..__學號：課程名稱：實驗序號：實驗日期：實驗室名稱：同組人：實驗成績：總成績：教師評語： 教師簽字： 年月日二角位置伺服系統(tǒng)頻域特性測試與分析實驗2.1實驗目的熟悉直流伺服電動機角位置控制系統(tǒng)的組成及各環(huán)節(jié)工作原理,包括：電機參數(shù)、增量式碼盤精度、機械負載慣量、信號采樣頻率、死區(qū)、控制方法等與角位置伺服系統(tǒng)控制性能指標的關(guān)系,針對該典型機電對象或系統(tǒng),掌握輸入信號的設(shè)置與離散方法,輸出信號的采集與歸一化方法,通過速度階躍響應進行系統(tǒng)參數(shù)辨識,通過掃頻法,測試系統(tǒng)的頻域特性的相位特性和幅頻特性曲線,分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性并掌握系統(tǒng)PID控制的離散方法,主要目的是培養(yǎng)學生進行基本性能實驗和綜合設(shè)計實驗的能力。1、掌握各環(huán)節(jié)的設(shè)計方法；2、掌握機電系統(tǒng)基本調(diào)試方法；3、通過掃頻法,繪出系統(tǒng)的對數(shù)頻率特性曲線,從實驗數(shù)據(jù)曲線上,分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)定裕度、快速性、頻帶寬、校正環(huán)節(jié)的形式與基本離散化方法。2.2實驗原理2.2.1直流電動機角位置伺服系統(tǒng)組成直流電動機角位置伺服系統(tǒng),由直流減速電機、膜片聯(lián)軸器、磁滯制動器、增量式空心軸碼盤組成的角位置反饋閉環(huán)系統(tǒng)。碼盤感知的角位置信號通過采集卡的I/O傳給計算機,由計算機的控制模型計算輸出位置信號,通過采集卡的DA、驅(qū)動電路,使直流電動機轉(zhuǎn)動,組成的計算機控制的角位置伺服系統(tǒng)示意圖如圖2.2.2.2.2電動機及其驅(qū)動電路直流減速電動機采用惠城區(qū)日松菱五金電氣商行的Z2D15-24GN,電動機額定電壓24V,額定電流1A,額定轉(zhuǎn)速60rpm,額定轉(zhuǎn)矩2.4Nm,減速比為50。直流減速電動機的電樞接驅(qū)動電路板,當電動機的電樞電壓從1.8v升高至7.5v時,電機轉(zhuǎn)速從4.763671875度/秒〔約0.79rpm升高至243.28125度/秒〔約40.5rpm,而且呈線性關(guān)系y=42.797*x?77.48,式中x為給定電壓〔伏,y為電機正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速〔度/秒,死區(qū)電壓0～1.81伏,線性相關(guān)系數(shù)為1,用碼盤測得電動機正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與電樞電壓的關(guān)系如圖2.5直流電動機的電樞接驅(qū)動電路板,當電動機的電樞電壓從0.7v減小至-4.7v時,電機轉(zhuǎn)速從12.19921875度/秒<約2rpm>升高至244.9863281度/秒〔約40.1rpm,而且呈線性關(guān)系y=42.436*x?45.277,式中x為給定電壓〔伏,y為電機反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速〔度/秒,死區(qū)電壓0～1.067伏,線性相關(guān)系數(shù)為1,用碼盤測得電動機反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與電樞電壓的關(guān)系如圖2.6。2.2.3輸入信號實驗采用掃頻方法獲得實驗系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性,系統(tǒng)輸入為電機電樞電壓V=V0cosωt,式中,ω為輸入信號的角頻率,由圖2.5和圖2.6知,電動機轉(zhuǎn)速與電樞控制電壓成線性關(guān)系,故其對應的電機的角速度余弦,如圖2.12<a>,電機的角位置正弦0A=Asinωt,如圖2.12<b>?？紤]正反轉(zhuǎn)死區(qū)電壓以及轉(zhuǎn)速和電壓的線性度,電壓幅值0V推薦范圍為2.5V～6V,余弦電樞電壓的頻率ω推薦范圍為0.1Hz～12Hz,其中輸入的余弦電樞電壓每個周期被離散為100個點,點擊"啟動",生成c:\testdata\inputfile<*Hz-*V>.txt文件,文件中共保存2個周期的離散點,共200個數(shù)據(jù)點,第一列為離散點時刻,第二列為離散后該時刻的電壓值。