直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)_李丹丹

1、直流調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)系列主編：邱華洲主講：李丹丹哈工大航天學(xué)院飛行器控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)概述自動(dòng)控制技術(shù)控制理論自動(dòng)化設(shè)備控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)）調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)位置隨動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)直流直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展歷史1821年英國(guó)科學(xué)家法拉第首先證明可以把電力轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 1834 德國(guó)雅可比發(fā)明直流發(fā)動(dòng)機(jī)在兩個(gè)U型電磁鐵中間，裝一六臂輪，每臂帶兩根棒型磁鐵。通電后，棒型磁鐵與U型磁鐵之間產(chǎn)生相互吸引和排斥作用 ，帶動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)。1870年比利時(shí)工程師格拉

2、姆證明向直流發(fā)動(dòng)機(jī)輸入電流，其轉(zhuǎn)子會(huì)象電動(dòng)機(jī)一樣旋轉(zhuǎn)。這就是格拉姆型直流電動(dòng)機(jī)。直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展歷史上個(gè)世紀(jì)30年代，出現(xiàn)發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動(dòng)的場(chǎng)合，仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。 直流調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用上仍將占重要地位. 隨著磁放大器、電機(jī)放大器等控制元件問(wèn)世和被采用，直流調(diào)速系統(tǒng)能在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，具有較優(yōu)良的調(diào)速性能指標(biāo)，從而使直流電動(dòng)機(jī)被廣泛的應(yīng)用在各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展歷史冷軋機(jī)中的應(yīng)用冷軋機(jī)是一種鋼筋冷軋加工設(shè)備，目前主流用的是直流電機(jī)與直流調(diào)速器來(lái)控制。軋機(jī)的速度穩(wěn)定性要求較

3、高，由主機(jī)來(lái)帶動(dòng)左右卷取機(jī)的運(yùn)行，主機(jī)運(yùn)行在精確的速度控制方式下，直流調(diào)速系統(tǒng)可以很好的滿足穩(wěn)定性和精度的要求。直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展歷史直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)龍門(mén)刨床中的應(yīng)用龍門(mén)刨床是一種廣泛使用的大型工件刨削加工機(jī)床，是工業(yè)的母機(jī)。龍門(mén)刨床的工作臺(tái)帶著工件通過(guò)門(mén)式框架作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，空行程速度大于工作行程速度。機(jī)床工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)為直流調(diào)速方式,調(diào)速范圍較大,在低速時(shí)也能獲得較大的驅(qū)動(dòng)力。不僅要求頻繁地?fù)Q向, 而且要求動(dòng)態(tài)及靜態(tài)性能優(yōu)良。 調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展歷史直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)高層電梯中的應(yīng)用直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速性能好、調(diào)速范圍大的特點(diǎn)，因此很早就應(yīng)用于電梯上，采用發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)組形式驅(qū)動(dòng)。它控制的電

4、梯速度達(dá)4ms，機(jī)組結(jié)構(gòu)體積大、耗電大、維護(hù)工作量較大、造價(jià)高，因此常用于對(duì)速度，舒適感要求較高的建筑物中。實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)內(nèi)容直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞 函數(shù)；2、掌握直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性測(cè)試方法，求出系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Kp，分析Kp與穩(wěn)態(tài)誤差ess之間的關(guān)系； 4、掌握直流調(diào)速系統(tǒng)，開(kāi)環(huán)加校正時(shí)頻率特性的測(cè)試方法。從繪出的系統(tǒng)Bode圖中求出相角裕度、幅值裕度Kv(rad/s)和開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)G(s)。3、掌握直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試方法，根據(jù)測(cè)量的時(shí)域性能指標(biāo)tp、ts、p，求出頻率域性能指標(biāo)c、b和系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)(s)

