小功率随动系统

小 功 率 随 动 系 统 实 验 指 导 书

上海交通大学自动化系

第一部分 实验原理

一、概述

随动系统的输出量是机械量（位移、速度）。检测元件将输出量变换成与输入量同类型的信号，并进行比较，得出偏差信号。系统按照偏差的性质（极性与大小）进行控制，控制的结果导致偏差的减少或消除，使系统的输出量能快速、准确地复现输入量信号的变化规律，这就是随动系统的控制任务。

在随动系统中，如果被控制量是机械位移或其导数时，这类系统又称为伺服系统（Servo system）。随着现代控制技术的发展，随动系统已广泛地应用于军事工业和民用工业等许多领域，例如机械制造工业中仿型铣床，数控机床的加工轨迹控制；军事设施中火炮的瞄准，导弹的发射和制导等都是随动系统的具体应用。

随动系统有模拟式和数字式两种类型，本实验是研究模拟式随动系统的性能分析和综合校正方法，通过实验能比较全面地验证古典控制理论。

二、随动系统的控制原理与结构组成

位置随动系统是一种反馈控制系统，因此它有位置给定和位置反馈的检测装置。通过检测装置将它们的差值转换成具有一定精度的相应电量，这就是位置偏差信号。该偏差信号经放大器放大后驱动直流电动机向消除偏差的方向旋转，使被控制机械的实际位移能准确地跟随控制信号而变化。系统方框图如图1所示。

图1 随动系统方框图

由于系统中有机械和电磁惯性，因而当输入量θi变化时，输出θo不会立即复现θi的变化规律，此时θo≠θi，即Δθ=θo-θi≠0。检测元件将偏差Δθ转换为相应的电压u i，它经鉴相器和功放等环节的处理后，输出一个所需的直流电压U M去驱动直流电动机，使之朝着偏差减小的方向旋转，直到θo=θi为止。如θi随时间作某种函数变化时，则θo必将跟着θi作同样规律的变化，这种现象人们称之为随动。实验系统的原理电路图如图2所示

图2 随动系统原理电路图

1、测角装置—正余弦旋转变压器

正余弦旋转变压器是一种高精度的控制电机，它在本实验中作为测量输入轴与输出轴间角差的传感器。其原理和普通变压器一样，但结构与普通变压器不同，而与一般的控制电机一样，由定子和转子组成。定子由两个匝数相同，空间位置互相垂直的绕组组成，转子也由两个匝数相同，空间位置互相垂直的绕组组成，定子和转子间的气隙磁场为严格的正弦分布。定子的两个绕组有四个输出端D1、D2、D3、D4；转子的两个绕组也有四个输出端Z1、Z2、Z3、Z4，它们分别与四个滑环连接，由四个电刷引出相应的电信号。本系统中采用一对旋转变压器来检测输入轴与执行轴之间的角差，其测角原理电路如图3所示。图中，与输入轴相连的旋转变压器称为发送器，与执行轴相联的旋转变压器称为接收器。接收器的输出绕组D3、D4与相敏整流器的输入端相连。

图3 旋转变压器测角线路

若在发送器的定子绕组D1、D2端施加激磁电压为

t U u m z 0sin （1）

式中：ω0—交流电源的角频率；

Um —交流电源的幅值。

如果忽略旋转变压器所产生的微小相移，则接收器转子的输出误差电压u i 为一交流载波信号，即

t KU u o i m i 0sin )sin( （2）

式中：f 0=ω0/(2π)为载波频率。为减小变压器旋转电势所产生的误差，一般f 0为400Hz 到500Hz ，K 为旋转变压器转子与定子的匝数比。

从式（2）可知，测角电路的输出电压u i 的相位与激磁电压u z 的相位相同；u i 的幅值为)sin(o i m KU ，它与角差的正弦成正比。U i 的正负反映了角差的极性，即θi 与θo 两者间的领先与落后关系。

若使发送器匀速旋转，接收器静止，则角差Δθ将从0°到360°之间均匀变化，示波器观察到接收器的输出电压u i 的波形，如图4所示。综上所述，用一对正余弦旋转变压器检测误差角的输出电压原理相当于乘法调制器原理。调制器的输出电压u i 是输入信号U m sin(Δθ)与交流载波信号sin(ω0t)的乘积，其中U m sin(Δθ)为调制信号，它是图4中交流载波的包络线。

图4 接收器输出电压u i 的波形

在随动系统中，若动态误差角与静态误差角之和的Δθ≤20°，则输出电压u i 的大小与误差角Δθ近似成线性关系，即

t K u i 01sin （3）

其中 K 1=KUm Δθ

2、相敏整流器

由于从旋转变压器得到的系统偏差信号为交流信号，而系统中的校正装置、功放和执行元件都为直流信号工作器件，所以需有信号变换电路将以交流信号表示的偏差信号转换为相

北航自动化学院计算机控制系统实验报告

2011- 2012 学年 第二学期
计算机控制实验报告
班级 姓名
392311 李 柏
学院 学号
高等工程
3903· 2415
2012 年 6 月 12 日

