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清华大学精仪系--伺服电机控制系统仿真实验

控制工程基础课程 “运动控制系统”计算机仿真实验指导书
1.实验目的 1)熟悉直流伺服电机控制系统各环节的传递函数模型; 2)根据给定的性能指标,设计速度环与位置环的控制器参数。 2.实验内容及要求 2.1 速度环仿真实验 速度环的传递函数方框图见图 1。
Vni
? ?

Gnc ( s )

0.5 ( A/V)

550 ( rad / (s 2 A)) s

n

Vf

1 0.002s ? 1

0.23 ? ( V / (rad ? s-1 ))

图1 伺服电机控制系统方框图(速度环)

图 1 中 Vni [V]为速度命令输入, n [rad/s]为电机转速, Vf [V]为来自测速发电机的 速度反馈电压,反馈系数 ? ? [0, 1] , Gnc ( s ) 为速度环的校正网络。 当 Gbc ( s ) 为比例-积分(PI)调节器时,其传递函数为
Gnc ( s ) ?

? ns ? 1
Tn s

(1)

当 Gnc ( s ) 为比例(P)调节器时,其传递函数为
Gnc ( s ) ? K n

(2)

1.给定速度环的性能指标如下: 1)单位阶跃响应的超调量小于 30%; 2)单位阶跃响应的调整时间小于 0.06s; 3)闭环带宽不小于 30Hz。 当速度环分别采用 P 与 PI 调节器时,设计满足给定指标的调节器参数。 提示: 有关参数的参考取值为: ? ? 0.5 , K n ? 6 , Tn ? 0.02 s , ? n ? 0.004 s 。

2.根据设计的调节器参数,给出速度环采用 P 与 PI 调节器时的波特图,比较二 者的稳定裕量和剪切频率。 3.给出速度环分别采用 P 与 PI 调节器时的闭环频率特性及频域指标 (闭环带宽, 谐振峰值,谐振频率) 。 4.比较速度环采用 P 与 PI 调节器时的阶跃响应及瞬态响应指标 (超调量与调整 时间) 。 2.2 位置环仿真实验 位置环的传递函数方框图见图 2。
Vpi
? ?

Gpc ( s ) Vpf

Gn (s )

2 2? s

( mm ? s/rad)

x

0.1 ( V/mm )

图2 伺服电机控制系统方框图(位置环)

图 2 中 Vpi [V]为位移命令输入, x [mm]为工作台位移, Vpf [V]为电子电位计测得的工作台
位移电压, Gpc ( s ) 为位置环的校正网络, Gn ( s ) 为速度环的闭环传递函数。 当 Gpc ( s ) 为近似比例-积分(PI)调节器时,其传递函数为

Gpc ( s ) ? K p

? ps ? 1
Tp s ? 1

(3)

当 Gpc ( s ) 为比例(P)调节器时,其传递函数为

Gpc ( s ) ? K p

(4)

1. 给定位置环的性能指标如下: 1) 单位阶跃响应的超调量小于 30%; 2) 单位阶跃响应的调整时间小于 0.2s; 3) 闭环带宽不小于 4Hz。 当位置环分别采用 P 与 PI 调节器时,设计满足给定指标的调节器参数。 提示:1. 速度环可任选 P 或 PI 调节器(建议选 PI 调节器) ; 2.位置环调节器参数参考取值: K p ? 100 , ? n ? 0.0047 s , Tp ? 0.02 s 。 2. 根据设计的调节器参数,给出位置环采用 P 与 PI 调节器时的波特图,比较二 者的稳定裕量和剪切频率。

3. 给出位置环分别采用 P 与 PI 调节器时的闭环频率特性及频域指标 (闭环带宽, 谐振峰值,谐振频率) 。 4. 比较位置环采用 P 与 PI 调节器时的阶跃响应及瞬态响应指标 (超调量与调整 时间) 。

关于伺服电机控制系统的详细资料参见“运动控制系统实验指导书” 。