直流调速系统实验_李丹丹

直流调速系统实验
系统调速原理 系统静态特性
系统方块图
实验原理
系统动态特性
PID调节器的作用
系统频率特性
直流调速系统实验
系 统 方 块 图
UD
为了实现生产机械对调速系统静态特性的要求，只能 减少负载所引起的静态速降Δnnom。 从控制手段上引入转速负反馈减少转速降落、降低静差 率、扩大调速范围。 闭环系统能够有效地抑制包围在反馈环内的扰动作用。
直流调速系统实验
系统的静态特性指标
调速范围 静差率
系 统 静 态 特 性
静差率 系统在某一转速下运行时，负载由理想空载变到额定负 载所对应的转速降落Δnnom与理想空载转速速n0之比。 S = (Δnnom / n0 ) * 100%
直流调速系统实验
直流调速系统的静态特性 直流电动机转速与电动机电磁转矩的静态关系； 系统开环和闭环时静态特性不同，闭环更好些； 系统闭环时，开环放大倍数不同，静态特性也不同； 系统静态特性将影响系统的稳态误差。
直流调速系统实验
冷轧机中的应用 冷轧机是一种钢筋冷 轧加工设备，目前主流 用的是直流电机与直流 调速器来控制。 轧机的速度稳定性要 求较高，由主机来带动 左右卷取机的运行，主 机运行在精确的速度控 制方式下，直流调速系 统可以很好的满足稳定 性和精度的要求。
调 速 系 统 发 展 历 史
直流调速系统实验
直流调速系统实验
系统调速原理 系统静态特性
系统方块图
实验原理
系统动态特性
PID调节器的作用
系统频率特性
直流调速系统实验
频率特性法：研究待测系统输入正弦信号与输出正弦信号 的幅值和相位变化的关系
系 统 频 率 特 性
正弦信号有无穷阶导数，所以正弦信号中包含了位 置、速度、加速度等各种作用； 控制系统中的各个信号，可以分解成许多不同频率 的正弦信号； 根据控制系统对不同频率正弦信号的响应，就可以 全面地反映出系统的各种性质。
实验原理
系统动态特性
PID调节器的作用
系统频率特性
直流调速系统实验
直流电动机的转速特性
n U D I a Ra Ke
系 统 调 速 原 理
调节直流电动机的转速的方法 改变电枢回路电阻调速法； 减弱磁通调速法； 调节电枢电压调速法。 本实验装置采用改变电枢回路电压迚行调速 恒转矩调速方法 无级平滑调速 时间常数较小，能快速响应 需要大容量可调直流电源
直流调速系统实验
实验目的 实验设备
实验原理 实验内容
直流调速系统实验
1、了解直流调速系统的组成与各 个环节的传递 函数； 2、掌握直流调速系统静态特性测 试方法，求出系统开环放大倍数 Kp，分析Kp与稳态误差ess之间的 关系；
实验目的
3、掌握直流调速系统动态特性测 试方法，根据测量的时域性能指 标tp、ts、σp，求出频率域性能指 标ωc、ωb和系统的闭环传递函数 Ф(s)。 4、掌握直流调速系统，开环加校 正时频率特性的测试方法。从绘 出的系统Bode图中求出相角 裕度γ、幅值裕度Kv(rad/s) 和开环传递函数G(s)。
调 节 器 的 作 用
PID
KP取值过小，调节精度降低，响应速度变慢，调节 时间加长，使系统的动静态性能变坏。 仅仅有比例控制环节的反馈控制系统是被调量有静差的控制 系统，反馈控制只能减小稳态误差，而不能消除它。
在比例控制的闭环直流调速系统中，系统的稳态误差小 与系统的动态稳定性是矛盾的。
直流调速系统实验
自动控制原理实验系列
直流调速系统
主编：邱华洲 主讲：李丹丹
哈工大航天学院飞行器控制实验教学中心
直流调速系统实验
概述
自动控制技术 控制理论 自动化设备 控制系统实验 自动控制系统
运动控制系统 过程控制系统
运动控制系统（电力拖动自动控制系统）
调速系统 位置随动系统 调速系统
直流调速系统 交流调速系统
对于线性定常系统，当输入是正弦信号时，其输出也是相 同频率的正弦信号，只是二者幅值、相角可能不同。
直流调速系统实验
在对象的输入端加入一定带宽范围内各种频率的 正弦波信号，测量其输出信号频率特性数据， 就可以分析系统的频率特性。
系 统 频 率 特 性
应用频率特性法测试控制系统的开环频率特性 不必计算其分析式，利用Bode图就能更有效地来反映被 测控制系统的动态特性； 对于无法取得描述动态特性分析式的某些复杂系统就更 为重要 频域法建模：采用实验手段测量系统的频率特性指标，然后 通过Bode图建立其数学模型
直流调速系统实验
1821年英国科学家法拉第首先证明可以把电力转变为旋转运动。
1834 德国雅可比发明直流发动机 在两个U型电磁铁中间，装一六臂轮，每臂带两根棒型磁铁。 通电后，棒型磁铁与U型磁铁之间产生相互吸引和排斥作用 ， 带动轮轴转动。 1870年比利时工程师格拉姆证明向直流发动机输入电流，其转 子会象电动机一样旋转。这就是格拉姆型直流电动机。
