自动控制原理课程设计报告恒温箱

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自动控制原理课程设计报告

设计题目：恒温箱自动控制系统

单位（二级学院）：自动化学院

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目录

一、摘要 (2)

二、问题重述 (2)

三、控制对象的分析 (5)

1、工作原理 (5)

2、系统运行方框图 (5)

3、建立数学模型求系统的传递函数 (6)

（1）电压放大电路 (7)

（2）功率放大电路 (7)

（3）调压电路 (8)

（4）执行电动机 (9)

（5）减速器 (11)

4、传递函数的表示 (11)

5、系统校正 (12)

（1）频域法校正 (12)

（2）根轨迹校正 (16)

四、心得体会： (21)

一、摘要

主要解决的问题是对恒温箱自动控制系统结构图进行分析，画出

结构框图，算出传递函数，并对其进行频域校正和根轨迹校正，找到合适的解决办法，构建校正网络电路，从而使得系统能够满足要求的性能指标。

关键词：增益系统传递函数频域分析根轨迹校正

二、问题描述：

恒温箱自动控制系统

➢恒温箱实际温度由

热电偶转换为对应

➢恒温箱期望温度由

电压u1给定，并与

实际温度u2比较得

➢温度偏差信号经电压、功率放大后,用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时,动触头

向减小电流的方向运动,反之加大电流,直到温度达到给定

值为止,此时,偏差 u=0,电机停止转动。

控制系统中各组成环节及参数如下：

①减速齿轮传动比：j=8

②直流电机(他励)：

励磁线圈电阻r f=20Ω，电感L f=2H，扭矩常数ＣＴ=5 (N.M)/A ,

P1=0.85kW,U N=110V,I N=9.8A,n N=1500r/min ③电压放大电路：

图1电压放大电路④功率放大电路：

图2功率放大电路⑤调压器电路：

图3调压器电路要求：

1、根据位置跟踪原理图建立系统数学模型

2、画出位置跟踪系统的方框图

3、当系统不稳定时，要求对系统进行校正，校正后满足给定的性能指标。

4、稳定性分析：

Ａ频域法校正系统

在最大指令速度为1800（度/秒）时，相应的位置滞后误差不超过10度；相角裕度为450+30度，幅值裕度不低6分贝；过渡过程的调节时间不超过2秒。

Ｂ根轨迹法校正系统

①最大超调量σp≤2%；

②过渡过程时间 ts≤0.5秒；

静态速度误差系数Kv≥5秒-1.

5、校正网络确定后需代入系统中进行验证，计算并确定校正网络的参数。

Ｃ验证

6、Matlab进行验证

7、搭建电路进行验证

（注：手工绘图(幅频、相频及根轨迹图)

三、控制对象的分析

1、工作原理

本题目所要研究的是一个恒温箱温度控制系统。在该系统中，恒温箱实际温度由热电偶进行转换，将给定的温度和输出温度的差值作为系统的输入量，并经过电压放大器和功率放大器的放大后作为电机的驱动信号以驱动电机工作，再通过减速器和传动机构移动调压器的触头，当输出温度偏高时，调压器触头向减小温度即减小电流的方向移动，反之向升高温度的方向移动。若输出温度与期望温度的值相等，即输入信号为零，则电机停止转动。

2、系统运行方框图

图4 系统框图

3、建立数学模型求系统的传递函数

（1）电压放大电路

将电压放大电路前后分为两级，将两级电路的各自传递函数求得以后，再得到整个电压放大电路部分的传递函数。具体求解办法如下：①一级电压放大电路图：

等效电路图：

由图可列出等式：

22

22

()||f U Ui U R R R --=

(1) 由等式则可以算出其增益为：

1K ≈1 (2) ② 二级电压放大电路图：

等效电路图：

图5 电压放大器一级电路

图6 电压放大器一级等效电路

图7 电压放大器二级电路

由图可列出等式：

22

345

||O U U U C R R -= (3) 由此求的传递函数为： 1

1088.140

)(3

+⨯='-S s G (4) 则

得

到

电

压放

大电路的传递函数：

1

1088.140

1

1088.140)(3

31

1+⨯=

+⨯=

--S S K s G (5) （2）功率放大电路 电路图：

图8 电压放大器二级等效电路

转化到S 域的电路模型：

根据运算放大器输入电压相等可得

1)(U S U i = (6)

43U U = (7)

根据节点法对U1和U4两个节点进行列方程

0)10()102

(

)10102

10(4011341131=-⨯-+⨯+

-----U S

U S

U (8)

0)10()10()101010(44140=--++--U U U (9)

由以上四个算式可以计算得：9142814(510510) 1.1

()(10510)0.1S G s S ----⨯+⨯+=+⨯+ (10)

此处我们取其增益即可：

22()11G s K == (11) （3）调压电路 电路图：

图9 功率放大电路

图10 功率放大电路S 域模型