2.2.4參數(shù)設(shè)置當完成輸入信號設(shè)置,即電動機余弦電樞電壓的幅值和頻率設(shè)置,需要在系統(tǒng)主界面進行電機角位置采樣周期的設(shè)置〔系統(tǒng)默認為1ms,其中采樣周期的選擇,必須滿足采樣定理。參數(shù)設(shè)置完成后,點擊"啟動",電機角度自動由碼盤采集,并生成數(shù)據(jù)文件c:\testdata\outputdata<*Hz-*V>.txt,點擊"暫停",數(shù)據(jù)記錄結(jié)束。2.2.5輸出信號對于線性系統(tǒng),系統(tǒng)輸入正弦信號,輸出一定是正弦信號,輸入/輸出如圖2.16。如圖2.16<b>,當輸入位置信號角頻率時<為穿越零分貝線的角頻率,即開環(huán)剪切頻率,輸出位置正弦信號的幅值,即在對數(shù)幅頻特性曲線零分貝線之上；反之,如圖2.16<c>,當輸入位置正弦角頻率時,輸出位置正弦信號的幅值,即在對數(shù)幅頻特性曲線零分貝線之下。同理可知,當輸入位置正弦角頻率時,輸出位置正弦信號的幅值等于輸入信號幅值。值得注意的是,無論輸入位置正弦角頻率ω是多少,輸出信號相對輸入信號都存在時間的滯后,對應的滯后相角。針對圖2.1所示角位置伺服系統(tǒng),輸出角位置信號由碼盤直接檢測,輸出曲線如圖2.16〔d和〔e,分別為輸出信號曲線發(fā)生零點漂移和無零點漂移兩種情況。根據(jù)在如圖2.13〔a控制系統(tǒng)主界面中輸入的采樣周期,并且自動生成c:\testdata\inputdata<*Hz-*V>.txt文件,文件的第一列為采樣時刻,第二列為在該采樣時刻由碼盤檢測得到的角度值。c:\testdata\inputdata<*Hz-*V>.txt文件,文件的第一列為采樣時刻,第二列為在該采樣時刻由碼盤檢測得到的角度值。2.2.6數(shù)據(jù)處理在每個頻率和輸入電樞電壓下得到一組輸入和輸出文inputdata.txt,outputdata.txt,將數(shù)據(jù)文件分別保存。系統(tǒng)界面如圖2.13<a>,單擊"啟動/暫停",數(shù)據(jù)記錄結(jié)束,保存為輸出文件outputdata.txt,第一列為離散點時刻<秒>,第二列為離散后該時刻的角度。5Hz6V輸入數(shù)據(jù)如圖2.15。不同頻率ω的輸入電樞電壓幅值V0和輸出角位置幅值B關(guān)系可以列入表2.1,其中推薦使用信號頻率ω值范圍為0.1Hz～12Hz,根據(jù)實測數(shù)據(jù)畫出與的曲線,即為對數(shù)特性曲線中的幅頻特性曲線。輸出信號的滯后時間02t根據(jù)碼盤讀出,輸出信號相對于輸入信號-的時間滯后為秒或者,輸出信號相對于輸入信號滯后的角度為,其中不同頻率的輸出信號滯后輸入信號的角度和頻率的關(guān)系可列入表2.2,畫出與的曲線,即為對數(shù)特性曲線中的相頻特性曲線。表2.1不同頻率的輸入和輸出信號幅值關(guān)系頻率<Hz>0.10.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.5輸入信號幅值V0<伏>666666666666輸出信號幅值B<度>478.3588.2443.1528.9221.8017.2314.3312.7411.4311.168.708.0038.0323.3517.1413.6611.29.167.566.545.605.393.232.50頻率<Hz>6.06.26.46.66.87.07.27.47.67.88.08.5輸入信號幅值V0<伏>666666666666輸出信號幅值B<度>7.387.297.736.867.296.427.216.685.806.335.715.891.801.692.201.161.690.591.600.93-0.290.47-0.43-0.16頻率<Hz>9.09.51010.51111.512輸入信號幅值V0<伏>6666666輸出信號幅值B<度>5.894.574.664.483.964.313.52-0.16-2.36-2.20-2.54-3.60-2.87-4.63頻率<Hz>0.10.