直流調(diào)速系統(tǒng)實驗概述自動控制技術控制理論自動化設備控制系統(tǒng)實驗自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)

過程控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)（電力拖動自動控制系統(tǒng)）調(diào)速系統(tǒng)

位置隨動系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)

交流調(diào)速系統(tǒng)第一頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展歷史1821年英國科學家法拉第首先證明可以把電力轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。

1834德國雅可比發(fā)明直流發(fā)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(chǎn)生相互吸引和排斥作用，帶動輪軸轉(zhuǎn)動。1870年比利時工程師格拉姆證明向直流發(fā)動機輸入電流，其轉(zhuǎn)子會象電動機一樣旋轉(zhuǎn)。這就是格拉姆型直流電動機。第二頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展歷史上個世紀30年代，出現(xiàn)發(fā)電機--電動機調(diào)速系統(tǒng)。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(diào)速系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)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(diào)速系統(tǒng)能在較寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速，具有較優(yōu)良的調(diào)速性能指標，從而使直流電動機被廣泛的應用在各個生產(chǎn)領域。第三頁，共59頁。調(diào)速系統(tǒng)發(fā)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(diào)速器來控制。軋機的速度穩(wěn)定性要求較高，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(diào)速系統(tǒng)可以很好的滿足穩(wěn)定性和精度的要求。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗第四頁，共59頁。調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展歷史直流調(diào)速系統(tǒng)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(yè)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(qū)動為直流調(diào)速方式,調(diào)速范圍較大,在低速時也能獲得較大的驅(qū)動力。不僅要求頻繁

地換向,而且要求動態(tài)

及靜態(tài)性能優(yōu)良。第五頁，共59頁。調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展歷史直流調(diào)速系統(tǒng)實驗高層電梯中的應用直流電動機具有調(diào)速性能好、調(diào)速范圍大的特點，因此很早就應用于電梯上，采用發(fā)電機一電動機組形式驅(qū)動。它控制的電梯速度達4m／s，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。第六頁，共59頁。實驗目的實驗原理實驗設備實驗內(nèi)容直流調(diào)速系統(tǒng)實驗第七頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗實驗目的1、了解直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；2、掌握直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性測試方法，求出系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)Kp，分析Kp與穩(wěn)態(tài)誤差ess之間的關系；4、掌握直流調(diào)速系統(tǒng)，開環(huán)加校正時頻率特性的測試方法。從繪出的系統(tǒng)Bode圖中求出相角裕度γ、幅值裕度Kv(rad/s)和開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)。3、掌握直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性測試方法，根據(jù)測量的時域性能指標tp、ts、σp，求出頻率域性能指標ωc、ωb和系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Ф(s)。第八頁，共59頁。實驗目的實驗原理實驗設備實驗內(nèi)容直流調(diào)速系統(tǒng)實驗第九頁，共59頁。實驗設備直流調(diào)速系統(tǒng)實驗直流電動機組直流調(diào)速系統(tǒng)操作臺DS5152CA數(shù)字示波器TD4020頻率特性測試儀第十頁，共59頁。Mn直流調(diào)速系統(tǒng)實驗實驗設備放大倍數(shù)比例積分開關反饋極性開關分壓器△調(diào)節(jié)給定電壓積分時間比例系數(shù)微分時間比例微分開關直流調(diào)速系統(tǒng)操作臺第十一頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗實驗設備測量電磁轉(zhuǎn)矩測量電動機轉(zhuǎn)速負載電阻波段開關保護開關Mn調(diào)節(jié)給定電壓開環(huán)/閉環(huán)切換按鈕第十二頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗實驗設備直流調(diào)速系統(tǒng)實驗設備連接方法第十三頁，共59頁。實驗目的實驗原理實驗設備實驗內(nèi)容直流調(diào)速系統(tǒng)實驗第十四頁，共59頁。系統(tǒng)靜態(tài)特性系統(tǒng)動態(tài)特性系統(tǒng)方塊圖直流調(diào)速系統(tǒng)實驗實驗原理系統(tǒng)調(diào)速原理系統(tǒng)頻率特性PID調(diào)節(jié)器的作用第十五頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗直流電動機的轉(zhuǎn)速特性調(diào)節(jié)直流電動機的轉(zhuǎn)速的方法改變電樞回路電阻調(diào)速法；減弱磁通調(diào)速法；調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速法。本實驗裝置采用改變電樞回路電壓進行調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法無級平滑調(diào)速時間常數(shù)較小，能快速響應需要大容量可調(diào)直流電源系統(tǒng)調(diào)速原理第十六頁，共59頁。系統(tǒng)靜態(tài)特性系統(tǒng)動態(tài)特性系統(tǒng)方塊圖直流調(diào)速系統(tǒng)實驗實驗原理系統(tǒng)調(diào)速原理系統(tǒng)頻率特性PID調(diào)節(jié)器的作用第十七頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)方塊圖閉環(huán)系統(tǒng)能夠有效地抑制包圍在反饋環(huán)內(nèi)的擾動作用。UD為了實現(xiàn)生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性的要求，只能減少負載所引起的靜態(tài)速降Δnnom。從控制手段上引入轉(zhuǎn)速負反饋減少轉(zhuǎn)速降落、降低靜差率、擴大調(diào)速范圍。第十八頁，共59頁。系統(tǒng)靜態(tài)特性系統(tǒng)動態(tài)特性系統(tǒng)方塊圖直流調(diào)速系統(tǒng)實驗實驗原理系統(tǒng)調(diào)速原理系統(tǒng)頻率特性PID調(diào)節(jié)器的作用第十九頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)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(diào)節(jié)器的作用比例參數(shù)KP的作用是加快系統(tǒng)的響應速度并提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。隨著KP的增大系統(tǒng)的響應速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但是系統(tǒng)易產(chǎn)生超調(diào)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，甚至會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。KP取值過小，調(diào)節(jié)精度降低，響應速度變慢，調(diào)節(jié)

