1、自动控制系统实验指导书概述实验一 V-M系统参数和环节特性的测定实验一、实验目的 (1)熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构。(2)掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。二、实验所需挂件及附件序号型 号备 注1DJK01 电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。2DJK02 晶闸管主电路 3DJK02-1三相晶闸管触发电路该挂件包含“触发电路”,“正桥功放”，“反桥功放” 等几个模块。4DJK04 电机调速控制实验 I该挂件包含“给定”，“电流调节器”，“速度变换”，“电流反馈与过流保护”等几个模块。5DJK10 变压器实验该挂件包含“三相不控整流”和“三相
2、心式变压器”等模块。6DD03-2电机导轨测速发电机及转速表或者“DD03-3电机导轨光码盘测速系统及数显转速表”7DJ13-1 直流发电机8DJ15 直流并励电动机9D42三相可调电阻10数字存储示波器自备11万用表自备三、实验线路及原理 晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机组等组成。在本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制电路可直接由给定电压Ug作为触发器的移相控制电压Uct，改变Ug的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压，以满足实验要求。实验系统的组成原理图如图1-1所示。图1-1 实验系统原理图四、实验内容(1) 测定晶闸管直流调
3、速系统主电路总电阻值R。(2) 测定晶闸管直流调速系统主电路电感值L。(3) 测定直流电动机-直流发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD2 。(4) 测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数Td。(5) 测定直流电动机电势常数Ce和转矩常数CM。(6) 测定晶闸管直流调速系统机电时间常数TM。(7) 测定晶闸管触发及整流装置特性Ud=f(Uct)。(8) 测定测速发电机特性UTG=f(n)。五、预习要求 学习教材中有关晶闸管直流调速系统各参数的测定方法。六、实验方法为研究晶闸管电动机系统，须首先了解电枢回路的总电阻R、总电感L以及系统的电磁时间常数Td与机电时间常数TM，这些参数均需通过实验手段来
4、测定，具体方法如下：(1)电枢回路总电阻R的测定电枢回路的总电阻R包括电机的电枢电阻Ra、平波电抗器的直流电阻RL及整流装置的内阻Rn，即R = Ra十RL十Rn (1-1)由于阻值较小，不宜用欧姆表或电桥测量，因是小电流检测，接触电阻影响很大，故常用直流伏安法。为测出晶闸管整流装置的电源内阻须测量整流装置的理想空载电压U0，而晶闸管整流电源是无法测量的，为此应用伏安比较法，实验线路如图1-2所示。图1-2伏安比较法实验线路图将变阻器R1、R2接入被测系统的主电路，测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。合上S1、S2，调节给定使输出直流电压Ud在30%Ued70%Ued范围内，然后调整R2使电枢
5、电流在80%Ied90%Ied范围内，读取电流表A和电压表V2的数值为I1、U1，则此时整流装置的理想空载电压为Udo=I1R+U1 （1-2）调节R1使之与R2的电阻值相近，拉开开关S2，在Ud的条件下读取电流表、电压表的数值I2、U2，则 UdoI2R十U2 (1-3)求解(5-2)、(5-3)两式，可得电枢回路总电阻:R（U2-U1）/（I1-I2） (1-4)如把电机电枢两端短接，重复上述实验，可得RL十Rn=(U2-U1)/(I1-I2) (1-5)则电机的电枢电阻为Ra=R-(RL十Rn)。 (1-6)同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻RL。(2)电枢回路电感L的测定电枢
6、回路总电感包括电机的电枢电感La、平波电抗器电感Ld和整流变压器漏感LB，由于LB数值很小，可以忽略，故电枢回路的等效总电感为 LLa+Ld (1-7)电感的数值可用交流伏安法测定。实验时应给电动机加额定励磁，并使电机堵转，实验线路如图1-3所示。图1-3 测量电枢回路电感的实验线路图实验时交流电压由DJK01电源输出，接DJK10的高压端，从低压端输出接电机的电枢，用交流电压表和电流表分别测出电枢两端和电抗器上的电压值Ua和UL及电流I,从而可得到交流阻抗Za和ZL，计算出电感值La和Ld，计算公式如下: (1-8) (1-9) (1-10) (1-11)(3)直流电动机-发电机-测速发电机
7、组的飞轮惯量GD2 的测定电力拖动系统的运动方程式为T-Tz=(GD2/375)dn/dt (1-12)式中，T为电动机的电磁转矩，单位为Nm；Tz为负载转矩，空载时即为空载转矩Tk，单位为Nm，n为电机转速，单位为rpm。电机空载自由停车时，T=0，Tz=Tk，则运动方程式为: (1-13)从而有 (1-14)式中GD2的单位为Nm2； Tk可由空载功率PK(单位为W)求出: (1-15) (1-16)dn/dt可以从自由停车时所得的曲线nf(t)求得，其实验线路如图1-4 图1-4 测定GD2时的实验线路图电动机加额定励磁，将电机空载启动至稳定转速后，测量电枢电压Ua和电流Ia0,然后断开
