1、直流調速系統自動控制原理實驗系列主編：邱華洲主講：李丹丹哈工大航天學院飛行器控制實驗教學中心直流調速系統實驗概述自動控制技術控制理論自動化設備控制系統實驗控制系統實驗自動控制系統運動控制系統運動控制系統過程控制系統運動控制系統（電力拖動自動控制系統）調速系統調速系統位置隨動系統調速系統直流直流調速系統調速系統交流調速系統直流調速系統實驗調速系統發展歷史1821年英國科學家法拉第首先證明可以把電力轉變為旋轉運動。 1834 德國雅可比發明直流發動機在兩個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型磁鐵之間產生相互吸引和排斥作用 ，帶動輪軸轉動。1870年比利時工程師格拉

2、姆證明向直流發動機輸入電流，其轉子會象電動機一樣旋轉。這就是格拉姆型直流電動機。直流調速系統實驗調速系統發展歷史上個世紀30年代，出現發電機-電動機調速系統。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的場合，仍然廣泛采用直流調速系統。 直流調速系統在工業應用上仍將占重要地位. 隨著磁放大器、電機放大器等控制元件問世和被采用，直流調速系統能在較寬范圍內實現平滑調速，具有較優良的調速性能指標，從而使直流電動機被廣泛的應用在各個生產領域。調速系統發展歷史冷軋機中的應用冷軋機是一種鋼筋冷軋加工設備，目前主流用的是直流電機與直流調速器來控制。軋機的速度穩定性要求較

3、高，由主機來帶動左右卷取機的運行，主機運行在精確的速度控制方式下，直流調速系統可以很好的滿足穩定性和精度的要求。直流調速系統實驗調速系統發展歷史直流調速系統實驗龍門刨床中的應用龍門刨床是一種廣泛使用的大型工件刨削加工機床，是工業的母機。龍門刨床的工作臺帶著工件通過門式框架作直線往復運動，空行程速度大于工作行程速度。機床工作臺的驅動為直流調速方式,調速范圍較大,在低速時也能獲得較大的驅動力。不僅要求頻繁地換向, 而且要求動態及靜態性能優良。 調速系統發展歷史直流調速系統實驗高層電梯中的應用直流電動機具有調速性能好、調速范圍大的特點，因此很早就應用于電梯上，采用發電機一電動機組形式驅動。它控制的電

4、梯速度達4ms，機組結構體積大、耗電大、維護工作量較大、造價高，因此常用于對速度，舒適感要求較高的建筑物中。實驗目的實驗原理實驗設備實驗內容直流調速系統實驗直流調速系統實驗實驗目的1、了解直流調速系統的組成與各個環節的傳遞 函數；2、掌握直流調速系統靜態特性測試方法，求出系統開環放大倍數Kp，分析Kp與穩態誤差ess之間的關系； 4、掌握直流調速系統，開環加校正時頻率特性的測試方法。從繪出的系統Bode圖中求出相角裕度、幅值裕度Kv(rad/s)和開環傳遞函數G(s)。3、掌握直流調速系統動態特性測試方法，根據測量的時域性能指標tp、ts、p，求出頻率域性能指標c、b和系統的閉環傳遞函數(s)

5、。 實驗目的實驗原理實驗設備實驗內容直流調速系統實驗實驗設備直流調速系統實驗 直流電動機組直流調速系統操作臺DS5152CA數字示波器 TD4020頻率特性測試儀 Mn直流調速系統實驗實驗設備放大倍數比例積分開關反饋極性開關分壓器調節給定電壓積分時間比例系數微分時間 比例微分開關直流調速系統操作臺直流調速系統實驗實驗設備測量電磁轉矩 測量電動機轉速 負載電阻波段開關保護開關Mn調節給定電壓開環/閉環切換按鈕直流調速系統實驗實驗設備 直流調速系統實驗設備連接方法實驗目的實驗原理實驗設備實驗內容直流調速系統實驗系統靜態特性系統動態特性系統方塊圖直流調速系統實驗實驗原理系統調速原理系統頻率特性PID

6、調節器的作用直流調速系統實驗 直流電動機的轉速特性DaaeUI RnK調節直流電動機的轉速的方法改變電樞回路電阻調速法；減弱磁通調速法；調節電樞電壓調速法。本實驗裝置采用改變電樞回路電壓進行調速恒轉矩調速方法無級平滑調速時間常數較小，能快速響應需要大容量可調直流電源系統調速原理系統靜態特性系統動態特性系統方塊圖直流調速系統實驗實驗原理系統調速原理系統頻率特性PID調節器的作用直流調速系統實驗系統方塊圖閉環系統能夠有效地抑制包圍在反饋環內的擾動作用。UD為了實現生產機械對調速系統靜態特性的要求，只能減少負載所引起的靜態速降nnom。從控制手段上引入轉速負反饋減少轉速降落、降低靜差率、擴大調速范圍

