郑州大学自动控制理论课程设计指导书
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3
图 1 KSD-1 型随动系统实验装置面板布局图
4
(a) a)自整角发送机与接收机的选择图
(b) b）自整角机对的输出特性
图 3 相敏整流放大及低通滤波器
5
（a）
（b）
（c） 图 4 相敏整流放大器波形图
a） 相敏整流放大器输入电压U2 = 0 b）相敏整流放大器输入电压U2 > 0 c)相敏整流放大器输入电压U2 < 0
伺服电机的电枢控制电压由晶闸管功率放大器供给，晶闸管主回路工作在半波整流状
态，如图 11 所示，因电机在晶闸管导通期间，整流电压U0 (t) 基本上与输入电压 U（t）相 同，当电角度在α + β 之后，晶闸管关断，电动机两端电压等于它的反电势。由于电流出现
间断，导致直流输出电压升高，但特性变差，因电动机运行在非线性的机械特性上。在电机 主回路中串联平波电抗器，目的在于扩大电流连续区，缩小断续区，从而改善运行特性。
《自动控制理论》课程设计 参考资料
郑州大学 电气工程学院自动化系
目录
第一部分 .....................................................................................1
KSD—1 型晶闸管直流随动系统实验装置简介 ....................................................................1
相位 a 大小取决于 H 端正电压大小，也就是取决于系统偏差角 θ 大小，而正组触发器与反 组触发器何者封锁何者工作，取决于偏差角 θ 的正负。
6、 直流伺服机及其晶闸管功率放大器 直流伺服电动机 S-569 采用电枢控制方式，它除带动测速电机外，还通过减速比为 216
的齿轮减速器带动自整角接收机（该系统未安装直流负载发电机），其伺服电机主回路及各 电机的连接如图 10 所示。
第一部分
KSD—1 型晶闸管直流随动系统实验装置简介
一、装置特点
KSD—1 型晶闸管直流随动系统是按输入角度与反馈角度之间偏差原理进行的。它采用 自整角机作位置测量元件，晶闸管作功率放大元件和直流伺服电动机作执行元件，属小功率 随动系统，为了提高系统稳定精度和动态品质，在系统中加入 PID 串联或并联校正装置。
若θ r >θo ，U2 和U~1 同相，与U~2 反相，则U A >U B ，U P 为正，此时，各交流电压 的相位和U P 的极性如图 5（b）所示。
若θ r <θo ，U2 和U~1 反相，与U~2 同相，则U A <U B ，U P 为负，各电压的相位和U P
的极性如图 5（c）所示。
3、 低通滤波器
U1 = Umax sin θ
其特性如图 2（b）所示。
一般说，在正常工作期间偏差角 θ 绝对值是比较小的，U1 与 θ 之间视作线性关系，
则自整角机对传递系数按下式求取
K = U1 / ( θ ) θ → 0
1
2、 相敏整流放大器
在系统输出轴跟踪输出轴的随动过程中，自整角接收机输出电压U1 实际上是输入中控
只要满足 R2 R5 R6 > R4 ，计算结果是比较准确的。
5、同相器和反相器
为了实现系统可靠的正向和反相跟踪，该系统采用 7a、b 所示的同相器和反相器线路。
同相器和反相器的工作原理与电压放大器的工作原理并无太大差别，只是它们的放大倍 数为 1，在它们的反馈回路中接入了单向导电的二极管，使得它们只能单方向跟踪。
二、KSD—1 型随动系统性能指标（校正后）
（1）输入轴最大变化速度 50 度/秒，最大角加速度 50 度/秒 2 。
因相敏整流器的输出U P 是脉动电压，所以低通滤波器的作用为消除高次滤波，是U2 平 直些，滤波电容 C 的选择既要考虑到U3 波形平直性又要兼顾时间常数要小，其线路见图 3.
