《电力拖动自动控制系统》课程设计报告

《电力拖动自动控制系统》课程设计报告(1)

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目录

一﹑前言 (2)

1. 1设计目的 (2)

1. 2设计内容 (2)

二﹑伺服系统的基本组成原理及电路设 (2)

1.伺服系统基本原理及系统框图 (2)

三﹑调试后的图 (8)

四﹑设计心得与体会 (13)

五﹑参考文献 (14)

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《电力拖动自动控制系统》课程设计报告

一、前言

1.1设计目的和要求

1.使学生进一步掌握电力拖动自动控制系统的理论知识，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力；

2.使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力；

3.熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。

1.2设计内容

1、分析和设计具有三环结构的伺服系统，用绘图软件（matlab）画原理图还

有波形图；

2、分析并理解具有三环结构的伺服系统原理。

二﹑伺服系统的基本组成原理及电路设计

2．1伺服系统基本原理及系统框图

伺服系统三环的PID控制原理

以转台伺服系统为例,其控制结构如图2-1所示,其中r为框架参考角位置输入信号, 为输出角位置信号.

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图2-1 转台伺服系统框图

伺服系统执行机构为典型的直流电动驱动机构,电机输出轴直接与负载-转动轴相连,为使系统具有较好的速度和加速度性能,引入测速机信号作为系统的速度反馈,直接构成模拟式速度回路.由高精度圆感应同步器与数字变换装置构成数字式角位置伺服回路.

转台伺服系统单框的位置环,速度环和电流环框图如图2-2,图2-3和图2-4所示.

图2-2 伺服系统位置环框图

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图2-3 伺服系统速度环框图

图2-4 伺服系统电流框图

图中符号含义如下：r为位置指令；θ为转台转角；u K为PWM功率放大倍数；d K为速度环放大倍数；v K为速度环反馈系数；i K为电流反馈系数；L为电枢电感；R为电枢电阻；m K为电机力矩系数；e C为电机反电动势系数；J为等效到转轴上的转动惯量；b为粘性阻尼系数，其中J=m J+L J，b=m b+L b，m J和L J分别为电机和负

载的转动惯量，m b和L b分别为电机和负载的粘性阻尼系数；f T为扰动力矩，包括摩擦力矩和耦合力矩。

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊假设在速度环中的外加干扰为粘性摩擦模型：

()sgn()

f c c

F t F b

θθ•

=*+*

控制器采用PID控制+前馈控制的形式，加入前馈摩擦补偿控制表示为：

()sgn()

f cl cl

u t F b

θθ•

=*+*

式中，cl F和cl b为粘性摩擦模型等效到位置环的估计系数，该系数可以根据经验确定，或根据计算得出。

被控对象为一个具有三环结构的伺服系统，伺服系统系数和控制参数在程序中给出描述，系统采样时间为1ms。取M=2，此时输入指令为正弦叠加信号：

()sin(2)0.5sin(0.5)

t

r t A Ft A Ft

=+，其中A=0.5，F=0.5.

考虑到

i

K，L和e C的值很小，前馈补偿系数cl F和cl b等效到摩擦力矩端得系数可近似写为：

1

u d m g

Gain K K K K

R

=⨯⨯⨯⨯

式中，g K为经验系数，摩擦模型估计系数cl F和cl b为：

c

cl

F

F Gain

=

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c

cl

b

b Gain

=

系统总的控制输出为：

()()()

p f

u t u t u t

=+

式中，()p u t为PID控制的输出，其三项系数为pp k=15，ii k=0.1，dd k=1.5.

程序如chap01

控制系统的simulink程序：chap01，如图2-5和图2-6所示。

图2-5 三环控制的simulink仿真程序

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┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊图2-6 电机模型的simulink仿真程序

（1）带摩擦无前馈补偿时的仿真。正弦叠加信号跟踪如图3-1和图3-2所示，由于静摩擦的作用，在低速跟踪存在“平顶”现象，速度跟踪存在“死区”现象。

（2）带摩擦有前馈补偿时的仿真。正弦叠加信号跟踪如图3-3和图3-4所示，采用PID控制加前馈控制可很大程度地克服摩擦的影响，基本消除了位置跟踪的“平顶”和速度跟踪的：死区，实现了较高的位置跟踪和速度跟踪精度。

伺服系统的模拟PD+数字前馈控制

伺服系统的模拟PD+数字前馈控制原理

针对三环伺服系统，设电流环为开环，忽略电机反电动系数，将电阻R等效到速度环放大系数Kd上。简化后的三环伺服系统结构框图如图2-7所示，其中u为控制输入。