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电机速度开环控制和闭环控制华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书 实验三十三 电机速度开环控制和闭环控制 一、 实验原理 1直流电机速度的控制 直流电机的速度控制可以采用电枢回路电压控制、励磁回路电流控制和电枢回路串 电阻控制三种基本方法。三种控制方式中，电枢电压控制方法应用最广，它用于额定转 速以下的调速，而且效率较高。 本实验采用电枢控制方式，如图 33-1 所示。本实验装置为一套小功率直 流电机机组装置。连接于被控制电机的 输出轴的是一台发电机，发电机输出端 接电阻负载，调节电阻负载即可调节被 E 控制电机的输出负载。发电机输出电压 图 33-1 直流电机速度的电枢控制方式 兼作被控电机速度反馈电压。 2 开环控制和闭环控制 由自动控制理论分析可知，负载的存在相当于在控制系统中加入了扰动。扰动会导 致输出偏离希望值。闭环控制能有效地抑制扰动，稳定控制系统的输出。 闭环控制原理方框图如图 33-2。当积分环节串联在扰动作用的反馈通道时，即成为针对阶跃扰动时的 I 型系统，能消除阶跃信号扰动。 图 33-2 直流电机速度的闭环控制原理方框图 采用积分环节虽然能一定程度上消除系统的稳态误差，但是却对系统的动态性能 和稳定性产生不利影响。因此需要配合进行控制器的设计和校正 。 集学科优势 - 11 - 求改革创新华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书 此外，在扰动可以测量的情况下，采用顺馈控制也能有效地对扰动引起的跟踪误差 进行补偿，减轻反馈系统的负担，见图 33-3。 式中： G1 Gc R D G2 E G1 C 图 33-3 反馈顺馈控制方式消除扰动引起的误差 = G1 (s) 为控制器传递函数，也是扰动输入时的反馈通道传递函数； G2 = G2 (s) 为被控对象的传递函数； Gc = Gc (s) 为顺馈控制通道传递函数； R 为指令输入，即希望的电机速度； C 为输出被控量，即被控电机的输出速度； E 为系统的稳态误差； D 为系统的扰动输入，即电机的负载。 由扰动到输出的传递函数可知，扰动引起的稳态误差为 E 当选择顺馈回路传递函数为 R =0 = 󰀀 (GcG1 + 1)G2 D 1 + G1G2 时，有 E = 0 ，即扰动对输出没有影响。 R =0 Gc = 󰀀 1 G1 实际设计的控制系统中，精确实现式是困难的。但可以通过粗略的实现， 抵消大部分的扰动，不能完全抵消的余下部分由反馈来抑制。这样可以有效地补偿扰动 对输出的主要影响，又大大减轻反馈通道的负担，对稳定性影响较小。顺馈反馈控制 实现的条件是扰动是可以测量的。 3控制器设计 控制器设计基础为基本的功率放大器电路设计和为满足系统性能要求的校正网络设 计。本实验中，功率放大器电路为基本的功率晶体管放大电路，与电机的电枢电路串联； 晶体管的基极控制电路则由模拟电路或模数混合电路组成。功率放大电路的输出供给电 机电枢电压，功放电路的电源通常与电机电枢电压要求相匹配，属大功率供电电源；而基极控制电路则是由单独的电源供电的，其电压等级远低于电枢电压，称 为控制电源。两个电源可以共一个地，也可以不共地。其基本控制原理框图见 集学科优势 - 12 - 求改革创新华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 图 33-4。 信号与控制综合实验指导书 功率晶体管 功率 供电 电动机 发电机 控制电路 电源 控制电路 电源 速度反馈 图 33-4 电机速度控制系统实验电路原理框图 二、 实验目的 1. 掌握电机控制系统的设计方法，以及电路设计和调试方法。 2. 进一步通过具有实际被控对象的控制系统设计，掌握控制系统稳态分析和动态分析 的方法。 3. 初步了解控制系统中各种变量的检测方法和可以采用的检测元件，构成反馈回路。 并尝试采用其它检测转速等变量构成反馈的方法。 三、实验内容 1设计电机转速的开环控制和闭环控制实验电路方案； 2自行设计和搭建相应的开环速度控制系统和闭环速度控制系统；控制器设计方案 自选，并根据控制理论进行分析 和校正，可采用 Matlab 软件进行仿真分析和验证。对开环和闭环两种方案进行对比。要 求稳态误差小、响应时间短、超调量小。系统构建方案应尽可能简单、可靠。 四、实验设备 1 电机机组装置和功率供电电源、控制电源 2系统设计所需的功率晶体管、运放芯片、阻容等元器件 3示波器 4计算机以及相应的分析软件 五、实验步骤 1. 自行测取被控对象的有关数据； 测试并推导被控对象的传递函数。 2. 完成系统方案设计； 集学科优势 - 13 - 求改革创新华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 3. 根据实验内容要求，自行拟定设计及后续实验步骤。 信号与控制综合实验指导书 六、实验报告 1画出所设计搭建的控制系统实验电路图。 2确定所设计系统中的各种参数。 3对设计的实验系统进行稳定性、动态及稳态性能分析，特别是在突加 50和突减 50负载扰动情况下，进行动态性能分析，和稳态性能分析，对测量结果进行分析和讨论。 4对所设计系统存在的问题，提出改进意见或思路。 七、实验思考题： 1突加负载和突减负载都相当于于阶跃扰动。为什么？ 2采用交流发电机作为测速发电机，这样的检测元件对于线性控制系统的反馈控制 存在什么问题？ 3如果积分环节放置在扰动作用点后，对控制系统在指令输入作用下的稳态误差和 负载扰动作用下的稳态误差的抑制作用是否相同？ 集学科优势 - 14 - 求改革创新