8、给定，用数字存储示波器记录n=f(t)曲线，即可求取某一转速时的Tk和dn/dt。由于空载转矩不是常数，可以以转速n为基准选择若干个点，测出相应的Tk和dn/dt，以求得GD2的平均值。由于本实验装置的电机容量比较小，应用此法测GD2时会有一定的误差。(4)主电路电磁时间常数Td的测定采用电流波形法测定电枢回路电磁时间常数Td，电枢回路突加给定电压时，电流id按指数规律上升:其电流变化曲线如图1-5所示。当t=Td时，有图1-5 电流上升曲线 图1-6 测定Td的实验线路图 实验线路如图1-6所示。电机不加励磁，调节给定使电机电枢电流在50%Ied90%Ied范围内。然后保持Ug不变，将给定的
9、S2拨到接地位置，然后拨动给定S2从接地到正电压跃阶信号，用数字存储示波器记录id=f（t）的波形，在波形图上测量出当电流上升至稳定值的63.2%时的时间，即为电枢回路的电磁时间常数Td。 (5)电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定将电动机加额定励磁，使其空载运行，改变电枢电压Ud，测得相应的n即可由下式算出Ce:式中，Ce的单位为V/(rpm)。转矩常数(额定磁通)CM的单位为Nm/A。CM可由Ce求出: CM = 9.55 Ce(6)系统机电时间常数TM的测定系统的机电时间常数可由下式计算 由于TMTd，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即当电枢突加给定电压时，转速n将按指数规律上升
10、，当n到达稳态值的63.2%时,所经过的时间即为拖动系统的机电时间常数。测试时电枢回路中附加电阻应全部切除，突然给电枢加电压，用数字存储示波器记录过渡过程曲线n=f(t)，即可由此确定机电时间常数。(7)晶闸管触发及整流装置特性Ud=f(Ug)和测速发电机特性UTG=f(n)的测定实验线路如图1-4所示，可不接示波器。电动机加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压Ug，分别读取对应的Ug、UTG、Ud、n的数值若干组，即可描绘出特性曲线Ud=f(Ug)和UTG =f(n)。 由Ud=f(Ug)曲线可求得晶闸管整流装置的放大倍数曲线Ks=f(Ug):Ks =Ud/Ug 七、实验报告(1)作出实验所
11、得的各种曲线，计算有关参数。(2)由Ks=f(Ug)特性，分析晶闸管装置的非线性现象。八、注意事项(1)由于实验时装置处于开环状态，电流和电压可能有波动，可取平均读数。(2)由于DJK04上的过流保护整定值的限制，在完成机电时间常数测定的实验中，其电枢电压不能加得太高。(3)当电机堵转时，会出现大电流，因此测量的时间要短，以防电机过热。(4)在测试Ud=f(Ug)时，DJK02上的偏移电压要先调到=120，具体方法见单闭环直流调速。实验二 单闭环不可逆直流调速系统实验一、实验目的(1)了解单闭环直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。(2)掌握晶闸管直流调速系统的一般调试过程。(3)认
12、识闭环反馈控制系统的基本特性。二、实验所需挂件及附件序号型 号备 注1DJK01 电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。2DJK02 晶闸管主电路 3DJK02-1三相晶闸管触发电路该挂件包含“触发电路”,“正桥功放”，“反桥功放” 等几个模块。4DJK04 电机调速控制实验 I该挂件包含“给定”，“电流调节器”，“速度变换”，“电流反馈与过流保护”等几个模块。5DJK08可调电阻、电容箱6DD03-2电机导轨测速发电机及转速表或者“DD03-3电机导轨光码盘测速系统及数显转速表”7DJ13-1 直流发电机8DJ15 直流并励电动机9D42三相可调电阻10慢扫描示波器
13、自备11万用表自备三、实验线路及原理为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。在本装置中，转速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经“速度变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压UCt，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。电
14、机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI(比例积分)调节。这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。在电流单闭环中，将反映电流变化的电流互感器输出电压信号作为反馈信号加到“电流调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较，经放大后，得到移相控制电压UCt，控制整流桥的“触发电路”，改变“三相全控整流”的电压输出，从而构成了电流负反馈闭环系统。电机的最高转速也由电流调节器的输出限幅所决定。同样，电流调节器若采用
15、P（比例）调节，对阶跃输入有稳态误差，要消除该误差将调节器换成PI(比例积分)调节。当“给定”恒定时，闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化。图2-1 转速单闭环系统原理图图2-2 电流单闭环系统原理图四、实验内容(1)学习DJK01“电源控制屏”的使用方法。 (2)DJK04上的基本单元的调试。 (3)Uct不变时直流电动机开环特性的测定。 (4)Ud不变时直流电动机开环特性的测定。 (5)转速单闭环直流调速系统。 (6)电流单闭环直流调速系统。五、预习要求(1)复习自动控制系统(直流调速系统)教材中有关晶闸管直流调速系统、闭