7、。系統靜態特性系統動態特性系統方塊圖直流調速系統實驗實驗原理系統調速原理系統頻率特性PID調節器的作用直流調速系統實驗比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。PID調節器的作用比例參數KP的作用是加快系統的響應速度并提高系統的調節精度。隨著KP的增大系統的響應速度越快，系統的調節精度越高，但是系統易產生超調，系統的穩定性變差，甚至會導致系統不穩定。KP取值過小，調節精度降低，響應速度變慢，調節時間加長，使系統的動靜態性能變壞。 僅僅有比例控制環節的反饋控制系統是被調量有靜差的控制系統，反饋控制只能減小穩態誤差，而不能消除它。在比例控制的閉環直流調速系統中，系統的

8、穩態誤差小與系統的動態穩定性是矛盾的。直流調速系統實驗在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。比例+積分控制器，可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。 PID調節器的作用積分參數Ti的作用是消除系統的穩態誤差。Ti越大系統的穩態誤差消除的越快，但Ti也不能過大，否則在響應過程的初期會產生積分飽和現象。Ti過小系統的穩態誤差將難以消除，影響系統的調節精度。從相位的角度來看一個積分環節就有90的相位延遲，也許會破壞系統的穩定性。直流調速系統實驗在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號

9、的微分（即誤差的變化率）成正比關系。由于存在較大慣性環節或有滯后組件，校正環節的調節作用總是落后于誤差的變化，在調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。微分控制能預測誤差變化的趨勢，使得校正環節能夠在誤差接近零時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重超調。對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。 PID調節器的作用微分參數Td的作用是改善系統的動態性能。Td不能過大，否則會使響應過程提前制動，延長調節時間，并且會降低系統的抗干擾性能。直流調速系統實驗PID調節器的作用PID參數的整定是從系統的穩定性、響應速度，超調量和穩態精度等各方面考

10、慮問題，合理的選擇PID三參數?？刂葡到y的參數整定方法有：經驗法、衰減曲線法、臨界比例法、反應曲線法；實際應用中，大多是通過經驗法來確定PID的參數。PID調整的主要工作就是實現閉環控制系統的首要任務：快（快速） 、準（準確） 、穩（穩定）的響應命令。P：比例控制環節強調響應快速性，快速作用于輸出。著眼于“現在”；I：積分控制環節強調準確性，消除過去的累積誤差。著眼于“過去”；D：微分控制環節強調穩定性，具有超前控制作用。著眼于“未來”。系統靜態特性系統動態特性系統方塊圖直流調速系統實驗實驗原理系統調速原理系統頻率特性PID調節器的作用直流調速系統實驗 調速范圍 調速系統的最高轉速nmax與最

11、低轉速nmin之比 D = nmax / nmin系統靜態特性系統的靜態特性指標調速范圍調速范圍靜差率直流調速系統實驗系統靜態特性系統的靜態特性指標調速范圍靜差率靜差率 靜差率 系統在某一轉速下運行時，負載由理想空載變到額定負載所對應的轉速降落nnom與理想空載轉速速n0之比。 S = (nnom / n0 ) * 100%直流調速系統實驗系統靜態特性直流調速系統的靜態特性直流電動機轉速與電動機電磁轉矩的靜態關系；系統開環和閉環時靜態特性不同，閉環更好些；系統閉環時，開環放大倍數不同，靜態特性也不同；系統靜態特性將影響系統的穩態誤差。本實驗通過改變負載電阻值的值來改變直流電動機電磁轉矩。直流電

12、動機、直流發電機、直流測速機這三個元件同軸連接而組成機組直流發電機電樞電流與負載電阻值成反比直流發電機的負載轉矩與負載電流成正比 (Mfz = CmIfz)系統靜態特性系統動態特性系統方塊圖直流調速系統實驗實驗原理系統調速原理系統頻率特性PID調節器的作用直流調速系統實驗系統動態特性 控制系統的穩定性分析根據系統的數學模型研究其動態性能和穩態性能是否滿足性能指標。經典控制理論中常用的系統分析方法時域法取時間t作為自變量，研究輸出量的時間表達式具有直觀、準確的優點可提供時間響應的信息頻域法本實驗利用時域法進行系統分析，并研究減少誤差、提高系統穩態性能的方法。直流調速系統實驗系統動態特性 系統的時

