電機(jī)速度開環(huán)控制和閉環(huán)控制

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1、華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心信號(hào)與控制綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)三十三電機(jī)速度開環(huán)控制和閉環(huán)控制（自動(dòng)控制理論—檢測(cè)技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)）一、實(shí)驗(yàn)原理1．直流電機(jī)速度的控制直流電機(jī)的速度控制可以采用電樞回路電壓控制、勵(lì)磁回路電流控制和電樞回路串電阻控制三種基本方法。三種控制方式中，電樞電壓控制方法應(yīng)用最廣，它用于額定轉(zhuǎn)速以下的調(diào)速，而且效率較高。本實(shí)驗(yàn)采用電樞控制方式，如圖33-1所示。本實(shí)驗(yàn)裝置為一套小功率直流電機(jī)機(jī)組裝置。連接于被控制電機(jī)的輸出軸的是一臺(tái)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)輸出端接電阻負(fù)載，調(diào)節(jié)電阻負(fù)載即可調(diào)節(jié)被控制電機(jī)的輸出負(fù)載。發(fā)電機(jī)輸出電壓E圖33-1直流電機(jī)速度的電樞控制方式

2、兼作被控電機(jī)速度反饋電壓。2．開環(huán)控制和閉環(huán)控制由自動(dòng)控制理論分析可知，負(fù)載的存在相當(dāng)于在控制系統(tǒng)中加入了擾動(dòng)。擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致輸出（電機(jī)速度）偏離希望值。閉環(huán)控制能有效地抑制擾動(dòng)，穩(wěn)定控制系統(tǒng)的輸出。閉環(huán)控制原理方框圖如圖33-2。當(dāng)積分環(huán)節(jié)串聯(lián)在擾動(dòng)作用的反饋通道（即擾動(dòng)作用點(diǎn)之前）時(shí)，即成為針對(duì)階躍擾動(dòng)時(shí)的I型系統(tǒng)，能消除階躍信號(hào)擾動(dòng)。圖33-2直流電機(jī)速度的閉環(huán)控制原理方框圖采用積分環(huán)節(jié)雖然能一定程度上消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但是卻對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能（超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間）和穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。因此需要配合進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)和校正（采用根軌跡設(shè)計(jì)方法或頻域設(shè)計(jì)方法）。集學(xué)科優(yōu)勢(shì)-11-求改革

3、創(chuàng)新華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心信號(hào)與控制綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書此外，在擾動(dòng)可以測(cè)量的情況下，采用順饋控制也能有效地對(duì)擾動(dòng)引起的跟蹤誤差進(jìn)行補(bǔ)償，減輕反饋系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，見圖33-3。GcDREG1G2C圖33-3反饋＋順饋控制方式消除擾動(dòng)引起的誤差式中：G1=G1(s)為控制器傳遞函數(shù)，也是擾動(dòng)輸入時(shí)的反饋通道傳遞函數(shù)；G2=G2(s)為被控對(duì)象（本實(shí)驗(yàn)中即被控直流電機(jī)）的傳遞函數(shù)；Gc=Gc(s)為順饋控制通道傳遞函數(shù)；R為指令輸入，即希望的電機(jī)速度；C為輸出被控量，即被控電機(jī)的輸出速度；E為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；D為系統(tǒng)的擾動(dòng)輸入，即電機(jī)的負(fù)載。由擾動(dòng)到輸出的傳遞函數(shù)可

4、知，擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差為ER=0=?(GcG1+1)G21+G1G2D（33-1）當(dāng)選擇順饋回路傳遞函數(shù)為Gc=?1G1（33-2）時(shí)，有ER=0=0，即擾動(dòng)對(duì)輸出沒有影響。實(shí)際設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，精確實(shí)現(xiàn)式（33-2）是困難的。但可以通過粗略的實(shí)現(xiàn)，抵消大部分的擾動(dòng)，不能完全抵消的余下部分由反饋來抑制。這樣可以有效地補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)輸出的主要影響，又大大減輕反饋通道的負(fù)擔(dān)，對(duì)穩(wěn)定性影響較小。順饋＋反饋控制實(shí)現(xiàn)的條件是擾動(dòng)是可以測(cè)量的。3．控制器設(shè)計(jì)控制器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)為基本的功率放大器電路設(shè)計(jì)和為滿足系統(tǒng)性能要求的校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)中，功率放大器電路為基本的功率晶體管放大電路，

5、與電機(jī)的電樞電路串聯(lián)；晶體管的基極控制電路則由模擬電路或模數(shù)混合電路組成。功率放大電路的輸出供給電機(jī)電樞電壓，功放電路的電源通常與電機(jī)電樞電壓要求相匹配，屬大功率供電電源（也稱為強(qiáng)電）；而基極控制電路則是由單獨(dú)的電源供電的，其電壓等級(jí)遠(yuǎn)低于電樞電壓，稱為控制電源（或弱電）。兩個(gè)電源可以共一個(gè)地，也可以不共地。其基本控制原理框圖見集學(xué)科優(yōu)勢(shì)-12-求改革創(chuàng)新華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心圖33-4。信號(hào)與控制綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書功率功率晶體管電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)供電電源控制電路控制電路速度反饋電源圖33-4電機(jī)速度控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電路原理框圖二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)

6、計(jì)方法，以及電路設(shè)計(jì)和調(diào)試方法。2.進(jìn)一步通過具有實(shí)際被控對(duì)象的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，掌握控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析的方法。3.初步了解控制系統(tǒng)中各種變量的檢測(cè)方法和可以采用的檢測(cè)元件，構(gòu)成反饋回路。并嘗試采用其它檢測(cè)轉(zhuǎn)速等變量構(gòu)成反饋的方法。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的開環(huán)控制和閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)電路方案（包括負(fù)載擾動(dòng)系統(tǒng)和傳感器）；2．自行設(shè)計(jì)和搭建相應(yīng)的開環(huán)速度控制系統(tǒng)和閉環(huán)速度控制系統(tǒng)；控制器設(shè)計(jì)方案自選（0型或1型；反饋控制或反饋＋針對(duì)擾動(dòng)的順饋控制），并根據(jù)控制理論進(jìn)行分析和校正，可采用Matlab軟件進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證。對(duì)開環(huán)和閉環(huán)兩種方案進(jìn)行對(duì)比。要求穩(wěn)態(tài)誤差小、響應(yīng)時(shí)間短、超調(diào)量

7、小。系統(tǒng)構(gòu)建方案應(yīng)盡可能簡單、可靠。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1．電機(jī)機(jī)組裝置和功率供電電源、控制電源2．系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的功率晶體管、運(yùn)放芯片、阻容等元器件3．示波器4．計(jì)算機(jī)以及相應(yīng)的分析軟件五、實(shí)驗(yàn)步驟1.自行測(cè)取被控對(duì)象（電機(jī)機(jī)組裝置）的有關(guān)數(shù)據(jù)（功率、電壓、轉(zhuǎn)速及控制電源等）；測(cè)試并推導(dǎo)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)。2.完成系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；集學(xué)科優(yōu)勢(shì)-13-求改革創(chuàng)新華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心信號(hào)與控制綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書3.根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求，自行