4、 PID 有源串联校正电路
相敏整流放大滤波器输出U2 加到 PID 有源串联校正电路的运算放大器反相输入端，其 输出U4 作为同相器和反相器的控制信号如图 6 所示。
U2 是由自整角接收机输出电压经分压的调幅波偏差电压，U P 是相敏整流器的输出直流平 均电压，U~1 和U~2 是同步电压，但要求它们大于U2 。现分别讨论它的三种工作状况：
设系统处于协调状态即θ r =θo 时，U2 =0，不管U~ 为正半周还是负半周，通过上桥和 下桥流经电阻的电流大小相等方向相反即U A =U B ,故输出U P =0，如图 5（a）所示。
US (S ) = −KS i(T0S +1)(T2S +1) / (T1S +1)(T4S +1) 式中 KS = (R2 + R3 + R5 ) / R1;T1 = R3C1; I0 = [(R2 + R5 )iR3 / (R2 + R3 + R5 )]C1; T2 = R2C2; T4 = R4 / (R4 + R6 )T2 。
KSD—1 型随动系统的传递函数
wk.baidu.com
一、KSD—1 型随动系统工作原理
KSD—1 型随动系统实验装置是采用自整角机作为反馈元件，线性运算放大器作为放大 元件。可控硅作为功率放大元件，直流伺服电机作为执行元件的小功率随动系统。为了改善 系统的动态品质指标，采用了直流测速发电机反馈作为并联校正，用电压放大器作有源串联 校正器。
角差不为零，于是自整角接收机的输出绕组就输出误差电压 Uc，通过输出变压器加到全波 桥式相敏整流器上，相敏整流器输出直流时，脉动很大，必须通过低通滤波器消除不必要的
频率成分，取出近似正比于误差角的直流有效讯号，（具有正、负极性）加到线性组件 KO 的
反相输出端，经过电压放大后，加到同相器 TX 和反相器 PX 的同相和反相输入端作为可控
系统中有两个触发器分别触发晶闸管 KZ1 和 KZ2，触发器采用单结晶体管线路如图 9 所示。
触发器电源由二极管全波整流供给，整流变压器的一次绕组接到主回路的同一电源上， 以保证触发脉冲与主回路同步。由同相器 TX 或反相器 PX 的输出端 H 送入控制信号，当 H 端为正电压时，触发器工作送出触发脉冲；当 H 端为负电压时触发器被封锁。触发脉冲的
因同相器 TX 的正向输入端与反相器 PX 的反相输入端相接在一起，所以当 PID 串联校 正电路（或电压放大器）输出为正电压时，则同相器输入为正电压，其输出为正电压使正组 触发器工作，反相器输入仍为正电压，输出却为负电压，封锁反组触发器，反之，PID 串联
2
校正输出为负电压时，则反组触发器工作，正组触发器被封锁。器特性如图 8 所示。 5、 晶体管触发电路
本系统是采用电枢控制直流伺服电动机的随动系统，系统采用变压式自整角机对，用来 测量两个机械轴的转角差，当系统静止时两个自整角机转子相对于三相绕组的夹角之差为
零。两个自整角机处于平衡状态，自整角接收机 Sc 的输出绕组没有电压输出，整个系统处 于协调状态。假设系统有一输入角θ1 ，这时，自整角机输出轴的转子相对于三相绕组的夹
三、主要单元的作用及工作原理
1、 自整角机
两个自整角机按图 2 所示连接，工作在变压器状态，检测系统输入轴转角θ r 与输出角 θo 之偏差 θ 。自整角发送机 KF（D1-404）的转子与输入轴连接，自整角接收机 KJ（SS-405） 的转子与系统输出轴连接。自整角接收机输出电压U1 与偏差角 θ 的关系为
硅（简称 S、C、R），控制角的控制信号，经触发线路 CP1 或 CP2 产生触发脉冲，去触发可
控硅，由可控硅功率放大器输出控制伺服电动机转动，经过减速器 i 同时带动自整角接收机
Sc 的转子转动，直至 Sc 跟上 Sr 的转角后，系统重新处于平衡，为了使系统正常工作，改善
系统的动态品质，必须加入串联校正装置或并联校正装置。
R3 和 R4 为调节反馈系数和时间常数的电位器，D1 和 D2 分别为限制加到运算放大器输 入端的最大负向和正向电压的二极管， RW 6 、 RW 7 、 D3 、 D4 组成了输出的限幅电路。若开 关 KIA 和 KIB 置于调零位，PID 串联校正电路就成为电压放大器。
PID 串联校正线路的传递函数为
该装置性能指标为：
（1）
（2） （3） （4） （5）
静态位置误差 e0 ≤ 0.5o
系统速度误差 esr ≤ 1o
超调量σ ≤ 30%
过度过程时间 tp ≤ 0.7s 振荡次数 N ≤ 2
（最大速度为 50o / s ）
（在单位位置阶跃输入时）
二、总体结构
为便于实验和维护，该实验装置为积木式箱体结构，其布局分为三个部分即上抽屉、下 抽屉和机体部分。上抽屉由电压和触发电路及 PID 串联校正等三块印刷线路板组成；下抽 屉（左侧）由自整角机发送机 D1-404 和向系统提供速度输入的交流伺服电机 SD-15 等组成； 机体由直流伺服电机 S-569、直流测速发电机 2CF-221A 和减速箱及自整角接收机 SS-405 等 组成。为了扩大实验内容和接线方便，在前部面板上不仅刻印了系统各环节方块图，而且各 环节的输入和输出端都焊装接线柱，同时系统的一些调节电位仪器和串、并联校正开关亦装 在面板上，如图 1 所示，这样既能做各环节的特性实验，只要适当连线又能做开环和闭环系 统实验。实验时打开该装置左右盖板，整个装置的内部结构以及各元器件和电机等都能清楚 而直观地展现在眼前，上下抽屉可抽出放在机体旁进行实验操作，上下抽屉和机体等三者采 用软连接，便于更换校正装置的电阻和电容参数，专制了一块串联校正印刷板，元件焊接处 采用铆钉打孔。