实验 1 模拟式小功率随动系统的实验调试
一、实验目的
1.熟悉反馈控制系统的结构和工作原理，进一步了解位置随动系统的特点。 2. 掌握判别闭环系统的反馈极性的方法。 3.了解开环放大倍数对稳定性的影响及对系统动态特性的影响，对静态误差的影响。
二、实验仪器
XSJ-3 小功率直流随动系统学习机一台 DH1718 双路直流稳压电源一台 4 1/2 数字多用表一台
三、 实验原理
模拟式小功率随动系统结构如图 2-3 所示 调试步骤如下： 零位调整：为了保证精度，同时判断运放是否好用，在连接成闭环系统之前进行零位的调整。首先，把三个运放负相端输入 电阻接地，并使其增益为 1（利用电阻调整） ，再利用运放上方的调零旋钮，使输出端输出为 0；然后将电位计两端接上±10V 电压后，用数字电压表测其电刷输出，旋转之，使其电刷输出为 0，并同时调整刻度盘零点于 0 点。 开环工作状态：断开反馈电为计，加入给定电压，使电压从小到大，当信号大时，电机转速高，信号反极性时，电机反转。 反馈极性判断。 首先判断测速机反馈极性。在一级运放处加一电压（正或负） ，记住电机转向，然后断开输入，用手旋转电 机按同一转向转动，测量测速机输出电压，如与前电机所加电压极性相同，则可将该信号接入运放二的负端；否则应把测速 机输出极性倒置， 即把另一信号接入运放二的负相端。 其次判断位置反馈极性。 将回路接成开环状态， 给电机加入一正电压， 可使其转动，然后使电机回零，顺着电机刚才转动的方向转一小角度（不可转到非线性区） ，同时用数字电压表测电位计电 刷的输出电压，倘若其值为负，则表明此时是负反馈，否则，需把电位计两端±10V 接线头对调，以保证闭环系统是负反馈。 检验系统跟随情况：按图 2-2 连线，逐渐加大电压，察看输出角度是否也同时增加（绝对量值） ，如跟随则系统跟随情况良 好。 开环放大系数 K 与静态误差的关系：实际控制系统由于元件存在固有误差和非线性因素及安装误差，所以不可能没有误差。 该系统误差主要由电机死区引起。 实验方法：改变放大器的反馈电阻可使系统放大倍数 K 改变。取三个 K 值，每取一个 K 值，给定电位计输入一定角度，系统 旋转一个角度，将输入、输出角度记录下来，计算出角度误差。同时记录放大器 1 的输出.

KSD-1型晶闸管直流随动控制系统的分析与校正

前言 这次的课程设计是基于自动控制理论的，主要是练习自动控制系统的校正方法。本报告主要是采用老师课上所教的串联校正的方法：串联滞后校正，串联超前校正，串联滞后-超前校正。然后分别按照预定的系统指标进行设计，求出校正系统的传递函数，得出校正后系统的传递函数。最后通过matlab软件来加以验证校正好的系统的各项性能指标，若满足要求则求出校正系统的网络参数，否则返回去改变校正时选择的参数，继续校正直到符合要求为止。 在撰写报告的过程中可能会有许多不规范的地方，希望老师能指出错误。谢谢！ 编者 2014年3月

目录 自动控制理论课程设计任务书 .............................................................................. - 1 - KSD-1型随动系统的工作原理和性能指标.......................................................... - 2 - 主要环节数学模型 .................................................................................................. - 3 - 串联相位滞后校正 ................................................................................................ - 10 - 串联相位超前校正 ................................................................................................ - 12 - 校正网络的实现 .................................................................................................... - 16 - 心得与体会 ............................................................................................................ - 17 - 附录 ........................................................................................................................ - 18 -

自动控制原理实验(全面)

自动控制原理实验 实验一 典型环节的电模拟及其阶跃响应分析 一、实验目的 ⑴ 熟悉典型环节的电模拟方法。 ⑵ 掌握参数变化对动态性能的影响。 二、实验设备 ⑴ CAE2000系统（主要使用模拟机，模/数转换，微机，打印机等）。 ⑵ 数字万用表。 三、实验内容 １．比例环节的模拟及其阶跃响应 微分方程 )()(t Kr t c -= 传递函数 = )(s G ) () (s R s C K -= 负号表示比例器的反相作用。模拟机排题图如图9-1所示，分别求取K=1，K=2时的阶跃响应曲线，并打印曲线。 图9-1 比例环节排题图 图9-2 积分环节排题图 ２．积分环节的模拟及其阶跃响应 微分方程 )() (t r dt t dc T = 传递函数 s K Ts s G ==1)( 模拟机排题图如图9-2所示，分别求取K=1，K=0.5时的阶跃响应曲线，并打印曲线。 ３．一阶惯性环节的模拟及其阶跃响应 微分方程 )()() (t Kr t c dt t dc T =+ 传递函数 1 )(+=TS K S G 模拟机排题图如图３所示，分别求取K=1, T=1; K=1, T=2; K=2, T=2 时的阶跃

响应曲线，并打印曲线。 ４．二阶系统的模拟及其阶跃响应 微分方程 )()() (2)(2 22 t r t c dt t dc T dt t c d T =++ξ 传递函数 121 )(22++=Ts s T s G ξ2 2 2 2n n n s s ωξωω++= 画出二阶环节模拟机排题图，并分别求取打印： ⑴ T=1，ξ=0.1、0.5、1时的阶跃响应曲线。 ⑵ T=2，ξ=0.5 时的阶跃响应曲线。 四、实验步骤 ⑴ 接通电源，用万用表将输入阶跃信号调整为2V 。 ⑵ 调整相应系数器；按排题图接线，不用的放大器切勿断开反馈回路（接线时，阶跃开关处于关断状态）；将输出信号接至数/模转换通道。 ⑶ 检查接线无误后，开启微机、打印机电源；进入CAE2000软件，组态A/D ，运行实时仿真；开启阶跃输入信号开关，显示、打印曲线。 五．实验预习 ⑴ 一、二阶系统的瞬态响应分析；模拟机的原理及使用方法（见本章附录）。 ⑵ 写出预习报告；画出二阶系统的模拟机排题图；在理论上估计各响应曲线。 六．实验报告 ⑴ 将每个环节的实验曲线分别整理在一个坐标系上，曲线起点在坐标原点上。分析各参数变化对其阶跃响应的影响，与估计的理论曲线进行比较，不符请分析原因。 ⑵ 由二阶环节的实验曲线求得σ﹪、t s 、t p ，与理论值进行比较，并分析σ﹪、t s 、t p 等和T 、ξ的关系。 实验二 随动系统的开环控制、闭环控制及稳定性 一．实验目的 了解开环控制系统、闭环控制系统的实际结构及工作状态；控制系统稳定的概念以及系统开环比例系数与系统稳定性的关系。 二．实验要求 能按实验内容正确连接实验线路，正确使用实验所用测试仪器，在教师指导下独立

