动态形态。
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分析:
1. 从图中可看出,系统阶跃响应的振荡不大,说明系统的稳态性能较好。
但系统的超调量偏小,延时时间较大,说明暂态跟踪速度慢。而造成
延时的原因,可能是由于电力电子装置的Ks,电机的延时过大造成的。
六:总结与改进
1. 实验总结:
本实验对V-M开环系统,闭环负反馈,闭环带电流截止负反馈的系统进行了分析和比较。验证出以下结论:
闭环负反馈的系统较之于开环系统,硬度提高,对给定的跟踪性能好。
而带电流截止后,系统的硬度降低,使得电枢电流不会过大,起到了限流保护的作用。
2. 误差分析:
在系统电路中,各种扰动会给系统带来误差。
除负载扰动外,因交流电压的波动,引起电路中Ks的变化,因电机励磁引起Ce的变化,因放大器输出电压的漂移引起Kp变化,由温升引起的电路电阻增大等,这些因素的影响,都会对系统带来误差。但这些因素的误差,在闭环系统中,会被负反馈回路抑制掉一部分,从而减小对稳态误差的影响。所以决定系统的性能的,是有给定输入和反馈回路所带来的误差。
3. 系统的改进:
1.系统的精度依赖于给定电压的精度,可以使用高精度的稳压电源来改善系统的性能。
2.系统的精度依赖于反馈检测的精度。由于实验中反馈装置为测速发电机,如果它的励磁发生变化,会使反馈电压失真,从而使闭环系统的转速偏离应有的数值。而测速发电机电压中的转向波纹,制造或安装不良造成的转子偏心等,都会带来系统的周期性干扰。可以使用光电编码的数字测速,则会大大提高系统的精度。
3.采用转速负反馈的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速的跟踪。但是,如果对系统的动态性能要求较高,例如:要求快速起动、制动,突加负载动态速降小等等就难以满足需要;
因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程,电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的,但它只能在超过临界电流值 Idcr 以后,靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击,不能很理想地控制电流的动态波形。
为了实现在允许条件下的最快起动,关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。
按照反馈控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变,那么,采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。
为了提高系统的动态性能,应加入电流负反馈。其原理图如下:
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附录:数据曲线拟合的整定
x=[1.1 0.9 0.7 0.5 0.3];y=[1455 1485 1495 1522
p=polyfit(x,y,3)
x1=[1.1 0.9 0.7 0.5 0.3];y1=polyval(p,x1); figure,plot(x,y,'r',x1,y1,'b'),legend('before fitting','after fitting') 1538];
x=[0.55 0.45 0.35 0.25 0.2];y=[522 523 518 516 510];
p=polyfit(x,y,3)
x1=[1.1 0.9 0.7 0.5 0.3];y1=polyval(p,x1);
figure,plot(x,y,'r',x1,y1,'b'),legend('before fitting','after fitting') ,axis([0 1.2 200 550])
10
单回路控制系统整定实验报告
一、实验目的
(1)掌握动态模型的创建方法.。
(2)掌握单回路控制系统的理论整定方法和工程整定方法。
(3)了解调节器参数对控制品质的影响。
二、实验仪器
计算机一台
三、实验步骤
(1)启动计算机,运行MATLAB应用程序。
(2)在MATLAB命令窗口输入Smulink,启动Simulink。
(3)在Simulink库浏览窗口中,单击工具栏中的新建窗口快捷按钮或在Simulink库窗口中选择菜单命令FileNewModeel,打开一个标题为“Untitled”的空白模型编辑窗口。
(4)用鼠标双击信号源模块库(Source)图标,打开信号源模块库,将光标移动到阶跃信号模块(Step)的图标上,按住鼠标左键,将其拖放到空白模型编辑窗口中。用鼠标双击附加模块库(Simulink Extra)图标,打开A到底提哦哪里Liner模块库,将光标移到PID Controller图标上,按住鼠标左键,将其拖放到空白模块编辑窗口中。
(5)用同样的方法从连续系统模块库(Continuous)、接受模块库(Sinks)和数学运算模块库(Math Operations)中把传递函数模块(Transfer Fcn)、示波器模块(Scope)和加法器模块(Sum)拖放到空白模型编辑窗口中。
(6)用鼠标单击一个模块的输出端口并用鼠标拖放到另一模块的输入端口,完成模块间的连接,如图1,图二。
图1
图二
(7)构造图1所示的单回路反馈系统的仿真模型。其中控制对象由子系统创建,如图2。
(8)设调节器为比例调节器,对象传递函数为:(其中:=1,=10,n=4),用广义频率特性法按衰减率0.75计算调节器的参数;根据计算结果设置PID调节其参数,启动仿真,通过示波器模块观测并记录系统输出的变化曲线
(9)用响应曲线法整定调节器的参数。
1)求出对象的阶跃响应曲线
2)根据响应曲线求取对象的动态特性参数。
3)启动仿真,通过示波器模块观测并记录系统输出的变化曲线。
(10)用临界曲线法整定调节器参数
1)先将调节器改成纯比例作用(使=∞, =0),并将比例增益置于最小的数值,然后将系统投入闭环运行。启动仿真,通过示波器模块观测并记录系统输出的变化曲线。逐渐增加比例增益,观测不同比例增一下的调节过程,直到调节过程出现等幅震荡为止,记录此时的比例带和系统的临界振荡周期和Tk。
2)根据求得的和Tk,由表4-3可求得调节器的增定参数。
3)将调解器参数设置好,做系统的定制阶跃扰动试验,观测控制过程,并根据响应曲线适当修改整定参数。
(11)用衰减曲线法整定调节器参数。
1)先将调节器参数Ti=∞,Td=0,并将比例增益置于较小的数值,然后将系统投入闭环运行。启动仿真,通过示波器模块观测并记录系统输出的变化曲线。逐渐增加比例增益,观测不同比例增益下的调节过程,直到调节过程出现衰减率为0.75的震荡为止,记录此时的比例带δs和系统的震荡周期Ts。
2)由表4-4可求得调节器的整定参数。
表4-3 临界曲线法整定参数计算表
表4-4 衰减曲线法整定参数计算表
3)将调节器参数设置好,做系统的定值阶跃扰动试验,观测控制过程,适当修改整定参数,直到控制过程满意为止。
四、实验结果
(1)临界曲线法
将调节器改成纯比例积分,即=0,=0。调整直到出现等幅震荡。如图3。
图3
得出:=4。由于=0.25,同时从图中得知=66。
由公式:
得出
PI得出的图形
PID得出来的图形
(2) 衰减曲线法
将调节器改成纯比例积分,=0,=0。调整 直到调节过程衰减率为0.75的震荡为止。如图
此时得出=1.87
专业 自动化专业
班级
指导教师
姓名
学号
实验日期
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