13、域性能指標在給定信號r(t)的作用下，系統輸出量u(t)的變化情況用時域性能指標來描述。時域性能指標是在初始條件為零的情況下，以系統對單位階躍輸入信號的輸出響應(稱為單位階躍響應)為依據提出的。 上升時間tr 峰值時間tp 過渡過程時間ts 超調量p%100maxUUUp直流調速系統實驗系統動態特性系統的超調量和阻尼系數存在如下式所示關系，故可通過調節超調量來調節阻尼系數。21e為了限制超調量，并使較小，一般會控制系統的超調量在22%28%之間。直流調速系統實驗系統動態特性直流調速系統過渡過程的動態性能指標跟隨性能指標抗擾動性能指標直流調速系統加入PID控制器以獲得滿意的動態性能指標PID不僅

14、適用于數學模型已知的控制系統，而且對大多數數學模型難以確定的工業過程也可應用。PID控制參數整定方便，結構靈活。隨著計算機技術的迅速發展，數字PID控制也已得到廣泛和成功的應用。在單位階躍信號作用下，對直流調速系統穩定性的分析。通過加入兩種校正形式（即PID、PD），并且改變不同的校正參數，分析其對直流調速系統穩定性的影響。系統靜態特性系統動態特性系統方塊圖直流調速系統實驗實驗原理系統調速原理系統頻率特性PID調節器的作用直流調速系統實驗系統頻率特性頻率特性法：研究待測系統輸入正弦信號與輸出正弦信號的幅值和相位變化的關系正弦信號有無窮階導數，所以正弦信號中包含了位置、速度、加速度等各種作用；控

15、制系統中的各個信號，可以分解成許多不同頻率的正弦信號；根據控制系統對不同頻率正弦信號的響應，就可以全面地反映出系統的各種性質。對于線性定常系統，當輸入是正弦信號時，其輸出也是相同頻率的正弦信號，只是二者幅值、相角可能不同。直流調速系統實驗系統頻率特性應用頻率特性法測試控制系統的開環頻率特性不必計算其分析式，利用Bode圖就能更有效地來反映被測控制系統的動態特性；對于無法取得描述動態特性分析式的某些復雜系統就更為重要頻域法建模：采用實驗手段測量系統的頻率特性指標，然后通過Bode圖建立其數學模型在對象的輸入端加入一定帶寬范圍內各種頻率的正弦波信號，測量其輸出信號頻率特性數據，就可以分析系統的頻率

16、特性。直流調速系統實驗 本實驗采用TD4020頻率特性測試儀測量系統頻率特性指標 TD4020頻率特性測試儀組成部分 信號發生器 頻率分析器 顯示器頻率特性測試儀系統頻率特性測試過程產生一系列不同頻率的正弦信號X激勵被測對象；測量被測對象的穩態響應Y，逐點獲得其頻率特性；根據測量數據在Bode圖上畫出直流調速系統的幅頻、相頻曲線；用系統辨識方法寫出被測對象的傳遞函數，即可建立直流調速系統的數學模型。實驗目的實驗原理實驗設備實驗內容直流調速系統實驗測試直流調速系統靜態特性，求出系統開環放大倍數Kp，分析Kp與穩態誤差ess之間的關系。直流調速系統靜態特性的測試測試直流調速系統動態特性，根據測量的

17、時域性能指標tp、ts、p，求出頻率域性能指標c、b和系統的閉環傳遞函數(s)。直流調速系統動態特性的測試測試直流調速系統開環加校正時頻率特性，從繪出的系統Bode圖中求出相角裕度、幅值裕度Kv(rad/s)和開環傳遞函數G(s)。 直流調速系統開環加PID校正頻率特性的測試系統實驗內容直流調速系統實驗直流調速系統實驗系統靜態特性測試直流調速系統靜態特性測試的工作方式如下圖所示測試方法：測試方法：讓系統分別處于開環和閉環（S1開關打開或閉合）工作狀態。負載在空載時（負載電阻的波段開關在1檔位置），調節直流調速系統控制器中的給定電壓Ur使電動機轉速達到理想空載轉速1000轉/每分鐘（rpm），逐

18、次改變負載電阻的波段開關。逐點記錄電動機轉速（數值從轉速表測量）與電磁轉矩M（數值從轉矩表測量）數值的變化。它們之間的函數關系為n = f (M) 直流調速系統實驗系統靜態特性測試實驗步驟：實驗步驟：1、確認直流調速系統控制器電源處于關閉狀態；2、將給定電壓電位器Ur指針數值調節在5.00；3、將負載電阻的波段開關撥在1檔（空載）；4、將反饋極性開關撥向上方（負反饋）；5、按下開環鍵或閉環鍵；6、將前置放大器的指針（指針式電位器的數值）K調節在： a.開環時，K3；b.閉環1時，K3；c.閉環2時，K6。7、開環時將PI和PD的撥鈕開關撥向上方上方（不用PID校正）； 閉環時將PI和PD的撥鈕

