控制工程实验指示书

控制工程基础实验指示书郭美凤赵长德清华大学精密仪器与机械学系2003-5-51实验一Matlab仿真实验一、基本实验1、对于一阶惯性系统Gss()KT1当分别取以下几组参数时，试画出系统单位阶跃响应曲线、频率特性乃氏图和伯德图。1).K=1,T=10;2).K=1,T=1;3).K=1,T=0.12、对于二阶系统Gsss()12122TT分别就T=1和T=0.1，分别取0,0.2,0.5,0.7,1,10时，画出系统单位阶跃响应曲线、频率特性乃氏图和伯德图。3、自构造高阶系统，试利用Matlab软件工具分析其时域、频域特性。4、对于下列系统，试画出其伯德图，求出相角裕量和增益裕量，并判其稳定性（1）)10047.0)(103.0(250)()(ssssHsG（2）)10047.0)(103.0)(110()15.0(250)()(ssssssHsG二、结合“运动控制系统”实验，熟悉MATLAB的控制系统图形输入与仿真工具SIMULINK。实验目的1）熟悉直流伺服电机控制系统各环节的传递函数模型；2）根据给定的性能指标，设计速度环与位置环的控制器参数。1．实验内容及要求2.1速度环仿真实验2图1双环调速系统方框图速度环的传递函数方框图见图1。测速发电机系数rpmVKn1000/24=0.02235V/rpm=0.213)//(sradV，而电动机反电势系数rpmAVnECe10005.47.1300.213sradV//,所以JCM213.01105.147.113eMaCTR=5502/sAradVAK＝0.5A/V测速机滤波时间常数msFKCRT95.11.05.192332（也可以重新设计）n[rad/s]为电机转速，最大转速为1000rpm，反馈系数]1,0[，)(ncsG为速度环的校正网络。当)(ncsG为比例－积分（PI）调节器时，其传递函数为sTssGnnnc1)(（1）当)(ncsG为比例（P）调节器时，其传递函数为nnc)(KsG（2）1．给定速度环的性能指标如下：1）单位阶跃响应的超调量小于30％；2）单位阶跃响应的调整时间小于0.06s；3）闭环带宽不小于10Hz。Gi(s)Kpwm1/RaTaS+1CM1JSCeKnT2S+1RM10001τ1S+1Gnc(s)UaE+UiEnUr(s)Ia+Mfz速度调节器电流调节器PWM功放测速发电机及滤波滤波器霍尔电流传感器负载力矩转速n++饱和环节3当速度环分别采用P与PI调节器时，设计满足给定指标的调节器参数。提示：有关参数的参考取值为：5.0，6nK，sT02.0n，s004.0n。2．根据设计的调节器参数，给出速度环采用P与PI调节器时的波特图，比较二者的稳定裕量和剪切频率。3．给出速度环分别采用P与PI调节器时的闭环频率特性及频域指标（闭环带宽，谐振峰值，谐振频率）。4．比较速度环采用P与PI调节器时的阶跃响应及瞬态响应指标（超调量与调整时间）。2.2位置环仿真实验位置环的传递函数方框图见图2。图2中piV[V]为位移命令输入，x[mm]为工作台位移，pfV[V]为电子电位计测得的工作台位移电压，)(pcsG为位置环的校正网络，)(nsG为速度环的闭环传递函数。当)(pcsG为近似比例－积分（PI）调节器时，其传递函数为11)(ppppcsTsKsG（3）当)(pcsG为比例（P）调节器时，其传递函数为ppc)(KsG（4）1.给定位置环的性能指标如下：1)单位阶跃响应的超调量小于30％；2)单位阶跃响应的调整时间小于0.2s；3)闭环带宽不小于4Hz。当位置环分别采用P与PI调节器时，设计满足给定指标的调节器参数。)(pcsGpiV图2伺服电机控制系统方框图（位置环）)(sGn)s/radmm(22s)V/mm(1.0pfVx4提示：1.速度环可任选P或PI调节器（建议选PI调节器）；2．位置环调节器参数参考取值:100pK，s0047.0p，sT02.0p。