机电系统实验二

姓名：张英伟学号：1120830107 课程名称：机电系统控制基础实验

实验序号：实验二实验日期：2014.12.1 实验室名称：机电系统控制基础实验室

同组人：吴涛甘建安

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年月日

二角位置伺服系统频域特性测试与分析实验

1.1 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。1.2 实验原理

直流电动机角位置伺服系统，由直流减速电机、膜片联轴器、磁滞制动器、增量式空心轴码盘组成的角位置反馈闭环系统。码盘感知的角位置信号通过采集卡的I/O 传给计算机，由计算机的控制模型计算输出位置信号，通过采集卡的DA、驱动电路，使直流电动机转动，组成的计算机控制的角位置伺服系统示意图如图2.1.

图 2.1 计算机控制的角位置伺服系统示意图

1.3 实验内容

1.绘制同一频率输入/输出信号的时域曲线

选择输入为5V——6.5Hz，其输入输出数据如下所示，其中左侧为输入数据，右侧为输出数据。

通过Originpro绘出的输入输出曲线分别为：

6.5Hz5V输入

6.5Hz5V输出2.绘出系统幅频特性曲线

频率（Hz）输入信号幅值V

（伏）

输出信号幅值B

（度）

)

/

lg(

20V

B相位差

0.1 6 366.77 35.7248511 -67.5

根据数据使用Originpro绘出的幅频曲线如下图所示。

幅频特性曲线（横坐标为频率的自然对数）

拟合后的曲线如下图所示

（横坐标为频率的自然对数）

3.在幅频特性曲线中，穿越零分贝线的频率即为开环剪切频率ω。

由幅频特性曲线可知，剪切频率为6.09Hz。

4.绘出系统相频特性曲线

经拟合后如下图所示

6. 实测系统传递函数

由系统的幅频特性曲线可知，此系统为一阶系统，传递函数设为

)

1()(+=

Ts s K

s G

系统的转折点频率为5Hz ，所T=0.2，由频率为1Hz 时的幅频特性可知

2815.5lg 20=⇒=K K

所以，系统的开环传递函数为

)

12.0(2

)(+=

s s s G

7. 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。

对系统的传动韩硕经过matlab 的simulink 仿真，其输入为6.5Hz5V 的正弦波，仿真结果如下。

将K改为10以后的输出曲线如下，其稳态值升高。

1.4 思考题

1. 电动机选择的依据是什么？

（1）根据负载启动特性及运行特性，选择最适于这些特性的电动机；

（2）选择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动机；

（3）计算相确定合适的电动机容量；

（4）选择可靠性高，便于维护的电动机；

（5）考虑到互换性，尽量选择标准电动机；

（6）为使整个系统高效率运行，要综合考虑电机的极数和电压等级。

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？

系统输入余弦电枢电压的幅值和系统参数辨识精度无关。由最后得出的Bode图得

出参数，Bode图幅频特性曲线为

)

/

lg(

20

V

B与 关系，幅值变化位置幅度也变化，但

比值不变。因为系统参数辨识精度是系统本身的特性，和输入信号无关，即系统组成器件不发生改变，系统参数辨识精度就不会改变。

3. 采样频率的高低对系统参数辨识精度有何影响？

实验数据是辨识的基础，只有高质量的数据才能得出良好的数学模型，因此，采样频率较高时，得到精度高，采样频率低时，得到精度低。

4. 分析输出信号的时域曲线零点漂移的原因。

由于传感器桥路中元件参数本身就不对称，弹性元件和电阻应变计和取感栅材料温度系数，线胀系数不同，组桥引线长度不一致等综合因素，最后导致传感器组成电桥后相邻臂总体温度系数有一定差异，当温度变化时，相邻臂电阻变化量不同，从而使电桥

产生输出不平衡，即产生了零点漂移。

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？

（1）启动和反转时，电机由于惯性，不能对输入信号及时反映，而且电机和零件之间有间隙，也会对死区影响；

（2）在死区时，系统不会对输入信号作出相应回应，会影响系统功能；

（3）提高电机参数，减小各零件的误差。

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？

（1）原因：由于正反转转变时，电机的三相电路要对调两相，在实际中，难以保证三相完全相同。

（2）提高采样频率。

7. 满足相角滞后10o 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10o 和幅值衰减10%的频带宽是多少？

满足相角滞后10°时的频带宽是5.5Hz，满足幅值衰减10%的频带宽是6.35Hz，同时满足相角滞后和幅值衰减10%的频带宽是4.3Hz。

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。

（1）Bode图幅频特性，相频特性，系统的稳定裕度，频带宽；

（2）扩展内容：搭接不同的反馈电路；对电路各部分的分析和认识，加深理解。