12024/9/201小功率随动系统实验 飞行器控制实验教学中心飞行器控制实验教学中心 自动控制原理实验系列自动控制原理实验系列1随动控制系统概述：1 ）随动控制系统的定义；2 ）随动控制系统的应用；3 ）随动控制系统的一般组成；4 ）随动控制系统的简单例子；5 ）随动控制系统的分类；6 ）随动控制系统的检测装置；7 ）随动控制系统的控制方式22024/9/2021）随动控制系统的定义：1 又叫跟踪系统或伺服系统，是一类应用广泛的自动控制系统；2 输入信号可以是预先未知的，并且可随时间任意变化；3 输出信号是位移量，包括角位移和线位移；4 主要性能指标是系统的跟随性能，即跟踪速度和精度。要求输出位移量可以快速、准确的跟随输入，即：调整时间ts 和稳态误差ess要小。其次考虑抗干扰的性能；32024/9/2032）随动控制系统应用 机械加工过程中机床的定位控制和加工轨迹控制是位置随动系统的典型实例，如仿型铣床的跟踪控制、数控机床的轨迹控制。 4 仪表工业中各种记录仪的笔架控制，如温度记录仪、计算机外部设备中的X Y记录仪，各种绘图机以及计算机磁盘驱动器的磁头定位控制。X-Y函数记录仪是一种最常用的通用笔式记录仪。其x、y轴各由一套独立的随动系统驱动，使记录笔能在记录纸上精确记录函数曲线。5n军事工业： 火炮群跟踪雷达天线的位置控制、导弹发射架的对准控制；陀螺仪惯性导航系统，各类飞行器的姿态控制等，都是位置随动系统的具体应用。63）随动控制系统一般组成 主要包括：检测装置、信号转换电路、放大装置、补偿装置、执行机构、电源装置和被控对象等部分。1)检测装置用来检测输入信号和系统输出；2)放大装置将控制信号进行功率放大；3)执行部件主要实现机电转换，将电信号转换成机械位移；4)信号转换线路和补偿装置实现各部件信号之间有效匹配，使系统具有良好的工作品质。5)此外，各部分都离不开相应的能源设备、保护装置、控制设备和其他辅助设备。74）随动控制系统简单实例电位器式的小功率位置随动伺服系统的原理图（1）位置检测器 （2）电压比较放大器 （3）电力电子变换器 （4）伺服电机（5）减速器与负载85）随动控制系统分类1）按组成元件分类 按随动系统组成元件的不同，可以将系统分为纯电气系统、电液系统和电气/气动系统。 纯电气系统的组成元件除机械部件外，均是电磁或电子元件。根据所采用伺服电机的不同，又将纯电气系统分为直流伺服系统和交流伺服系统两类。直流伺服系统的执行元件是直流伺服电机；交流伺服系统的执行元件是交流伺服电机。 电液伺服系统的误差测量装置、补偿、放大部分均为电气元件，而功率放大与执行元件刚采用液压元件； 电气/气动伺服系统的误差测量装置、补偿与前级放大部分为电气元件，而执行元件为气动元件。132）按执行元件功率大小分类 执行元件输出功率在50W以下的随动系统称为小功率随动系统； 执行元件输出功率在50W到500W之间称为中功率随动系统； 执行元件输出功率在500W以上的称为大功率随动系统。当然，这只是一个比较粗略的分类。146）随动控制系统的检测装置 位置随动系统的检测装置是其最重要的组成部分，也是其区别于其他类型控制系统的最明显的特征。 使用检测装置构成位置闭环，将位置信号转换成一定形式的电量。由于它的精度直接影响系统的精度，因此一般希望检测装置精度高、线性度好、灵敏度高。若对小功率系统，还要求检测装置的惯量和磨擦力矩要小。 常用的位移检测装置有伺服电位器、自整角机、旋转变压器、感应同步器、光电编码盘、光栅等。15检测装置的分类具体应用时，需要根据控制精度的要求，安装位置和形式，输出信号的要求，选择适合的检测装置16172024/9/20脉冲编码器脉冲编码器旋转变压器旋转变压器直线光栅直线光栅感应同步器感应同步器177）随动控制系统的控制方式1）误差控制：按照位置误差信号来控制系统运动，它的主反馈通道传递函数通常采用单位反馈 ，使用最广泛的控制方式 。2）复合控制：将输入信号的微分和系统误差综合形成控制信号，是引入前馈后，能有效地提高系统精度和快速响应能力，而不影响系统闭环稳定性 。3）模型跟踪控制：系统除了前向控制主通道外，还有一条与它并行的模型通道，将被控对象和模型通道的输出之差作为主反馈信号，通过反馈到主通道的输入端，使得系统的实际输出c跟随模型的输出cm 。适当选取模型通道的传递函数和反馈通道的传递函数，可以使系统获得较高的精度和良好的动态品质 。