16、环反馈控制系统的内容。(2)掌握调节器的工作原理。 (3)根据实验原理图，能画出实验系统的详细接线图，并理解各控制单元在调速系统中的作用。 (4)实验时，如何能使电动机的负载从空载(接近空载)连续地调至额定负载?六、实验方法(1)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试 打开DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电源开关，拨动 “触发脉冲指示
17、”钮子开关，使“窄”的发光管亮。观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。将DJK04上的“给定”输出Ug直接与DJK02-1上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节DJK02-1上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相同步电压信号和“双脉冲观察孔” VT1的输出波形，使=120。适当增加给定Ug的正电压输出，观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。将DJK02-1面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正桥触发脉冲输出”端和DJ
18、K02“正桥触发脉冲输入”端相连，并将DJK02“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”，观察正桥VT1VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。(2)Uct不变时的直流电机开环外特性的测定按接线图分别将主回路和控制回路接好线。DJK02-1上的移相控制电压Uct由DJK04上的“给定”输出Ug直接接入，直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，将给定的输出调到零。先闭合励磁电源开关，按下DJK01“电源控制屏”启动按钮，使主电路输出三相交流电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压Ug，使电动机慢慢启动并使转速 n 达到1200rpm。改变负载电阻R的阻值，使电机的电枢电流从Ied直
19、至空载。即可测出在Uct不变时的直流电动机开环外特性n = f(Id)，测量并记录数据于下表：n（rpm）Id（A）(3)Ud不变时直流电机开环外特性的测定控制电压Uct由DJK04的“给定”Ug直接接入，直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH,将给定的输出调到零。按下DJK01“电源控制屏”启动按钮，然后从零开始逐渐增加给定电压Ug，使电动机启动并达到1200rpm。改变负载电阻R，使电机的电枢电流从Ied直至空载。用电压表监视三相全控整流输出的直流电压Ud,保持Ud不变(通过不断的调节DJK04上“给定”电压Ug来实现)，测出在Ud不变时直流电动机的开环外特性n =f(Id)
20、，并记录于下表中：n（rpm）Id（A）(4)基本单元部件调试移相控制电压Uct调节范围的确定 直接将DJK04“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”输出接电阻负载R，用示波器观察Ud的波形。当给定电压Ug由零调大时，Ud将随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值Ug时，Ud 的波形会出现缺相现象，这时Ud反而随Ug的增大而减少。一般可确定移相控制电压的最大允许值为Uctmax=0.9Ug，即Ug的允许调节范围为0Uctmax。如果我们把输出限幅定为Uctmax的话，则“三相全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。记录
21、Ug于下表中：UgUctmax=0.9Ug将给定退到零，再按“停止”按钮，结束步骤。调节器的调整A、调节器的调零 将DJK04中“速度调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻40K接到“速度调节器”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“电流调节器”成为P (比例)调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。将DJK04中“电流调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接到“速度调节器”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“电流调节器”成为P（比例）调节器。调节面板
22、上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器的“11”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。B、 正负限幅值的调整 把“速度调节器”的“5”、“6”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端，使调节器成为PI (比例积分)调节器，然后将DJK04的给定输出端接到转速调节器的“3”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使速度调节器的输出正限幅为Uctmax。把“电流调节器”的“8”、“9”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“8”、“9”两端，使调节器成为PI
