自动控制系统1

自动控制系统课程设计任务书

为了减少机械装置，倾向于采用低速电机直接传动，可以取消减速器。

以上五个部分是各种位置随动系统都有的，在不同情况下，由于具体条件和性能要求的不同，所采用的具体元件、装置和控制方案可能有较大的差异。 四、三环随动系统的基本组成

1.三环随动系统的基本组成：系统可分为以下八个部分：

1．位置环

我们只分析它的数学模型，不会把它作具体介绍。可以近似为一阶惯性环节，传递函数为

Wj(s)?

2．位置传感器

KjTjs?1

模拟随动系统的位置传感器如前所述，大体可以分为两种，电位器和基于电磁感应原理的位置传感器。基于电磁感应原理的位置传感器有自整角机、旋转变压器、感应同步器等，是应用比较广泛的模拟式位置传感器，可靠性和精度都比较高。本次设计采用的位置传感器是自整角机。自整角机是角位移传感器，在随动系统中总是成对应用的。与指令轴相联的自整角机称为发送机，与执行轴相联的称作接收机。按用途不同，自整角机可分为力矩式自整角机和控制式自整角机两类。力矩式自整角机可以不经中间放大环节，直接传递转角信息，一般用于微功率同步旋转系统。对功率较大的负载，力矩式自整角机带动不了，可采用控制式自整角机，将自整角接收机接成变压器状态，其输出电压通过中间放大环节带动负载，组成自整角机随动系统。下面简单分析本次设计使用的控制式自整角机的工作原理和使用。

先看单相自整角机的结构和工作原理。它具有—个单相励磁绕组和一个三相整步绕组，单相励磁绕组安置在转子上，通过两个滑环引入交流励磁电流，励磁磁极通常做成隐极式。这样可使输入阻抗不随转子位置而变化。整步绕组是三相绕组，一般为分布绕组，安置在定子上，它们被此在空间相隔120o，并接成Y形。BST为自整角发送机，BSR为自整角接收机。本次模型中采用的自整角机的放大系数Kbs?1.25V(o)。自整角机本身的检测误差ed?0.5o。传递函数为式（4-2），

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是简单的线性函数在数学模型将不会出现，但在计算稳态误差时将会用到自整角机的参数。自整角机还包括相敏整流器URP，可以把它当作自整角机的一部分，相当于一个电压放大器，并反映??m的极性，放大系数Krp?2，当然它在数学模型中也不会出现。

3．电压比较放大器（A）

这是位置随动系统所必须有的装置。它的作用是发出控制信号Uc，由于?U可正可负。放大器必须具有鉴别电压极性的能力，输出的控制的电压Uc也是可逆的。放大系数Ka?5，函数关系Uc?Ka?U。这个简单的函数关系也不会在数学模型中出现。

4．电力电子变换器（UPE）

起功率放大作用，而且是可逆的。PWM变换器有可逆和不可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等。在本次大功率随动系统中选取双极式控制的桥式可逆PWM变换器，因为是大功率系统变换器采用可关断晶闸管。

采用PWM的调速系统发展越来越成熟，用途也很广，与单纯的晶闸管调速系统相比有很多优点

1）主电路线路简单，需用的功率器件少；

2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小； 3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；

4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；

5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；

6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

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桥式可逆PWM变换器的原理图

本次设计采用的PWM变换器的开关频率f=2500Hz，即失控时间

Ts=0.4ms，失控时间已经非常小，大大提高了系统的快速性，所以时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节（其中Ts=T1），传递函数为

W1(s)?5．电流调节器（ACR）

按工程设计法选择典型I型系统，PI调节器。传递函数为 WACR(s)?Kpi6．转速调节器（ASR）

按工程设计法选择典型I型系统，选用PI调节器。传递函数为 WASR(s)?Kpn7．位置调节器（AWR）

按工程设计法和位置系统的校正，典型II型系统，选用PID调节器。传递函

数为 WAWR(s)?Kpw

8．伺服电机（SM）

基于本次设计的大功率随动系统选择永磁式直流伺服电机，即直流他励电动机，型号为Z2-21，铭牌参数，Pn?400W，Un?110v，In?5.59A，

K1 T1s?1Tis?1 TisTns?1 TnsTw1s?1

Tw2s?1nN?1000rmin。伺服电机可视为一个二阶系统，分为两个传递函数,，一部分

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为电机电枢近似成一阶惯性环节，传递函数为

K2?s??K2 Tls?1一部分为传动装置近似为积分环节，传递函数为 K3(s)?9．负载

负载就不做具体介绍，它也是系统是整个系统的被控位置对象，我们主要研究它的数学模型。传递函数近似为积分环节

W(s)?2?Pi 60sK3 Tms随动系统功率大，采用低转速的直流伺服电机，所以本设计取消减速器。 五、三环随动系统的数学模型的建立

三环随动系统结构图

六、三环随动系统的稳态参数计算

已知直流他励电动机，型号为Z2-21，铭牌参数，Pn?400W，Un?110v，

In?5.59A，nN?1000rmin。电力电子变换器的增益Ks?K1?20，电压放大器的增益Ka?5，相敏整流器的放大系数由计算决定。自整角机的放大系数

Kbs?50v(o)。

计算过程如下： 电动机的额定效率为

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