5、。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)內(nèi)容直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 直流電動(dòng)機(jī)組直流調(diào)速系統(tǒng)操作臺(tái)DS5152CA數(shù)字示波器 TD4020頻率特性測(cè)試儀 Mn直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備放大倍數(shù)比例積分開(kāi)關(guān)反饋極性開(kāi)關(guān)分壓器調(diào)節(jié)給定電壓積分時(shí)間比例系數(shù)微分時(shí)間 比例微分開(kāi)關(guān)直流調(diào)速系統(tǒng)操作臺(tái)直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)量電磁轉(zhuǎn)矩 測(cè)量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 負(fù)載電阻波段開(kāi)關(guān)保護(hù)開(kāi)關(guān)Mn調(diào)節(jié)給定電壓開(kāi)環(huán)/閉環(huán)切換按鈕直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備 直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接方法實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)內(nèi)容直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)靜態(tài)特性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性系統(tǒng)方塊圖直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理系統(tǒng)調(diào)速原理系統(tǒng)頻率特性PID

6、調(diào)節(jié)器的作用直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性DaaeUI RnK調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的方法改變電樞回路電阻調(diào)速法；減弱磁通調(diào)速法；調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速法。本實(shí)驗(yàn)裝置采用改變電樞回路電壓進(jìn)行調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法無(wú)級(jí)平滑調(diào)速時(shí)間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)需要大容量可調(diào)直流電源系統(tǒng)調(diào)速原理系統(tǒng)靜態(tài)特性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性系統(tǒng)方塊圖直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理系統(tǒng)調(diào)速原理系統(tǒng)頻率特性PID調(diào)節(jié)器的作用直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方塊圖閉環(huán)系統(tǒng)能夠有效地抑制包圍在反饋環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)作用。UD為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性的要求，只能減少負(fù)載所引起的靜態(tài)速降nnom。從控制手段上引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋減少轉(zhuǎn)速降落、降低靜差率、擴(kuò)大調(diào)速范圍

7、。系統(tǒng)靜態(tài)特性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性系統(tǒng)方塊圖直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理系統(tǒng)調(diào)速原理系統(tǒng)頻率特性PID調(diào)節(jié)器的作用直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。PID調(diào)節(jié)器的作用比例參數(shù)KP的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度并提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。隨著KP的增大系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但是系統(tǒng)易產(chǎn)生超調(diào)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。KP取值過(guò)小，調(diào)節(jié)精度降低，響應(yīng)速度變慢，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)，使系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能變壞。 僅僅有比例控制環(huán)節(jié)的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有靜差的控制系統(tǒng)，反饋控制只能減小穩(wěn)態(tài)誤差，而不能消除它。在比例控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，系統(tǒng)的

8、穩(wěn)態(tài)誤差小與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是矛盾的。直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。比例+積分控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 PID調(diào)節(jié)器的作用積分參數(shù)Ti的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Ti越大系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除的越快，但Ti也不能過(guò)大，否則在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。Ti過(guò)小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。從相位的角度來(lái)看一個(gè)積分環(huán)節(jié)就有90的相位延遲，也許會(huì)破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)

9、的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。由于存在較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后組件，校正環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用總是落后于誤差的變化，在調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。微分控制能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，使得校正環(huán)節(jié)能夠在誤差接近零時(shí)提前使抑制誤差的控制作用等于零，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 PID調(diào)節(jié)器的作用微分參數(shù)Td的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。Td不能過(guò)大，否則會(huì)使響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)，延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，并且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)PID調(diào)節(jié)器的作用PID參數(shù)的整定是從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度，超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面考

10、慮問(wèn)題，合理的選擇PID三參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)的參數(shù)整定方法有：經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、臨界比例法、反應(yīng)曲線法；實(shí)際應(yīng)用中，大多是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法來(lái)確定PID的參數(shù)。PID調(diào)整的主要工作就是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)的首要任務(wù)：快（快速） 、準(zhǔn)（準(zhǔn)確） 、穩(wěn)（穩(wěn)定）的響應(yīng)命令。P：比例控制環(huán)節(jié)強(qiáng)調(diào)響應(yīng)快速性，快速作用于輸出。著眼于“現(xiàn)在”；I：積分控制環(huán)節(jié)強(qiáng)調(diào)準(zhǔn)確性，消除過(guò)去的累積誤差。著眼于“過(guò)去”；D：微分控制環(huán)節(jié)強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定性，具有超前控制作用。著眼于“未來(lái)”。系統(tǒng)靜態(tài)特性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性系統(tǒng)方塊圖直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理系統(tǒng)調(diào)速原理系統(tǒng)頻率特性PID調(diào)節(jié)器的作用直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 調(diào)速范圍 調(diào)速系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速nmax與最