北航计算机控制系统实验报告

计算机控制系统实验报告 实验一模拟式小功率随动系统的实验调试实验二 A/D、D/A接口的使用和数据采集 实验三中断及采样周期的调试 实验四计算机控制系统的实验调试 姓名：王尼玛 学号： 100311xx 同组人：李尼美郑尼玛 指导教师：袁少强 日期： 2013年6月15日

实验一二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试 一、实验目的 1. 熟悉反馈控制系统的结构和工作原理，进一步了解位置随动系统的特点。 2. 掌握判别闭环系统的反馈极性的方法。 3. 了解开环放大倍数对稳定性的影响及对系统动态特性的影响，对静态误差的影响。 二、实验内容 1. 连接元件构成位置随动系统； 2. 利用计算机内的采样及显示程序,显示并分析输出的响应结果； 3. 反复调试达到设计要求。 三、实验设备 XSJ-3 小功率直流随动系统学习机一台、DH1718 双路直流稳压电源一台、4 1/2 数字多用表一台 四、实验原理 模拟式小功率随动系统如下图所示： 1. 实验前需进行零位调整，反馈极性判断，反馈极性判断又包括速度反馈极性判断和位置反馈极性判断，须使反馈为负反馈。 2. 动态闭环实验系统调试。按下面电路图连线，通过改变变阻器大小来改变闭环系统放大倍数，通过一路A/D把输出相应采入计算机进行绘图，同时测量输入电压和反馈电位计输入电压，算出稳态误差。

五、实验结果 滑阻阻值（千 20 30 55 74 欧） 比例系数 1 1.5 2.75 3.7 给定角度（度）90 90 90 90 输出角度（度）89 89 89 89.5 静差角度（度）-1 -1 -1 -0.5 静态误差（mv）-50.5 -20.5 -17.5 -28.8 过度过程曲线见下图 1.K=1时的过渡过程曲线

随动系统课程设计讲义

小功率随动系统 实验指导书 （天煌系统） 上海交通大学自动化系

目录

第一部分实验原理 一、概述 随动系统的输出量是机械量（位移、速度）。检测元件将输出量变换成与输入量同类型的信号，并进行比较，得出偏差信号。系统按照偏差的性质（极性与大小）进行控制，控制的结果导致偏差的减少或消除，使系统的输出量能快速、准确地复现输入量信号的变化规律，这就是随动系统的控制任务。 在随动系统中，如果被控制量是机械位移或其导数时，这类系统又称为伺服系统（Servo system）。随着现代控制技术的发展，随动系统已广泛地应用于军事工业和民用工业等许多领域，例如机械制造工业中仿形铣床，数控机床的加工轨迹控制；军事设施中火炮的瞄准，导弹的发射和制导等都是随动系统的具体应用。 随动系统有模拟式和数字式两种类型，本实验是研究模拟式随动系统的性能分析和综合校正方法，通过实验能比较全面地验证古典控制理论。 二、随动系统的控制原理与结构组成 位置随动系统是一种反馈控制系统，因此它有位置给定和位置反馈的检测装置。通过检测装置将它们的差值转换成具有一定精度的相应电量，这就是位置偏差信号。该偏差信号经放大器放大后驱动直流电动机向消除偏差的方向旋转，使被控制机械的实际位移能准确地跟随控制信号而变化。系统方框图如图1所示。 图1 随动系统方框图 由于系统中有机械和电磁惯性，因而当输入量θi变化时，输出θo不会立即复现θi的变化规律，此时θo≠θi，即Δθ=θi-θo≠0。检测元件将偏差Δθ转换为相应的电压u i，它经鉴相器和功放等环节的处理后，输出一个所需的直流电压U M去驱动直流电动机，使之朝着偏差减小的方向旋转，直到θo=θi为止。如θi随时间作某种函数变化时，则θo必将跟着θi作同样规律的变化，这种现象人们称之为随动。实验系统的原理电路图如图2所示

计算机控制系统实验平台讲解

计算机控制系统实验平台 （本文由袁绍强及夏洁撰写） 为完成本科计算机控制系统课实验的教学，北京航空航天大学自动化学院控制实验中心，研制和开发了多种计算机控制系统实验平台。与本科教学有关的实验平台简单介绍如下。 1．微机控制伺服系统 1.1 实验系统及相关设备介绍 微机控制伺服系统是PC机为控制计算机，插入模/数、数/模转换板，控制模拟式小功率随动系统。软件采用Borland C或TC.计算机控制系列实验以此为平台，专门为学习了“计算机控制系统”课程的本科生设计的一组高水平实验。 具体内容包括： 随动系统的部件性能测试；建立数学模型；连续系统离散化；设计模拟及数字控制系统的控制律；闭环调试等。 在计算机实现方面，学习如何将计算机与物理系统相连接；研究引入计算机后产生的问题，如采样、零阶保持器的影响等。 学会用C语言编制A/D、D/A及中断程序并在计算机内实现控制律；训练使用C语言的编程能力等。 通过系列实验，可以使学生学习和掌握有关系统分析与设计，系统仿真及实现等方面内容，熟悉各种硬件及软件环节；同时可以加强学生的实验研究能力及动手建立，安装，调试实际系统的能力，真正掌握计算机控制系统的各种关键技术。设计方法可以采用状态空间法，极点配置方法、最优控制方法等多种控制方法。 1.2 实验设备或相关器件的主要技术指标 IBM PC 系列微机一台(586以上机型)