1819192024/9/20实验目的:1熟悉随动系统的组成原理及各部分的传递函数；2测试系统每个环节的传递函数的数值、确定开环放大倍数，进行频率特性分析；3通过输入方波信号，观察比较加入校正环节（补偿环节）前后，系统输出信号的阶跃响应；4通过输入斜坡信号，观察随动系统的跟踪性能. .1920202024/9/20（1） 直流小功率随动系统控制器实验设备组成实验设备组成: :20212024/9/20（2）机电部分：电机机组（永磁直流力矩电机+测速发电机），旋转变压器，旋转电位器，负载转盘2122222024/9/20实验装置控制原理前置前置放大器放大器串联串联校正校正功率功率放大器放大器执行执行电机电机反馈反馈校正校正（速度反馈）（速度反馈）解调解调滤波器滤波器交流交流放大器放大器旋转旋转变压器变压器（位置反馈）（位置反馈） Usr-Usc-Uf采用闭环负反馈控制的结构，在输入端比较给定量和反馈量，再使用误差控制方式进行控制。2223控制原理： 系统的给定信号与反馈信号相比较得偏差信号； 偏差信号经前置放大器放大、串联校正和功率放大器放大之后,控制直流电动机的转动，带动负载转动； 旋转变压器测试直流电动机的转动角度，将其变为电压信号，该信号经过射输出器、交流放大器和解调滤波器得到反馈信号； 反馈信号不断地与给定信号相比较，如果二者相等，系统就处于协调状态，即：直流力矩电机停止转动，保持在给定信号指定的位置。 若不断改变给定信号，则电机随之做相应的转动。232024/9/20232424前置放大器前置放大器串联校正环节串联校正环节功率放大器功率放大器直直流流力力矩矩电电机机旋转变压器旋转变压器交流放大器交流放大器解调器解调器滤波器滤波器射极输出器射极输出器2射极输出器射极输出器1基基准准电电路路并并联联校校正正环环节节测速发电机测速发电机输入信号输入信号主主反反馈馈信信号号电路原理图电流反馈电流反馈2425输入信号产生电路施密特触发器（输入三角波，输出方波）施密特触发器（输入三角波，输出方波）密勒积分器（输入方波，输出三角波）密勒积分器（输入方波，输出三角波）射极输出器射极输出器射极输出器射极输出器调节三角波调节三角波方波频率方波频率（Wv）调节三角波幅值调节三角波幅值调节方波幅值调节方波幅值调节常值大小调节常值大小Wc2526n（1）前置放大环节：采用TL084型运算放大器和电阻组成，输入信号可加方波信号、三角波信号和常值信号，也可外接其它形式的信号。n（2）射极输出器1，采用TL084型运算放大器和电阻组成。n（3）串联校正环节，由TL084型运算放大器和阻容网络组成的串联超前、滞后校正环节，校正参数可通过按键开关进行选择。n（4）功率放大环节，功率放大器由OP-07型运算放大器组成。n（5）执行元件，采用70LC型电机机组中的永磁式直流力矩电机。n（6）位置测量元件，采用45XZ10-5型旋转变压器n（7）射极输出器2和交流放大器，均采用LF353型运算放大器组成。n（8）解调滤波器，由LZXIC型解调器和OP-07型运算放大器组成。n（9）反馈校正环节，由70LC型电机机组中的直流测速发电机和阻容网络组成。2627 前置放大器 1）使用TL084运算放大器及电阻和电位器构成 2）电压比较和放大作用，放大倍数K1。 3）调节电位器的可改变放大倍数， 从而改变系统的开环放大倍数Kv。 R11R10RkUtp1Utp2-Utp92728282024/9/20有源串联校正 2829 1）由TL084运算放大器和阻容网络构成； 2）无电容按键被按下，为传递系数为1的环节； 3）按下电容对应的按键，相当于将电容接到电路中，串联校正发生作用，传递函数为 当 大于 ，为超前校正 当 大于 ，为滞后校正， 实验中将使用超前校正，可以增大系统的截止频率和相角裕度，使带宽增大，响应速度加快。2930功率放大器 1）由2个OP07运算放大器和电阻、电容和功率放大集成块LM1875构成; 2）将信号的电压和功率放大，放大倍数为K2, 3031永磁式直流力矩电机 1）特点：定子是永磁材料，结构扁平，可以产生较大的转矩，转速较低，是低速电机。机械特性和调节特性线性度好，特别适用于高精度的位置伺服系统，造价较高。 2）作用：系统的执行元件，直接连接负载，无需使用减速器，同时与旋转变压器同轴连接，并带动其转动，使得旋转变压器原边和副边产生角度差3132线性旋转变压器 1）系统的检测元件，传递函数为Kx 2）外形结构与电机类似，有定子和转子。本质上是一个可以旋转的变压器，相当于变压器的原边和副边分别放在定子和转子上。 