运动控制系统试验报告单闭环直流调速系统

运动控制系统试验报告——单闭环直流调速系统

学号:0504220110 姓名:杨娟

一.实验目的:

通过实验了解单闭环直流调速系统的结构和工作原理，通过系统调试深入领会系统的动静态特性， 并掌握控制系统的调试方法。

二.实验内容及结果:

1) 转速负反馈的单闭环直流调速系统。

转速负反馈单闭环调速系统的静特性为:

其中 为闭环系统的开环放大系数 要求输入信号U n *为阶跃信号，初值为0，终值为30，阶跃起始时刻为0时刻；负载电流为斜坡信号，斜率为1，起始时间为0，初始输出为0。仿真时间不小于20秒。设计转速调节器的参数，使得该闭环直流调速系统为有静差系统，理想空载转速为800r/min ，并计算其在I d =15时的闭环系统静态转速降落。即n ocl=800r/min ，又图中给出了Ks=30，*

n U =30V ，a=0.02，Ce=0.127，代入方程得到参数

Kp=0.2419。其结构图及仿真的静特性。如下： n a 0.02XY Graph

Un*R 3

PID Controller 1PID Ks 30Id

Add 1/Ce

1/0.127

转速负反馈的单闭环直流调速系统的稳态结构图 转速负反馈单速度闭环调速系统的静特性 如图所示，电动机转速随着负载电流的增加线性下降，正好满足静特性方程的特点。当负载电流 Id=15时，代入静特性方程得静态转速降落为Δn cl=165.4r/min

2) 电压负反馈的单闭环直流调速系统

电压负反馈单闭环调速系统的静特性为:

其中K=γKpKs 为闭环系统的开环放大系数。

cl

cl e

d e *

n

s p e s p e d *n s p Δn n K C R

I K C U K K α/C K K C R I U K K n -=+-

+=+-=0)1()1()1(e

s p C α

K K K =e

d

a e d pe e n s p C I R

K C I R

K C U K K n -+-+=)1()1(*

输入信号参数与上面的一样，同时理想空载转速n ocl=800r/min ，又图中给出了Ks=30，*

n U =30V ，

γ=0.157，Ce=0.127，代入方程得到参数Kp=0.2419。

其结构图及仿真的静特性。如下： n Ud

Udo a 0.157

XY Graph

Un*Rrec 1Ra 2

PID Controller 1PID Ks 30Id

Add1Add 1/Ce

1/0.127

电压负反馈的单闭环直流调速系统的稳态结构图 电压负反馈单速度闭环调速系统的静特性

由静特性方程可以看出转速负反馈和电压负反馈的单闭环直流调速系统的静特性之间的区别： 与转速负反馈相比，电压负反馈把被反馈环内包围的整流装置的内阻等引起的静态速降减小到1/(1+K)，由电枢电阻引起的速降RdId/Ce 仍和开环系统一样。电压负反馈实际上是一个自动调压系统，扰动量RdId 不在反馈环包围之内。同样由电动机励磁变化所造成的扰动，电压反馈也无法克服。因此，电压负反馈系统的稳态性能比带同样放大器的转速负反馈系统要差一些。两次实验的静特性仿真图比较。与理论相符。可见，与转速负反馈相比，同样参数的的电压负反馈系统的静特性曲线的下降速度更快，即其机械特性较软。

3) 单闭环直流调速系统的动态性能分析。

输入信号U n *为阶跃信号，初值为0，终值为7，阶跃起始时刻为0时刻；干扰信号I dl 为阶跃信号，初值为2，终值为8，阶跃起始时刻为4。仿真时间不小于8秒。设计速度控制器ASR ，控制器考虑限幅，ASR 限幅±7，要求系统输出量转速n 的响应调节时间小于3秒，超调量小于10%，系统无静差；设置控制器ASR 的参数Kp=18，Ki=0.1，限幅为7V 。Un*=7V 。 E Out1

1

to workpace 2n

time t n

id1

dUn Un*Ud Uct To Workspace1Un To Workspace Ud

Subtract 2Subtract 1Subtract Saturation R/TmS 1.920.266s PID Controller 1PID Ks/(TsS+1)300.005s+1IdL

Gain

0.003Clock 1/R(TlS +1)10.12s+1.921/Ce 10.0458

单闭环调速系统的动态性能分析结构图 单闭环调速系统静态特性曲线

动态特性分析

可以局部放大起始和干扰时刻的特性曲线分析求解。

起始时刻，启动分析对4s时干扰的动态调整转速稳定时为2270r/min，启动时转速调整时间约为1.5s，满足系统转速n调整时间小于3s的要求。超调量为9.25%，满足超调小于10%的要求。当4s时加入干扰信号时，系统调整时间约为0.8s，满足调整时间小于3s的要求。并且从图中可以看出系统无静差。

其余各项性能指标的仿真曲线如下

误差Udn 控制器ASR输出量Uct

电流Id1 控制器ACR输出量Ud

三.实验分析及总结

由以上三个调速系统的结构的仿真试验得出结论，转速闭环调速系统是一种最简单的反馈控制系统，具有反馈控制的基本规律，它应用的比例调节器是一种有静差的控制系统，开环放大系数K对闭环系统的稳态性能有很大影响。K值越大，稳态性能越好。闭环系统绝对服从于给定输入。而且能对被包围在负反馈环内的一切主通道上的扰动有效地加以抑制。而对给定电源和反馈检测元件中的误差无力克服。而电压负反馈只能维持电动机端电压恒定，而对电动机的电枢电阻压降引起的静态速降不能予以抑制。即电压负反馈调速系统的静态速降比相同放大系数的转速负反馈系统要大一些，稳态性能要差一些。并且电压负反馈不能对电动机及其之后的负载的变化起调节作用。但由于其结构简单，在一些对性能要求不高的场合，经常使用电压负反馈。

单闭环直流调速系统，比例放大器系数Kp的取值直接影响着系统的响应速度，由于Kp不是无穷大，所以单纯的比例放大器做控制器的单闭环系统存在静差。但是Kp取得过大则会产生较大的超调量。所以取值时必须兼顾。