HD1219 12位A/D D/A接口板一块 XSJ-3 小功率直流随动系统学习机一台 4 1/2 数字多用表一台 DT6234 光电式转速表一台 图1.1 实验电路图 小功率随动系统的元部件共包括执行电机、测速发电机、角位置测量电位计、直流放大器、系统控制台、计算机系统等六个主要部分，其中执行电机和系统控制台构成被控对象，测速发电机和角位置测量电位计分别构成速度反馈（内环）和位置反馈（外环），加上计算机系统和A/D、D/A转换器构成数字式的计算机控制系统。 主要元部件的性能指标： 1) 执行电机 本实验系统选取直流低速力矩电机，产品出厂时给定的技术数据为： 峰值力矩T p：5(-5%)kg.cm 峰值电流I p： 1.8A 峰值电压V p：20V 空载转速n0：500r/min

小功率直流随动系统

（三）小功率直流随动系统研究 1．目的： （1）了解自动控制参数的测试方法，建立系统的数学模型； （2）记录位置控制系统的阶跃响应曲线，确定系统的动态性能指标； 2．实验内容及测试方法： 测定系统各元部件的参数，必须在开环系统情况下进行。为此，应按图5－1连线，并将反馈电位器和电动机之间的联轴器松开，以避免在开环情况因电动机连续旋转而磨损电位器。实验前应将双路直流稳压电源的电压调好（±24V ），并将它接到控制箱所对应的接线柱上，然后进行放大器各级的零点调整和增益设定。将各放大器的输入端接地，即可分别对运算放大器A1、A2和功放调零。功放级调零时，应反复调节运放A3的调零电位器（在控制箱面板A3的上方）和电位器RP8（见图 ），使功放级的输出和运放A3的输出同时为零，以防止功放级工作不平衡。建议将功放级的增益调成3左右，运算放大器A1和A2的增益按图5－1设定。 （1）电位器传递系数p K 的测定： 给定电位器和反馈电位器的结构参数相同，其电源电压为±15V ，电位器最大有效工作角度为3300。这两个电位器都装有刻度盘和指针线。测量p K 时，利用给定电位器或反馈电位器均可以。测量的具体方法是：将电位器的转轴对准某一角度，测量其输出电压（应接通电位器的负载），然后将电位器转轴转过一个角度，例如转过100，再测量其输出电压，于是可以求得电位器的传递系数p K ，即 在不同位置多测几点，求其平均值，就能得到p K 的准确结果。 （2）．放大器增益的测试： 在图５－１所示的开环系统，调节给定电位器，使其输出电压r U ＝1V （以防止功放级饱和），分别测量各点电压1U 、2U 、a U 及直流测速发电机输出电压t U ，于是可以确定放大器各级的增益：1K 、2K 及功放级的增益w K 。将r U 改为－1V ，再测一组数据。 （3）．电动机传递系数m K 和时间常数m T 的测定： 因控制电机电枢组电感电动机转子惯量的影响很小，在建立电动机的数学模型时，常将电枢绕组的电感忽略不计。这样，电动机的传递函数可近似用下式表示： 式中)(s U a －电动机的输入电压；)(s Ω－电动机输出的角速度。因此，确定电动机的 时间常数m T 和传递系数m K ，电动机的传递函数即被确定。 弧度） （伏角度差输出电压的差值 /180/? ?= πP K 1 ) ()(+= Ωs T k s u s m m a

系统建模与仿真实验

《系统建模与仿真》报告 院系：信息与电气工程 专业：电气工程 学号：14S130031 姓名：鲁晓彤 指导教师：任倩 2015年01月05日

F.1 面向方程的数值积分方法仿真 F.1.1 实验目的 通过实验，了解采用面向方程的数值积分方法仿真的方法，掌握四阶龙格库塔法具体编程应用，加深理解四阶龙格库塔法的原理及稳定域。 F.1.2 实验内容 对如下系统进行仿真 1. 线性定常系统 u x x x x x x ???? ??????+????????????????????---=??????????6000000600120000120321321 [][]T x x x y 32 1 001= )(1,000321t u x x x =???? ? ?????=?????????? 2. 非线性系统 ?????--=-=)()()() () ()()() (t y t bx t sy dt t dy t y t ax t rx dt t dx 其中，660.001210(0)120000.01110(0)600r a x s b y --==?===?=，，，，，。 F.1.3 预习要求 （1）根据实验内容,写出程序流程图,编写有关仿真程序。 （2）为保证仿真的稳定性，分析线性定常系统，其最大仿真步长是多少？ （3）写出实验步骤 F.1.4 实验要求 改变仿真步长，观察上述两个系统步长为多大时仿真变得不稳定？仿真步长多大为宜（即进一步减小步长，精度没有显著提高）？ F.1.5 实验报告 1. 线性定常系统 （1）预习报告。 首先对状态方程求拉氏变换，则： sX(s)=AX(s)+BU(s)； Y(s)=CX(s)+DU(s)； 传递函数为：