制信号调制在发送机激磁频率上的调幅波，相敏整流放大器即调制器的功能为在调幅波取出 控制信号，对相敏整流器的要求是：输出直流电压不仅能反映输入控制信号大小同时能反映 它的极性；输入-输出特性线性好；效率高、响应快和输出脉冲成分小等。
相敏整流放大器种类繁多，该系统采用如图 4 所示二极管全波桥式相敏整流线路，其中
第二部分 ....................................................................................10
KSD—1 型随动系统的传递函数..........................................................................................10 一、KSD—1 型随动系统工作原理......................................................................................10 二、KSD—1 型随动系统性能指标（校正后） ..................................................................10 三、随动系统原理简图和方块图 ......................................................................................... 11 四、系统中有关环节的传递函数.........................................................................................12 五、系统的闭环方框图（未校正前）。 ............................................................................... 18 六、参考文献.........................................................................................................................18
6
图 5 PID 串联校正装置
（a）
（b） 图 6 同相器和反相器电路 a）同相器 TX b）反相器 FX
7
图 7 同相器和反相器输入-输出特性 图 8 单结晶体管触发电路
图 9 单结晶体管触发器波形图
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图 10 直流伺服电机主电路及各电机间联结 图 11 半波整流电路电压和电流波形图
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第二部分
图 1 KSD-1 型随动系统实验装置面板布局图
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(a) a)自整角发送机与接收机的选择图
(b) b）自整角机对的输出特性
图 3 相敏整流放大及低通滤波器
5
（a）
（b）
（c） 图 4 相敏整流放大器波形图
a） 相敏整流放大器输入电压U2 = 0 b）相敏整流放大器输入电压U2 > 0 c)相敏整流放大器输入电压U2 < 0
伺服电机的电枢控制电压由晶闸管功率放大器供给，晶闸管主回路工作在半波整流状
态，如图 11 所示，因电机在晶闸管导通期间，整流电压U0 (t) 基本上与输入电压 U（t）相 同，当电角度在α + β 之后，晶闸管关断，电动机两端电压等于它的反电势。由于电流出现
间断，导致直流输出电压升高，但特性变差，因电动机运行在非线性的机械特性上。在电机 主回路中串联平波电抗器，目的在于扩大电流连续区，缩小断续区，从而改善运行特性。
《自动控制理论》课程设计 参考资料
郑州大学 电气工程学院自动化系
目录
第一部分 .....................................................................................1
KSD—1 型晶闸管直流随动系统实验装置简介 ....................................................................1
相位 a 大小取决于 H 端正电压大小，也就是取决于系统偏差角 θ 大小，而正组触发器与反 组触发器何者封锁何者工作，取决于偏差角 θ 的正负。
6、 直流伺服机及其晶闸管功率放大器 直流伺服电动机 S-569 采用电枢控制方式，它除带动测速电机外，还通过减速比为 216