時間加長，使系統(tǒng)的動靜態(tài)性能變壞。僅僅有比例控制環(huán)節(jié)的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有靜差的控制系統(tǒng)，反饋控制只能減小穩(wěn)態(tài)誤差，而不能消除它。在比例控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小

與系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性是矛盾的。第二十頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)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(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。比例+積分控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。PID調(diào)節(jié)器的作用積分參數(shù)Ti的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Ti越大系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)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(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。Ti過小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。從相位的角度來看一個積分環(huán)節(jié)就有90°的相位延遲，

也許會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第二十一頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。由于存在較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后組件，校正環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用總是落后于誤差的變化，在調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。微分控制能預測誤差變化的趨勢，使得校正環(huán)節(jié)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(diào)。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(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。PID調(diào)節(jié)器的作用微分參數(shù)Td的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。Td不能過大，否則會使響應過程提前制動，延長調(diào)節(jié)時間，并且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。第二十二頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗PID調(diào)節(jié)器的作用PID參數(shù)的整定是從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應速度，超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面考慮問題，合理的選擇PID三參數(shù)。控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法有：經(jīng)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(jīng)驗法來確定PID的參數(shù)。PID調(diào)整的主要工作就是實現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)的首要任務：快（快速）、準（準確）、穩(wěn)（穩(wěn)定）的響應命令。P：比例控制環(huán)節(jié)強調(diào)響應快速性，快速作用于輸出。