2.根据设计的调节器参数，给出位置环采用P与PI调节器时的波特图，比较二者的稳定裕量和剪切频率。3.给出位置环分别采用P与PI调节器时的闭环频率特性及频域指标（闭环带宽，谐振峰值，谐振频率）。4.比较位置环采用P与PI调节器时的阶跃响应及瞬态响应指标（超调量与调整时间）。关于伺服电机控制系统的详细资料参见附录1。5实验二直流电动机调速系统一、实验目的1.熟悉直流伺服电机控制系统各环节的传递函数模型；2.掌握速度环的设计和实验调试方法，从而从理论与实际的结合上掌握自动控制系统的设计与校正方法。二、实验原理见附录1三、实验要求速度环的传递函数方框图见下图，因为电机最大转速1000rpm，故传递函数方框图中加一饱和环节。当)(ncsG为比例－积分（PI）调节器时，其传递函数为sTssGnnnc1)(（1）当)(ncsG为比例（P）调节器时，其传递函数为Gi(s)Kpwm1/RaTaS+1CM1JSCeKnT2S+1RM10001τ1S+1Gnc(s)UaE+UiEnUr(s)Ia+Mfz速度调节器电流调节器PWM功放测速发电机及滤波滤波器霍尔电流传感器负载力矩转速n++饱和环节6nnc)(KsG（2）1.掌握速度反馈极性的判断方法。2.掌握速度环静态传递特性的调试方法（例如输入为9V。电机输出为1000rpm）。3.比较速度环采用P与PI调节器时的阶跃响应及瞬态响应指标（超调量与调整时间）。4.测试速度环的静态特性。5.掌握数字记忆示波器记录动态波形的使用方法。四、实验思考1．如何判断系统的反馈极性？2．当速度调节器采用比例环节时，把增益调节到最小（电位计逆时针转动到头），给定较低的速度，这时可以用手捏住电动机轴，使其转速为0（尽管系统是一阶无差系统）；但当速度调节器采用PI环节时，即使用很大的劲，电动机仍然可以低速转动！为什么？我们把转速对于电动机负载力矩的变化率叫做刚度。请分析采用两种调节器时的系统刚度。3．不用测速发电机作为角速度测量元件，本实验还可以用什么作为速度反馈？4．当不用速度反馈时，电动机使用电压源驱动也可以调节转速，本实验中是否可只用比例环节组成速度调节器，使该运算放大器的电压极性不同改变电动机的转向，幅值不同而改变转速？5．什么叫跨导放大器？电动机驱动什么时候用定压源，什么时候用定流源？6．PWM方式与线性功率放大器（如OPA541,LM12）的驱动器各有什么优缺点？7．本实验为什么要把电动机到丝杠的连轴节断开？8．你认为TEK公司的TDS1000数字式记忆示波器应用的关键是什么？9．当示波器探头选择10：1时，其等值电路是什么？传递函数为0.1的条件是什么?7五、实验报告要求1.速度环静态特性曲线。2.速度环动态特性曲线。3.采用P和PI调节器时，给出速度环的数学模型，在此基础上，理解速度环的构成。4.与实验一的仿真结果相对照。5.分析在有干扰力矩作用下，速度的变化。8实验三直流电动机位置伺服系统一、实验目的1.熟悉直流伺服电机控制系统各环节的传递函数模型；2.掌握位置环的设计和实验调试方法，从而从理论与实际的结合上掌握自动控制系统的设计与校正方法。二、实验原理见附录1三、实验要求位置环的传递函数方框图见下图，piV[V]为位移命令输入，x[mm]为工作台位移，pfV[V]为电子电位计测得的工作台位移电压，)(pcsG为位置环的校正网络，)(nsG为速度环的闭环传递函数。当)(pcsG为近似比例－积分（PI）调节器时，其传递函数为11)(ppppcsTsKsG（1）当)(pcsG为比例（P）调节器时，其传递函数为ppc)(KsG（2）1.了解位置反馈的原理。2.根据已有的速度环数学模型，和位置环的指标，设计和调试位置调节器的参)(pcsGpiV)(sGn)s/radmm(22s)V/mm(1.0pfVx9数。3.比较位置环采用P与PI调节器时的阶跃响应及瞬态响应指标（超调量与调整时间）。4.