自控實驗報告參考

東南大學自動化學院

實驗報告

課程名稱：自動控制基礎

實驗名稱自動控制大型實驗

院（系）：自動化學院專業：自動化

姓名：顧李晶學號： 08007326

實驗室實驗組別

同組人員：陳慧、魯翔實驗時間：2010 年 6 月 14 日

評定成績審閱教師

目錄一．設計內容頁碼

二．熟悉環境頁碼

三．建立傳遞函式頁碼

四．**設計頁碼

五．完整接線及除錯頁碼

六．實驗總結頁碼

一．設計內容

1、任務要求

（1）給小型直流電機系統或球式磁懸浮系統,設計完整的閉環控制系統,採用極點配置的現**論控制方式, 可以借助ｓｉｍｕｌｉｎｋ軟體設計控制器演算法，使系統滿足給定的效能指標。

（2）系統要準確建模。

（3）要實物框圖，要有ｓｉｍｕｌｉｎｋ**框圖和設計計算。

（4）實物當面驗收和實驗報告。

（5）時間約１０個學時，即一周內完成。

2、效能指標

（1）無靜態誤差

（2）電機相應時間　　<　０．３秒

（3）磁懸浮響應時間　<　０．８秒

（4）超調量　　　　　<　２０％

二．熟悉環境

1、電機組

（1）電機的工作原理

電磁力定律和電磁感應定律。直流電動機利用電磁力定律產生力合轉矩。直流發電機利用電磁感應定律產生電勢。

電動機包含三部分：固定的磁極、電樞、換向片和電刷。只要維持電動機連續旋轉，保證電磁轉矩的方向不變，才能維持電動機不停地轉動。

實現上述現象的方法是導體轉換磁極時，導體的電流方向必須相應的改變。而換向片和電刷就是實現轉換電流方向的機械裝置。改變電刷a、b上電源的極性，也就改變了電機轉動的方向。

這就是正轉反轉的原理

（2）轉矩平衡方程

是電樞轉子受到的電磁轉矩，是電機本身的阻轉矩，是電動機的負載轉矩，是負載折算到轉子本身的轉動慣量乘以轉子的轉速。電機存在死區可以這樣理解，死區主要由摩擦產生，開始時要克服帶來的轉矩，所以電機在死區範圍內，能量都消耗在阻力上。

直流電動機採用電樞控制時，機械特性和調節特性都是直線，特性曲線族是平行直線，這表明直流電機是線性元件。電樞控制的缺點是需要較大的控制功率，要用較大容量的功率放大器。（箱子裡面就有乙個）。

（3）電機實物圖

2、 pwm

衝寬度調製(pwm)，是英文「pulse width modulation」的縮寫，簡稱脈寬調變，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通訊到功率控制與變換的許多領域中。

脈衝寬度調製是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來調製電晶體柵極或基極的偏置，來實現開關穩壓電源輸出電晶體或電晶體導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恆定，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。

pwm控制技術以其控制簡單,靈活和動態響應好的優點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式,也是人們研究的熱點.由於當今科學技術的發展已經沒有了學科之間的界限,結合現代控制理論思想或實現無諧振軟開關技術將會成為pwm控制技術發展的主要方向之一。

3、光碼盤

光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈衝或數字量的感測器。這是目前應用最多的感測器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。

由於光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極體等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈衝訊號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈衝的個數就能反映當前電動機的轉速。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差90º的兩路脈衝訊號。

4、採集卡

資料採集卡採用研華產的pci-1711，它可直接插在ibm-pc/at 或與之相容的計算機內，其取樣頻率為100k；有16路單端a/d模擬量輸入，轉換精度均為12位；2路d/a模擬量輸出，轉換精度均為12位；16路數字量輸入，16路數字量輸出。介面板安裝在計算機內pci插槽上，通過實驗平台轉介面與pc上位機的連線與通訊。

資料採集卡介面部分包含模擬量輸入輸出(ai/ao)與開關量輸入輸出(di/do)兩部分。其中列出ai有4路，ao有2路，di/do各8路。

利用計算機做虛擬示波器觀察乙個模擬訊號，可以用導線直接連線到介面中 ad端；若使用採集卡中的訊號源，用da輸出（即實驗中我們通常將訊號輸入到ad1端，軟體內部訊號da1輸出）。

5、 matlab/simulink

simulink是matlab最重要的元件之一，它提供乙個動態系統建模、**和綜合分析的整合環境。在該環境中，無需大量書寫程式，而只需要通過簡單直觀的滑鼠操作，就可構造出複雜的系統。simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及**精細、貼近實際、效率高、靈活等優點，並基於以上優點simulink已被廣泛應用於控制理論和數字訊號處理的複雜**和設計。