著眼于“現(xiàn)在”；I：積分控制環(huán)節(jié)強調(diào)準確性，消除過去的累積誤差。

著眼于“過去”；D：微分控制環(huán)節(jié)強調(diào)穩(wěn)定性，具有超前控制作用。

著眼于“未來”。第二十三頁，共59頁。系統(tǒng)靜態(tài)特性系統(tǒng)動態(tài)特性系統(tǒng)方塊圖直流調(diào)速系統(tǒng)實驗實驗原理系統(tǒng)調(diào)速原理系統(tǒng)頻率特性PID調(diào)節(jié)器的作用第二十四頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗調(diào)速范圍調(diào)速系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比D=nmax/nmin系統(tǒng)靜態(tài)特性系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標調(diào)速范圍靜差率第二十五頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)靜態(tài)特性系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標調(diào)速范圍靜差率靜差率系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載變到額定負載所對應的轉(zhuǎn)速降落Δnnom與理想空載轉(zhuǎn)速速n0之比。S=(Δnnom/n0)*100%第二十六頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)靜態(tài)特性直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性直流電動機轉(zhuǎn)速與電動機電磁轉(zhuǎn)矩的靜態(tài)關系；系統(tǒng)開環(huán)和閉環(huán)時靜態(tài)特性不同，閉環(huán)更好些；系統(tǒng)閉環(huán)時，開環(huán)放大倍數(shù)不同，靜態(tài)特性也不同；系統(tǒng)靜態(tài)特性將影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)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(zhuǎn)矩。直流電動機、直流發(fā)電機、直流測速機這三個元件同軸連接而組成機組直流發(fā)電機電樞電流與負載電阻值成反比直流發(fā)電機的負載轉(zhuǎn)矩與負載電流成正比

(Mfz

=CmФIfz)第二十七頁，共59頁。系統(tǒng)靜態(tài)特性系統(tǒng)動態(tài)特性系統(tǒng)方塊圖直流調(diào)速系統(tǒng)實驗實驗原理系統(tǒng)調(diào)速原理系統(tǒng)頻率特性PID調(diào)節(jié)器的作用第二十八頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)動態(tài)特性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型研究其動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能是否滿足性能指標。經(jīng)典控制理論中常用的系統(tǒng)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(yōu)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(tǒng)分析，并研究減少誤差、提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的方法。第二十九頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)動態(tài)特性系統(tǒng)的時域性能指標在給定信號r(t)的作用下，系統(tǒng)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(tǒng)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(jù)提出的。上升時間tr峰值時間tp過渡過程時間ts超調(diào)量σp第三十頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)動態(tài)特性系統(tǒng)的超調(diào)量和阻尼系數(shù)存在如下式所示關系，故可通過調(diào)節(jié)超調(diào)量來調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)。為了限制超調(diào)量，并使ξ較小，一般會控制系統(tǒng)的超調(diào)量

在22%~28%之間。第三十一頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)動態(tài)特性直流調(diào)速系統(tǒng)過渡過程的動態(tài)性能指標跟隨性能指標抗擾動性能指標直流調(diào)速系統(tǒng)加入PID控制器以獲得滿意的動態(tài)性能指標PID不僅適用于數(shù)學模型已知的控制系統(tǒng)，而且對大多數(shù)數(shù)學模型難以確定的工業(yè)過程也可應用。PID控制參數(shù)整定方便，結構靈活。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，數(shù)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(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)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(shù)，分析其對直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。第三十二頁，共59頁。系統(tǒng)靜態(tài)特性系統(tǒng)動態(tài)特性系統(tǒng)方塊圖直流調(diào)速系統(tǒng)實驗實驗原理系統(tǒng)調(diào)速原理系統(tǒng)頻率特性PID調(diào)節(jié)器的作用第三十三頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)頻率特性頻率特性法：研究待測系統(tǒng)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(shù)，所以正弦信號中包含了位置、速度、加速度等各種作用；控制系統(tǒng)中的各個信號，可以分解成許多不同頻率的正弦信號；根據(jù)控制系統(tǒng)對不同頻率正弦信號的響應，就可以全面地反映出系統(tǒng)的各種性質(zhì)。對于線性定常系統(tǒng)，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。第三十四頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)頻率特性應用頻率特性法測試控制系統(tǒng)的開環(huán)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(tǒng)的動態(tài)特性；對于無法取得描述動態(tài)特性分析式的某些復雜系統(tǒng)就更為重要頻域法建模：采用實驗手段測量系統(tǒng)的頻率特性指標，然后通過Bode圖建立其數(shù)學模型在對象的輸入端加入一定帶寬范圍內(nèi)各種頻率的

