东南大学自动化学院实验报告课程名称：自动控制原理实验名称：自控总实验院（系）：自动化专业：自动化姓名：沈翔宇学号：08009101实验室：417实验组别：同组人员：实验时间：2012年05月31日评定成绩：审阅教师：目录一．设计内容………………………………………………………页码二．熟悉环境………………………………………………………页码三．建立传递函数…………………………………………………页码四．仿真设计………………………………………………………页码五．完整接线及调试………………………………………………页码六．实验总结…………………………………………………页码一．设计内容1、任务要求（1）给小型直流电机系统或球式磁悬浮系统,设计完整的闭环控制系统,采用极点配置的现代理论控制方式,可以借助Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件设计控制器算法，使系统满足给定的性能指标。
（2）系统要准确建模。
（3）要实物框图，要有Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真框图和设计计算。
（4）实物当面验收和实验报告。
（5）时间约１０个学时，即一周内完成。
2、性能指标（1）无静态误差（2）电机响应时间<０．３秒（3）磁悬浮响应时间<０．８秒（4）超调量<２０％二．熟悉环境1、电机组（1）电机的工作原理电磁力定律和电磁感应定律。
直流电动机利用电磁力定律产生力合转矩。
直流发电机利用电磁感应定律产生电势。
电动机包含三部分：固定的磁极、电枢、换向片和电刷。
只要维持电动机连续旋转，保证电磁转矩的方向不变，才能维持电动机不停地转动。
实现上述现象的方法是导体转换磁极时，导体的电流方向必须相应的改变。
而换向片和电刷就是实现转换电流方向的机械装置。
改变电刷A、B 上电源的极性，也就改变了电机转动的方向。
这就是正转反转的原理（2）转矩平衡方程0()()()()()()()()()()()t a a e c a a a a a a dwT T T J em L dt T t K I t emE t K w t dw t T t J T t em dtdI t U t L R I t E t dt=++===+=++T em 是电枢转子受到的电磁转矩，0T 是电机本身的阻转矩，T L 是电动机的负载转矩，dwJdt是负载折算到转子本身的转动惯量乘以转子的转速。
电机存在死区可以这样理解，死区主要由摩擦产生，开始时Tem要克服0T 带来的转矩，所以电机在死区范围内，能量都消耗在阻力上。
直流电动机采用电枢控制时，机械特性和调节特性都是直线，特性曲线族是平行直线，这表明直流电机是线性元件。
电枢控制的缺点是需要较大的控制功率，要用较大容量的功率放大器。
（箱子里面就有一个）。
2、PWM冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。
3、光码盘光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。
4、采集卡数据采集卡采用研华产的PCI-1711，它可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机内，其采样频率为100K；有16路单端A/D模拟量输入，转换精度均为12位；2路D/A模拟量输出，转换精度均为12位；16路数字量输入，16路数字量输出。
接口板安装在计算机内PCI插槽上，通过实验平台转接口与PC上位机的连接与通讯。
数据采集卡接口部分包含模拟量输入输出(AI/AO)与开关量输入输出(DI/DO)两部分。
其中列出AI有4路，AO有2路，DI/DO各8路。
利用计算机做虚拟示波器观察一个模拟信号，可以用导线直接连接到接口中AD端；若使用采集卡中的信号源，用DA输出（即实验中我们通常将信号输入到AD1端，软件内部信号DA1输出）。
5、MATLAB/SIMULINKSimulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink 是MATLAB 中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型，Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。
对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink 提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
三．建立传递函数1.电机速度传递函数1、求电机传递函数的方法分析利用系统的频率特性可用来分析和设计控制系统，用Bode 图设计控制系统就是其中一种。
幅频特性就是输出幅度随频率的变化与输入幅度之比，即)()(ωωi o U U A =，测幅频特性时，改变正弦信号源的频率测出输入信号的幅值或峰峰值和输输出信号的幅值或峰峰值。
双踪信号比较法：将正弦信号接系统输入端，同时用双踪示波器的Y1和Y2测量系统的输入端和输出端两个正弦波，示波器触发正确的话，可看到两个不同相位的正弦波，测出波形的周期T 和相位差Δt，则相位差0360×∆=ΦT t。
这种方法直观，容易理解。
就模拟示波器而言，这种方法用于高频信号测量比较合适。
电机的输出即U 22,输入即L 11，L 12两端的电压。
2、通过实验进一步理解电机A、实验内容及步骤（1）不接电机，改变Ui，从0~5V，测U m ；（2）接电机，8根线，改变U i ，测U 22，A，B；（3）改变U i ，确定死区电压和线性电压区域；（4）理论闭环对低稳传递函数的好处（逆转）；B、实验记录w 20Log(uo/ui)017.390.317.280.4817.240.617.160.717.030.7816.790.8516.70.916.490.9516.27116.051.0415.861.0815.631.1115.191.1514.931.1814.511.214.231.2313.831.2613.471.2813.291.312.971.4810.161.68.491.7 6.821.78 5.992 2.02通过画出波特图，可以求出电机的传递函数，注意这里求传递函数的目的在于得到电机传递函数的主导极点。
C、实验数据处理（波特图的绘制）在峰值的0.707倍时取，T=1/f=0.0709D、实验总结（1）不接电机，将U i 从0~5V 开始调节，发现U m 的值是随U i 成正向关系，变化范围从-12V 到12V；这里说明了输入电压经过PWM 调制和运放后，电压有所增长，而事实上控制电机的方法正是通过改变PWM 波的占空比来实现的。
我们将U m 接入示波器观察波形，发现当U i 为2.035V 时，占空比为50%。
（2）接入电机8根线，改变U i ，同样从0~5V 变化观察电机的转动和以上三个量。
发现从0~1.74V 变化时，电机反转；从1.74V~2.33V 变化时，电机停转；当从2.33V~5V 变化时，电机正转。
U 22体现的是电机转动的速度，速度越大，U 22也就越大。
而A、B 则是编码盘的脉冲输出，它同样可以反映电机的转速。
只不过U 22是一个连续量（正弦波），而A、B 则是脉冲（通过脉冲的频率反映转速）。
（3）通过改变U i ，测出死区电压为1.74V~2.33V，而线性区域为0V~1.74V 和2.33~5V；（4）接入反馈，消除了死区；电路图如下：（加入积分环节，可以看到电机的状态在振荡，调节积分参数，振荡消除）。
传统的PID 调节：只用了PI 控制。
只要有一个很小的偏差，通过P 环节放大，即可产生较大的控制信号。
I 环节减少稳态误差。
E、实验思考（1）电机的3db 的频段主要集中在f=1/0.3Hz，因此滤波器的设计应该考虑到F>10f。
只有这样，滤波器才不会吃掉应该有的频率。
设计滤波器我们采用以下电路，其中电阻采用10K，电容采用0.1μF。
τ=RC=0.001s<0.03s。
鉴于设备很难设计无源滤波器，采用以下有源电路。
（2）实验时，如何确定正弦信号的幅值？幅度太大会出现什么问题，幅度过小又会出现什么问题？显然，必须要让正弦信号工作在线性区中。
由上一次实验可知，线性区域为0V~1.74V 和2.33V~5V。
我们选用2.33V~5V，方法是在原有正弦信号上叠加一个支流分量。
步骤是首先调整好正弦波的幅值，这里建议在正弦波的输出接一个滑动变阻器，这样调节会比较灵敏。
正弦波的频率和幅值都可以用旋钮调节，调整后然后再叠加到相应线性区。
若幅度太大，会看到一部分波形被吃掉。
注意锁零按钮千万不要按下。
附：锁零按钮，用于实验前运放单元中电容器的放电。