自动控制系统实验教案

图5-3 电压单闭环系统原理图

在本实验中DJK04上的“调节器I”做为“速度调节器”和“电压调节器”使用，“调节器II”做为“电流调节器”使用；若使用DD03-4不锈钢电机导轨、涡流测功机及光码盘测速系统和D54-4智能电机特性测试及控制系统两者来完成电机加载请详见附录相关内容。

四、实验内容

(1)DJK04上的基本单元的调试。 (2) 转速单闭环直流调速系统。 (3 电流单闭环直流调速系统。 (4) 电压单闭环直流调速系统。

五、预习要求

(1)复习自动控制系统(直流调速系统)教材中有关晶闸管直流调速系统、闭环反馈控制系统的内容。

(2)掌握调节器的基本工作原理。

(3)根据实验原理图，能画出实验系统的详细接线图，并理解各控制单元在调速系统中的作用。

(4)实验时，如何能使电动机的负载从空载(接近空载)连续地调至额定负载?

六、实验方法

(1)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试

①打开DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。

②将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。 ③用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电源开关，拨动 “触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。

④观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。

⑤将DJK04上的“给定”输出Ug直接与DJK02-1上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S2

拨到接地位置（即Uct=0），调节DJK02-1上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相同步电压信号和“双脉冲观察孔” VT1的输出波形，使α=120°(注意此处的α表示三相晶闸管电

路中的移相角，它的0°是从自然换流点开始计算，而单相晶闸管电路的0°移相角表示从同步信号过零点开始计算，两者存在相位差，前者比后者滞后30°)。

⑥适当增加给定Ug的正电压输出，观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。

⑦用8芯的扁平电缆，将DJK02-1面板上“触发脉冲输出”和“触发脉冲输入”相连，使得触发脉冲加到正反桥功放的输入端。

⑧将DJK02-1面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正桥触发脉冲输出”端和DJK02“正桥触发脉冲输入”端相连，并将DJK02“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”，观察正桥VT1～VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。

(2) 基本单元部件调试

①移相控制电压Uct调节范围的确定

直接将DJK04“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”输出接电阻负载R，用示波器观察Ud的波形。当给定电压Ug由零调大时，Ud将随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值时，此时Ud接近为输出最高电压值Ud＇，一般可确定“三相全控整流”输出允许范围的最大值为Udmax=0.9Ud＇，调节Ug使得“三相全控整流”输出等于Udmax，此时将对应的Ug＇的电压值记录下来，Uctmax= Ug＇，即Ug的允许调节范围为0～Uctmax。如果我们把输出限幅定为Uctmax的话，则“三相全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。记录Ug＇于下表中：

Ud＇ Udmax=0.9 Ud＇ Uctmax=Ug＇ 将给定退到零，再按“停止”按钮，结束步骤。 ②调节器的调整 A、调节器的调零

将DJK04中“调节器I”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻40K接到“调节器I”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“调节器I”成为P (比例)调节器。用万用表的毫伏档测量“调节器I”的“7”端的输出，调节面板上的调零电位器RP3，使之输出电压尽可能接近于零。

将DJK04中“调节器II”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接到“调节器II”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“调节器II”成为P（比例）调节器。用万用表的毫伏档测量调节器II的“11”端的输出，调节面板上的调零电位器RP3，使之输出电压尽可能接近于零。

B、 正负限幅值的调整

把“调节器I”的“5”、“6”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端，使调节器I成为PI (比例积分)调节器，将“调节器I”的所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器I的“3”端。当加+5V的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压尽可能接近于零；当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使调节器I的输出正限幅为Uctmax。

把“调节器II”的“9”、“10”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“9”、“10”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，将“调节器II”所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器II的“4”端，当加+5V的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压尽可能接近于零。当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使调节器II的输出正限幅为Uctmax。

C、电流反馈系数的整定 直接将“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，整流桥输出接电阻负载R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。

按下启动按钮，从零增加给定，使输出电压升高，当Ud=220V时，减小负载的阻值，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，使得负载电流Id=l.3A时，“2”端If的的电流反馈电压Ufi=6V，这时的电流反馈系数β= Ufi/Id= 4.615V/A。