正弦波信號，測量其輸出信號頻率特性數(shù)據(jù)，

就可以分析系統(tǒng)的頻率特性。第三十五頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗本實驗采用TD4020頻率特性測試儀測量系統(tǒng)頻率特性指標TD4020頻率特性測試儀組成部分信號發(fā)生器頻率分析器顯示器頻率特性測試儀系統(tǒng)頻率特性測試過程產(chǎn)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(wěn)態(tài)響應Y，逐點獲得其頻率特性；根據(jù)測量數(shù)據(jù)在Bode圖上畫出直流調(diào)速系統(tǒng)的幅頻、相頻曲線；用系統(tǒng)辨識方法寫出被測對象的傳遞函數(shù)，即可建立直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型。第三十六頁，共59頁。實驗目的實驗原理實驗設備實驗內(nèi)容直流調(diào)速系統(tǒng)實驗第三十七頁，共59頁。測試直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性，求出系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)Kp，分析Kp與穩(wěn)態(tài)誤差ess之間的關系。直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性的測試測試直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性，根據(jù)測量的時域性能指標tp、

ts、σp，求出頻率域性能指標ωc、ωb和系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Ф(s)。直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性的測試測試直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)加校正時頻率特性，從繪出的系統(tǒng)Bode圖中求出相角裕度γ、幅值裕度Kv(rad/s)和開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)。直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)加PID校正頻率特性的測試系統(tǒng)實驗內(nèi)容直流調(diào)速系統(tǒng)實驗第三十八頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)靜態(tài)特性測試直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性測試的工作方式如下圖所示測試方法：讓系統(tǒng)分別處于開環(huán)和閉環(huán)（S1開關打開或閉合）工作狀態(tài)。負載在空載時（負載電阻的波段開關在1檔位置），調(diào)節(jié)直流調(diào)速系統(tǒng)控制器中的給定電壓Ur使電動機轉(zhuǎn)速達到理想空載轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/每分鐘（rpm），逐次改變負載電阻的波段開關。逐點記錄電動機轉(zhuǎn)速（數(shù)值從轉(zhuǎn)速表測量）與電磁轉(zhuǎn)矩M（數(shù)值從轉(zhuǎn)矩表測量）數(shù)值的變化。它們之間的函數(shù)關系為n=f(M)第三十九頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)靜態(tài)特性測試實驗步驟：1、確認直流調(diào)速系統(tǒng)控制器電源處于關閉狀態(tài)；2、將給定電壓電位器Ur指針數(shù)值調(diào)節(jié)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(huán)鍵或閉環(huán)鍵；6、將前置放大器的指針（指針式電位器的數(shù)值）K調(diào)節(jié)在：a.開環(huán)時，K＝3；b.閉環(huán)1時，K＝3；c.閉環(huán)2時，K＝6。7、開環(huán)時將PI和PD的撥鈕開關撥向上方（不用PID校正）；

閉環(huán)時將PI和PD的撥鈕開關撥向下方（引入PID校正），并設置三個指針式電位器的數(shù)值分別為I=6.50、P=9.50、D=6.50；8、接通直流調(diào)速系統(tǒng)控制器電源開關；9、調(diào)節(jié)給定電壓電位器指針數(shù)值使電機的初始空載轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速n

與電磁轉(zhuǎn)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(diào)速系統(tǒng)控制器電源開關；15第四十頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)靜態(tài)特性測試記錄表格如下：第四十一頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)靜態(tài)特性測試13、根據(jù)記錄數(shù)據(jù)繪出直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線；14、根據(jù)記錄數(shù)據(jù)求出系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)Kp和系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差ess。討論題：這個定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作在開環(huán)時，突然加一個閉環(huán)