11、低轉(zhuǎn)速nmin之比 D = nmax / nmin系統(tǒng)靜態(tài)特性系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)調(diào)速范圍調(diào)速范圍靜差率直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)靜態(tài)特性系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)調(diào)速范圍靜差率靜差率 靜差率 系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載變到額定負(fù)載所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落nnom與理想空載轉(zhuǎn)速速n0之比。 S = (nnom / n0 ) * 100%直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)靜態(tài)特性直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的靜態(tài)關(guān)系；系統(tǒng)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)時(shí)靜態(tài)特性不同，閉環(huán)更好些；系統(tǒng)閉環(huán)時(shí)，開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)不同，靜態(tài)特性也不同；系統(tǒng)靜態(tài)特性將影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變負(fù)載電阻值的值來(lái)改變直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。直流電

12、動(dòng)機(jī)、直流發(fā)電機(jī)、直流測(cè)速機(jī)這三個(gè)元件同軸連接而組成機(jī)組直流發(fā)電機(jī)電樞電流與負(fù)載電阻值成反比直流發(fā)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與負(fù)載電流成正比 (Mfz = CmIfz)系統(tǒng)靜態(tài)特性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性系統(tǒng)方塊圖直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理系統(tǒng)調(diào)速原理系統(tǒng)頻率特性PID調(diào)節(jié)器的作用直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型研究其動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能是否滿足性能指標(biāo)。經(jīng)典控制理論中常用的系統(tǒng)分析方法時(shí)域法取時(shí)間t作為自變量，研究輸出量的時(shí)間表達(dá)式具有直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)可提供時(shí)間響應(yīng)的信息頻域法本實(shí)驗(yàn)利用時(shí)域法進(jìn)行系統(tǒng)分析，并研究減少誤差、提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的方法。直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性 系統(tǒng)的時(shí)

13、域性能指標(biāo)在給定信號(hào)r(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量u(t)的變化情況用時(shí)域性能指標(biāo)來(lái)描述。時(shí)域性能指標(biāo)是在初始條件為零的情況下，以系統(tǒng)對(duì)單位階躍輸入信號(hào)的輸出響應(yīng)(稱為單位階躍響應(yīng))為依據(jù)提出的。 上升時(shí)間tr 峰值時(shí)間tp 過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts 超調(diào)量p%100maxUUUp直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性系統(tǒng)的超調(diào)量和阻尼系數(shù)存在如下式所示關(guān)系，故可通過(guò)調(diào)節(jié)超調(diào)量來(lái)調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)。21e為了限制超調(diào)量，并使較小，一般會(huì)控制系統(tǒng)的超調(diào)量在22%28%之間。直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性直流調(diào)速系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)跟隨性能指標(biāo)抗擾動(dòng)性能指標(biāo)直流調(diào)速系統(tǒng)加入PID控制器以獲得滿意的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)PID不僅

14、適用于數(shù)學(xué)模型已知的控制系統(tǒng)，而且對(duì)大多數(shù)數(shù)學(xué)模型難以確定的工業(yè)過(guò)程也可應(yīng)用。PID控制參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)靈活。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字PID控制也已得到廣泛和成功的應(yīng)用。在單位階躍信號(hào)作用下，對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析。通過(guò)加入兩種校正形式（即PID、PD），并且改變不同的校正參數(shù)，分析其對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。系統(tǒng)靜態(tài)特性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性系統(tǒng)方塊圖直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理系統(tǒng)調(diào)速原理系統(tǒng)頻率特性PID調(diào)節(jié)器的作用直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)頻率特性頻率特性法：研究待測(cè)系統(tǒng)輸入正弦信號(hào)與輸出正弦信號(hào)的幅值和相位變化的關(guān)系正弦信號(hào)有無(wú)窮階導(dǎo)數(shù)，所以正弦信號(hào)中包含了位置、速度、加速度等各種作用；控

