自动控制原理设计

《自动控制原理》课程设计报告

题目：直流电机转速控制系统的动态校正

专业：自动化

班级：1班

姓名：

同组队员：

学号:

2014年9月22日

华南理工大学广州学院电信工程学院自动化专业

自动控制原理课程设计任务书(4-5)

兹发给自动化2012(1)班学生谢柱明自动控制原理课程设计任务书,内容如下: 一.课程设计题目:直流电机转速控制系统的动态校正 二.应完成的项目:

(一)未校正系统参数的测定：实验内容：

1.了解ACCC-Ⅳ型实验平台提供力矩电机转速控制模型的工作原理;

2.通过实验测定力矩电机转速控制模型的传递系数ΩK 、电磁时间常数a T 、机电时间常数m T ；

3.建立未校正直流电机转速控制系统的数学模型。

(二)系统设计：由建立未校正直流电机转速控制系统的数学模型，对该系统

进行动态校正装置设计。

1.设计指标：

静态指标：转速实现无静差调节；静差速度误差系数≥v K 36 1/s 。 动态指标：频域指标：相角裕度≥'γ40 °，幅值裕度≥'g L 6 dB ；

系统开环频率特性的截止频率：相角超前校正方案时≥'c ω10 rad/s ；相角滞后校正方案时≥'c ω 1 rad/s ；时域指标：系统单位阶跃响应最大超调量

≤%σ 30 %；过渡过程时间：≤s t 1.5 秒 。

2.理论设计：

根据设计指标，用频率法进行相角超前校正和相角滞后校正两种设计，并进行MATLAB 的SIMULINK 结构图仿真，验证两种设计方案。

3.实验系统设计线路实现（不做）：

根据理论设计的相角超前校正网络和相角滞后校正网络参数，由提供的ACCC-Ⅳ型自动控制理论及计算机控制技术实验平台图纸选择RC 元件和运算放大器，构造实现两种校正网络，并画出整个系统联结线路。

4.带实验参数整理计算结果、两种设计方案，按规定时间到B6-507进行验收。

(三)设计完成后应缴交设计说明书一份，包括上述设计基本内容、计算过程、

实验数据、实验曲线及分析、未校正系统的数学模型、频率法相角超前校正设计和相角滞后校正网络设计两种设计方案及两种设计方案的SIMULINK 结构图仿真曲线、结论及心得体会。

(四)设计完成期限：本设计任务书于2014年9月10日发出，2014年9月

19日上交设计说明书。

设计者： 教研组主任： 批准； 指导教师：签发

二. 力矩电机转速控制模型工作原理

图1.1为直流电机调速系统的结构框图，它由给定、PID 调节器、电机驱动单元、转速测量电路和输出电压反馈等几个部分组成。在参数给定的情况下，在PID 调节器的补偿作用下，直流电机可以按给定的转速闭环稳定运转。

给定Ug 由ACCT-II 自动控制理论及计算机控制技术的实验面板上的电源单元U1提供，电压变化范围为1.3V ～15V 。

经PID 运算后的控制量作为驱动单元输入信号，经过功率放大后驱动电机运转。 转速测量电路单元将转速转换成电压信号，作为反馈信号，构成闭环系统。它由转盘、光电转换和频率/电压（F/V ）转换电路组成。由于转速测量的转盘为60齿，电机旋转一周，光电变换后输出60个脉冲信号，对于转速为n 的电机来说，输出的脉冲频率为60n/min ，我们用这个信号接入以秒作为计数单位的频率计时，频率计的读数即为电机的转速，所以转速测量输出的电压即为频率/电压转换电路的输出，这里的F/V 转换率为150Hz/V 。

根据设计要求改变输出电压反馈系数β可以得到预设的输出电压。

150/1/f U /n U 00==

ACCC-Ⅳ型自动控制理论及计算机控制技术实验平台直流电机调速系统采用宽调速力矩电机（简称力矩电机，又称大惯量电机），它具有较大的电枢直径和较多的齿槽数以及如下特点：

（1）由于直径较大，故电磁转矩较大，同时电枢转动惯量较大，热容量较大，故过 载时间可较长；

（2）由于Jd 较大，故负载惯量变化时对系统动态性能影响小；

（3）由于电枢齿槽数较多，故低速运行平稳，力矩波动小。又因力矩电机一般做成扁平

状，电枢直径较大，空载转速很低，电磁较大，过载能力又强，故可直接带动负载，而无需减速器；

（4）机械特性硬度大，线性好。

力矩电机使用注意事项：

①同一般直流伺服电动机相比，力矩电机有两个特殊的技术指标，一是连续堵转矩，是指在电机长时间堵转时，电机温升不超过允许值所能输出的最大转矩。此时的电枢电流称“连续堵转电流”。例如直流力矩电机SYL-20，连续堵转矩2000克厘米，连续堵转电流2.43A。第二个技术指标是峰值转矩，由于力矩电机的激磁方式是永磁的，故电枢电流对磁钢有去磁作用，所以对电枢电流要加以限制，电枢电流的极限值称为“峰值电流”，相应的转矩值称为“峰值转矩”。如电枢电流超过峰值电流，则磁钢便被去磁，电机的空载速升高，转矩下降。

②国产SYL系列力矩电机分组装式和分装式，后者定子、转子、刷架三部分，出厂时并不组装，出厂后由用户组装。组装前应注意用磁路环将磁路短路，以免磁钢退磁。

三. 未校正系统参数的测定

1、未校正系统运行实验

未校正实验系统的接线图如图1.2所示，除了实际的模拟对象、电压表和转速计表外，其中的模拟电路由ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术实验板上的运放单元和备用元器件搭建而成。参考的试验参数为：

R0=R1=R2=100KΩ，R3=100KΩ，R4=2MΩ，R5=10KΩ，C1=1μF，R f/R i=1。

具体的实验步骤如下：

（1）．先将ACCT-III自动控制理论及计算机控制技术（二）和ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术面板上的电源船形开关均放在“OFF”状态。

（2）．利用ACCT-II实验板上的单元电路U9、U15和U11，设计并连接如图1.2所示的闭环系统。需要注意的是，运放的锁零信号G接到－15V。