《微机控制系统实习》指导书3.doc

《微机控制系统实习》实习指导书4.1 直流电机调速控制4.1.1 实习目的1. 能够通过键盘给定电机转速，并通过LED显示当前转速；，超调量要小于0.2nr，振荡次数小于5次。 5. 空载情况下转速的误差要小于10%。 扩展要求：1. 了解步进电机控制的基本原理。三相步进电机驱动可以采用双相三拍方式：AB-BC-CA-AB；用键盘设置步进电机的驱动方式，转动角度，并由LED显示4.3.1 实习目的1. 掌握微处理器实现闭环控制的基本原理附录A 被控对象数学模型的建立方法 要想建立一个被控对象的数学模型，要掌握好三类主要的信息源： 1．要确定明确的输入量与输出量。 因为同一个系统可以有很多个研究对象，这些研究对象将规定建模过程的方向。只有确定了输出量目标才得以明确。而影响研究对象的输出量发生变化的输入信号也可能有多个，通常选一个可控性良好、对输出量影响最大的一个输入信号作为输入量，而其余的输入信号则为干扰量。 2．要有先验知识。 在建模中，所研究的对象是工业生产中的各种装置和设备，例如换热器、工业窑炉、蒸汽锅炉、精馏塔、反应器等等。而被控对象内部所进行的物理、化学过程可以是各色各样的，但它们必定符合已经发现了的许多定理、原理及模型。因此在建模中必须掌握建模对象所要用到的先验知识。 3．试验数据。 在进行建模时，关于过程的信息也能通过对对象的试验与测量而获得。合适的定量观测和实验是验证模型或建模的重要依据。 被控对象的数学模型建立方法框图可用图A.1表示。 图A.1 数学模型建立方法框图 对被控对象数学模型的要求，首先是要求它准确可靠，但这并不意味着愈准确愈好，应根据实际应用情况提出适当的要求。超过实际需要的准确性要求必然造成不必要的浪费。在线运用的数学模型还有一个实时性的要求，它与准确性要求往往是矛盾的。实际生产过程的动态特性是非常复杂的。在建立其数学模型时，往往要抓住主要因素，忽略次要因素，否则就得不到可用的模型。为此需要做很多近似处理，例如线性化、分布参数系统集总化和模型降阶处理等。 以下以建立加热炉温度控制系统的数学模型为例，说明建立被控对象的数学模型基本方法和过程。 确定系统的输入量与输出量。 本系统中，输入量应选电热炉的加热功率u，输入量应选炉温y。 2．根据电热炉运行原理建立描述系统运行规律的微分方程。 电热炉系统在运行过程中，电加热产生的热量减去流失的热量等于造成电热炉温升所需要的热量。可通过公式A.1来描述。 （A.1） 其物理意义为：单位时间炉温升高所用的热量等于单位时间内流入炉子热量与流出炉子热量之差。其中： 于是有令则。 那么加热炉的传递函数可用公式A.2来描述。 （A.2） 3．获取实验数据。 在公式A.2中，参数C，α，K1需要通过对电热炉进行定量观测和实验获得，带入公式A.2即可获得电热炉的数学模型。 附录B 直流电机的速度控制原理 1．直流电机调速原理 根据励磁方式不同，直流电机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。对于直流电机来说，人为机械特性方程式为： （B.1） 式中，UN、ΦN —— 额定电枢电压、额定磁通量； Ke、Kt —— 与电机有关的常数； Rad、Ra —— 电枢外加电阻、电枢内电阻； n0、△n —— 理想空载转速、转速降。 分析B.1式可得，当分别改变UN、ΦN和Rad时，可以得到不同的转速n，从而实现对速度的调节。由于Φ=f(If)，当改变励磁电流If时，可以改变磁通量Φ的大小，从而达到变磁通调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流If和磁通量Φ只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻Rad时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。 基于以上特性，改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。改变电枢电压可通过多种途径实现，如晶闸管供电速度控制系统、大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。 2．PWM 基本原理 PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。 在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。 在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。 设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为