15、制系統(tǒng)中的各個(gè)信號(hào)，可以分解成許多不同頻率的正弦信號(hào)；根據(jù)控制系統(tǒng)對(duì)不同頻率正弦信號(hào)的響應(yīng)，就可以全面地反映出系統(tǒng)的各種性質(zhì)。對(duì)于線性定常系統(tǒng)，當(dāng)輸入是正弦信號(hào)時(shí)，其輸出也是相同頻率的正弦信號(hào)，只是二者幅值、相角可能不同。直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)頻率特性應(yīng)用頻率特性法測(cè)試控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性不必計(jì)算其分析式，利用Bode圖就能更有效地來(lái)反映被測(cè)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；對(duì)于無(wú)法取得描述動(dòng)態(tài)特性分析式的某些復(fù)雜系統(tǒng)就更為重要頻域法建模：采用實(shí)驗(yàn)手段測(cè)量系統(tǒng)的頻率特性指標(biāo)，然后通過(guò)Bode圖建立其數(shù)學(xué)模型在對(duì)象的輸入端加入一定帶寬范圍內(nèi)各種頻率的正弦波信號(hào)，測(cè)量其輸出信號(hào)頻率特性數(shù)據(jù)，就可以分析系統(tǒng)的頻率

16、特性。直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 本實(shí)驗(yàn)采用TD4020頻率特性測(cè)試儀測(cè)量系統(tǒng)頻率特性指標(biāo) TD4020頻率特性測(cè)試儀組成部分 信號(hào)發(fā)生器 頻率分析器 顯示器頻率特性測(cè)試儀系統(tǒng)頻率特性測(cè)試過(guò)程產(chǎn)生一系列不同頻率的正弦信號(hào)X激勵(lì)被測(cè)對(duì)象；測(cè)量被測(cè)對(duì)象的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)Y，逐點(diǎn)獲得其頻率特性；根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)在Bode圖上畫(huà)出直流調(diào)速系統(tǒng)的幅頻、相頻曲線；用系統(tǒng)辨識(shí)方法寫(xiě)出被測(cè)對(duì)象的傳遞函數(shù)，即可建立直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)內(nèi)容直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性，求出系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Kp，分析Kp與穩(wěn)態(tài)誤差ess之間的關(guān)系。直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性的測(cè)試測(cè)試直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)測(cè)量的

17、時(shí)域性能指標(biāo)tp、ts、p，求出頻率域性能指標(biāo)c、b和系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)(s)。直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試測(cè)試直流調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)加校正時(shí)頻率特性，從繪出的系統(tǒng)Bode圖中求出相角裕度、幅值裕度Kv(rad/s)和開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)G(s)。 直流調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)加PID校正頻率特性的測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)靜態(tài)特性測(cè)試直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性測(cè)試的工作方式如下圖所示測(cè)試方法：測(cè)試方法：讓系統(tǒng)分別處于開(kāi)環(huán)和閉環(huán)（S1開(kāi)關(guān)打開(kāi)或閉合）工作狀態(tài)。負(fù)載在空載時(shí)（負(fù)載電阻的波段開(kāi)關(guān)在1檔位置），調(diào)節(jié)直流調(diào)速系統(tǒng)控制器中的給定電壓Ur使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到理想空載轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/每分鐘（rpm），逐

18、次改變負(fù)載電阻的波段開(kāi)關(guān)。逐點(diǎn)記錄電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（數(shù)值從轉(zhuǎn)速表測(cè)量）與電磁轉(zhuǎn)矩M（數(shù)值從轉(zhuǎn)矩表測(cè)量）數(shù)值的變化。它們之間的函數(shù)關(guān)系為n = f (M) 直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)靜態(tài)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)步驟：1、確認(rèn)直流調(diào)速系統(tǒng)控制器電源處于關(guān)閉狀態(tài)；2、將給定電壓電位器Ur指針數(shù)值調(diào)節(jié)在5.00；3、將負(fù)載電阻的波段開(kāi)關(guān)撥在1檔（空載）；4、將反饋極性開(kāi)關(guān)撥向上方（負(fù)反饋）；5、按下開(kāi)環(huán)鍵或閉環(huán)鍵；6、將前置放大器的指針（指針式電位器的數(shù)值）K調(diào)節(jié)在： a.開(kāi)環(huán)時(shí)，K3；b.閉環(huán)1時(shí)，K3；c.閉環(huán)2時(shí)，K6。7、開(kāi)環(huán)時(shí)將PI和PD的撥鈕開(kāi)關(guān)撥向上方上方（不用PID校正）； 閉環(huán)時(shí)將PI和PD的撥鈕