自动控制原理实验

第九章 自动控制原理实验 实验一 典型环节的电模拟及其阶跃响应分析 一、实验目的 ⑴ 熟悉典型环节的电模拟方法。 ⑵ 掌握参数变化对动态性能的影响。 二、实验设备 ⑴ CAE2000系统（主要使用模拟机，模/数转换，微机，打印机等）。 ⑵ 数字万用表。 三、实验内容 １．比例环节的模拟及其阶跃响应 微分方程 )()(t Kr t c -= 传递函数 = )(s G ) () (s R s C K -= 负号表示比例器的反相作用。模拟机排题图如图9-1所示，分别求取K=1，K=2时的阶跃响应曲线，并打印曲线。 图9-1 比例环节排题图 图9-2 积分环节排题图 ２．积分环节的模拟及其阶跃响应 微分方程 )() (t r dt t dc T = 传递函数 s K Ts s G == 1)( 模拟机排题图如图9-2所示，分别求取K=1，K=0.5时的阶跃响应曲线，并打印曲线。 ３．一阶惯性环节的模拟及其阶跃响应

微分方程 )()() (t Kr t c dt t dc T =+ 传递函数 1 )(+= TS K S G 模拟机排题图如图３所示，分别求 取K=1, T=1; K=1, T=2; K=2, T=2 时的阶跃响应曲线，并打印曲线。 ４．二阶系统的模拟及其阶跃响应 微分方程 )()() (2)(2 22 t r t c dt t dc T dt t c d T =++ξ 传递函数 121 )(22++=Ts s T s G ξ222 2n n n s s ωξωω++= 画出二阶环节模拟机排题图，并分别求取打印： ⑴ T=1，ξ=0.1、0.5、1时的阶跃响应曲线。 ⑵ T=2，ξ=0.5 时的阶跃响应曲线。 四、实验步骤 ⑴ 接通电源，用万用表将输入阶跃信号调整为2V 。 ⑵ 调整相应系数器；按排题图接线，不用的放大器切勿断开反馈回路（接线时，阶跃开关处于关断状态）；将输出信号接至数/模转换通道。 ⑶ 检查接线无误后，开启微机、打印机电源；进入CAE2000软件，组态A/D ，运行实时仿真；开启阶跃输入信号开关，显示、打印曲线。 五．实验预习 ⑴ 一、二阶系统的瞬态响应分析；模拟机的原理及使用方法（见本章附录）。 ⑵ 写出预习报告；画出二阶系统的模拟机排题图；在理论上估计各响应曲线。 六．实验报告 ⑴ 将每个环节的实验曲线分别整理在一个坐标系上，曲线起点在坐标原点上。分 图9-3 一阶环节排题图

小功率随动控制系统分析与校正

指导教师评定成绩: 审定成绩：________________ 设计题目：小功率随动控制系统分析与校正 单位（二级学院）：_________ 学生姓名：_________________ 专业：_______________ 班级：_________________ 学号：_______________ 指导教师：_____________________ 设计时间：年月

设计题目：小功率随动控制系统分析与校正 图1是KSD-I型小功率随动系统的结构图，其执行环节为一小型直流伺服电机，通过一对自整角机进行检测及二极管桥式相敏整流与低通滤波获得直流偏差信号电压=U ,再经过功率放大及齿轮箱的变速等作用，实现对角位移的精确跟 图中: K,:自整角机常数，K=5V/rad K2 :晶闸管增益常数，K2 =50 K3 :电动机增益常数，K 3二4rad /V K4 :齿轮速比，K 4 = 0.1 T x:滤波器时间常数，T x= 0.005s T m：电动机机电时间常数，T m=0.5S 设计内容 （1）分析系统未加入校正装置前在等速度信号作用下的稳态性与动态性，绘制Bode图，分析其频域特性。 （2）若随动系统最大角速度为800密位/s.试设计PID校正装置，使系统满足： ①速度信号输入时，系统最大稳态误差.<10密位； ②最大调量M p乞30% ； ③系统调整时间t s：：：0.7S ； ④相位裕量应-45 ,系统剪切频率c _10rad /s。 （3）分析校正后系统的单位阶跃响应特性

100 = 100 v 设计报告正文 摘要 关键词 ..(报告正文内容) )、在未加入校正装置前在等速信号作用下的系统性能分析 未加校正装置前，可得开环传递函数: 闭环传递函数: 系统误差拉斯变换: E (s "0R(s). 稳态误差 系统静态误差系数 K v 为: K v 二 lim s G o (s) = lim s ^0 s T 这样稳态误差可以由静态误差系数 K v 来表示为: K 1K 2K 3K 4 G o (s) =s(T x S 1)(T m S 1) 100 s(0.005s 1)(0.5s 1) G o (s) G c (sH 1 G(s) 100 100 s(0.005s 1)(0.5 1) 100 0.0025s 3 0.505s 2 s 100 等速信号 r(t)二 拉斯变换 R(S) t 1(t). 1 e 5s 二 lime(t)=lims E(s) S =0 S r 0 1 1 lim s 2 s 30 1 G o (s) s 2 lim s G o (s) s >0 s s(0.005s 1)(0.5s 1)

