自动控制系统1讲解

中北大学课程设计说明书学生姓名：xxx 学号：学院：中北大学专业：自动化题目：直流电机位置随动系统设计（第六组）职称: 副教授 2013 年 12 月 9 日中北大学信息商务学院课程设计任务书2013-2014 学年第一学期学院：xxx专业：自动化学生姓名：xxx 学号：课程设计题目：直流电机位置随动系统设计（第六组）起迄日期：12月9 日～12月20日课程设计地点：德怀楼七层实验室指导教师：姚舜才下达任务书日期: 2013年 12月 9日课程设计任务书课程设计任务书一、实验目的设计一个位置随动系统，使用工程设计方法，使其达到相应的技术指标要求二、实验设计要求1、计算并选择电动机型号及调节器的结构参数；2、画出系统的电气原理图（标明各环节参数，计算机制图，推荐使用Protell软件）；3、画出系统的动态结构图（标明各环节参数）；4、利用MATLAB软件对所设计的系统进行验证，给出仿真结果；5、利用Bode图近似画法，绘制系统的对数频域渐近特性；6、对比（4）、（5）的图形并说明其异同；7、提交设计说明书。

三、位置随动系统的概念位置随动系统也称伺服系统，是输出量对于给定输入量的跟踪系统，它实现的是执行机构对于位置指令的准确跟踪。

位置随动系统的被控量(输出量)是负载机械空间位置的线位移和角位移，当位置给定量(输入量)作任意变化时，该系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化，所以位置随动系统必定是一个反馈控制系统。

位置随动系统是应用非常广泛的一类工程控制系统。

它属于自动控制系统中的一类反馈闭环控制系统。

随着科学技术的发展，在实际中位置随动系统的应用领域非常广泛。

例如，数控机床的定位控制和加工轨迹控制，船舵的自动操纵，火炮方位的自动跟踪，宇航设备的自动驾驶，机器人的动作控制等等。

随着机电一体化技术的发展，位置随动系统已成为现代工业、国防和高科技领域中不可缺少的设备，是电力拖动自动控制系统的一个重要分支。

二．位置随动系统的基本组成1.电位器式位置随动系统的组成下面通过一个简单的例子说明位置随动系统的基本组成，其原理图如图1-1所示。

这是一个电位器式的小功率位置随动系统，有以下五个部分组成：图1-1 电位器式位置随动系统原理图（1）位置传感器 由电位器1RP 和2RP 组成位置传感器。

1RP 是给定位置传感器,其转轴与操纵轮连接，发出转角给定信号*m θ；2RP 是反馈位置传感器，其转轴通过传动机构与负载的转轴相连，得到转角反馈信号m θ。

两个电位器由同一个直流电源s U 供电，使电位器输出电压*U 和U ，直接将位置信号转换成电压量。

误差电压U U U -=∆*反映了给定与反馈的转角误差m mθθθ-=∆*，通过放大器等环节拖动负载，最终消灭误差。

（2）电压比较放大器（A ） 两个电位器输出的电压信号*U 和U 在放大器A 中进行比较与放大，发出控制信号c U 。

由于U ∆是可正可负的，放大器必须具有鉴别电压极性的能力。

输出的控制电压c U 也是可逆的。

(3)电力电子变换器（UPE ） 它主要起功率放大的作用（同时也放大了电压），而且必须是可逆的。

在小功率直流随动系统中多用P-MOSFET 或IGBT 桥式PWM 变换器。

对于大功率位置随动系统，会用到可逆的脉宽调制式PWM 变换器。

(4)伺服电机（SM ） 在小功率直流随动系统中多用永磁式直流伺服电机，在不同情况下也可采用其它直流或交流伺服电机。

大功率随动系统中也可采用永磁式直流伺服电机，由伺服电机和电力电子变换器构成可逆拖动系统是位置随动系统的执行机构。

(5)减速器与负载 在一般情况下负载的转速是很低的，在电机与负载之间必须设有传动比为i 的减速器。

在现代机器人、汽车电子机械等大功率设备中，为了减少机械装置，倾向于采用低速电机直接传动，可以取消减速器。

以上五个部分是各种位置随动系统都有的，在不同情况下，由于具体条件和性能要求的不同，所采用的具体元件、装置和控制方案可能有较大的差异。

四、三环随动系统的基本组成1.三环随动系统的基本组成：系统可分为以下八个部分：1．位置环我们只分析它的数学模型，不会把它作具体介绍。

可以近似为一阶惯性环节，传递函数为=)(s W j 1+s T K j j2．位置传感器模拟随动系统的位置传感器如前所述，大体可以分为两种，电位器和基于电磁感应原理的位置传感器。

