08级机电运动控制实验报告封面

第一篇：08级机电运动控制实验报告封面

实

验

报

告

（理工类）

课 程 名 称: 运动控制 课 程 代 码: 8426630 学生所在学院: 机械工程与自动化学院 年级/专业/班: 学 生 姓 名: 学 号: 实验总成绩: 任 课 教 师: 开 课 学 院: 机械工程与自动化学院 实验中心名称: 机械工程专业实验中心

第二篇：机电控制实验报告

机电控制实验报告

一、实验目的运用PLC和电箱实现电热壶中水的恒温控制。

二、实验方法

电箱外接220V电源；PLC和电热水壶都分别与电箱连接，由电箱供电；热敏电阻的铁棒部分伸入热水壶中，另一端与电箱相连，热敏电阻的阻值随着水温变化而变化，通过电箱中的电路，输出了变化的0-20mA的电流量。在输出端串联电阻，使得电流量变为电压量输入到PLC，通过AD转化为数字量，然后通过编程达到控制温度的目的。PLC输出端接电箱，可以控制电箱中某个接触器的闭合或断开，而这个接触器控制了电热水壶的供电。

三、编程思路

目标是将水温控制在70℃。由于加热时会有热惯性，因此加热至一定温度就应停止加热，等到水温上升并回落到一定温度后，再加热水一定时间然后停止加热，如此反复，使水温控制在一定的范围内波动。

总体思路是：1.只要水温低于某一温度A，无条件加热。

2.若水温低于温度B（B>A），且水温处于下降阶段，加热固定时间后停止。采样和滤波：采样周期是11秒，其中1秒是采样时间。在这一秒内AIW端口的数字量是不停跳动的，若把每个数据都收集下来不仅有许多无用的数据，而且也会对水温是上升还是下降做出错误的判断，因此这1秒内只记录数据的平均值，即每采集到一个数据就把这个数据与之前记录的数据求平均值。这样的求均值的方法中，1秒内前一时刻的数据的权重小于后一时刻数据的权重，不同时刻数据的权重不相同，但也能达到滤波的效果。同时，在11秒钟内的10秒时间中，把前一周期加权得到的数据保存到另外一个寄存器中。

两个寄存器：寄存器VW80和VW90记录了2个时刻的温度。其中VW80记录的是当前周期的温度，VW90是前一周期记录的温度。通过比较VW80和VW90的数值，可以判断目前水温是处于上升阶段还是下降阶段。将采样周期的时间设置的长一些（11秒）的原因之一就是为了能够正确判断，而不会因为采集到的数据的随机跳动影响判断。

加热控制：在达到70℃前提前停止加热，这个动作可以根据2种方法进行控制。一是加热到一定的温度，然后停止加热；二是加热一定的时间，然后停止加热。实验中我们选择的是第二种方案，每次加热都是只加热3秒钟。没有选择方法一的原因是，采样得到的温度并非实时的，而是每11秒得到一个温度数据；另外，在1秒内采样得到的数据是有波动的，可能发生水的实际温度已超过设定值，而加权平均得到的数据却小于这个值的情况，这会使得水温远远大于所要控制的温度范围。

四、实验结果

温度可以控制在正负1℃内，最好的情况是控制在正负0.5℃内。

五、结果分析

在编程中，我们设定了在温度下降阶段，若小于一定温度，则加热3秒，并且限定了是在计时器T3X开启后，才能进行加热。采样周期是11秒，因此每11秒最多加热3秒。即加热的判定条件有3条：1.采样时打开了总开关 2.温度处于下降阶段3.温度小于一定值。

而热敏电阻所测的温度并非是水的底部，而是中部某点的温度。因此，水的中部一边在接受底部传来的热量，一边又在向水面外的方向散热。当加热水3秒后，只有水的底部温度上升，而中部的温度还是保持原样，有时可能反而又下降了。若在11秒内，底部的水将热量传导到了中部的水，且温度上升，那么在接下来的一段时间里，中部的水温是上升阶段，不满足加热的条件2，可以顺利地控制温度。若在11秒内底部的热量未传导到中部，或传导的热量不足，使得下一周期测得的中部水温反而比之前低（符合条件2），且温度小于设定值（符合条件3），那么程序可能会判定符合加热条件，又一次加热3秒，这样，在接下来的时间里水的中部温度会大幅上升。最初设置的采样时间为5秒，因此容易出现连续加热的情况出现。