Ti过小系统的稳态误差将难以消除，影响系统的调节精度。 从相位的角度来看一个积分环节就有90°的相位延迟， 也许会破坏系统的稳定性。
直流调速系统实验
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误 差的变化率）成正比关系。 由于存在较大惯性环节或有滞后组件，校正环节的调节作 用总是落后于误差的变化，在调节过程中可能会出现振荡甚 至失稳。 微分控制能预测误差变化的趋势，使得校正环节能够在误 差接近零时提前使抑制误差的控制作用等于零，从而避免了 被控量的严重超调。 对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器 能改善系统在调节过程中的动态特性。 微分参数Td的作用是改善系统的动态性能。 Td不能过大，否则会使响应过程提前制动，延长调节 时间，幵且会降低系统的抗干扰性能。
U max U 100 % U
系 统 动 态 特 性
p
直流调速系统实验
系 统 动 态 特 性
系统的超调量和阻尼系数存在如下式所示关系，故可通过调 节超调量来调节阻尼系数。
e

1 2
为了限制超调量，幵使ξ较小，一般会控制系统的超调量 在22%~28%之间。
直流调速系统实验
直流调速系统实验
本实验采用TD4020频率特性测试仪测量系统频率特性指标 TD4020频率特性测试仪组成部分 信号发生器 频率分析器 显示器 系统频率特性测试过程 产生一系列不同频率的正弦信号X激励被测对象； 测量被测对象的稳态响应Y，逐点获得其频率特性； 根据测量数据在Bode图上画出直流调速系统的幅频、 相频曲线； 用系统辨识方法写出被测对象的传递函数，即可建立 直流调速系统的数学模型。
直流调速系统实验
高层电梯中的应用 直流电动机具有调速 性能好、调速范围大的 特点，因此很早就应用 于电梯上，采用发电机 一电动机组形式驱动。 它控制的电梯速度达 4m／s，机组结构体积 大、耗电大、维护工作 量较大、造价高，因此 常用于对速度，舒适感 要求较高的建筑物中。
调 速 系 统 发 展 历 史
调 节 器 的 作 用
PID
直流调速系统实验
系统调速原理 系统静态特性
系统方块图
实验原理
系统动态特性
PID调节器的作用
系统频率特性
直流调速系统实验
系统的静态特性指标
调速范围 静差率
系 统 静 态 特 性
调速范围 调速系统的最高转速nmax与最低转速nmin之比 D = nmax / nmin
直流调速系统实验
系统调速原理 系统静态特性
系统方块图
实验原理
系统动态特性
PID调节器的作用
系统频率特性
直流调速系统实验
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入 误差信号成比例关系。 比例参数KP的作用是加快系统的响应速度幵提高系统的调节 精度。 随着KP的增大系统的响应速度越快，系统的调节精度越 高，但是系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导 致系统不稳定。
本实验利用时域法迚行系统分析，幵研究减少误差、 提高系统稳态性能的方法。
直流调速系统实验
系统的时域性能指标 在给定信号r(t)的作用下，系统输出量u(t)的变化情况用时 域性能指标来描述。 时域性能指标是在初始条件为零的情况下，以系统对单位 阶跃输入信号的输出响应(称为单位阶跃响应)为依据提出的。 上升时间tr 峰值时间tp 过渡过程时间ts 超调量σp
龙门刨床中的应用
调 速 系 统 发 展 历 史
龙门刨床是一种广泛使 用的大型工件刨削加工机 床，是工业的母机。龙门 刨床的工作台带着工件通 过门式框架作直线往复运 动，空行程速度大于工作 行程速度。
机床工作台的驱动为直 流调速方式,调速范围较大, 在低速时也能获得较大的 驱动力。不仅要求频繁 地换向, 而且要求动态 及静态性能优良。
调 速 系 统 发 展 历 史
直流调速系统实验
上个世纪30年代，出现发电机--电动机调速系统。
调 速 系 统 发 展 历 史
随着磁放大器、电机放大器等控制元件问世和被采用，直流调速 系统能在较宽范围内实现平滑调速，具有较优良的调速性能指标， 从而使直流电动机被广泛的应用在各个生产领域。 轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建 筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。 直流调速系统在工业应用上仍将占重要地位.