基于电磁感应原理的位置传感器有自整角机、旋转变压器、感应同步器等，是应用比较广泛的模拟式位置传感器，可靠性和精度都比较高。

本次设计采用的位置传感器是自整角机。

自整角机是角位移传感器，在随动系统中总是成对应用的。

与指令轴相联的自整角机称为发送机，与执行轴相联的称作接收机。

按用途不同，自整角机可分为力矩式自整角机和控制式自整角机两类。

力矩式自整角机可以不经中间放大环节，直接传递转角信息，一般用于微功率同步旋转系统。

对功率较大的负载，力矩式自整角机带动不了，可采用控制式自整角机，将自整角接收机接成变压器状态，其输出电压通过中间放大环节带动负载，组成自整角机随动系统。

下面简单分析本次设计使用的控制式自整角机的工作原理和使用。

先看单相自整角机的结构和工作原理。

它具有—个单相励磁绕组和一个三相整步绕组，单相励磁绕组安置在转子上，通过两个滑环引入交流励磁电流，励磁磁极通常做成隐极式。

这样可使输入阻抗不随转子位置而变化。

整步绕组是三相绕组，一般为分布绕组，安置在定子上，它们被此在空间相隔o 120，并接成Y 形。

BST 为自整角发送机，BSR 为自整角接收机。

本次模型中采用的自整角机的放大系数)(25.1o bs V K =。

自整角机本身的检测误差o d e 5.0=。

传递函数为式（4-2），是简单的线性函数在数学模型将不会出现，但在计算稳态误差时将会用到自整角机的参数。

自整角机还包括相敏整流器URP ，可以把它当作自整角机的一部分，相当于一个电压放大器，并反映m θ∆的极性，放大系数=rp K 2，当然它在数学模型中也不会出现。

3．电压比较放大器（A ）这是位置随动系统所必须有的装置。

它的作用是发出控制信号c U ，由于U ∆可正可负。

放大器必须具有鉴别电压极性的能力，输出的控制的电压c U 也是可逆的。

放大系数5=a K ，函数关系U K U a c ∆=。

这个简单的函数关系也不会在数学模型中出现。

4．电力电子变换器（UPE ）起功率放大作用，而且是可逆的。

PWM 变换器有可逆和不可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等。

在本次大功率随动系统中选取双极式控制的桥式可逆PWM 变换器，因为是大功率系统变换器采用可关断晶闸管。

采用PWM 的调速系统发展越来越成熟，用途也很广，与单纯的晶闸管调速系统相比有很多优点1）主电路线路简单，需用的功率器件少；2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小； 3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

桥式可逆PWM 变换器的原理图本次设计采用的PWM 变换器的开关频率f =2500Hz ，即失控时间s T =0.4ms ，失控时间已经非常小，大大提高了系统的快速性，所以时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节（其中s T =1T ），传递函数为1)(111+=s T K s W 5．电流调节器（ACR ）按工程设计法选择典型I 型系统，PI 调节器。

传递函数为s T s T K s W i i piACR 1)(+= 6．转速调节器（ASR ） 按工程设计法选择典型I 型系统，选用PI 调节器。

传递函数为s T s T K s W n n pnASR 1)(+= 7．位置调节器（AWR ）按工程设计法和位置系统的校正，典型II 型系统，选用PID 调节器。

传递函数为 11)(21++=s T s T K s W w w pwAWR8．伺服电机（SM ）基于本次设计的大功率随动系统选择永磁式直流伺服电机，即直流他励电动机，型号为Z2-21，铭牌参数，W P n 400=，v U n 110=，A I n 59.5=，min 1000r n N =。

伺服电机可视为一个二阶系统，分为两个传递函数,，一部分为电机电枢近似成一阶惯性环节，传递函数为()122+=s T K s K l 一部分为传动装置近似为积分环节，传递函数为sT K s K m 33)(=9．负载负载就不做具体介绍，它也是系统是整个系统的被控位置对象，我们主要研究它的数学模型。

传递函数近似为积分环节s P s W i 602)(⨯= 随动系统功率大，采用低转速的直流伺服电机，所以本设计取消减速器。

五、三环随动系统的数学模型的建立三环随动系统结构图六、三环随动系统的稳态参数计算已知直流他励电动机，型号为Z2-21，铭牌参数，W P n 400=，v U n 110=，A I n 59.5=，min 1000r n N =。

电力电子变换器的增益201==K K s ，电压放大器的增益5=a K ，相敏整流器的放大系数由计算决定。

自整角机的放大系数)(50o bs v K =。

计算过程如下：电动机的额定效率为65.059.5110400=⨯==N N N N I U P η 电动机的电枢电阻为Ω=-⨯=-=4.359.5110)65.01(5.0)1(21N N N a I U R η 电动机的电动势系数为1min 091.010004.359.5110-⋅=⨯-=-=r v n R I U C N a N N e 电动机的转矩系数为A m N C C e m ⋅=⨯==87.0091.055.930π位置随动系统的静态结构框图（未考虑校正装置）七、三环随动系统电流调节器的设计1．电流环结构图的简化在图4-4中，在一般情况下，系统的电磁时间常数a T 远小于机电时间常数m T ，因此转速的变化往往比电流变化慢的多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即0≈∆E 。

这样在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，可以证明，忽略反电动势对电流作用的近似条件是la ci T T 13≥ω 式中ci ω——电流环开环频率特性的截止频率。

由于1T 比m T 小的多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 1T T i =∑电流环简化的近似条件为s ci T 131≤ω2．电流调节器的结构选择首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。