在编程时，我们一直在调整加热时间，设定的温度以及采样周期这三个参数。加热时间越短，使每次水温上升得越小；使设定的温度值接近控制的温度70℃，以使温度控制在更小的范围内；若采样周期长，则这一个采样周期内，底部的热量已经传导到中部并使温度上升，这样就不会造成错误判断，但采样周期过长会导致在一周期内水温已经下降过多，降低了温度控制的下限。

因此，最理想的情况是：最初水从常温加热至某一温度，停止加热，然后由于热惯性作用，水温上升并回落到规定的温度值，在某一周期的采样时，测得本周期水温低于前一周期温度，加热固定时间，并在一个周期的时间内水温经历了上升并回落至规定的温度的过程，然后继续加热。即最后水温的变化周期即等于采样周期。

这3个控制参数中，加热时间的控制有其局限性。因为电箱中是由接触器控制电热水壶，若加热时间过短，可能来不及响应，且响应太快可能也会损坏接触器。因此我觉得使用我们这个方法控制温度的精度取决于接触器本身。

最终我们选择的参数是采样周期11秒，设定的温度69.5℃，加热时间3秒。结果是最

好的情况是温度保持在69.5至70℃间，最差时是69.5至71℃间。造成这一问题的原因即是以上所说的，与热量的传导有关。

六、改进与思考

现在的控制精度还不是十分理想。在这个方法下，能做的就是不断调整三个参数，避免发生底部热量还未传导到中部但却再次加热的情况。但这个方法有其局限性，虽然在程序中我们可以调整的是三个参数，但实际上还有许多隐藏的参数。比如水量，热敏电阻的铁棒所处的位置等。

若是实际应用在电热水壶的温控装置，则应该有更多考虑。在本次实验中我们调整参数是在水量不变，热敏电阻铁棒位置不变的情况下进行的，但实际应用水量是不可能保证不变的。因此，采用每次加热固定时间的方式可能不恰当。而加热至某设定温度然后停止加热也不合适，原因也是与热量在水中的传导有关。比较合理的方法是每次加热的时间不是固定的，而是根据之前采集的各个时间点的温度，以及之前各次的加热时间，来计算出本次合适的加热时间。采用PID控制可以实现这样的功能，但是程序会变得更加复杂。并且，由于热水壶本身的特性未知，控制中的参数也需要进行标定。

七、实验感想

首先我觉得这次的机电实验非常有趣。之前在电工实验中，也有一次PLC的实验，但所实现的功能都是比较简单的，控制灯的亮暗之类的，实现的方法比较单一。但是这次实验中要实现控温，可以有多种方案，具体如何实施，不是看教课书上如何讲而是靠自己进行判断的。

之前做过各种实验，化学实验，物理实验，电工实验，力学以及热学的实验，每种实验都是事先按照已经规定的方法进行的。有的实验甚至只需要按几下按钮，采集一下数据就结束了。而这次实验操作性很强，并且的确能够学到东西。比如实验中，需要特定温度所对应的数字量时，刚开始我考虑的是根据温度，电阻，电流输出量以及外接的电阻计算所对应的数字量，但之后发现这样并不精确。各个器材本身是存在误差的，即使理论上是线性对应的，但是实际并非如此。理论值的计算只能是个参考，要确定各个温度所对应数字量只能实际进行测量。

本次实验的特点就是操作性和开放性。不过在这次实验中主要的工作是温控方案以及梯形图的编写上。如果在接线上也是开放性的就更好了。

第三篇：运动控制上机实验报告

基于SIMULINK的双闭环直流调速系统仿真

张磊

（江南大学 物联网工程学院, 江苏 无锡 214122)摘要：本文首先介绍了双闭环直流调速系统的组成及其特性，接着建立了其动态数学模型，分析了其动态性能，并通过SIMULINK仿真技术研究了其抗负载扰动能力。实验结果表明，双闭环直流调速系统具有良好的抗负载扰动特性。

关键词:抗负载扰动 动态数学模型 动态性能 SIMULINK The double-loop DC speed control system simulation

Based on SIMULINK

Zhang Lei(School of Internet of Things Engineering, Jiangnan University, Wuxi Jiangsu 214122, China)Abstract:This paper introduces the double-loop DC speed system components and their characteristics, and then built its dynamic mathematical model to analyze its dynamic performance, and through SIMULINK simulation technology for its anti-load disturbances.Experimental results show that the double-loop DC speed control system has a good anti-load disturbance characteristics.Keywords: Anti-load disturbance Dynamic mathematical model Dynamic Performance SIMULINK