19、開(kāi)關(guān)撥向下方下方（引入PID校正），并設(shè)置三個(gè)指針式電位器的數(shù)值分別為I =6.50、P=9.50、D=6.50；8、接通直流調(diào)速系統(tǒng)控制器電源開(kāi)關(guān)；9、調(diào)節(jié)給定電壓電位器指針數(shù)值使電機(jī)的初始空載轉(zhuǎn)速達(dá)到1000rpm；10、改變負(fù)載電阻的波段開(kāi)關(guān)（從1檔到5檔）;11、記錄每一次負(fù)載電阻變化時(shí)引起的電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩M的變化，填寫(xiě)到實(shí)驗(yàn)報(bào)告頁(yè)面給定的表格中；12、關(guān)斷直流調(diào)速系統(tǒng)控制器電源開(kāi)關(guān)；15直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)靜態(tài)特性測(cè)試記錄表格如下：直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)靜態(tài)特性測(cè)試13、根據(jù)記錄數(shù)據(jù)繪出直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線；14、根據(jù)記錄數(shù)據(jù)求出系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Kp和系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差

20、ess。討論題：討論題：這個(gè)定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作在開(kāi)環(huán)時(shí)，突然加一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速將發(fā)生什么變化；開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Kp值對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響，系統(tǒng)跟蹤單位階躍信號(hào)時(shí)引起的穩(wěn)態(tài)誤差。11bkpnnK測(cè)試直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性，求出系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Kp，分析Kp與穩(wěn)態(tài)誤差ess之間的關(guān)系。直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性的測(cè)試測(cè)試直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)測(cè)量的時(shí)域性能指標(biāo)tp、ts、p，求出頻率域性能指標(biāo)c、b和系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)(s)。直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試測(cè)試直流調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)加校正時(shí)頻率特性，從繪出的系統(tǒng)Bode圖中求出相角裕度、幅值裕度Kv(rad/s)和開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)G(s)。 直流調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)加PID校

21、正頻率特性的測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試的工作方式如下圖所示測(cè)試方法：讓系統(tǒng)處于閉環(huán)工作狀態(tài)，負(fù)載在空載時(shí)（負(fù)載電阻的波段開(kāi)關(guān)在1檔位置），引入負(fù)反饋環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)給定電壓Ur使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n達(dá)到500-600rpm，在給定電壓Ur上疊加一個(gè)方波信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)分別加入PID、PD這二種串聯(lián)校正形式和改變不同校正參數(shù)時(shí)，從超低頻示波器可以觀測(cè)到1，0和01時(shí)的波形。調(diào)節(jié)PID參數(shù)獲得理想的階躍響應(yīng)曲線，并從曲線中求出Umax、U、tr 、tp、ts以及p的值。直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)步驟：1、確認(rèn)直流調(diào)速系統(tǒng)控制器電源處于

