《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)┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊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)┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊《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.┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊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┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊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 cF t F bθθ•=*+*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 clu t F bθθ•=*+*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)tr t A Ft A Ft=+，其中A=0.5，F=0.5.考虑到iK，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：1u d m gGain K K K KR=⨯⨯⨯⨯式中，g K为经验系数，摩擦模型估计系数cl F和cl b为：cclFF Gain=┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊cclbb Gain=系统总的控制输出为：()()()p fu 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┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊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。

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊图2-7 简化后的三环伺服系统结构框图采用PD加前馈控制方式，设计的控制规律如下：121212 [()]d p vr r r ru k k r k f f k e k e f fθθ•••••••=--++=-++式中，1d pk k k=，2d vk k k=，e rθ=-。

21Js bs uθ=+即J b uθθ•••+=将控制律带入上式，得：2112()0r rf f J k b k eθθ••••••+--++=取：12f k b=+，2f J=得到系统的误差状态方程如下：┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊21()0J k b e k eθ•••+++=由于J>0，20k b+>，10k>则根据代数稳定性判据，针对二阶系统而言，当系统闭环特征方程式的系数都大于零时，系统稳定，系统的跟踪误差e(t)收敛于零。

被控对象为一个具有三环结构的伺服系统。

伺服系统参数和控制参数在程序中给出描述，系统输入信号的采样时间为1ms，输入指令为正弦叠加信号：()sin(2)r t A Ft=，其中A=1.0，F=1.0.u（t）为控制器的输出，伺服系统参数为：22.0J kg m=•，b=0.50, 2.0vk=, 15pk=, 6dk=.则12f k b=+，2f J=。

程序如chap02如图2-8.曲线图3-5，曲线图3-6，曲线图3-7.图2-8三﹑调试后的波形图┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊图3-1 正弦叠加信号跟踪图3-2正弦叠加信号跟踪┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊图3-3 正弦叠加信号跟踪图3-4 正弦叠加信号跟踪┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图3-5 装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊图3-6与图3-7四﹑设计心得与体会两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学的知识，也培养了我如何把握一件事情，如何去做一件事情，又如何较好地完成一件事情。

在设计过程中，与同学分工设计，与同学相互探讨，相互学习，相互监督。

学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不可少的一个过程。

“千里之行始于足下”，通过这次设计，我深深体会这句千古名言的真正含义。

我用两周的时间认真的进行课程设计，学会脚踏实地地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。

通过这次电机拖动自动控制系统课程设计，本人学到了伺服系统三环的PID控制原理。

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。

在这次设计过程中，体现自己能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用，突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

在此感谢我们的杨阳老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思维给予我无尽的启迪；这次的每个实验细节和每个数据都离不开老师的信心指导，帮助我能够很顺利的完成课程设计。

五﹑参考文献1.先进PID控制及其MATLAB仿真电子工业出版社20022.电力拖动自动控制系统机械工业出版社2003┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊毕业论文（设计）成绩评定表┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊。