辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计目录1、前言 (1)1.1设计目的 (1)1.2设计内容 (1)2、伺服系统的基本组成原理及电路设计 (2)2.1伺服系统基本原理及系统框图 (2)2.2 伺服系统的模拟PD+数字前馈控制 (4)2.3 伺服系统的程序 (6)3、仿真波形图 (9)结论 (12)心得与体会 (13)参考文献 (14)1、前言1.1设计目的1、使学生进一步掌握电力拖动自动控制系统的理论知识,培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力;2、使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法,提高电子电路的设计和实验能力;3、熟悉并学会选用电子元器件,为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。
1.2设计内容1、分析和设计具有三环结构的伺服系统,用绘图软件(matlab)画原理图还有波形图;2、分析并理解具有三环结构的伺服系统原理。
2、伺服系统的基本组成原理及电路设计2.1伺服系统基本原理及系统框图伺服系统三环的PID控制原理:以转台伺服系统为例,其控制结构如图2-1所示,其中r为框架参考角位置输入信号, 为输出角位置信号.图2-1 转台伺服系统框图伺服系统执行机构为典型的直流电动驱动机构,电机输出轴直接与负载-转动轴相连,为使系统具有较好的速度和加速度性能,引入测速机信号作为系统的速度反馈,直接构成模拟式速度回路.由高精度圆感应同步器与数字变换装置构成数字式角位置伺服回路.转台伺服系统单框的位置环,速度环和电流环框图如图2-2,图2-3和图2-4所示.图2-2 伺服系统位置环框图图2-3 伺服系统速度环框图图2-4 伺服系统电流框图图中符号含义如下:r 为位置指令;θ为转台转角;u K为PWM 功率放大倍数;d K 为速度环放大倍数;v K 为速度环反馈系数;i K为电流反馈系数;L 为电枢电感;R 为电枢电阻;m K 为电机力矩系数;e C为电机反电动势系数;J 为等效到转轴上的转动惯量;b 为粘性阻尼系数,其中J=m J +L J ,b=m b +L b ,m J 和L J分别为电机和负载的转动惯量,m b 和L b分别为电机和负载的粘性阻尼系数;f T 为扰动力矩,包括摩擦力矩和耦合力矩。
假设在速度环中的外加干扰为粘性摩擦模型:()sgn()f c c F t F b θθ•=*+* 2-1控制器采用PID 控制+前馈控制的形式,加入前馈摩擦补偿控制表示为:()sgn()f cl cl u t F b θθ•=*+*式中,cl F 和cl b为粘性摩擦模型等效到位置环的估计系数,该系数可以根据经验确定,或根据计算得出。
被控对象为一个具有三环结构的伺服系统,伺服系统系数和控制参数在程序中给出描述,系统采样时间为1ms 。
取M=2,此时输入指令为正弦叠加信号:()sin(2)0.5sin(0.5)t r t A Ft A Ft =+,其中A=0.5,F=0.5.考虑到i K ,L 和e C 的值很小,前馈补偿系数cl F 和cl b 等效到摩擦力矩端得系数可近似写为:1u d m g Gain K K K K R =⨯⨯⨯⨯ 2-2式中,g K 为经验系数,摩擦模型估计系数cl F 和cl b为:c cl F F Gain = 2-3ccl b b Gain =2-4系统总的控制输出为:()()()p f u t u t u t =+ 2-5式中,()p u t 为PID 控制的输出,其三项系数为pp k =15,ii k =0.1,dd k =1.5.程序如chap01控制系统的simulink 程序:chap01,如图2-5和图2-6所示。
图2-5 三环控制的simulink仿真程序图2-6 电机模型的simulink仿真程序(1)带摩擦无前馈补偿时的仿真。
正弦叠加信号跟踪如图3-1和图3-2所示,由于静摩擦的作用,在低速跟踪存在“平顶”现象,速度跟踪存在“死区”现象。
(2)带摩擦有前馈补偿时的仿真。
正弦叠加信号跟踪如图3-3和图3-4所示,采用PID控制加前馈控制可很大程度地克服摩擦的影响,基本消除了位置跟踪的“平顶”和速度跟踪的:死区,实现了较高的位置跟踪和速度跟踪精度。
2.2 伺服系统的模拟PD+数字前馈控制伺服系统的模拟PD+数字前馈控制原理针对三环伺服系统,设电流环为开环,忽略电机反电动系数,将电阻R等效到速度环放大系数Kd上。
简化后的三环伺服系统结构框图如图2-7所示,其中u为控制输入。
图2-7 简化后的三环伺服系统结构框图采用PD 加前馈控制方式,设计的控制规律如下:121212[()]d p v rrrru k k r k f fk e k e ffθθ•••••••=--++=-++ 2-6式中,1d pk k k =,2d v k k k =,e r θ=-。
21Js bs u θ=+ 2-7即J b u θθ•••+=将控制律带入上式,得:2112()0rrffJ k b k e θθ••••••+--++= 2-8取:12f k b =+,2f J = 得到系统的误差状态方程如下:21()0J k b e k e θ•••+++= 2-9由于J>0,20k b +>, 10k >则根据代数稳定性判据,针对二阶系统而言,当系统闭环特征方程式的系数都大于零时,系统稳定,系统的跟踪误差e(t)收敛于零。