22、關(guān)閉狀態(tài)；2、將給定電壓電位器Ur指針數(shù)值調(diào)節(jié)在5.00；3、將負(fù)載電阻的波段開(kāi)關(guān)撥在1檔（空載）；4、將反饋極性開(kāi)關(guān)撥向上方（負(fù)反饋）；5、按下系統(tǒng)閉環(huán)鍵；6、將校正單元中的PI和PD開(kāi)關(guān)撥向下方下方（引入PID校正），或?qū)⑿Ｕ龁卧械腜I開(kāi)關(guān)撥向上方上方同時(shí)將PD開(kāi)關(guān)撥向下方下方（引入PD校正）；7、接通直流調(diào)速系統(tǒng)控制器電源開(kāi)關(guān)；8、調(diào)節(jié)給定電壓電位器指針數(shù)值使電機(jī)初始空載轉(zhuǎn)速達(dá)到500-600rpm；9、利用TD4020頻率特性分析儀，產(chǎn)生幅值0.6V、頻率200mHz的方波信號(hào)；10、觀測(cè)示波器的圖形，按實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求，調(diào)節(jié)校正參數(shù)，使系統(tǒng)的超調(diào)量達(dá)到22%28%時(shí)，在適當(dāng)?shù)挠^測(cè)點(diǎn)按

23、下示波器的運(yùn)行/停止鍵，鎖定階躍響應(yīng)曲線；（參考數(shù)值K=6.0， I=6.2， P=9.5，D=4.6/3.4）11、用示波器的光標(biāo)方法，測(cè)量時(shí)域參數(shù)Umax、U、tp和ts的值，并求出系統(tǒng)的超調(diào)量p，一并填寫(xiě)到實(shí)驗(yàn)報(bào)告指定頁(yè)面的表格中；12、關(guān)斷直流調(diào)速系統(tǒng)控制器電源開(kāi)關(guān)；30直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試13、根據(jù)時(shí)域性能指標(biāo)的測(cè)量值，求出直流調(diào)速系統(tǒng)的頻率域性能指標(biāo)、n、c、b，并求出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)(s)，一并填寫(xiě)到實(shí)驗(yàn)報(bào)告指定頁(yè)面的表格中。參考：P、I、D、K這四電位器，任何一個(gè)指針的數(shù)值，直流調(diào)速系統(tǒng)的超調(diào)量增加，反之亦然。直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試二階控制系統(tǒng)的時(shí)域性能

24、指標(biāo)與頻域性能指標(biāo)關(guān)系公式如下： 討論題：討論題：直流調(diào)速系統(tǒng)響應(yīng)速度的快慢與哪些因素有關(guān)。直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試?yán)肨D4020頻率特性分析儀產(chǎn)生方波信號(hào)步驟 ： 在發(fā)生器（GENERATOR）單元中按波形選擇（WAVE SELECT）連續(xù)三次，在LED顯示窗口中顯示出 ，表示發(fā)生器的輸出為方波信號(hào)。 在控制面板的右側(cè)，按下頻率（FREQ），在數(shù)字單元中按數(shù)字鍵200，按下mHz，再按下寫(xiě)入（ENTER），表示方波信號(hào)頻率為0.2Hz。 在控制面板的右側(cè)，按下幅度（AMPL），在數(shù)字單元中按數(shù)字鍵0.6，再按下寫(xiě)入（ENTER），表示方波信號(hào)幅值為0.6V。 在發(fā)生器（GENERA

25、TOR）單元中按下啟動(dòng)（START），這樣TD4020頻率特性分析儀就能產(chǎn)生一個(gè)電壓幅值0.6V，波形頻率0.2Hz的方波信號(hào)。直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試用示波器的光標(biāo)方法，測(cè)量時(shí)域參數(shù)Umax、U、tp和ts的值 ： 最大偏離量Umax：Uc軌跡從零點(diǎn)起到最大值區(qū)段在示波器Y軸上投影的坐標(biāo)格數(shù)； 終值U：Uc軌跡從零點(diǎn)起到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值區(qū)段在示波器Y軸上投影的坐標(biāo)格數(shù)； 峰值時(shí)間（tp）：Uc軌跡從零點(diǎn)起到最大值區(qū)段在時(shí)間軸上的投影就是峰值時(shí)間（用示波器測(cè)量可直接顯示出時(shí)間數(shù)值）； 過(guò)渡過(guò)程時(shí)間（ts）：找到Uc軌跡進(jìn)入5%的誤差帶后不再出來(lái)的第一個(gè)相交點(diǎn)，從Uc軌跡零點(diǎn)起到這個(gè)交點(diǎn)區(qū)段在

