计算机控制原理实验-直流电机实验

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北京航空航夭丈曇BEIHANGUNIVERSIT Y计算机控制原理实验直流电机实验院(系)名称 学生姓名 学 号同组同学自动化科^与电气工程学院 于驷男38030510庚琦川2011年6月实验二：直流电机实验一、设计要求1、 速度回路设计耍求：当D/A输出5 120mV时，电机开始转动2、 位置回路设计要求：在求得上述速度回路传递函数的前捉下，利用极点配置方法求全状态反馈增益。选取系统的期望极点满足^20rad/s给定采样周期T=0.02s3、 观测器设计要求：设计降维观测器，并假定降维观测器的观测误差衰减率是闭坏系统衰 减率的4倍。(1) 根据所设计的反馈增益及观测器方程，得到调节器D(z)(2) 编排控制器方程的实现算法(3) 实现控制器，在指令转角在+90°至-90°时，控制电机满足转角指令及指标要求二、 实验目的1. 熟悉硬件线路并正确连接2. 学会中断设置，以实现所需的采样周期3. 了解码制转换原理，掌握码制的转换方法4. 掌握串口收发数据的方法5. 掌握实施控制系统的组成6. 掌握实施控制软件的编制及调试方法三、 实验内容1. 编制调通微机和单片机之间的串口通信软件2. 编制调试数字控制软件3. 编制调试码制转换子程序，将采样数据转换为计算时采用的码制，将计算码制数据转换 为D/A输出所需的码制4. 将上面的控制程序和码制转换了程序加入到采样系统程序中。采用双极性 A/D(・10V〜+10V),输出采卅双极性D/A(・10V〜+10V)5. 根据速度回路设计结果正确选择及其连接控制放人箱上相应的放大器和电阻，构成闭环 实施控制回路，进行闭环回路的控制验证四、 实验报告内容1. 原系统分析将D(z)= 1代入系统进行仿真：仿真结果:系统为一阶系统，无超调，但是稳定吋间ts约l.39s,过长2. 设计过程(1)建立数学模型电机传函Km -二2.046,皿0.036檢 GG).；3驚电机启动电压Aw = 1.7V测速机传递系数Ke = 1.215电位计最大转角为345。，输出±5v功放 KG3 = 4.68采样周期T二0.02s计算KG、：D/A输出120mv时，电机启动，启动电压v O.nvxKG^KG, =Au = 1.7v ・・.KG3 = 4.68 ,・•・ KG1 = 3计算KG2 ;按要求，D/A输出刃时，电机转速® = 26rad/s。可得:co KG1 • KG3 •心 28.73 _ 26~u ~ 7> + 1 + KG1 • KG2・ KG3•心•心-1 + 34.9KG2 - VKG2 = O・1328.73可求屮 G (小二0.036$+ 1 二 28.73 二 798I ° J s 1+28.73xO.13xl.215 $(0.036$+ 5.538) $($ + 153.8)0.0365 + 1(2)设计数字部分由 G0(s) =7985(5 + 153.8)将D/A的输岀记为in为输入点，输出y为转角则状态方程中各矩阵为:0 -153.8,B0798,C = [1 0]将其离散,存 1 0.0062g 计0 0.0461G=[TeATBdr =Jo0.07164.9491(3)设-省略部分-0-68.00 -68.00-68.00串口截图:(4) 将实验结果少仿真结果在各个指标上进行比较：仿真结果中，超调量为10.15%,实验结果正向电压超调量为5.88%,反向电压超调量 为&82%,实验结果比仿真结果略小。原因与采样周期的选取有关，并且在模拟电路的搭接 屮，电阻电压放人倍数等都有谋差，所以超调蜃略小。稳定时间，在仿真结果和实验结果中都很接近，均为0.4s左右。在实验中出现了稳态误差，正向电压及反向电压的稳态误差均在2°左右。系统的动态特性与仿真结果也基本一致，加入控制器之后调节时间变短，实验测得超调 量小于仿真的超调量，约为8.8%,但与仿真设计10.15%的指标相差不大，考虑到模拟部分 建模不准确以及采样系统的误差和特性，认为该特性基本符合设计。总体说来，木系统设计及实现，能比较好地完成设计冃标与题冃给出的指标要求。& 实验中的问题及收获本次实验是我一次接触单片机与电机共同组成的系统，特別是软件方面不是很熟悉。另 外由于各种各样的原因，在实验屮出现了很多问题。为了能够在今示的实验或者科研当屮尽 量避免，故总结如下：(1) 从整体上来讲，这次实验收获比较大，出现的困难主耍在于总体方案设计和一些搭 建过程中的技术细节。(2) 方案设计时，开始没有考虑到输出的物理意义，使用的计算码为亠+1,后来为了方便 系统的分析和上位机处理，改变计算码为-180-+180,大大方便了后续的处理。(3) 由于第一次使用AVR单片机，所以许多细节不熟悉，有时缺乏耐性和工程的思想， 不能很快排查错误。后來在老师的帮助下，对于儿个无法解决的错误，制定了若干 方案进行测试，顺利解决了问题。(4) 在用串口监视采得的数据时，发现有一些随机出现的毛刺，而且幅值比较人，不能 被忽略。我们釆取了在程序小添加数字滤波器的方法，大大减少了毛刺量，出现的 毛刺幅值也大幅减小，可以忽略。(5) 在与上位机进行最后联调时，发现静差较大，后來通过测试，发现是上位机标度与 单片机输出不一致，通过上位机处理，得到了比较准确的结果，这让我反省在整个 工程屮，按照流程来完成工作时十分有必要的。(6) 在测试变阻器的分压系数时，开始选用的是测量电压的方法。但是在实践中发现， 万用表显示的电压值存在很大的跳动，难以获得精确的测量结果。这是由于电压的 输出是靠指令电位计，它的输出存在着比较大的不稳定性。故用以测量分压系数不 是一个好的选择。后改为测量电阻，可以得到比较准确的值。(7) 将系统结构图改画为下图时，没有注意到反馈回路山于综合点的改变，而产仝了增 益的变化。如果还按照计算的理论值来搭接线路，就会使得正向通道增益过人，使 得电机无法被控制，受到小扰动就会发生比较人的振动并且发散。开始采取的办法 是减小前向通路的增益值，由5.77减小到1,电机比较稳定可以控制住，但是这与 设计的控制率Z间是矛盾的。实际上要在反馈回路上每一处增益都乘以KG1的值 3,发现这个问题的本质示，修改线路，才得到了很好的控制结果。在处理这个问题 时，由于未先核对模拟线路，把大部分工作集中于调试单片机，导致实验进度停止, 这说明我们缺乏•些对计算机控制系统的调试经验，这需要以后多动脑多积累经验.(8)木次实验包含内容比较多，硬件软件都有涉及，所以两人一纟R的分工就显得尤为重 要。在实验过程中，我主要负责设计、仿真、电路调试的部分，庚琦川同学负责算 法编排、代码编写与调试的部分。通过本次实验我充分体会到了同组成员Z间的交 流和配合的重要性。 关 键 词： 实验 控制 直流 电机 原理 计算机

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