测试位置环的静态特性。四、实验思考1．CPLD是什么器件？采用光电编码器作为位置反馈是计算机控制系统普遍采用的方法，为了与“机电控制系统”课程实验兼容，“控制工程基础”实验也采用了此元件，但利用CPLD和D/A转换实现线性位置反馈，计数器复位时，该计数器值是XXXXH?对应的D/A值是多少？位置反馈系数如何分析计算？2．根据光电编码器的那2个信号可以判断转向？3．运算放大器，功率放大器、电动机转速都具有饱和特性，试根据您采用的位置调节器参数分析位置伺服系统的线性范围！4．实际系统中最大加速度和最大速度都是有限制的，那么从X1到X2点的单轴运动最佳运动规律是什么？5．这个实验的连轴节什么时候可以连接上？6．根据上述，您采用比例位置调节器时，观察给定阶跃电压在为多少V时？测速机电压的波形就会饱和，同时观察位置反馈电压的变化波形，说明很长一段时间系统匀速运动，这时不能用线性系统分析了，请考虑系统的饱和特性，用MATLAB仿真！7．如果加上积分校正，位置会产生过冲？为什么？机床进给系统是否允许过冲？8．系统的静态传递系数（输入1V单轴工作台移动的位移）如何计算？取决于什么？9．系统位置环，速度环，电流环（力矩环）各有什么特点？其频带如何分布？10．试画出利用现在的元部件加上计算机组成数字式位置控制系统的原理图？系统分辨率能够达到多高？11．对于运动控制来说，什么叫全闭环？什么叫半闭环？10五、实验报告要求1.位置环静态特性曲线。2.位置环动态特性曲线。3.采用P调节器时，给出位置环的数学模型，在此基础上，理解位置环的构成。4.与实验一的仿真结果相对照。附：运动控制系统实验设备说明书11控制工程基础课程运动控制系统实验设备说明书赵长德董景新张冠斌编写一、概述运动控制系统是指通过电动或液动执行环节（大部分采用电动执行部件，功率大的则采用液压传动，在食品、医药工业中也往往采用气动元件），控制一维乃至多维旋转或直线运动控制对象的控制系统。例如跟踪目标运动的炮描雷达，进行圆周扫描的警戒雷达，各种武器的发射架，三座标测量机，机器人和机械手的运动控制，数控机床进给系统，PCB板电子元件插件机，精密转台和工作台等等。运动控制系统已经成为精密仪器设备的一个重要方面，是先进制造系统中的重要组成部分，反映了一个国家的高科技水平。这种机电控制系统目前广泛采用模拟控制或计算机控制，直流或交流伺服电机做为执行部件。“控制工程基础”课程中的基本要求是，通过讲课、控制系统设计、MATLAB仿真和实验掌握电流环、速度环、位置环的基本概念，掌握调试速度环、位置环的设计和实验调试方法，从而从理论与实际的结合上掌握自动控制系统的设计与校正方法。在研究生的“机电系统控制工程”课程中则要求在电流环基础上，利用数字反馈组成计算机控制的位置伺服系统，编写数字PID程序，进行位置伺服系统实验。从而掌握计算机控制系统的组成、数字PID校正算法和实验调试的方法。（一）、直流电动机调速系统直流伺服电动机广泛应用于机械设备的驱动系统中。图1为小功率直流电动机双环调速系统的原理图，采用的是直流电动机测速发电机的机组。所谓双环指的是电流环和速度环，这是电力拖动和机电控制领域内普遍采用的技术。－+Ui+－Ur速度调节器电流调节器+UPW－+三角波发生器16~20KHz+－UbPWM控制逻辑光藕Ug1Ug4Ug2Ug3MUg1Ug2Ug3Ug4TG霍尔电流传感器脉宽调制器图1直流电动机双环调速系统原理图下面介绍实验用调速系统的组成：1．主要元部件★直流伺服电动机测速发电机的机组：12该机组型号为70SZD01CF24MB，直流伺服电动机外径Ф70mm,额定功率100W，额定转速1000rpm，额定电压30V,额定电流4.5A,额定转矩1Nm，峰值转矩8Nm，电枢电阻1.7Ω，电枢电感3.7mH,转动惯量2922Nms，机电时间常数9.2ms（毫秒）。同轴还安装了测速发电机,外径也是Ф70mm，其斜率为2