郑州大学电气工程2学院自动控制理论课程设计副本.docx
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郑州大学电气工程2学院自动控制理论课程设计副本
电气工程学院
课程设计报告
课程名称:
自动控制理论
设计题目:
KSD-1型晶闸管直流随动
控制系统的分析与校正
专业:
自动化
班级:
四班学号:
20110220442
学生姓名:
张玉龙
时间:
2014年3月20日
——————以下由指导教师填写——————
分项成绩:
出勤成品答辩及考核
总成绩:
总分成绩
指导教师(签名):
前言
KSD-1型晶闸管直流随动系统是按输入角度与反馈角度之间的偏差原理进行的。
它采用自整角机作位置测量元件,,晶闸管作功率放大元件和直流伺服电动机作执行元件,属小功率随动系统,为了提高系统的稳定性和动态品质,在系统中加入PID串联或并联校正装置。
该装置性能指标为:
(1)静态位置误差e0≦0.5o
(2)系统速度误差esr≦1o(最大速度为50o/s)
(3)超调量Mp≦30%
(4)振荡次数N≦2
(5)过度过程时间tp≦0.7s
目录
一、KSD-1随动系统工作原理
二、KSD-1性能指标(校正后)
三、随动系统方块图
四、系统中有关环节的传递函数
五、系统的闭环方框图
六、对系统进行校正的过程
七、参考文献
附1:
matlab程序
附2:
对串联校正装置的建议
一、KSD-1工作原理
KSD-1型随动系统是采用自整角机作为反馈元件,线性运算放大器作为放大元件,可控硅作为功率放大元件,直流伺服电动机作为执行元件的小功率随动系统,为了改善系统的动态品质指标,采用了直流测速发电机反馈作为并联校正。
用电压放大器作为有源串联校正器。
本系统是采用电枢控制直流伺服电动机的随动系统,系统采用变压式自整角机对,用来测量两个机械轴的转角差,当系统静止时两个自整角机转子相对于三相绕组的夹角之差为零。
两个自整角机处于平衡状态,自整角接收机S的输出绕组没有电压输出,整个系统处于协调状态,假设系统有一输入角θ,这时自整角机输出轴的转子相对于三相绕组的夹角不为零,于是自整角接收机的输出绕组就输出误差电压Uc,通过输出变压器加到全波桥式相敏整流器上,相敏整流器输出直流时,脉动很大,必须通过低通滤波器消除不必要的频率成分,取出近似正比于误差角的直流有效讯号,加到线性组件Ko的反相输入端,经过电压放大后,加到同相器TX和反相器PX的同相和反相输入端作为SCR控制脚的控制信号,经触发陷入CP1或CP2产生触发脉冲,去触发可控硅,由可控硅功率放大器输出控制伺服电动机转动,经减速器i同时带动自整角机接收机Sc的转子转动,直至Sc跟上Sr的转角后,系统重新处于平衡,为了使系统正常工作,改善系统的动态品质指标,必须加入串联校正装置或者并联校正装置。
二KSD-1型随动系统性能指标(校正后)
该装置性能指标为:
(1)静态位置误差e0≦0.5o
(2)系统速度误差esr≦1o(最大速度为50o/s)
(3)超调量Mp≦30%
(4)振荡次数N≦2
(5)过度过程时间tp≦0.7s
(6)输入轴最大变化速度50度/秒,最大加速度50度/秒2
(7)执行电动机参数
执行电机类型
型号
功率
电流
电压
转速
激磁电压
直流执行电动机
S569
160
瓦
2.2
安
110
伏
3300
转/分
110
伏
三、随动系统方块图
图表随动系统方框图
四系统中有关环节的传递函数
1.敏感元件——自整角机
确定自整角机对的传递函数K1(s),角θ为系统的误差角。
自整角机对的传递函数可以看成事一个线性放大环节,即在θ=0处的斜率
K1(s)=(σUy/σθ)|θ=0
取其增量的平均值,则有:
K1(S)=(1/8)
=0.7伏/度
=40伏/弧度
2.相敏整流元件与低通滤波器
系统相敏整流元件选用的是二极管全桥式相敏整流器,相敏整流特点是输出直流电压的极性反映输入交流信号的相位,输入的控制信号为自整角变压器输出电压Uy,交流同步电压U为参考电压。
相敏整流的传递函数为K2(s)=1.354
低通滤波器的作用是减少相敏整流器输出电压的脉动成分,消除不必要的高频成分。
低通滤波器的传递函数为
K3(s)=1/(0.008S+1)
3.电压放大环节Kv(S)
相敏整流器输出电压经滤波后的直流信号加到油线性组件组成的电压放大器的反相端,其输出Usc可作为可控硅控制角的控制信号.