26、時(shí)間軸上的投影就是過(guò)渡過(guò)程時(shí)間（用示波器測(cè)量可直接顯示出時(shí)間數(shù)值）。 超調(diào)量p：根據(jù)Umax和U可以求出系統(tǒng)的超調(diào)量。%100maxUUUp測(cè)試直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性，求出系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Kp，分析Kp與穩(wěn)態(tài)誤差ess之間的關(guān)系。直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性的測(cè)試測(cè)試直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)測(cè)量的時(shí)域性能指標(biāo)tp、ts、p，求出頻率域性能指標(biāo)c、b和系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)(s)。直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試測(cè)試直流調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)加校正時(shí)頻率特性，從繪出的系統(tǒng)Bode圖中求出相角裕度、幅值裕度Kv(rad/s)和開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)G(s)。 直流調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)加PID校正頻率特性的測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)直流調(diào)

27、速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)頻率特性測(cè)試測(cè)試直流調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)加PID校正時(shí)頻率特性的工作方式的工作方式如下圖所示：測(cè)試方法：測(cè)試方法：在測(cè)試調(diào)速系統(tǒng)頻率特性時(shí)，被測(cè)調(diào)速系統(tǒng)的輸入端，施加不衰減的正弦信號(hào)u(t)=Amsin(t)，調(diào)速系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)輸出過(guò)程，其輸出信號(hào)也為正弦信號(hào)，角頻率與輸入相同，即y(t)=Rmsin(t)。在測(cè)試頻率特性的過(guò)程中，正弦信號(hào)每一次角頻率的變化，TD4020頻率特性分析儀都按 、 的數(shù)學(xué)公式計(jì)算，并在LED窗口顯示出來(lái)。mmARjG/lg20)()( j直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)頻率特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)步驟：1、確認(rèn)直流調(diào)速系統(tǒng)控制器電源處于關(guān)閉狀態(tài)；2、將給定電壓電位器Ur指針

28、數(shù)值調(diào)節(jié)在5.00；3、將負(fù)載電阻的波段開(kāi)關(guān)撥在1檔（空載）；4、將反饋極性開(kāi)關(guān)撥向上方（負(fù)反饋）；5、按下系統(tǒng)開(kāi)環(huán)開(kāi)環(huán)鍵；6、將PI和PD的開(kāi)關(guān)撥向下方下方（引入PID校正）；7、將系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)電位器的指針初步分別調(diào)節(jié)為： K=6.5；I =6.5；P=9.5；D=6.5；=5.08、接通直流調(diào)速系統(tǒng)控制器電源開(kāi)關(guān)；9、調(diào)節(jié)給定電壓電位器Ur指針數(shù)值使電機(jī)初始空載轉(zhuǎn)速速度在500600rpm之間；10、利用TD4020頻率特性分析儀，產(chǎn)生幅值0.315V、下限頻率300mHz、上限頻率8Hz的正弦信號(hào)；11、用頻率特性分析儀測(cè)量頻率特性的幅頻數(shù)值并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)至實(shí)驗(yàn)報(bào)告頁(yè)面給定的表格中；1

29、2、關(guān)斷直流調(diào)速系統(tǒng)控制器電源開(kāi)關(guān)；直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)頻率特性測(cè)試幅值（db） 相角（） 頻率（mHz）頻率（f）角頻率（）幅頻特性（db）相頻特性（）頻率（f）角頻率（）幅頻特性（db）相頻特性（）直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)頻率特性測(cè)試13、根據(jù)記錄的系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性幅頻數(shù)值繪制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)Bode圖：直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)頻率特性測(cè)試討論題：討論題：當(dāng)c增大時(shí)，相角裕度將降低，這樣使階躍響應(yīng)的超調(diào)量增加還是減少，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變好還是變壞。為了使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定并具有足夠的相角裕度，開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻率特性最好以什么的斜率通過(guò)0db線。14、根據(jù)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)Bode圖找出系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折頻率T(T=1/T)、在1=1處（ ）系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Kv、剪切頻率c，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)求出系統(tǒng)的相角裕度、幅值裕度Kg，以及開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)G(s)。xdBKV20