32332024/9/20工作原理：1）需要输入绕组通入1KHZ的交流电压作为激磁电压；2）若转子转动，则输入与输出绕组之间出现角度，输出绕组则输出1KHZ1KHZ的交流电压，幅值随着转角变化，例如： 33341KHZ激磁电压信号产生电路函数发生器产生函数发生器产生1Khz1Khz正弦波信号正弦波信号倒相放大后分成两路输出倒相放大后分成两路输出射极输出器射极输出器加到基准电路的加到基准电路的1KHz信号信号功率放大器功率放大器励磁电压励磁电压,幅值幅值12.2v,频率频率1KHZ正弦信号正弦信号34n实验中使用的旋转变压器为线性旋转变压器，即输出电压有效值与转角成线性关系，频率与激磁电压一致，为1KHz，如图,幅值的变化352024/9/2035363637 交流放大器 1）由LF353型运算放大器和电阻构成 2）作用：对旋转变压器的输出的交流信号进行处理，放大倍数为K33738解调滤波器1）由LZXIC型解调器和OP-07型运算放大器组成，传递函数为2）旋转变压器的输出信号是幅值变化的交流信号，它的幅值的包络线才是反馈信号，需要通过解调器将真实的反馈信号解调出来；3839 (a)输入信号输入信号与与基准信号基准信号同相同相(b)输入信号输入信号与与基准信号基准信号反反相相3）当输入信号与基准信号同相时，输出为正极性的信号，反之，则输出负极性的信号，输出信号大小取决于输入信号的幅值；4）信号再通过滤波器，滤波器为低通滤波器，可将高频噪声滤掉，同时作为反相器，输出系统的反馈信号 。3940Kx- srsrUscUsc) 1(+ +STSKMM2K1K3K1+ +STKLLq q代入传递函数的随动闭环系统Kx404141射极输出器射极输出器角位置输入角位置输入反反馈馈校校正正环环节节测速发电机测速发电机电流反馈电流反馈旋转式电位器旋转式电位器射极输出器射极输出器41其余环节介绍 角位置输入和旋转电位器：输入量为位置信号，构成另一种反馈结构； 射极输出器：电压跟随器，利用其输入阻抗高，输出阻抗低的特点，使得从前端吸收的电流很小，提高带载能力； 反馈校正：使用测速发电机测得的转速电压，构成速度环，提高系统的性能； 电流反馈：调节电流，维持恒定力矩输出，可以增加系统抗外扰的能力。当系统稳定工作时，电流环相当于断开。4243432024/9/20实验目的:1熟悉随动系统的组成原理及各部分的传递函数；2测试系统每个环节的传递函数的数值、确定开环放大倍数，进行频率特性分析；3通过输入方波信号，观察比较加入校正环节（补偿环节）前后，系统输出信号的阶跃响应；4通过输入斜坡信号，观察随动系统的跟踪性能.4344 未加校正系统方块图2.1 测试系统每个环节的参数和确定开环放大倍数Kx-Usr44(1)旋转变压器传递系数KxU-输出电压值，交流 -输入角度值452024/9/204546462024/9/20输入输入信号信号为为0电源开关电源开关设置设置“开环开环”设置设置“外接外接”输入信号输入信号实验箱设置47472024/9/201.找到旋变的实际零点，其对应的电压最小；2.在实际零点上，输入10、2090度的转角调零及给定输入转角4748482024/9/20使用万用表交流电压档位，测量TP5端电压值，即输入转角对应的输出电压值测量输出电压48492024/9/20顺时针顺时针00100200300400500600700800900U+逆时针逆时针00-100-200-300-400-500-600-700-800-900U- 计算Kx 绘制电压与转角的关系曲线 数据处理4950502024/9/20以实际零点为起始，顺时针输入20度转角给定输入转角（2）交流放大器K3测试 实验箱设置同（1）5051512024/9/20测量测量TP5端电压值（交流档）端电压值（交流档）测量电压测量测量TP6端电压值（交流档）端电压值（交流档）51 数据处理 计算K3 K3=UTP6/UTP5 注意：K31 522024/9/20525353输入转角同（2）（3）解调滤波器的系数KL测试 实验箱设置同（1）测量测量TP9端电压值（直流档）端电压值（直流档）测量电压53 数据处理 计算KL KL=|UTP9|/UTP6注意：UTP9是直流电压，若为负数则取绝对值 542024/9/2054（4）直流力矩电机传递系数KMn-电机转速rad/s,Ud-电机电枢电压552024/9/2055562024/9/20输入信输入信号为常号为常值电压值电压设置设置“开环开环”设置设置“常值常值”输入信号输入信号实验箱设置常值电常值电压调节压调节电位器电位器5757 