电压转角机电伺服控制系统实训报告

自动控制原理与系统课程实训电压一转角机电伺服控制系统的分析

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学号

一、课题简介

二、控制系统的组成与工作原理

三、课程实训的任务与要求

四、控制系统数学建模

五、数学模型的仿真

六、控制系统的性能分析

七、心得体会

八、参考资料

一、课题简介电压—转角伺服控制系统是一类小功率位置随动实验装置，在高校和科研院、所的自动化实验室中可以看到它们的应用。利用这套设备不仅可以完成一些验证性实验（需要设置必要的外部接口和测试孔），例如位置伺服实验、直流电机调速实验、运算放大器性能实验、PID 校正实验和功率放大器性能实验；也可以做一些设计性、研究性的实验，比如将其与计算机接口，从而对一些控制方法进行研究。这类实验设备有多种成型产品，被普遍用于教学和科研。

机电伺服系统主要用于小功率伺服控制。驱动负载能力和响应速度偏低是这类控制方式的缺点。但在信号检测、传递、处理以及新控制策略再生等方面表现的灵活性、准确性、和经济性是其它控制方式所不能比拟的。

二、控制系统的组成与工作原理

电压—转角机电伺服控制系统的电气原理如图所示。该系统的输入量是给定的电压信号U i ，输出量是直流伺服电动机SYL — 5的转角a。运算放大器卩A741构成控制系统中的 PI 校正环节，可以增大系统的开环增益，从而提高系统的稳定精度。功率放大器由前置放大器 MC1536 和三级互补跟随器组成，具有较高的输入阻抗。系统中除了设置位置反馈外还设置了速度反馈，用来增加系统阻尼，减小伺服电机的时间常数，改善传递特性的线性度。从而进一步提高系统的动、静态品质。被控对象是直流伺服电机，它与反馈电位计和测速发电机同轴相连。该系统具有输出转角跟随输入电压变化的功能：当输入信号与位置反馈信号出现差值时，位置偏差信号经 PI 校正环节后与速度反馈信号比较，得到的速度偏差经功率放大后驱动直流伺服电机旋转，同时带动位置反馈电位计和测速发动机一起转动。最终消除偏差，伺服电机停止在与输入信号相应的位置上。位置反馈和速度反馈分别由电位计 WH— 1.5k、测速发电机

70CYD-1 和速度反馈分压电位计完成。由于反馈元件的精度对闭环控制系统的性能有着重要影响，应该选用性能稳定、精度高的元、器件作为反馈元件。

电压一转角伺服控制系统的电气原理图

该系统的主要技术参数为：

位置反馈精度0.2%; 功率放大器输出幅度土 20V;

直流伺服电机堵转力矩0.5N • m

测速发电机线性误差v 1%

直流伺服电机空载转速8rad/s ;

测速发电机增益 1.15V • s/rad

三、课程实训的任务与要求

1、建立系统的数学模型。要求数学模型用方框图表示。

2、为了说明 PI 校正和速度反馈的作用，采用 MATLAB 语言中的仿真工具 SIMULINK 对系统进行分析，在分析中将考察三种系统结构

(有一种结构涉及两种不同的PI、 K2 和B参数)对两种输入信号的响应。

结构 A ：原系统中去掉 PI 校正环节和速度反馈环节；

结构B :原系统中去掉PI校正环节；

结构 C1 :原系统中(心=12，K|=100，K2=10,B =0.6)；结构 C2:原系统中(K P=20,K I =10 , K2=20 ,B =1.0)；两种输入信号是单位阶跃函数和方波信号(幅值 4V ，频率 4HZ)

要求分别给出三种系统结构在 SiMULiNK 下的仿真框图，设定各环节的参数进行仿真计算。仿真结果可以在示波器

(SCOPE)中显示，也可以用 PLOT()函数将 MATLAB 工作空间的计算数据以图形的方式绘制出来。

3、进一步对三种系统的稳定性、稳态精度和响应速度进行分析。

4、按上面的要求完成实训报告。

四、控制系统数学建模

1.系统的数学模型

根据上面的原理图可得相应的传递函数方框图，如下图所 示。各环节数学模型的结构是已知的，模型中的参数可通 过实验确定。 取R1 =1.2M Q, C=0.1卩F,贝V PI 校正环节的传递函数为

其它参数有些兼顾系统性能而定，有些可以通过实验求得， 具体数值为:

功率放大器增益 K 2 =10 ；

K 3 =2.83rad/ (V • S);

K

C =1.15 V • S/rad;

T m = 0.1s ；

位置反馈电位计增益 K a = 4.7V/rad ; G i (S) U i2 (S) E(S) 0.12S 1

0.01S

伺服电机传递系数 测速发电机传递系数 伺服电机机电时间常数

伺服电机电磁时间常数T a = 4ms；

速度反馈分压系数 B = 0.6;至此，可以得到系统的传递函

数。

五、数学模型的仿真

结构A （原系统中去掉PI校正环节和速度反馈环节）的数学仿

真模型。

结构A的单位阶跃信号的响应。结构A方波（4V 0.5Hz）响应

结构C正弦波（1V , 1Hz）响应

结构B :原系统中去掉PI校正环节的数学仿真模型

结构B单位阶跃响应结构B方波（4V 0.5Hz）响应

结构B正弦波（1V 1Hz）响应

结构 C1 :原系统中（心=12, K I =100 , K2=io，^ =0.6）

LlIllU

w -

BBnSEl

D

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

结构C单位阶跃响应

结构C方波(4V , 0.5Hz)响应