負反饋，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速將發(fā)生什么變化；開環(huán)放大倍數(shù)Kp值對系

統(tǒng)穩(wěn)定的影響，系統(tǒng)跟蹤單位階躍信號時引起的穩(wěn)態(tài)誤差。第四十二頁，共59頁。測試直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性，求出系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)Kp，分析Kp與穩(wěn)態(tài)誤差ess之間的關系。直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性的測試測試直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性，根據(jù)測量的時域性能指標tp、

ts、σp，求出頻率域性能指標ωc、ωb和系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Ф(s)。直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性的測試測試直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)加校正時頻率特性，從繪出的系統(tǒng)Bode圖中求出相角裕度γ、幅值裕度Kv(rad/s)和開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)。直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)加PID校正頻率特性的測試系統(tǒng)實驗內(nèi)容直流調(diào)速系統(tǒng)實驗第四十三頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)動態(tài)特性測試直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性測試的工作方式如下圖所示測試方法：讓系統(tǒng)處于閉環(huán)工作狀態(tài)，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(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)給定電壓Ur使電動機轉(zhuǎn)速n達到500-600rpm，在給定電壓Ur上疊加一個方波信號，當系統(tǒng)分別加入PID、PD這二種串聯(lián)校正形式和改變不同校正參數(shù)時，從超低頻示波器可以觀測到ξ>1，ξ＝0和0<ξ<1時的波形。調(diào)節(jié)PID參數(shù)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σp的值。第四十四頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)動態(tài)特性測試實驗步驟：1、確認直流調(diào)速系統(tǒng)控制器電源處于關閉狀態(tài)；2、將給定電壓電位器Ur指針數(shù)值調(diào)節(jié)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(tǒng)閉環(huán)鍵；6、將校正單元中的PI和PD開關撥向下方（引入PID校正），或?qū)⑿Ｕ龁卧械腜I開關撥向上方同時將PD開關撥向下方（引入PD校正）；7、接通直流調(diào)速系統(tǒng)控制器電源開關；8、調(diào)節(jié)給定電壓電位器指針數(shù)值使電機初始空載轉(zhuǎn)速達到500-600rpm；9、利用TD4020頻率特性分析儀，產(chǎn)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(diào)節(jié)校正參數(shù)，使系統(tǒng)的超調(diào)量達到22%～28%時，在適當?shù)挠^測點按下示波器的[運行/停止]鍵，鎖定階躍響應曲線；（參考數(shù)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(shù)Umax、U∞、tp和ts的值，

并求出系統(tǒng)的超調(diào)量σp，一并填寫到實驗報告指定頁面的表格中；12、關斷直流調(diào)速系統(tǒng)控制器電源開關；30第四十五頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)動態(tài)特性測試13、根據(jù)時域性能指標的測量值，求出直流調(diào)速系統(tǒng)的頻率域性能指標ξ、γ、ωn、ωc、ωb，并求出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Φ(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(shù)值，直流調(diào)速系統(tǒng)的超調(diào)量增加，反之亦然。第四十六頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)動態(tài)特性測試二階控制系統(tǒng)的時域性能指標與頻域性能指標關系公式如下：討論題：直流調(diào)速系統(tǒng)響應速度的快慢與哪些因素有關。第四十七頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)動態(tài)特性測試利用TD4020頻率特性分析儀產(chǎn)生方波信號步驟：在發(fā)生器（GENERATOR）單元中按[波形選擇]（WAVESELECT）連續(xù)三次，在LED顯示窗口中顯示出，表示發(fā)生器的輸出為方波信號。在控制面板的右側(cè)，按下[頻率]（FREQ），在數(shù)字單元中按數(shù)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(cè)，按下[幅度]（AMPL），在數(shù)字單元中按數(shù)字鍵0.6，再按下[寫入]（ENTER），表示方波信號幅值為0.6V。在發(fā)生器（GENERATOR）單元中按下[啟動（START），這樣TD4020頻率特性分析儀就能產(chǎn)生一個電壓幅值0.6V，波形頻率0.2Hz的方波信號。第四十八頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)動態(tài)特性測試用示波器的光標方法，測量時域參數(shù)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(qū)段在示波器Y軸上投影的坐標格數(shù)；終值U∞：Uc軌跡從零點起到進入穩(wěn)態(tài)值區(qū)段在示波器Y軸上投影的坐標格數(shù)；峰值時間（tp）：Uc軌跡從零點起到最大值區(qū)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(shù)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(qū)段在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(shù)值）。超調(diào)量σp：根據(jù)Umax和U∞可以求出系統(tǒng)的超調(diào)量。第四十九頁，共59頁。測試直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性，求出系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)Kp，分析Kp與穩(wěn)態(tài)誤差ess之間的關系。直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性的測試測試直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性，根據(jù)測量的時域性能指標tp、