被控对象为一个具有三环结构的伺服系统。
伺服系统参数和控制参数在程序中给出描述,系统输入信号的采样时间为1ms ,输入指令为正弦叠加信号:()sin(2)r t A Ft =,其中A=1.0,F=1.0.u (t )为控制器的输出,伺服系统参数为:22.0J kg m =•,b=0.50, 2.0v k =, 15p k =, 6d k =.则12f k b =+,2f J =。
程序如chap02如图2-8.曲线图3-5,曲线图3-6,曲线图3-7.图2-82.3 伺服系统的程序根据是否加入摩擦干扰和前馈不偿分别进行仿真。
初始化程序:chap01%Three Loop of Flight Simulator Servo System with Direct Current Motor clear all;close all;%(1)Current loopL=0.001; %L<<1 Inductance of motor armatureR=1; %Resistence of motor armatureki=0.001; %Current feedback coefficient%(2)Velocity loopkd=6; %Velocity loop amplifier coefficientkv=2; %Velocity loop feedback coefficientJ=2; %Equivalent moment of inertia of frame and motorb=1; %Viscosity damp coefficient of frame and motorkm=1.0; %Motor moment coefficientCe=0.001; %V oltage feedback coefficient%Friction model: Coulomb&Viscous FrictionFc=100.0;bc=30.0; %Practical friction%(3)Position loop: PID controllerku=11; %V oltage amplifier coefficient of PWMkpp=150;kii=0.1;kdd=1.5;%Friction Model compensation%Equavalent gain from feedforward to practical frictionGain=ku*kd*1/R*km*1.0;Fc1=Fc/Gain; bc1=bc/Gain; %Feedforward compensation%Input signal initializeF=0.50;A=0.50;ts=0.001; %Sampling timeM=2;if M==1 %Sine Signalk=5000;time=[0:ts:k*ts]'; %Simulation timerin=A*sin(2*pi*F*time);drin=2*pi*F*A*cos(2*pi*F*time);elseif M==2 %Random SignalT=4999;time=zeros(T,1);rin=zeros(T,1);drin=zeros(T,1);rin(1)=0;drin(1)=0;for k=1:1:Ttime(k+1)=k*ts;%Random signalrin(k+1)=A*sin(2*pi*F*k*ts)+0.5*A*sin(2*pi*0.5*F*k*ts)+...0.25*A*sin(2*pi*0.25*F*k*ts);drin(k+1)=(rin(k+1)-rin(k))/ts;endEnd初始化程序:chap02%Flight Simulator Servo Systemclear all;close all;J=2;b=0.5;kv=2;kp=15;kd=6;f1=(b+kd*kv);f2=J;F=1;A=1;t=[0:0.001:10]'; %Simulation time r=A*sin(2*pi*F*t);dr=2*pi*F*A*cos(2*pi*F*t);ddr=-4*pi*pi*F*F*A*sin(2*pi*F*t);3、仿真波形图图3-1 正弦叠加信号跟踪图3-2正弦叠加信号跟踪图3-3 正弦叠加信号跟踪图3-4 正弦叠加信号跟踪图3-5 位置波形图3-6 给定与相应波形结论此伺服系统在三环结构作用之下,由MATLAB的仿真结果可以看出,在正弦给定信号的作用下,系统在调节时间小于等于1S的范围内,能够做到无静差跟踪。
这样实现了伺服系统快速的跟踪给定的设计要求。
心得与体会两周的课程设计结束了,在这次的课程设计中不仅检验了我所学的知识,也培养了我如何把握一件事情,如何去做一件事情,又如何较好地完成一件事情。
在设计过程中,与同学分工设计,与同学相互探讨,相互学习,相互监督。
学会了合作,学会了运筹帷幄,学会了宽容,学会了理解,学会了做人与处世。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练,是我们迈向社会,从事职业工作前一个必不可少的一个过程。
“千里之行始于足下”,通过这次设计,我深深体会这句千古名言的真正含义。