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.2<度>6.756.39.93.6214.411.256.301.80019.3431.518.8934.1938.35頻率<Hz>6.46.66.87.07.27.47.67.88.08.59.09.51010.5<度>30.9740.6844.6548.6139.6143.2146.7950.4053.2855.3662.7963.8854.0061.20頻率<Hz>1111.512<度>78.2964.2128.81表2.2不同頻率的輸入和輸出信號相位差2.3繪制同一頻率輸入/輸出信號的時域曲線2.4繪出系統(tǒng)已知頻率點的幅值和相角,用折線作為漸近線逼近幅頻特性曲線,給出開環(huán)剪切頻率。開環(huán)剪切頻率2.5給出系統(tǒng)的開環(huán)增益K和系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù),各慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。系統(tǒng)的開環(huán)增益,轉(zhuǎn)折點處,系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為,慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)2.6給出控制系統(tǒng)的simulink實現(xiàn)圖,通過改變開環(huán)增益K,用示波器觀察系統(tǒng)輸出。K=2K=4K=6K=7.19K=10K=122.7思考題1.電動機選擇的依據(jù)是什么？械對電機的機械特性、起動性能、調(diào)速性能、制動方法、過載能力等方面的要求。選擇電機的翻定功率時,應使所選的電機額定功率等于或稍微大于生產(chǎn)機械所需要的功率,既不能過載,也不能長期輕載。2.系統(tǒng)輸入余弦電樞電壓的幅值和系統(tǒng)參數(shù)辨識精度是否有關(guān)？為什么？系統(tǒng)輸入余弦電樞電壓的幅值和系統(tǒng)參數(shù)辨識精度無關(guān)。由最后得出的Bode圖得出參數(shù),Bode圖幅頻特性曲線為與關(guān)系,幅值變化位置幅度也變化,但比值不變。因為系統(tǒng)參數(shù)辨識精度是系統(tǒng)本身的特性,和輸入信號無關(guān),即系統(tǒng)組成器件不發(fā)生改變,系統(tǒng)參數(shù)辨識精度就不會改變。3.采樣頻率的高低對系統(tǒng)參數(shù)辨識精度有何影響？率越高就要求系統(tǒng)的辨識精度越好,采樣頻率越低低,導致系統(tǒng)參數(shù)辨識精度較低,采樣頻率若高,系統(tǒng)參數(shù)辨識精度就會高。4.分析輸出信號的時域曲線零點漂移的原因。由于傳感器橋路中元件參數(shù)本身就不對稱,彈性元件和電阻應變計和取感柵材料溫度系數(shù),線脹系數(shù)不同,組橋引線長度不一致等綜合因素,最后導致傳感器組成電橋后相鄰臂總體溫度系數(shù)有一定差異,當溫度變化時,相鄰臂電阻變化量不同,從而使電橋產(chǎn)生輸出不平衡,即產(chǎn)生了零點漂移。5.分析電機轉(zhuǎn)速和電樞電壓之間產(chǎn)生死區(qū)的原因？死區(qū)如何影響系統(tǒng)的控制性能？在運動控制中如何減小死區(qū)的影響？〔1啟動和反轉(zhuǎn)時,電機由于慣性,不能對輸入信號及時反映,而且電機和零件之間有間隙,也會對死區(qū)影響；〔2電壓小于死區(qū)電壓時不能啟動,導致系統(tǒng)靈敏度降低系統(tǒng)控制性能降低；〔3減少電壓增大的時間,進而減小死區(qū)時間,高電機參數(shù),減小各零件的誤差。6.分析電機的正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與電壓的線性系數(shù)不同的原因以及如何提高系統(tǒng)辨識精度？〔1原因：由于電機正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變時,電機的三相電路要對調(diào)兩相,在實際中,難以保證電源的三相完全相同?！?提高采樣頻率,調(diào)整各相輸入電壓。7.滿足相角滯后10°時的頻帶寬是多少？滿足幅值衰減10%的頻帶寬是多少？同時滿足相角滯后10°和幅值衰減10%的頻帶寬是多少？滿足相角滯后10°時的頻帶寬是2.2Hz,滿足幅值衰減10%的頻帶寬是3.35Hz,同時滿足相角滯后和幅值衰減10%的頻帶寬是1.5Hz。8.在繪制對數(shù)頻率特性圖時,為什么將余弦電樞電壓幅值作為輸入信號,將由碼盤檢測的角位置信號作為輸