的齿轮减速器带动自整角接收机（该系统未安装直流负载发电机），其伺服电机主回路及各 电机的连接如图 10 所示。
第一部分
KSD—1 型晶闸管直流随动系统实验装置简介
一、装置特点
KSD—1 型晶闸管直流随动系统是按输入角度与反馈角度之间偏差原理进行的。它采用 自整角机作位置测量元件，晶闸管作功率放大元件和直流伺服电动机作执行元件，属小功率 随动系统，为了提高系统稳定精度和动态品质，在系统中加入 PID 串联或并联校正装置。
若θ r >θo ，U2 和U~1 同相，与U~2 反相，则U A >U B ，U P 为正，此时，各交流电压 的相位和U P 的极性如图 5（b）所示。
若θ r <θo ，U2 和U~1 反相，与U~2 同相，则U A <U B ，U P 为负，各电压的相位和U P
的极性如图 5（c）所示。
3、 低通滤波器
U1 = Umax sin θ
其特性如图 2（b）所示。
一般说，在正常工作期间偏差角 θ 绝对值是比较小的，U1 与 θ 之间视作线性关系，
则自整角机对传递系数按下式求取
K = U1 / ( θ ) θ → 0
1
2、 相敏整流放大器
在系统输出轴跟踪输出轴的随动过程中，自整角接收机输出电压U1 实际上是输入中控
只要满足 R2 R5 R6 > R4 ，计算结果是比较准确的。
5、同相器和反相器
为了实现系统可靠的正向和反相跟踪，该系统采用 7a、b 所示的同相器和反相器线路。
同相器和反相器的工作原理与电压放大器的工作原理并无太大差别，只是它们的放大倍 数为 1，在它们的反馈回路中接入了单向导电的二极管，使得它们只能单方向跟踪。
二、KSD—1 型随动系统性能指标（校正后）
（1）输入轴最大变化速度 50 度/秒，最大角加速度 50 度/秒 2 。
因相敏整流器的输出U P 是脉动电压，所以低通滤波器的作用为消除高次滤波，是U2 平 直些，滤波电容 C 的选择既要考虑到U3 波形平直性又要兼顾时间常数要小，其线路见图 3.
4、 PID 有源串联校正电路
相敏整流放大滤波器输出U2 加到 PID 有源串联校正电路的运算放大器反相输入端，其 输出U4 作为同相器和反相器的控制信号如图 6 所示。
U2 是由自整角接收机输出电压经分压的调幅波偏差电压，U P 是相敏整流器的输出直流平 均电压，U~1 和U~2 是同步电压，但要求它们大于U2 。现分别讨论它的三种工作状况：
设系统处于协调状态即θ r =θo 时，U2 =0，不管U~ 为正半周还是负半周，通过上桥和 下桥流经电阻的电流大小相等方向相反即U A =U B ,故输出U P =0，如图 5（a）所示。
US (S ) = −KS i(T0S +1)(T2S +1) / (T1S +1)(T4S +1) 式中 KS = (R2 + R3 + R5 ) / R1;T1 = R3C1; I0 = [(R2 + R5 )iR3 / (R2 + R3 + R5 )]C1; T2 = R2C2; T4 = R4 / (R4 + R6 )T2 。
KSD—1 型随动系统的传递函数
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一、KSD—1 型随动系统工作原理
KSD—1 型随动系统实验装置是采用自整角机作为反馈元件，线性运算放大器作为放大 元件。可控硅作为功率放大元件，直流伺服电机作为执行元件的小功率随动系统。为了改善 系统的动态品质指标，采用了直流测速发电机反馈作为并联校正，用电压放大器作有源串联 校正器。
角差不为零，于是自整角接收机的输出绕组就输出误差电压 Uc，通过输出变压器加到全波 桥式相敏整流器上，相敏整流器输出直流时，脉动很大，必须通过低通滤波器消除不必要的
频率成分，取出近似正比于误差角的直流有效讯号，（具有正、负极性）加到线性组件 KO 的
反相输出端，经过电压放大后，加到同相器 TX 和反相器 PX 的同相和反相输入端作为可控
系统中有两个触发器分别触发晶闸管 KZ1 和 KZ2，触发器采用单结晶体管线路如图 9 所示。
触发器电源由二极管全波整流供给，整流变压器的一次绕组接到主回路的同一电源上， 以保证触发脉冲与主回路同步。由同相器 TX 或反相器 PX 的输出端 H 送入控制信号，当 H 端为正电压时，触发器工作送出触发脉冲；当 H 端为负电压时触发器被封锁。触发脉冲的
因同相器 TX 的正向输入端与反相器 PX 的反相输入端相接在一起，所以当 PID 串联校 正电路（或电压放大器）输出为正电压时，则同相器输入为正电压，其输出为正电压使正组 触发器工作，反相器输入仍为正电压，输出却为负电压，封锁反组触发器，反之，PID 串联
2
校正输出为负电压时，则反组触发器工作，正组触发器被封锁。器特性如图 8 所示。 5、 晶体管触发电路
本系统是采用电枢控制直流伺服电动机的随动系统，系统采用变压式自整角机对，用来 测量两个机械轴的转角差，当系统静止时两个自整角机转子相对于三相绕组的夹角之差为
零。两个自整角机处于平衡状态，自整角接收机 Sc 的输出绕组没有电压输出，整个系统处 于协调状态。假设系统有一输入角θ1 ，这时，自整角机输出轴的转子相对于三相绕组的夹
三、主要单元的作用及工作原理
1、 自整角机