调 节 器 的 作 用
PID
直流调速系统实验
PID调整的主要工作就是实现闭环控制系统的首要仸务： 快（快速） 、准（准确） 、稳（稳定）的响应命令。
P：比例控制环节强调响应快速性，快速作用于输出。 着眼于“现在”； I：积分控制环节强调准确性，消除过去的累积误差。 着眼于“过去”； D：微分控制环节强调稳定性，具有超前控制作用。 着眼于“未来”。 PID参数的整定是从系统的稳定性、响应速度，超调量和稳 态精度等各方面考虑问题，合理的选择PID三参数。 控制系统的参数整定方法有：经验法、衰减曲线法、 临界比例法、反应曲线法； 实际应用中，大多是通过经验法来确定PID的参数。
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比 关系。 即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推 动控制器的输出增大使稳态误差迚一步减小，直到等于零。 比例+积分控制器，可以使系统在迚入稳态后无稳态误差。 积分参数Ti的作用是消除系统的稳态误差。
调 节 器 的 ຫໍສະໝຸດ Baidu 用
PID
Ti越大系统的稳态误差消除的越快，但Ti也不能过大，否 则在响应过程的初期会产生积分饱和现象。
直流调速系统过渡过程的动态性能指标 跟随性能指标 抗扰动性能指标
系 统 动 态 特 性
直流调速系统加入PID控制器以获得满意的动态性能指标 PID不仅适用于数学模型已知的控制系统，而且对大多数 数学模型难以确定的工业过程也可应用。 PID控制参数整定方便，结构灵活。 随着计算机技术的迅速发展，数字PID控制也已得到广泛 和成功的应用。 在单位阶跃信号作用下，对直流调速系统稳定性的分析。通 过加入两种校正形式（即PID、PD），幵且改变不同的校正参 数，分析其对直流调速系统稳定性的影响。
分压器
直流调速系统实验
测量电磁转矩 测量电动机转速 负载电阻波段开关 保护开关
实 验 设 备
M
n
开环/闭环切换按钮
调节给定电压
直流调速系统实验
直流调速系统实验设备连接方法
实 验 设 备
直流调速系统实验
实验目的
实验设备 实验原理 实验内容
直流调速系统实验
系统调速原理 系统静态特性
系统方块图
直流调速系统实验
实验目的
实验设备 实验原理 实验内容
直流调速系统实验
直流电动机组
直流调速系统操作台
实验设备
DS5152CA数字示波器 TD4020频率特性测试仪
直流调速系统实验
直流调速系统操作台
比例积分开关 积分时间 比例系数 微分时间 比例微分开关
实 验 设 备
M
n
△
调节给定电压
放大倍数 反馈极性开关
系统方块图
实验原理
系统动态特性
PID调节器的作用
系统频率特性
直流调速系统实验
控制系统的稳定性分析 根据系统的数学模型研究其动态性能和稳态性能是否满足性能指标。
系 统 动 态 特 性
经典控制理论中常用的系统分析方法 时域法 取时间t作为自变量，研究输出量的时间表达式 具有直观、准确的优点 可提供时间响应的信息 频域法
系 统 静 态 特 性
本实验通过改变负载电阻值的值来改变直流电动机电磁转矩。 直流电动机、直流发电机、直流测速机这三个元件同轴连 接而组成机组 直流发电机电枢电流与负载电阻值成反比 直流发电机的负载转矩与负载电流成正比 (Mfz = CmФIfz)
直流调速系统实验
系统调速原理 系统静态特性