哈工大机电系统控制基础实验报告材料 二

姓名：高超学号：1120830223 课程名称：机电系统控制基础实验

实验序号：二实验日期：2014.12.2 实验室名称：机电系统控制基础实验室

同组人：晏理邦赵京昊

实验成绩：总成绩：

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年月日

一、实验目的

熟悉直流伺服电动机角位置控制系统的组成及各环节工作原理，包括：电动机参数、增量式码盘精度、机械负载惯量、信号采样频率、死区、控制方法等与角位置伺服系统控制性能指标的关系，针对该典型机电对象或系统，掌握输入信号的设置与离散方法，输出信号的采集与归一化方法，通过速度阶跃响应进行系统参数辨识，通过扫频法，测试系统的频域特性的相位特性和幅频特性曲线，分析系统的稳定性、快速性并掌握系统PID 控制的离散方法，主要目的是培养学生进行基本性能实验和综合设计实验的能力。

1、掌握各环节的设计方法；

2、掌握机电系统基本调试方法；

3、通过扫频法，绘出系统的对数频率特性曲线，从实验数据曲线上，分析系统的稳定性、稳定裕度、快速性、频带宽、校正环节的形式与基本离散化方法。

二、实验原始数据及数据处理

表2.1 不同频率的输入和输出信号幅值关系

表 2.2 不同频率的输入和输出信号相位差

2.5 101 6.7 12

3.24 8.5 130.2 10.3 139.16

3.0 105.6 6.8 123.96 9.0 130.8 10.4 140.88

3.5 110.2 6.9 12

4.68 9.5 131.4 10.5 141.6

4.0 114.8 7.0 12

5.4 9.6 132.12 11.0 145.2

4.5 116.4 7.1 126.12 9.7 132.84 11.5 153.8

5.0 118 7.2 12

6.84 9.8 133.56 12.0 160.4

三、绘制同一频率输入/输出信号的时域曲线

图一：5HZ输入信号时域曲线

图二：5HZ 输出信号时域曲线

四、绘出系统已知频率点的幅值和相角，用折线作为渐近线逼近幅频特性曲线，给出开环剪切频率c ω。

图三：幅频特性曲线

开环剪切频率Hz c 61.6=ω。

五、给出系统的开环增益 K 和系统开环传递函数，各惯性环节的时间常数。

图四：系统幅频相频图

系统的开环增益943.7=K ,转折点处Hz 37.5=ω，系统的开环传递函数为

)137

.51(943

.7)(+=

s s s G ,惯性环节的时间常数186.037.51==

T . 六、给出控制系统的 simulink 实现图，通过改变开环增益K ，用示波器观察系统输出。

=

K12 943

.7

K

=

K

= 10

=

K6

K

= 4

=

K2

由系统输出可以看出，随着开环增益K值的增大，系统输出的幅值也会随之增大。反之，则会减小。

七、思考题

1. 电动机选择的依据是什么？

电动机选择的依据：根据负载类型来选择电机功率和电机类型。此外，具有与使用场所的环境相适应的防护方式及冷却方式的电机，在结构上因能适应电动机所处的工作环境条件。

2.系统输入余弦电枢电压的幅值和系统参数辨识精度是否有关？为什么？

无关。因为

系统输入余弦电枢电压的幅值和系统参数辨识精度没有关系，因为系统输入的幅值只会随着系统的传递函数由输出反映出来，而系统的辨识精度是指系统对输入的信号变化快慢的测量即输入的频率。所以，系统的辨识精度只是与输入信号的频率有关系，而与幅值无关。

3.采样频率的高低对系统参数辨识精度有何影响？

采样的频率越高就要求系统的辨识精度越好，这样才能够在极短的时间进行采样并且保证采样的准确性，所以说系统的辨识精度越高所能达到的采样频率也就越高。相反，如果采样频率过高，就会使得系统的辨识精度降低，不能确保准确性。

4.分析输出信号的时域曲线零点漂移的原因；

在系统的控制电路中存在放大电路，而在放大电路中任何参数的变化，如电源电压的波动、元件的老化、半导体元件参数随温度变化而产生的变化，都将产生输出电压的漂移。所以在本次试验中，电压的波动，或者是外界环境的干扰，都会使得输出信号时域曲线产生零点漂移。

5. 分析电机转速和电枢电压之间产生死区的原因？死区如何影响系统的

控制性能？在运动控制中如何减小死区的影响？

死区对系统控制性能的影响：因为有死区的存在，在电压小于死区电压时，电动机无法启动，当电压在正负之间转换时就会有一段时间电动机不能转动，从而系统的灵敏度就会降低，即系统控制的准确性和快速性都会降低。

减小死区影响：尽量增大电压升高的快速性，减小死区的时间，使电压快速的超出死区电压启动电机。

6. 分析电机的正反转转速与电压的线性系数不同的原因以及如何提高系

统辨识精度？

电机的正反转转速与电压的线性系数不同的原因：系统各环节存在摩擦阻力，系统的反应精度会有所降低，在电压较小时，由于外负载和各个环节的摩擦阻力，电机无法启动，当电压逐渐提高，输入转矩大于负载转矩时，电机和负载开始转动。

提高系统辨识精度：提高码盘的相角识别精度。

标准

文案 7. 满足相角滞后 ο

10时的频带宽是多少？满足幅值衰减10%的频带宽是多 少？同时满足相角滞后ο10和幅值衰减10%的频带宽是多少？

满足相角滞后 ο10时的频带宽是Hz 3.2，满足幅值衰减10%的频带宽是Hz 2.3，同时满足相角滞后ο10和幅值衰减10%的频带宽是Hz 4.1。

8. 在绘制对数频率特性图时，为什么将余弦电枢电压幅值作为输入信号， 将由码盘检测的角位置信号作为输出信号？并分析输入信号为角位置 信号时，对数频率特性的变化。如何计算输入角位置信号的大小？，

输入余弦电枢电压幅值是为了获得角速度输入信号，以为码盘检测的是角位置信号，而输入信号经过系统所得到的输出信号为角位置信号，所以用码盘检测得到的角位置信号作为输出信号符合要求。

9. 简述本实验涵盖的基本知识点，以及你建议可扩展实验内容。

基本知识点：系统的时间响应时域分析，系统的频率响应、频率特性、频域分析，系统的稳定性分析。