19、開關撥向下方下方（引入PID校正），并設置三個指針式電位器的數值分別為I =6.50、P=9.50、D=6.50；8、接通直流調速系統控制器電源開關；9、調節給定電壓電位器指針數值使電機的初始空載轉速達到1000rpm；10、改變負載電阻的波段開關（從1檔到5檔）;11、記錄每一次負載電阻變化時引起的電動機電動機轉速n與電磁轉矩M的變化，填寫到實驗報告頁面給定的表格中；12、關斷直流調速系統控制器電源開關；15直流調速系統實驗系統靜態特性測試記錄表格如下：直流調速系統實驗系統靜態特性測試13、根據記錄數據繪出直流調速系統靜態特性曲線；14、根據記錄數據求出系統的開環放大倍數Kp和系統的穩態誤差

20、ess。討論題：討論題：這個定值調節系統工作在開環時，突然加一個閉環負反饋，系統轉速將發生什么變化；開環放大倍數Kp值對系統穩定的影響，系統跟蹤單位階躍信號時引起的穩態誤差。11bkpnnK測試直流調速系統靜態特性，求出系統開環放大倍數Kp，分析Kp與穩態誤差ess之間的關系。直流調速系統靜態特性的測試測試直流調速系統動態特性，根據測量的時域性能指標tp、ts、p，求出頻率域性能指標c、b和系統的閉環傳遞函數(s)。直流調速系統動態特性的測試測試直流調速系統開環加校正時頻率特性，從繪出的系統Bode圖中求出相角裕度、幅值裕度Kv(rad/s)和開環傳遞函數G(s)。 直流調速系統開環加PID校

21、正頻率特性的測試系統實驗內容直流調速系統實驗直流調速系統實驗系統動態特性測試直流調速系統動態特性測試的工作方式如下圖所示測試方法：讓系統處于閉環工作狀態，負載在空載時（負載電阻的波段開關在1檔位置），引入負反饋環節，調節給定電壓Ur使電動機轉速n達到500-600rpm，在給定電壓Ur上疊加一個方波信號，當系統分別加入PID、PD這二種串聯校正形式和改變不同校正參數時，從超低頻示波器可以觀測到1，0和01時的波形。調節PID參數獲得理想的階躍響應曲線，并從曲線中求出Umax、U、tr 、tp、ts以及p的值。直流調速系統實驗系統動態特性測試實驗步驟：實驗步驟：1、確認直流調速系統控制器電源處于

22、關閉狀態；2、將給定電壓電位器Ur指針數值調節在5.00；3、將負載電阻的波段開關撥在1檔（空載）；4、將反饋極性開關撥向上方（負反饋）；5、按下系統閉環鍵；6、將校正單元中的PI和PD開關撥向下方下方（引入PID校正），或將校正單元中的PI開關撥向上方上方同時將PD開關撥向下方下方（引入PD校正）；7、接通直流調速系統控制器電源開關；8、調節給定電壓電位器指針數值使電機初始空載轉速達到500-600rpm；9、利用TD4020頻率特性分析儀，產生幅值0.6V、頻率200mHz的方波信號；10、觀測示波器的圖形，按實驗報告的要求，調節校正參數，使系統的超調量達到22%28%時，在適當的觀測點按

23、下示波器的運行/停止鍵，鎖定階躍響應曲線；（參考數值K=6.0， I=6.2， P=9.5，D=4.6/3.4）11、用示波器的光標方法，測量時域參數Umax、U、tp和ts的值，并求出系統的超調量p，一并填寫到實驗報告指定頁面的表格中；12、關斷直流調速系統控制器電源開關；30直流調速系統實驗系統動態特性測試13、根據時域性能指標的測量值，求出直流調速系統的頻率域性能指標、n、c、b，并求出系統的閉環傳遞函數(s)，一并填寫到實驗報告指定頁面的表格中。參考：P、I、D、K這四電位器，任何一個指針的數值，直流調速系統的超調量增加，反之亦然。直流調速系統實驗系統動態特性測試二階控制系統的時域性能

24、指標與頻域性能指標關系公式如下： 討論題：討論題：直流調速系統響應速度的快慢與哪些因素有關。直流調速系統實驗系統動態特性測試利用TD4020頻率特性分析儀產生方波信號步驟 ： 在發生器（GENERATOR）單元中按波形選擇（WAVE SELECT）連續三次，在LED顯示窗口中顯示出 ，表示發生器的輸出為方波信號。 在控制面板的右側，按下頻率（FREQ），在數字單元中按數字鍵200，按下mHz，再按下寫入（ENTER），表示方波信號頻率為0.2Hz。 在控制面板的右側，按下幅度（AMPL），在數字單元中按數字鍵0.6，再按下寫入（ENTER），表示方波信號幅值為0.6V。 在發生器（GENERA

25、TOR）單元中按下啟動（START），這樣TD4020頻率特性分析儀就能產生一個電壓幅值0.6V，波形頻率0.2Hz的方波信號。直流調速系統實驗系統動態特性測試用示波器的光標方法，測量時域參數Umax、U、tp和ts的值 ： 最大偏離量Umax：Uc軌跡從零點起到最大值區段在示波器Y軸上投影的坐標格數； 終值U：Uc軌跡從零點起到進入穩態值區段在示波器Y軸上投影的坐標格數； 峰值時間（tp）：Uc軌跡從零點起到最大值區段在時間軸上的投影就是峰值時間（用示波器測量可直接顯示出時間數值）； 過渡過程時間（ts）：找到Uc軌跡進入5%的誤差帶后不再出來的第一個相交點，從Uc軌跡零點起到這個交點區段在

26、時間軸上的投影就是過渡過程時間（用示波器測量可直接顯示出時間數值）。 超調量p：根據Umax和U可以求出系統的超調量。%100maxUUUp測試直流調速系統靜態特性，求出系統開環放大倍數Kp，分析Kp與穩態誤差ess之間的關系。直流調速系統靜態特性的測試測試直流調速系統動態特性，根據測量的時域性能指標tp、ts、p，求出頻率域性能指標c、b和系統的閉環傳遞函數(s)。直流調速系統動態特性的測試測試直流調速系統開環加校正時頻率特性，從繪出的系統Bode圖中求出相角裕度、幅值裕度Kv(rad/s)和開環傳遞函數G(s)。 直流調速系統開環加PID校正頻率特性的測試系統實驗內容直流調速系統實驗直流調

27、速系統實驗系統頻率特性測試測試直流調速系統開環加PID校正時頻率特性的工作方式的工作方式如下圖所示：測試方法：測試方法：在測試調速系統頻率特性時，被測調速系統的輸入端，施加不衰減的正弦信號u(t)=Amsin(t)，調速系統處于穩態輸出過程，其輸出信號也為正弦信號，角頻率與輸入相同，即y(t)=Rmsin(t)。在測試頻率特性的過程中，正弦信號每一次角頻率的變化，TD4020頻率特性分析儀都按 、 的數學公式計算，并在LED窗口顯示出來。mmARjG/lg20)()( j直流調速系統實驗系統頻率特性測試實驗步驟：實驗步驟：1、確認直流調速系統控制器電源處于關閉狀態；2、將給定電壓電位器Ur指針

28、數值調節在5.00；3、將負載電阻的波段開關撥在1檔（空載）；4、將反饋極性開關撥向上方（負反饋）；5、按下系統開環開環鍵；6、將PI和PD的開關撥向下方下方（引入PID校正）；7、將系統的各個參數電位器的指針初步分別調節為： K=6.5；I =6.5；P=9.5；D=6.5；=5.08、接通直流調速系統控制器電源開關；9、調節給定電壓電位器Ur指針數值使電機初始空載轉速速度在500600rpm之間；10、利用TD4020頻率特性分析儀，產生幅值0.315V、下限頻率300mHz、上限頻率8Hz的正弦信號；11、用頻率特性分析儀測量頻率特性的幅頻數值并記錄相應數據至實驗報告頁面給定的表格中；1

29、2、關斷直流調速系統控制器電源開關；直流調速系統實驗系統頻率特性測試幅值（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（）直流調速系統實驗系統頻率特性測試13、根據記錄的系統開環頻率特性幅頻數值繪制系統的開環Bode圖：直流調速系統實驗系統頻率特性測試討論題：討論題：當c增大時，相角裕度將降低，這樣使階躍響應的超調量增加還是減少，使系統的穩定性變好還是變壞。為了使閉環系統穩定并具有足夠的相角裕度，開環對數幅頻率特性最好以什么的斜率通過0db線。14、根據系統的開環Bode圖找出系統的轉折頻率T(T=1/T)、在1=1處（ ）系統的開環放大倍數Kv、剪切頻率c，并根據這些數據求出系統的相角裕度、幅值裕度Kg，以及開環傳遞函數G(s)。xdBKV20