经典随动控制系统

经典控制系统 ——随动控制系统设计 1，概述 控制技术的发展使随动系统广泛地应用于军事工业和民用工业，随动系统是一种带反馈控制的动态系统。在这种系统中输出量一般是机械量，例如：位移，速度或者加速度等等。反馈装置将输出量变换成与输入量相同的信号，然后进行比较得出偏差。系统是按照偏差的性质进行控制的，控制的结果是减少或消除偏差，使系统的输出量准确地跟踪或复现输入量的变化。系统中的给定量和被控制量一样都是位移（或代表位移的电量），可以是角位移，也可以是直线位移。根据位置给定信号和位置反馈反馈信号以及两个信号的综合比较来分类，可分成模拟式随动系统和数字式随动系统。 由于随动系统的输出量是一种机械量，故其输出常常以机械轴的运动形式表示出来。该机械轴称为输出轴。通常输出轴带动较大的机械负荷而运动，在随动系统中，如果被控量是机械位置或其导数时，这类系统称之为伺服系统。 位置随动系统的应用例子如: (1)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 (2)冶金工业中轧刚机压下装置以及其它辅助设备的控制在轧制钢材的过程中，必须使上、下轧辊之间的距离能按工艺要求自动调整；焊接有缝钢管或钢板；要求焊机头能准确地对正焊缝的控制。 (3)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。 (4)制造大规模集成电路所需要的制图机、分布重复照相机和光刻机，机器人或机械手的动作控制等。 (5)火炮群跟踪雷达天线或电子望远镜瞄准目标的控制:舰船上的自动探舱装置使位于船体尾部的舱叶的偏角模仿复制位于驾驶室的操作手轮的偏转角,以便按照航向要求来操纵船舶的航向:陀螺仪惯性导航系统,各类飞行器的姿态控制等,也都是位置随动系统的具体应用。 2结构原理 位置随动系统是一种位置反馈控制系统,因此,一定具有位置指令和位置反馈的检测装置，通过位置指令装置将希望的位移转换成具有一定精度的电量，利用位置反馈装置随时检测得到的偏差信号放大以后，控制执行电机向消除偏差的方向旋转，直到达到一定的精度为止。这样被控制机械的实际位置就能跟随指令变化，构成一个位置随动系统。 原理框图可描述如图1所示。 因为控制存在惯性，当输入X(t)变化时，输出Y(t)难以立即复现，此时Y(t)≠X(t)，即：e(t)= Y(t)-X(t)≠0，——测量元件将偏差e(t)转换成电压输出——经小信号放大器放大，功率放大器——执行电机转动——减速器——使被控对象朝着消极误差的方向转动，只要X(t)≠Y(t)，就有e(t)≠0，执行电机就会转动，一直到偏差e(t)=0，执行电机停止转动，此时系统实现了输出Y(t)对输入量X(t)的复现。当X(t)随时间变化时，Y(t)就跟着X(t)作同样变化，这种现象就称为随动。 图1 位置随动控制系统原理框图 随着机电产品及电子元件的不断发展与完善，图1中各个环节均可采用多种不同的元器件来实现。组成系统的元部件按职能分类主要有以下几种。 测量元件：是用来检测被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般要转换为电量，如电位器、旋转变压器或自整角机用于检测角度转换成电压；测速发电机用于检测电动机的速度转换为电压。而光电编码器作为位置与角度的检测元件应用在计算机位置控制系统及计算机速度控制系统中。 放大元件：其职能是将偏差信号进行放大，用来推动执行电机去控制被控对象。可用 晶体管、晶闸管、集成电路等组成的电压放大级和功率放大级将偏差信号放大。 执行元件：其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。用来作为执行元件的有电动机等。 减速器：其职能是实现执行元件与负载之间的匹配由于执行元件常为高转速、小转矩的电动机，而负载通常均为低转速、大转矩，所以在执行元件到负载之间需要引入减速器以达到两者之间的匹配，减速器通常为一齿轮组。 典型的随动系统框图如图2所示

实验三基于SIMULINK控制系统时域分析

实验三基于SIMULINK的控制系统时域分析（2学时）一．实验目的： 掌握使用SIMULINK、控制工具箱求解系统的输入和输出响应的仿真方法。二．实验方法及预习内容： 利用SIMULINK工具进行控制系统模型分析、系统设计与仿真的相关原理。三．实验内容： 1．分别使用解微分方程方法、控制工具箱、Simulink求解具有如下闭环传递函数的系统的阶跃响应。 解微分方程方法求解： Wffc.m文件： function dx=wffc(t,x) u=1; dx=[-8*x(1)-36*x(2)-40*x(3)-10*x(4)+u;x(1);x(2);x(3)]; 主文件： %-------------------------------------实验1.1 [t,x]=ode45('wffc',[0,18],[0;0;0;0]) y=10*x(:,4); figure(2) plot(t,y) grid on title('解微分方程方法求解系统阶跃响应曲线') xlabel('时间') ylabel('输出') 结果: 控制工具箱求解：

程序： num=[10]; den=[1 8 36 40 10]; sys=tf(num,den); step(sys) title('控制工具箱求解系统阶跃响应曲线') xlabel('时间') ylabel('输出') grid 结果: Simulink 求解 设置： 单位阶跃 仿真设置 SCOPE 设置 程序 figure(3) plot(ScopeData(:,1),ScopeData(:,2)) grid on title('Simulink 求解系统阶跃响应曲线') xlabel('时间') ylabel('输出') 结果 2． 某小功率随动系统动态结构如图所示，已知：10.01T =， 20.05T =，01K =，1300K =，21K =，0.08c K =。若系统输入分别为()1()sr t t θ=，sr t θ=，[1()1(1.5)]sr t θ=-，试用Simulink 分析系统的输出()sc t θ分别如何？ 设置: 单位阶跃:

小功率随动系统设计报告(DOC)

