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东南大学自动化学院
姓 名：专 业：组 别：设计时间：评定成绩：
《自动控制原理实验》
实验报告
控制基础综合大实验
学 号： 自动化 实 验 室： 同组人员： 2015年5 月 22日
审阅教师：
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一、 设计内容 ................................................................................................................................. 3
（一） 任务要求 ..................................................................................................................... 3 （二） 性能指标 ..................................................................................................................... 3 （三） 验收基本要求 ............................................................................................................. 3 二、 熟悉实物功能 ......................................................................................................................... 3
（一） 电机组 ......................................................................................................................... 3 （二） PWM ........................................................................................................................... 5 （三） 光码盘 ......................................................................................................................... 5 （四） 采集卡 ......................................................................................................................... 5 （五） MATLAB/SIMULINK ................................................................................................ 6 三、 经典PID控制方法 ................................................................................................................ 7
（一） 经典PID控制器 ........................................................................................................ 7 （二） 经典PID方法的局限性 ............................................................................................ 7 （三） 现代控制理论 ............................................................................................................. 8 四、 实验理论基础——现代控制理论 ......................................................................................... 8
（一） 状态空间模型 ............................................................................................................. 8 （二） 状态观测器 ................................................................................................................. 9 （三） 状态反馈 ................................................................................................................... 11 （四） 位置系统控制结构图 ............................................................................................... 14 五、 实验仪器及设备 ................................................................................................................... 14 六、 建模过程 ............................................................................................................................... 15
（一） 电机速度模型 ........................................................................................................... 15 （二） 电机速度传递函数 ................................................................................................... 15 （三） 电机非线性特性死区测量及消除 ........................................................................... 20 （四） 电机位置传递函数 ................................................................................................... 21 （五） DA卡的电平匹配 .................................................................................................... 23 七、 详细设计步骤与仿真 ........................................................................................................... 24
（一） 建立状态空间模型 ................................................................................................... 24 （二） 状态观测器设计 ....................................................................................................... 25 （三） 状态反馈设计及仿真效果 ....................................................................................... 27 （四） 整体仿真 ................................................................................................................... 29 八、 完整接线及调试 ................................................................................................................... 30
（一） 系统实际SIMULINK .............................................................................................. 30 （二） 实物图连接线路图 ................................................................................................... 32 （三） 输出波形 ................................................................................................................... 33 九、 实验总结 ............................................................................................................................... 35
（一） 实验过程中出现的问题及其解决方案 ................................................................... 35 （二） 实验过程中注意点 ................................................................................................... 36 （三） 实验小结 ................................................................................................................... 36
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一、设计内容
（一）任务要求
1．给小型直流电机机组和其他辅助装置，设计完整的位置控制系统。采用现代控制理论极点配置的控制方法，应用Matlab/Simulink软件对控制系统进行辅助分析和设计，并运用Simulink实时控制功能设计控制器，使系统满足给定的性能指标。
2．小组讨论并设计实验步骤。 3．系统要尽量准确建模。
4．时间约20个学时，采用实验室开放形式。 5．实物当面验收和交大型实验报告。
（二）性能指标
1．无位置误差 （360o之内） 2．定位响应时间 ts?0.s3 （360o之内） 3．定位超调量 ??20% （360o之内）
（三）验收基本要求
1．要有原物理功能框图和照片，实物系统接线图，数学模型框图，Simulink仿真框图和结果，完整控制系统框图和接线图。
2．设计和计算过程。 3．电机能够基本定位。
二、熟悉实物功能
（一）电机组
1．电机的工作原理
电磁力定律和电磁感应定律。直流电动机利用电磁力定律产生力合转矩。直流发电机利用电磁感应定律产生电势。电动机包含三部分：固定的磁极、电枢、换向片和电刷。只要维持电动机连续旋转，保证电磁转矩的方向不变，才能维持电动机不停地转动。实现上述现象
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的方法是导体转换磁极时，导体的电流方向必须相应的改变。而换向片和电刷就是实现转换电流方向的机械装置。改变电刷A、B上电源的极性，也就改变了电机转动的方向。这就是正转反转的原理
2．转矩平衡方程
dwT?T?T?Jem0LdtT(t)?KtIa(t)emEa(t)?Kew(t)dw(t)?Tc(t)dtdI(t)Ua(t)?Laa?RaIa(t)?Ea(t)dtT(t)?Jem
T是电动机的负载转矩，T是电机本身的阻转矩，T 是电枢转子受到的电磁转矩，
L0emJdw是负载折算到转子本身的转动惯量乘以转子的转速。电机存在死区可以这样理解，死dtem要克服T带来的转矩，所以电机在死区范围内，能量都消
区主要由摩擦产生，开始时T0耗在阻力上。
直流电动机采用电枢控制时，机械特性和调节特性都是直线，特性曲线族是平行直线，这表明直流电机是线性元件。电枢控制的缺点是需要较大的控制功率，要用较大容量的功率放大器。
3．电机实物图
注：u1,u2接5V，电机2.5V左右不转，0V反转，5V正转；L11,L12接电动机驱动器输出， L21,L22是发电机输出。
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（二）PWM
冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。
（三）光码盘
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。
在simulink中建立模型如下所示：
通过拨动电机的指针，可以观察到Display2上面示数的变化。
（四）采集卡
数据采集卡采用研华产的PCI-1711，它可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机内，其采样频率为100K；有16路单端A/D模拟量输入，转换精度均为12位；2路D/A模拟量输出，转换精度均为12位；16路数字量输入，16路数字量输出。接口板安装在计算机内