同時有大量的第三方軟體和硬體可應用於或被要求應用於simulink。

simulink是matlab中的一種視覺化**工具，是一種基於matlab的框圖設計環境，是實現動態系統建模、**和分析的乙個軟體包，被廣泛應用於線性系統、非線性系統、數字控制及數字訊號處理的建模和**中。simulink可以用連續取樣時間、離散取樣時間或兩種混合的取樣時間進行建模，它也支援多速率系統，也就是系統中的不同部分具有不同的取樣速率。為了建立動態系統模型，simulink提供了乙個建立模型方塊圖的圖形使用者介面(gui) ，這個建立過程只需單擊和拖動滑鼠操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且使用者可以立即看到系統的**結果。

simulink®是用於動態系統和嵌入式系統的多領域**和基於模型的設計工具。對各種時變系統，包括通訊、控制、訊號處理、**處理和影象處理系統，simulink提供了互動式圖形化環境和可定製模組庫來對其進行設計、**、執行和測試。

三．建立傳遞函式

1.電機速度傳遞函式

1、求電機傳遞函式的方法分析

利用系統的頻率特性可用來分析和設計控制系統，用bode圖設計控制系統就是其中一種。

幅頻特性就是輸出幅度隨頻率的變化與輸入幅度之比，即，測幅頻特性時，改變正弦訊號源的頻率測出輸入訊號的幅值或峰峰值和輸輸出訊號的幅值或峰峰值。

雙蹤訊號比較法：將正弦訊號接系統輸入端，同時用雙蹤示波器的y1和y2測量系統的輸入端和輸出端兩個正弦波，示波器觸發正確的話，可看到兩個不同相位的正弦波，測出波形的週期t和相位差δt，則相位差。這種方法直觀，容易理解。

就模擬示波器而言，這種方法用於高頻訊號測量比較合適。電機的輸出即u22,輸入即l11，l12兩端的電壓。

2、通過實驗進一步理解電機

a、實驗內容及步驟

（1）不接電機，改變ui，從0~5v，測um；

（2）接電機，8根線，改變ui，測u22，a，b；

（3）改變ui，確定死區電壓和線性電壓區域；

（4）理論閉環對低穩傳遞函式的好處（逆轉）；

b、實驗記錄

通過畫出波特圖，可以求出電機的傳遞函式，注意這裡求傳遞函式的目的在於得到電機傳遞函式的主導極點。

c、實驗資料處理（波特圖的繪製）

d、實驗總結

（1）不接電機，將ui從0~5v開始調節，發現um的值是隨ui成正向關係，變化範圍從-12v到12v；這裡說明了輸入電壓經過pwm調製和運放後，電壓有所增長，而事實上控制電機的方法正是通過改變pwm波的占空比來實現的。我們將um接入示波器觀察波形，發現當ui為2.04v時，占空比為50%。

（2）接入電機8根線，改變ui，同樣從0~5v變化觀察電機的轉動和以上三個量。發現從0~1.82v變化時，電機反轉；從1.

82v~2.26v變化時，電機停轉；當從2.26v~3.

5v變化時，電機正轉。u22體現的是電機轉動的速度，速度越大，u22也就越大。而a、b則是編碼盤的脈衝輸出，它同樣可以反映電機的轉速。

只不過u22是乙個連續量（正弦波），而a、b則是脈衝（通過脈衝的頻率反映轉速）。

（3）通過改變ui，測出死區電壓為1.82v~2.26v，而線性區域為0.88v~1.82v和1.82v~3.2v；

（4）接入反饋，消除了死區；電路圖如下：（加入積分環節，可以看到電機的狀態在振盪，調節積分引數，振盪消除）。傳統的pid調節：

只用了pi控制。只要有乙個很小的偏差，通過p環節放大，即可產生較大的控制訊號。i環節減少穩態誤差。

e、實驗思考

（1）電機的3db的頻段主要集中在f=1/0.3hz，因此濾波器的設計應該考慮到f>10f。只有這樣，濾波器才不會吃掉應該有的頻率。

設計濾波器我們採用以下電路，其中電阻採用10k，電容採用0.1μf。τ=rc=0.

001s<0.03s。鑑於裝置很難設計無源濾波器，採用以下有源電路。

（2）實驗時，如何確定正弦訊號的幅值？幅度太大會出現什麼問題，幅度過小又會出現什麼問題？顯然，必須要讓正弦訊號工作**性區中。

由上一次實驗可知，線性區域為0.88v~1.82v和1.

82v~3.2v。我們選用1.

82v~3.2v，方法是在原有正弦訊號上疊加乙個支流分量。步驟是首先調整好正弦波的幅值，這裡建議在正弦波的輸出接乙個滑動變阻器，這樣調節會比較靈敏。

正弦波的頻率和幅值都可以用旋鈕調節，調整後然後再疊加到相應線性區。若幅度太大，會看到一部分波形被吃掉。注意鎖零按鈕千萬不要按下。

自控實驗報告參考

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