1引言

转速、电流双闭环直流调速系统调速范围宽、平稳性好、稳速精度高以及具有良好的动态性能，广泛应用于冶金、建材、印刷、电缆、机床和矿山等行业，在拖动领域中发挥着极其重要的作用，具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差，但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要，可以采用转速和电流两个调节器构成转速、电流双闭环调速系统，以获得近似理想的过渡过程。

图1 转速、电流双闭环直流调速系统 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图，如图2所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Um*决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。

2双闭环双闭环直流调速系统的组成及其特性

2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接，如图1所示。即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

图2 双闭环直流调速系统电路

原理图 2.2稳态结构图和静特性

双闭环直流系统的稳态结构图如图3所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳稳态特征，一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值；不饱和——输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器推出饱和，此时饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压U在稳太时总是为零。

实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节饱和与不饱和的两种情况。

图3 双闭环直流调速系统的

稳态结构框图

3双闭环直流调速系统的数学模型

3.1双闭环调速系统的动态数学模型

双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图4所示，图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id显露出来。

图4 双闭环直流调速系统的

动态结构框图

3.2起动过程分析

双闭环调速系统突加给定电压Un*由静止状态起动时，转速和电流的动态过程如图5所示。在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程分成图中标明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。

图5 双闭环直流调速起动过程的

转速和电流波形

第I阶段（0—t1）电流上升的阶段。突加给定

电压 Un*后，Id上升，当Id小于负载电流IdL时，电

机还不能转动。当Id≥IdL后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，转速调节器ASR输入偏差电压仍较大，ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。直到Id≈Idm，Ui≈Uim*。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，ACR一直不饱和。

第II阶段（t1--t2）恒流升速阶段。ASR始终

是饱和的，转速环相当于开环，系统为在恒值电流Uim*给定下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，直到n=n*。电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，Ud0和Uc也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，Id应略低于Idm。在这一阶段，ASR处于饱和状态，电流无静差系统，转速线性上升，Id略小于Idm。

第Ⅲ阶段（t2 以后）转速调节阶段。ASR

和ACR都不饱和，ASR起主导作用，ACR力图使

Id尽快地跟随Ui*，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。当n=n*时，ASR输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Uim*，所以电机仍在加速，使转速超调。ASR输入偏差电压变负，开始退出饱和，Ui*和Id很快下降。但是，只要Id仍大于负载电流IdL，转速就继续上升。直到Id=IdL时，转矩Te=TL，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（t=t3时）。此后，电动机在负载的阻力下减速，在一小段时间内（t3-t4），Id

综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制；（2）转速超调；（3）准时间最优控制。

4双闭环直流调速系统的抗负载扰动仿真

双闭环调速系统一般来说具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗干扰性。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。本文研究了双闭环调速系统的抗负载扰动性能。

双闭环调速系统的抗负载扰动结构图如图5所示，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。

图5 双闭环调速抗负载扰动作用

本文研究了双闭环调速系统的抗负载扰动性能，基于MATLAB/SIMULINK接线图如图6所示，无扰动信号、阶跃扰动信号、正弦扰动信号作用下输出转速仿真结果如图7的（a）（b）（c）所示。

图6双闭环调速系统的抗负载扰动接线图

(a)无扰动信号

（b）阶跃扰动信号

（c）正弦扰动信号

实验结果表明，IdL改变时，负载扰动能较快的反映到被调量n上，从而得到调节，该系统具有很好的抗负载扰动性能。小结

由双闭环调速系统抗负载扰动作用的动态结构图可以看出，负载扰动作用在电流环之外，转速环之内，所以双闭环调速系统在抗扰动方面和单闭环调速系统只能依靠转速环来进行抗扰调节。通过以上的仿真实验，转速环有效地抑制并消除了负载扰动的影响。

参考文献：

[1]王兆安，等.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.[2]张广溢，等.电机学[M].重庆：重庆大学出版社，2002.[3]王军.自动控制原理[M].重庆：重庆大学出版社，2008.[4]导向科技.Protel DXP电子电路设计培训教程[M].北京：人民邮电大学出版社，2003.[5]周渊深.交直流调速系统与Matlab仿真[M].北京：中国电力出版社，2004.

第四篇：实验报告封面格式

现代产品创新设计

实验报告

班级：_________ 姓名：_________ 学号：_________ 成绩：_________

第五篇：实验报告封面格式

浙江科技学院 课程名称：学

院：专 业 班：姓

名：学

号：指导教师：实验报告

有机化学实验

生物与化学工程学院

化工专升本131

戴世城

3130422044 俞远志

2013 年 月

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一溴丁烷的制备

-苯甲酸的合成乙酸乙酯的制备