23、（比例积分）调节器，然后将DJK04的给定输出端接到电流调节器的“4”端，当加正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使电流调节器的输出正限幅为Uctmax。C、电流反馈系数的整定 直接将“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，整流桥输出接电阻负载R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。按下启动按钮，从零增加给定，使输出电压升高，当Ud=220V时，减小负载的阻值，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，使得负载电流Id=l.3A时，“2”端If的的电流反馈电压Ufi=6V，这时的电流反馈系
24、数= Ufi/Id= 4.615V/A。D、转速反馈系数的整定 直接将“给定”电压Ug接DJK02-1上的移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机负载，Ld用DJK02上的200mH，输出给定调到零。按下启动按钮，接通励磁电源，从零逐渐增加给定，使电机提速到 n =150Orpm时，调节“速度变换”上转速反馈电位器RP1，使得该转速时反馈电压Ufn=-6V，这时的转速反馈系数 =Ufn/n =0.004V/(rpm)。(5)转速单闭环直流调速系统按图5-7接线，在本实验中，DJK04的“给定”电压Ug为负给定，转速反馈为正电压，将“速度调节器”接成P（比例）调节器或PI（比
25、例积分）调节器。直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，给定输出调到零。直流发电机先轻载，从零开始逐渐调大“给定”电压Ug，使电动机的转速接近n=l200rpm。由小到大调节直流发电机负载R，测出电动机的电枢电流Id，和电机的转速n，直至Id=Ied，即可测出系统静态特性曲线n =f(Id)。n（rpm）Id（A）(6)电流单闭环直流调速系统按图5-8接线，在本实验中，给定Ug为负给定，电流反馈为正电压，将“电流调节器”接成比例（P）调节器或PI（比例积分）调节器。直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，将给定输出调到零。直流发电机先轻载，从零开始逐渐调大“给定”电
26、压Ug，使电动机转速接近n=l200rpm。由小到大调节直流发电机负载R，测定相应的Id和n，直至电动机Id=Ied，即可测出系统静态特性曲线n =f(Id)。n（rpm）Id（A）七、实验报告(1)根据实验数据，画出Uct不变时直流电动机开环机械特性。 (2)根据实验数据，画出Ud不变时直流电动机开环机械特性。 (3)根据实验数据，画出转速单闭环直流调速系统的机械特性。 (4)根据实验数据，画出电流单闭环直流调速系统的机械特性。 (5)比较以上各种机械特性，并做出解释。八、思考题(l)P调节器和PI调节器在直流调速系统中的作用有什么不同?(2)实验中，如何确定转速反馈的极性并把转速反馈正确地
27、接入系统中?调节什么元件能改变转速反馈的强度?(3)改变“电流调节器”及“速度调节器”的电阻、电容参数，对系统有什么影响？九、注意事项(1) 双踪示波器有两个探头，可同时观测两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意
28、外。(2)电机启动前，应先加上电动机的励磁，才能使电机启动。在启动前必须将移相控制电压调到零，使整流输出电压为零，这时才可以逐渐加大给定电压，不能在开环或速度闭环时突加给定，否则会引起过大的启动电流，使过流保护动作，告警，跳闸。(3)通电实验时，可先用电阻作为整流桥的负载，待确定电路能正常工作后，再换成电动机作为负载。(4)在连接反馈信号时，给定信号的极性必须与反馈信号的极性相反，确保为负反馈，否则会造成失控。(5)直流电动机的电枢电流不要超过额定值使用，转速也不要超过1.2倍的额定值。以免影响电机的使用寿命，或发生意外。(6)DJK04与DJK02-1不共地，所以实验时须短接DJK04与DJ
29、K02-1的地。实验三 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统实验一、实验目的 (1)了解闭环不可逆直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。(2)掌握双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤、方法及参数的整定。(3)研究调节器参数对系统动态性能的影响。二、实验所需挂件及附件序号型 号备 注1DJK01 电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。2DJK02 晶闸管主电路 3DJK02-1三相晶闸管触发电路该挂件包含“触发电路”,“正桥功放”，“反桥功放” 等几个模块。4DJK04 电机调速控制实验 I该挂件包含“给定”，“电流调节器”，“速度变换”，“电流反馈与过流保护”等几个
30、模块。5DJK08可调电阻、电容箱6DD03-2电机导轨测速发电机及转速表或DD03-3电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表7DJ13-1 直流发电机8DJ15 直流并励电动机9D42三相可调电阻10慢扫描示波器自备11万用表自备三、实验线路及原理许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。为缩短这一部分时间，仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用PI调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰
