自动控制原理实验说明书_自动控制原理实验
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自动控制原理实验说明书
实验的目的：学习掌握直流电动机速度控制的原理、方法，通过实验加深对控制理论的理解；学习掌握控制系统设计、综合的常用方法。
一、实验装置说明
1)调速原理：
由于电动机电枢线圈有内阻存在，当电动机负载变化时使电枢两端实际电压也产生变化，这样就使转速变化。经过推证可以得到下面两条结论：
1)当电动机负载恒定时，直流电动机转速与电枢两端电压成线性关系。
2)转速n随转矩Tem的增大而降低，电动机电磁转矩与电枢电流成正比。调节电动机电枢电压改变电动机转速：转速给定信号由一个两端接正负12V的电位器构成。通过调节电位器滑动端位置改变加到电动机电枢两端的电压值，从而达到控制电动机转速的目的。
定义电动机顺时针转动为正转，逆时针转动为反转。实验时，改变电位器滑动端的位置，可以控制电动机正反转及转速。电位器滑动端输出正电压时使电动机正转，输出负电压时使电动机反转。
电动机负载变动对电动机转速影响：实验时，通过给惯性盘加摩擦力改变电动机负载，如调速性不好电动机转速随负载变化有明显变化。实验时注意观察负载电流（电流取样电阻上的电压）及转速（测速发电机输出）变化。
2)实验装置
图一机械装置示意图
为了实验方便，实验装置由两部分组成：
一个是机械装置，用于固定直流电动机、测速发电机以及惯性盘部件，其直观图如图一
所示。
另一个是功率模块，它与外部电路的接口
由电源输入端子和信号输入输出端子组成。其
原理图如图二所示。其中J1为功率模块电源
输入端子，J2为信号输入输出端子，J4为功
率输出到电动机的端子。模块中的电阻R2为
电流取样电阻，在按电流补偿开环控制实验时
用到。功率驱动模块固定在机械装置的底座上。图二 电机功率驱动电路原理
电流取样
二、开环实验
TDA2030A是功率放大器，其输出能够直接驱动直流电动机。开环增益通过运算放大器LM347构成的反
相放大器进行调节。
1)2)3)4)
三、直流电动机转速开环按扰动补偿控制实验（选做）
1、原理：通过电动机负载电流取样电阻获得电动机电枢电流信号。将该信号经放大反馈至输入端，形成一个按电流补偿的电路。
设功率放大器输出电阻为零，电动机电枢电阻值Ra，取样电阻阻值为4.3Ω。
2、实验要求：
1)分析按电流补偿的原理，设计按电流补偿的控制电路。2)计算所设计电路的参数。
3)观察按电流补偿控制系统抗负载干扰的能力，记录实验数据。
4)调节电流取样放大电路的放大倍数，观察电机抭负载电流能力变化。5)根据以上要求写出实验步骤。
3、推荐电路如下：
四、1、0型电动机转速控制
用测速发电机作速度反馈，形成转速闭环结构。此时系统无积分环节，为0型系统。
实验要求：
1)设计0型电动机转速控制系统电路，要求能调节控制系统开环增益，计算电路参数，并说明计算
方法。2)让系统形成负反馈，调节开环增益，观察电动机响应。得到系统最大稳定工作时的开环增益值。3)当系统稳定时，改变电动机负载，观察负载变化对电动机转速影响。由于所选电动机额定力矩较小，因此所施加在惯性盘上的力不能太大。为了便于观察转速的变化，可以用电压表测量测速发电机输出电压。
4)当系统稳定时，观察A、B点电压，看是否相等，为什么？调节输入电压大小，观察A、B间电压
差异变化。5)根据以上要求写出实验步骤。
图四 按电流补偿控制系统参考电路
直流电动机转速闭环控制实验
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图五 0型控制系统参考电路
2、I型电动机转速控制
在控制系统前向通道中增加一积分环节构成I型控制系统，用测速发电机作速度反馈，形成转速闭环结构。
实验要求：
1)设计I型电动机转速控制系统电路，要求能调节控制系统开环增益，计算电路参数，并说明计算方法。
2)让系统形成负反馈，调节开环增益，观察电动机响应。得到系统最大稳定工作时的开环增益值，并记录此时的开环增益。3)当系统稳定时，改变电动机负载，观察负载变化对电动机转速影响。由于所选电动机额定力矩较小，因此所施加在惯性盘上的力不能太大。为了便于观察转速的变化，可以用电压表测量测速发电机输出电压。
4)当系统稳定时，观察A、B点电压，看是否相等，为什么？调节输入电压大小，观察A、B间电压差异变化，与0型系统进行比较。5)根据以上要求写出实验步骤。
图六 I型控制系统参考电路
五、I型控制系统校正实验（提高部分，选做）
在I型控制系统实验中，当开环增益变大时系统出现振荡（不稳定），在保证系统为I型系统的前提下，试引入校正技术，使得I型控制系统的开环增益增大。1)试设计控制电路，说明电路原理。2)观察实验现象，写出实验步骤。
（由电被控对象的传递函数未知，可根据I型控制系统结果估算，进行大致校正即可，可有PI校正，或在I型控制基础上采用第6章知识设计校正环节）
图七校正实验电路示意图
总要求：
1)做开环控制(二)和闭环控制(四)两个实验，其他选做。
2)两人一组进行实验，自由组合。实验地点：六层测控技术与传感器实验室（603），请班长联系实验室老师预订时间并通知任课教师。
3)实验现象、实验电路报告交实验室指导老师和任课教师各一份。
2012年12月