两个自整角机按图 2 所示连接，工作在变压器状态，检测系统输入轴转角θ r 与输出角 θo 之偏差 θ 。自整角发送机 KF（D1-404）的转子与输入轴连接，自整角接收机 KJ（SS-405） 的转子与系统输出轴连接。自整角接收机输出电压U1 与偏差角 θ 的关系为
硅（简称 S、C、R），控制角的控制信号，经触发线路 CP1 或 CP2 产生触发脉冲，去触发可
控硅，由可控硅功率放大器输出控制伺服电动机转动，经过减速器 i 同时带动自整角接收机
Sc 的转子转动，直至 Sc 跟上 Sr 的转角后，系统重新处于平衡，为了使系统正常工作，改善
系统的动态品质，必须加入串联校正装置或并联校正装置。
R3 和 R4 为调节反馈系数和时间常数的电位器，D1 和 D2 分别为限制加到运算放大器输 入端的最大负向和正向电压的二极管， RW 6 、 RW 7 、 D3 、 D4 组成了输出的限幅电路。若开 关 KIA 和 KIB 置于调零位，PID 串联校正电路就成为电压放大器。
PID 串联校正线路的传递函数为
该装置性能指标为：
（1）
（2） （3） （4） （5）
静态位置误差 e0 ≤ 0.5o
系统速度误差 esr ≤ 1o
超调量σ ≤ 30%
过度过程时间 tp ≤ 0.7s 振荡次数 N ≤ 2
（最大速度为 50o / s ）
（在单位位置阶跃输入时）
二、总体结构
为便于实验和维护，该实验装置为积木式箱体结构，其布局分为三个部分即上抽屉、下 抽屉和机体部分。上抽屉由电压和触发电路及 PID 串联校正等三块印刷线路板组成；下抽 屉（左侧）由自整角机发送机 D1-404 和向系统提供速度输入的交流伺服电机 SD-15 等组成； 机体由直流伺服电机 S-569、直流测速发电机 2CF-221A 和减速箱及自整角接收机 SS-405 等 组成。为了扩大实验内容和接线方便，在前部面板上不仅刻印了系统各环节方块图，而且各 环节的输入和输出端都焊装接线柱，同时系统的一些调节电位仪器和串、并联校正开关亦装 在面板上，如图 1 所示，这样既能做各环节的特性实验，只要适当连线又能做开环和闭环系 统实验。实验时打开该装置左右盖板，整个装置的内部结构以及各元器件和电机等都能清楚 而直观地展现在眼前，上下抽屉可抽出放在机体旁进行实验操作，上下抽屉和机体等三者采 用软连接，便于更换校正装置的电阻和电容参数，专制了一块串联校正印刷板，元件焊接处 采用铆钉打孔。
制信号调制在发送机激磁频率上的调幅波，相敏整流放大器即调制器的功能为在调幅波取出 控制信号，对相敏整流器的要求是：输出直流电压不仅能反映输入控制信号大小同时能反映 它的极性；输入-输出特性线性好；效率高、响应快和输出脉冲成分小等。
相敏整流放大器种类繁多，该系统采用如图 4 所示二极管全波桥式相敏整流线路，其中
第二部分 ....................................................................................10
KSD—1 型随动系统的传递函数..........................................................................................10 一、KSD—1 型随动系统工作原理......................................................................................10 二、KSD—1 型随动系统性能指标（校正后） ..................................................................10 三、随动系统原理简图和方块图 ......................................................................................... 11 四、系统中有关环节的传递函数.........................................................................................12 五、系统的闭环方框图（未校正前）。 ............................................................................... 18 六、参考文献.........................................................................................................................18
6
图 5 PID 串联校正装置
（a）
（b） 图 6 同相器和反相器电路 a）同相器 TX b）反相器 FX
7
图 7 同相器和反相器输入-输出特性 图 8 单结晶体管触发电路
图 9 单结晶体管触发器波形图
8
图 10 直流伺服电机主电路及各电机间联结 图 11 半波整流电路电压和电流波形图
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第二部分