一、数控系统设计任务 1.依据动态指标要求，设计系统参数，并选择校正方法； 2.得到离散域的校正算法； 3.用单片机实现控制算法及显示等要求。 二、实验设备及软件环境 1.MATLAB仿真 ?对系统建模、仿真 ?得到阶跃、脉冲等响应图形 ?根轨迹绘制 2.uVision2编程环境 ?启动uVision2,创建一个项目 ?创建新的源文件 ?添加配置启动代码 ?为目标设置工具选项 ?编译项目,创建hex文件 3.S51ISP软件 ?S51系列单片机的在线编程软件。 ?安装软件后， 1)打开S51ISP下载软件，右侧方框显示：初始化并口完成； 2)单击擦除器件，显示擦除器件完成； 3)单击打开文件，装载.hex文件或.bin文件，显示读入文件xxxxxxx到缓冲区1xxxxx 字节； 4)单击（自动）写器件，显示写器件完成。 5)至此，程序正常下载到器件中。 三、数字控制器设计与仿真 1.原系统模型

系统闭环传递函数： Φ 2. 根据经验设计PID 校正环节 由于以前做过PID 相关控制环节，对PID 各项意义比较了解，故根据经验及实际系统调试得到PID 校正器：D （z ）＝3.4-2z -1（一阶后差变换法D （s ）=1.4+0.032s ）对应比例系数Kp=1.4、微分系数Kd=2、积分系数为0 调试依据： ? 比例P 项增大使开环增益提高，调节作用变强，上升时间变小，闭环中产生恒定 的稳态误差，而且P 值越大，稳态误差越大。但是在此系统中P 项增大会使系统静态误差减小（即增大K1）。 ? 微分项增大使上升时间变大，产生一定延时，但是可以消除振荡； ? 积分项增大使上升时间变小，并且消除控制器的稳态误差，但是会加大系统的振 荡性。 系统未加PID 校正器时，K1＝2上升时间较小，静态精度均满足要求，但是有一定振荡，系统动态参数不满足要求。故不加积分I 校正，只采用PD 校正，经调试得比例系数Kp=1.4、微分系数Kd=2时，控制效果较好。 3. 加入PD 校正环节后系统模型 系统闭环传递函数： 272.373166 ()119.53166 s s s s +Φ= ++ 4. 仿真结果： 未加校正未加采样阶跃响应 未加校正加采样阶跃响应 调节时间ts=389ms 、超调σ％=19.76% 调节时间ts=624ms 、超调σ％=43.12％， 对应ξ=0.4587、ωn=25.2220 对应ξ= 0.2586 ωn= 27.8819

控制系统数字仿真与CAD实验答案

程序及仿真结果 1.1G（s）= 32 432 144848 207010048 s s s s s s s +++ ++++ den=[1,20,70,100,48]; num=[1,14,48,48]; [A,B,C,D]=tf2ss(num,den) [z,p,k]=ss2zp(A,B,C,D) [R,P,H]=residue(num,den) A = -20 -70 -100 -48 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 B = 1 C = 1 14 48 48 D = z = -9.4641 -2.5359 -2.0000 p =

-16.0051 -1.5269 + 0.9247i -1.5269 - 0.9247i -0.9412 k = 1.0000 R = 0.3892 -0.0932 - 0.3754i -0.0932 + 0.3754i 0.7973 P = -16.0051 -1.5269 + 0.9247i -1.5269 - 0.9247i -0.9412 H = [] >>1.2 . X= 2.25 -5 -1.25 -0.54 2.25 -4.25 -1.25 -0.252 0.25 -0.5 -1.25 -12 1.25 -1.75 -0.25 -0.75 0 X ???? ???? ???? +???? ???? ???? u y=[0 2 0 2] X A=[2.25,-5,-1.25,-0.5; 2.25,-4.25,-1.25,-0.25; 0.25,-0.5,-1.25,-1; 1.25,-1.75,-0.25,-0.75]; B=[4;2;2;0]; C=[0,2,0,2];

Simulink对随动系统输出的分析

控制系统数字仿真与CAD课程报告 题目 Simulink对随动系统输出的分析系别电子信息与电气工程系 专业自动化 班级 09自动化(1)班 姓名 0905075002 指导老师李秀娟 完成日期 2012年10月12日

Simulink对随动系统输出的分析 摘要：利用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块库(SimPowerSystems)进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型。本文首先对随动系统进行了实验建模与实验测试，构建了随动系统的系统框图，然后使用Matlab计算机仿真软件里的simulink对系统进行了仿真，同时将结果在示波器上显示出来。通过波形的不同来分析不同输入信号对系统的影响。 关键词：matlab；simulink；建模；输入；输出 Abstract:The use of the system simulation under MATLAB SIMULINK software and power system module library (SimPowerSystems) is very simple and intuitive, and the user can use the graphical method to establish the model of the simulation system directly. Firstly experimental modeling and experimental testing of the servo system, and build a system block diagram of the servo system, and then use the Matlab computer simulation software simulink simulation system, and the result is displayed on the oscilloscope. By the difference in waveform to analyze the impact of the different input signals of the system. Keywords: matlab; simulink; modeling; input; output