电压放大器的传递函数可由计算得出:
Kv(s)=-[Zf(s)]/[Zr(s)]=-1R3/(5R3+5R4)=-1/2
4.直流伺服电动机
直流伺服电动机的传递函数为
Wm(s)=3.52/(0.375S+1)
5.可控硅功率放大器的传递函数
可控硅功率放大器是一个延迟环节,其最大延迟时间取决于可控硅整流相数和电源频率,即
Tscr=1/2mf
可控硅功率放大器是一个小时间常数的惯性环节,其传递函数为
Kscr(s)=Kscr/(1+Tscr·S)
作为可控硅放大倍数Kscr=150;
6.减速器
减速器的传递函数为
K7=1/Si
i=216
五,系统的闭环方框图
六,对控制系统的校正
1、根据要求求出指标
原系统开环传函为:
G=66.2∕S*(0.375s+1)*(0.01s+1)*(0.008s+1)
由超调量Mp=exp[-ζπ/
]×100%
相位裕度γ=arctan(
剪切频率Wc=
当Mp<30%时ζ=0.358,代入下面两个式子求出相位裕度γ=39.1o和剪切频率Wc=14.06,
2、原系统的频域分析
在MATLAB中输入num=[66.2];den=[0.00003,0.00683,0.393,1,0];
[mag,phs,w]=bode(num,den);
margin(mag,phs,w)
可以得到原系统的相位裕度,剪切频率和bode图,如下:
原系统伯德图
可知其相位裕度为γ=-1.86o,剪切频率Wc=13.1rad/sec
输入
num=[66.2];
den=[0.00003,0.00683,0.393,1,66.2];
step(num,den)
可得系统的阶跃响应图像如下:
原系统阶跃响应图
由图可知,原系统不稳定。
3,系统的校正
有系统可知采用超前-滞后校正未调整时,
取校正后的剪切频率Wc=20对应伯德图的A点
此时原系统的相角裕度γ(20)=-12.8o
取&=γ-γ(20)+8.9=60o
由sin&=a-1/a+1,得a=13.925
过A做垂直线,取BA=AC,过C点做+20dB/dec直线,取Wd=Wc/
=5.3596
We=
Wc=74.632,过D点做平行于0dB线至F,取Wf=0.1Wc=2,过F点做-20dB/dec直线,与0dB线交于G点。
设CD与0dB线交于频率为W0
W0=
/
G1=(0.1599s^2+0.8015s+1)∕(0.1599s^2+2.087s+1)
采用sisotool校正工具进行手动校正,调整零极点和增益后系统达到了目标的性能指标,并得到校正装置传函。
最后得到得到的校正装置传递函数为:
G1=1.8×[(0.34s+1)(0.45s+1)]∕[(0.015s+1)(2.2s+1)]
校正后系统bode图为:
可知系统相角裕度γ=46.3o>39.09o
剪切频率Wc=20.5rad/sec>14.07rad/sec均满足频域指标。
校正后系统的阶跃响应图为:
由图可知校正后系统
最大超调量Mp=26.8%<30%
调整时间Ts=0.644s<0.7s
振荡次数≦2可知其均满足要求的阶跃响应的性能指标。
五、参考资料
夏德钤,翁贻方《自动控制原理》第三版2008
沈宪章,支长义《反馈控制理论课程设计参考资料》1991
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