ts、σp，求出頻率域性能指標ωc、ωb和系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Ф(s)。直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性的測試測試直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)加校正時頻率特性，從繪出的系統(tǒng)Bode圖中求出相角裕度γ、幅值裕度Kv(rad/s)和開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)。直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)加PID校正頻率特性的測試系統(tǒng)實驗內(nèi)容直流調(diào)速系統(tǒng)實驗第五十頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)頻率特性測試測試直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)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：在測試調(diào)速系統(tǒng)頻率特性時，被測調(diào)速系統(tǒng)的輸入端，施加不衰減的正弦信號u(t)=Amsin(ωt)，調(diào)速系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)輸出過程，其輸出信號也為正弦信號，角頻率ω與輸入相同，即y(t)=Rmsin(ωt?θ)。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(shù)學公式計算，并在LED窗口顯示出來。第五十一頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)頻率特性測試實驗步驟：1、確認直流調(diào)速系統(tǒng)控制器電源處于關閉狀態(tài)；2、將給定電壓電位器Ur指針數(shù)值調(diào)節(jié)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(tǒng)開環(huán)鍵；6、將PI和PD的開關撥向下方（引入PID校正）；7、將系統(tǒng)的各個參數(shù)電位器的指針初步分別調(diào)節(jié)為：

K=6.5；I=6.5；P=9.5；D=6.5；α=5.08、接通直流調(diào)速系統(tǒng)控制器電源開關；9、調(diào)節(jié)給定電壓電位器Ur指針數(shù)值使電機初始空載轉(zhuǎn)速速度在500～600rpm之間；10、利用TD4020頻率特性分析儀，產(chǎn)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(shù)值并記錄相應數(shù)據(jù)至實驗報告頁面給定的表格中；12、關斷直流調(diào)速系統(tǒng)控制器電源開關；第五十二頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)頻率特性測試幅值（db）相角（°）頻率（mHz）頻率（f）角頻率（ω）幅頻特性（db）相頻特性（θ）頻率（f）角頻率（ω）幅頻特性（db）相頻特性（θ）第五十三頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)頻率特性測試13、根據(jù)記錄的系統(tǒng)開環(huán)頻率特性幅頻數(shù)值繪制系統(tǒng)的開環(huán)Bode圖：第五十四頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)頻率特性測試討論題：當ωc增大時，相角裕度γ將降低，這樣使階躍響應的超調(diào)量增加還是減少，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變好還是變壞。為了使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定并具有足夠的相角裕度，開環(huán)對數(shù)幅頻率特性最好以什么的斜率通過0db線。14、根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)Bode圖找出系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折頻率ωT(ωT=1/T)、在ω1=1處（）系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)Kv、剪切頻率ωc，

并根據(jù)這些數(shù)據(jù)求出系統(tǒng)的相角裕度γ、幅值裕度Kg，

以及開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)。第五十五頁，共59頁。直流調(diào)速系統(tǒng)實驗系統(tǒng)頻率特性測試利用TD4020頻率特性分析儀產(chǎn)生正弦信號步驟：在發(fā)生器（GE