电压测量装置的设计.doc

1、 电压测量装置原理及结构图 如图1-1是一个电压测量装置，也是一个反馈控制装置。是待测量电压，是指示的电压测量值。如果不同于，就产生误差电压，经调制、放大后，驱动两相伺服电动机运转，并带动测量指针移动，直至。这时指针指示的电压值即是待测量的电压值。 系统由于比较电路、机械调制器、放大器、两相伺服电动机及指针结构组成。首先，考虑负载效应应分别列写各元部件的微分方程并在零初始条件下进行拉什变换,于是有 比较电路 微分方程 传递函数 调制器 微分方程 传递函数 放大器 微分方程 传递函数 两相伺服电动机 微分方程 传递函数 式中，是电动机转矩；是电动机堵转转矩；是控制电压；是电动机角位移；和分别是折算到电动机上的总转动惯量及总粘性摩擦系数。 绳轮传动机构 微分方程 传递函数 式中，是绳轮半径；是指针位移。 测量电位器 微分方程 传递函数 图1-1电压测量装置系统结构图 2、 电压测量装置的传递函数 根据系统结构图，可求得系统的开环传递函数和闭环传递函数分别为： 开环传递函数 （2-1）闭环传递函数 （2-2） 其中，取放大器的开环增益=2，两相伺服电动的开环增益=5，绳轮半径取0.4，测量电位器的开环增益=2.5，=1 则系统的开环传递函数可写为 （2-3） 闭环传递函数可写为 （2-4） 3、 系统的性能指标分析 由二阶系统闭环传递函数的标准形式 （3-1） 根据公式，可得出 ，； 并根据公式，可得出 ，=1.74. 3.1 时域性能指标 由于0 1，由此可以看出该系统处于欠阻尼状态，于是该系统的时域性能指标分别为： 延迟时间： 指响应曲线第一次达到其终值一半所需要的时间 。 =0.35 2、上升时间：指响应从零第一次上升到终值所需的时间。上升时间是系统响应速度的一种度量。上升时间越短，响应速度越快。 =0.45 3、峰值时间：指响应超过其终值到达第一个峰值所需要的时间。 =1.01 4、超调量：指响应的最大偏离量与终值的差与终值比的百分数。 =0.51% 5、调节时间：指响应达到并保持在终值5%内所需要的最短时间。 =6.92 3.2 频域性能指标： 1、谐振峰值：系统尼科尔斯曲线与尼科尔斯图线相切点对应M的最大值。 =3.17 2、谐振频率：谐振峰值处所对应的频率。 =3.07 3、带宽频率：当闭环幅频特性下降到频率为零时的分贝值以下3分贝时，对应的频率。 =1.36 4、截至频率：穿越0分贝线时的频率。 =3.07 5、相角裕度：对于闭环稳定系统，如果系统的开环相频特性再滞后°，则系统将处于临界稳定状态。 =71° 4、 系统稳定性分析 一般情况下，分子阶次为，分母阶次为的开环传递函数可表示为 因为系统的开环传递函数为 由此可见=1，此系统为型系统。 表4-1输入信号作用下的稳态误差 型别 稳态误差系数 阶跃输入 斜坡输入 加速度输入 位置误差 速度误差 加速度误差 0 Ⅰ Ⅱ Ⅱ 由表4-1可见，型系统的静态误差系数分别为： 位置误差 速度误差 加速度误差 在单位斜坡输入信号作用下 系统的稳态误差 系统的动态系数 5、 无源校正装置及其特性 当被控对象给定后，按照被控对象的工作条件，被控信号应具有的最大速度和加速度要求等，可以初步选定执行元件的型式、特性和参数。然后，根据测量精度、抗扰能力、被测信号的物理性质、测量过程中的惯性及非线性度等因素，选择合适的测量变送元件。在此基础上，设计增益可调的前置放大器与功率放大。这些初步选定的元件与被控对象适当组合起来，使之满足表征控制精度、阻尼程度和响应速度的性能指标。如果通过调整放大器增益后仍不能全面满足设计要求的性能指标，这就需要在系统中增加一些参数及特性可按需要改变的校正装置，使系统性能全面满足设计要求。这就是控制系统设计中的校正问题。 无源校正网络有如下形式： 5.1 无源超前网络 如图5-1是无源超前网络的电路图及其零、极点分布图。如果输入信号源的内阻为零，且输出端的负载阻