测试TP9波形的周期设置Ud电压5、10、15-5、-10、-1557 数据处理 计算KM 582024/9/20Ud15V10V15VUd2-5V-10V-15V周期T1（s）周期T1（s）频率f2（Hz）频率f2（Hz）转速n1（rad/s）转速n2（rad/s）绘制力矩电机调节特性曲线 注：Ud1、Ud2都为TP3端电压58592024/9/20设置输设置输入信号入信号50mv设置设置“开环开环”设置设置“常值常值”输入信号输入信号实验箱设置常值电常值电压调节压调节电位器电位器（5）前置放大器的放大倍数K1RK逆时针转到最大逆时针转到最大606060测量电压测量测量TP2端电压值（直流档）端电压值（直流档） 数据处理 计算K1 K1=UTP2/UTP1 注意：K1符号为-612024/9/2061622024/9/20（6）功率放大器的放大倍数K2测量测量TP3端电压值（直流档）端电压值（直流档）测量电压 数据处理 计算K2 K2=UTP3/UTP2 注意：K2符号为-632024/9/2063（7）计算系统的开环放大倍数KV 通过上述的6个环节的参数测试可计算则系统的开环传递函数可完全确定其中：642024/9/20642.2 无校正的系统分析(频率法)用jw代替开环传递函数中的s，得到系统开环频率特性：利用公式画出幅频特性曲线:652024/9/206566662024/9/201 / TL1 / Tm12.5500-20-40-60c6667Kx- srsrUscUsc) 1(+ +STSKMM2K1K3K1+ +STKLLq q加串联超前校正系统的原理结构图加串联超前校正系统的原理结构图Kx672.3 2.3 加有源串联校正后系统的分析:68682024/9/20校正后系统的开环传递函数：画出幅频特性曲线:对应的开环频率特性：6869692024/9/201 / Tm1 / TLABcc41.7435712.5417.4357500-20-4020-20-40-60串联校正环节串联校正环节串联校正后串联校正后串联校正前串联校正前6970702024/9/20实验目的:1熟悉随动系统的组成原理及各部分的传递函数；2测试系统每个环节的参数和确定开环放大倍数，频率特性分析；3通过阶跃响应，观察校正环节（补偿环节）的作用及其对系统性能的影响；4通过斜坡响应，观察系统的跟踪性能.70 动态特性的测试，使用时域响应法： 在系统的输入端加一个方波信号（相当于正负阶跃信号），然后用示波器观察随动系统反馈信号的响应。712024/9/20tU(t)71727272 设置“闭环” 设置“方波”实验箱设置3.1 不加任何校正7373 测试TP9波形73测试位置742024/9/2074响应曲线757575 设置“闭环” 设置“方波”实验箱设置3.2 加串联校正 按下K3和K57676 测试TP9波形76测试位置772024/9/2077响应曲线测量响应曲线的tp、ts、p、N782024/9/207879792024/9/20实验目的:1熟悉随动系统的组成原理及各部分的传递函数；2测试系统每个环节的参数和确定开环放大倍数，频率特性分析；3通过阶跃响应，观察校正环节（补偿环节）的作用及其对系统性能的影响；4通过斜坡响应，观察系统的跟踪性能.79808080 设置“闭环” 设置“三角”实验箱设置 按下K3和K58181 测试TP9波形81 测试TP1波形测试位置响应曲线一型系统，跟踪三角信号，稳态误差不为08282实验结论：1通过对各个环节的测试，了解小功率随动系统的组成部件；2通过系统分析，复习了频域特性分析方法；3通过时域响应，观察了校正环节在实际系统中的效果，掌握时域指标的实际测试方法。832024/9/2083实验地点：主楼520时间安排：1318201（前30）第12周 周日5-6节(13:45-15:30) 1318201（后12）第13周 周五5-6节(13:45-15:30) 1318202（前30）第12周 周三5-6节(13:45-15:30) 1318202（后10）第12周 周六7-8节(15:45-17:30)1318301 第12周 周二7-8节(15:45-17:30)1318501 第12周 周二7-8节(15:45-17:30)1336307 第12周 周六3-4节(10:00-11:45)1315801 第12周 周六3-4节(10:00-11:45) 84852024/9/2085