D、转速反馈系数的整定

直接将“给定”电压Ug接DJK02-1上的移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机负载，Ld用DJK02上的200mH，输出给定调到零。

按下启动按钮，接通励磁电源，从零逐渐增加给定，使电机提速到n =150Orpm时，调节“转速变换”上转速反馈电位器RP1，使得该转速时反馈电压Ufn=-6V，这时的转速反馈系数α=Ufn/n =0.004V/(rpm)。

E、电压反馈系数的整定

直接将控制屏上的励磁电压接到电压隔离器的“1、2”端，用直流电压表测量电压隔离器的输入电压Ud，根据电压反馈系数γ=6V/220V=0.0273，调节电位器RP1使电压隔离器的输出电压恰好为Ufn= Udγ。

(3)转速单闭环直流调速系统

①按图5-1接线，在本实验中，DJK04的“给定”电压Ug为负给定，转速反馈为正电压，将“调节器I”接成P（比例）调节器或PI（比例积分）调节器。直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，给定输出调到零。

②直流发电机先轻载，从零开始逐渐调大“给定”电压Ug，使电动机的转速接近n=l200rpm。

③由小到大调节直流发电机负载R，测出电动机的电枢电流Id，和电机的转速n，直至Id=Ied，即可测出系统静态特性曲线n =f(Id)。

n（rpm） Id（A） (4)电流单闭环直流调速系统

①按图5-2接线，在本实验中，给定Ug为负给定，电流反馈为正电压，将“调节器II”接成比例（P）调节器或PI（比例积分）调节器。直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，将给定输出调到零。

②直流发电机先轻载，从零开始逐渐调大“给定”电压Ug，使电动机转速接近n=l200rpm。 ③由小到大调节直流发电机负载R，测定相应的Id和n，直至最大允许电流(该电流值由给定电压决定)，即可测出系统静态特性曲线n =f(Id)。

n（rpm） Id（A） (5)电压单闭环直流调速系统

①按图5-3接线，在本实验中，给定Ug为负给定，电压反馈为正电压，将“调节器I”接成比例（P）调节器或PI（比例积分）调节器。直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，将给定输出调到零，在“电压隔离器”输出端“3”与地之间并联6uF电容(从DJK08获得)。

②直流发电机先轻载，从零开始逐渐调大“给定”电压Ug，使电动机转速接近n=l200rpm。

③由小到大调节直流发电机负载R，测定相应的Id和n，直至电动机Id=Ied，即可测出系统静态特性曲线n =f(Id)。

n（rpm） Id（A） 七、实验报告

(1) 根据实验数据，画出转速单闭环直流调速系统的机械特性。 (2) 根据实验数据，画出电流单闭环直流调速系统的机械特性。 (3) )根据实验数据，画出电压单闭环直流调速系统的机械特性。

(4) 比较以上各种机械特性，并做出解释。 八、思考题

(l)P调节器和PI调节器在直流调速系统中的作用有什么不同? (2)实验中，如何确定转速反馈的极性并把转速反馈正确地接入系统中?调节什么元件能改变转速反馈的强度?

(3)改变“调节器I”和“调节器II”上可变电阻、电容的参数，对系统有什么影响？ 九、注意事项

(1)双踪示波器有两个探头，可同时观测两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意外。

(2)电机启动前，应先加上电动机的励磁，才能使电机启动。在启动前必须将移相控制电压调到零，使整流输出电压为零，这时才可以逐渐加大给定电压，不能在开环或速度闭环时突加给定，否则会引起过大的启动电流，使过流保护动作，告警，跳闸。

(3)通电实验时，可先用电阻作为整流桥的负载，待确定电路能正常工作后，再换成电动机作为负载。

(4)在连接反馈信号时，给定信号的极性必须与反馈信号的极性相反，确保为负反馈，否则会造成失控。

(5)在完成电压单闭环直流调速系统实验时，由于晶闸管整流输出的波形不仅有直流成分，同时还包含有大量的交流信号，所以在电压隔离器输出端必须要接电容进行滤波，否则系统必定会发生震荡。

(6)直流电动机的电枢电流不要超过额定值使用，转速也不要超过1.2倍的额定值。以免影响电机的使用寿命，或发生意外。

(7)DJK04与DJK02-1不共地，所以实验时须短接DJK04与DJK02-1的地。