随动系统

l a b 3 11 .g f k d . m t n 经典控制系统——随动控制系统设计 1 概述 控制技术的发展使随动系统广泛地应用于军事工业和民用工业随动系统是一种带反馈控制的动态系统在这种系统中输出量一般是机械量例如位移速度或者加速度等等反馈装置将输出量变换成与输入量相同的信号然后进行比较得出偏差系统是按照偏差的性质进行控制的控制的结果是减少或消除偏差使系统的输出量准确地跟踪或复现输入量的变化系统中的给定量和被控制量一样都是位移 或代表位移的电量可以是角位移也可以是直线位移根据位置给定信号和位置反馈反馈信号以及两个信号的综合比较来分类可分成模拟式随动系统和数字式随动系统 由于随动系统的输出量是一种机械量故其输出常常以机械轴的运动形式表示出来该机械轴称为输出轴通常输出轴带动较大的机械负荷而运动在随动系统中如果被控量是机械位置或其导数时这类系统称之为伺服系统 位置随动系统的应用例子如 1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 2冶金工业中轧刚机压下装置以及其它辅助设备的控制在轧制钢材的过程中必须使上下轧辊之间的距离能按工艺要求自动调整焊接有缝钢管或钢板要求焊机头能准确地对正焊缝的控制 3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 4制造大规模集成电路所需要的制图机 分布重复照相机和光刻机机器人或机 械手的动作控制等 5 火炮群跟踪雷达天线或电子望远镜瞄准目标的控制舰船上的自动探舱装置使位于船体尾部的舱叶的偏角模仿复制位于驾驶室的操作手轮的偏转角以便按照航向要求来操纵船舶的航向陀螺仪惯性导航系统各类飞行器的姿态控制等也都是位置随动系统的具体应用 2 结构原理 位置随动系统是一种位置反馈控制系统因此一定具有位置指令和位置反馈的检测装置通过位置指令装置将希望的位移转换成具有一定精度的电量利用位置反馈装置随时检测出被控机械的实际位移也把它转换成具有一定精度的电量与指令进行比较把比较得到的偏差信号放大以后控制执行电机向消除偏差的方向旋转直到达到一定的精度为止这样被控制机械的实际位置就能跟随指令变化构成一个位置随动系统 原理框图可描述如图1所示 工作过程 因为系统存在惯性当输入X (t ) 变化时输出Y (t )难以立即复现此时Y (t )≠X (t ) 即e (t )= Y (t )X (t )≠ 0——测量元件将偏差e (t )转换成电压输出—— 经小信号放大器放大功率放大器——执行电机转动——减速器——使被控对象朝着消除误差的方向运动只要X (t )≠Y (t )就有e (t )≠ 0执行电机就会转动一直到偏差e (t )=0执行电机停止转动此时系统实现了输出量Y (t )对输入量X (t )的复现当X (t )随时间变化时Y (t )就跟着X (t )作同样变

实验三基于SIMULINK的控制系统时域分析

实验三 基于SIMULINK 的控制系统时域分析（2学时） 一．实验目的： 掌握使用SIMULINK 、控制工具箱求解系统的输入和输出响应的仿真方法。 二．实验方法及预习内容： 利用SIMULINK 工具进行控制系统模型分析、系统设计与仿真的相关原理。 三．实验内容： 1．分别使用解微分方程方法、控制工具箱、Simulink 求解具有如下闭环传递函数的系统的阶跃响应。 432 10 ()8364010 s s s s s φ= ++++ 解微分方程方法求解： Wffc.m 文件： function dx=wffc(t,x) u=1; dx=[-8*x(1)-36*x(2)-40*x(3)-10*x(4)+u;x(1);x(2);x(3)]; 主文件： %-------------------------------------实验1.1 [t,x]=ode45('wffc',[0,18],[0;0;0;0]) y=10*x(:,4); figure(2) plot(t,y) grid on title('解微分方程方法求解系统阶跃响应曲线') xlabel('时间') ylabel('输出') 结果:

控制工具箱求解： 程序： num=[10]; den=[1 8 36 40 10]; sys=tf(num,den); step(sys) title('控制工具箱求解系统阶跃响应曲线') xlabel('时间') ylabel('输出') grid 结果:

Simulink求解设置：

单位阶跃 仿真设置

SCOPE设置 程序 figure(3) plot(ScopeData(:,1),ScopeData(:,2)) grid on title('Simulink求解系统阶跃响应曲线') xlabel('时间') ylabel('输出') 结果

小功率随动系统

小 功 率 随 动 系 统 实 验 指 导 书 上海交通大学自动化系

第一部分 实验原理 一、概述 随动系统的输出量是机械量（位移、速度）。检测元件将输出量变换成与输入量同类型的信号，并进行比较，得出偏差信号。系统按照偏差的性质（极性与大小）进行控制，控制的结果导致偏差的减少或消除，使系统的输出量能快速、准确地复现输入量信号的变化规律，这就是随动系统的控制任务。 在随动系统中，如果被控制量是机械位移或其导数时，这类系统又称为伺服系统（Servo system）。随着现代控制技术的发展，随动系统已广泛地应用于军事工业和民用工业等许多领域，例如机械制造工业中仿型铣床，数控机床的加工轨迹控制；军事设施中火炮的瞄准，导弹的发射和制导等都是随动系统的具体应用。 随动系统有模拟式和数字式两种类型，本实验是研究模拟式随动系统的性能分析和综合校正方法，通过实验能比较全面地验证古典控制理论。 二、随动系统的控制原理与结构组成 位置随动系统是一种反馈控制系统，因此它有位置给定和位置反馈的检测装置。通过检测装置将它们的差值转换成具有一定精度的相应电量，这就是位置偏差信号。该偏差信号经放大器放大后驱动直流电动机向消除偏差的方向旋转，使被控制机械的实际位移能准确地跟随控制信号而变化。系统方框图如图1所示。 图1 随动系统方框图 由于系统中有机械和电磁惯性，因而当输入量θi变化时，输出θo不会立即复现θi的变化规律，此时θo≠θi，即Δθ=θo-θi≠0。检测元件将偏差Δθ转换为相应的电压u i，它经鉴相器和功放等环节的处理后，输出一个所需的直流电压U M去驱动直流电动机，使之朝着偏差减小的方向旋转，直到θo=θi为止。如θi随时间作某种函数变化时，则θo必将跟着θi作同样规律的变化，这种现象人们称之为随动。实验系统的原理电路图如图2所示