1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于网络实验平台的电机控制系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 “ CATS”全称为“ Control and Automation Training System”即 控制与自动化专业 培训系统，是 将理论教学与实践教学于一体 的一套设备 。我们把 需要控制电机的输入量先利用 MATLAB 软件编程然后通过“ CATS”系统输入到电机中从而控制电机的运行。本文主要利用“ CATS”系统和 MATLAB 软件设计的前期必要准备和对设计控制系统的分析。本次设计分为以下几
2、个部分：总体设计，实验准备， 电机控制系统的阶跃响应，电机控制系统的稳定性分析，电机控制系统的根轨迹分析，电机控制系统的设计。根据要求本文利用 “ CATS”实验设备以及MATLAB 仿真软件通过理论与实际相结合 完成了电机控制系统的阶跃响应，电机控制系统 的稳定性分析，电机控制系统的根轨迹分析，电机控制系统的设计。在阶跃响应中利用图像对系统的时域进行了分析；稳定性分析是利用系统的建立的传递函数的特征根和电机运行曲线来分析控制系统的稳定性；根轨迹分析是利用系统的建立的传递函数根轨迹分布和极点的值来分析的。最后我设计了一个系统用超调量的变化来分析系统的性能。 关键词 ： CATS；阶跃响应；稳定
3、性；传递函数 - 2 - Abstract “CATS“ the whole is called “Control and Automation Training System“ that control and automation professional training system, is teaching the theory and practice of teaching in one set of equipment. We need to control the motors input using MATLAB software program first and the
4、n “CATS“ input to the motor system to control motor operation. In this paper, using “CATS“ system and the MATLAB software and the necessary preparations for the preliminary design of control systems analysis. The design is divided into the following sections: general design, experiment preparation,
5、the step response of motor control systems, motor control system stability analysis, motor control system root locus analysis, motor control system. In this paper, upon request, “CATS“ test equipment and simulation software MATLAB through a combination of theory and practice basic completion of the
6、step response of motor control systems, motor control system stability analysis, motor control system of the root locus analysis, motor control system design. In the step response of the system, I use images are analyzed in time domain; stability analysis is to use the system to establish the charac
7、teristics of the transfer function curve to the roots and motor control system stability analysis; root locus analysis is the use of the system root locus to establish the transfer function of the value of the distribution and analysis of the pole. Finally, I designed a system changes with the overs
8、hoot to analyze system performance. Key words： CATS;Step response; Stability; Transfer function - 3 - 目 录 1 引言 .1 2 总体设计 .3 3 实验准备 .4 3.1 CATS 系统的流程图 .4 3.2 MATLAB 的设置 .4 4 电机控制系统的阶跃响应 .14 4.1 实验目的 .14 4.2 实验设备及仪器 .14 4.3 实验原理 .14 4.3.1 阶跃响应 .14 4.3.2 MATLAB中控制系统数学模型（传递函数）的表示方法 .14 4.4 实验内容 .17 4.4.
9、1 阶跃输入 .17 4.4.2 结果分析 .20 5 电机控制系统的稳定性分析 .21 5.1 实验目的 .21 5.2 实验设备及仪器 .21 5.3 实验原理 .21 5.3.1 稳定性的概念 .21 5.3.2 判断稳定性的原理 .21 5.3.3 时域法稳定性分析 .22 5.3.4 频域法稳定性分析 .22 5.4 实验内容 .26 5.4.1 建立传递函数 .26 5.4.2 模型和实际比较 .27 5.4.3 结果分析 .28 6 电机控制系统的根轨迹分析 .29 6.1 实验目的 .29 6.2 实验设备及仪器 .29 6.3 实验原理 .29 6.3.1 根轨迹概念 .29
10、 6.3.2 MATLAB绘制根轨迹图的指令 .30 6.4 实验内容 .31 6.4.1 设置传函 .31 6.4.2 编写程序 .31 6.4.3 结果分析 .34 7 电机控制系统的设计 .35 7.1 实验目的 .35 - 4 - 7.2 实验设备及仪器 .35 7.3 实验原理 .35 7.3.1 超调量 .35 7.3.2 系统结构 .35 7.4实验内容 .36 7.4.1 设置不同超调量 .36 7.4.3 实验结论 .40 8 结论 .41 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .42 - 1 - 1 引言 随着计算机技术的发展， 网络化是当今世界的主流，如今的自动控制
11、系统不仅可以通过传统的数字量、模拟量控制，还能通过现场总线或工业以太网实现控制，进而实现资源的共享，避免单机设备因缺乏信息资源的共享而造成“自动化孤岛效应”，甚至还可以通过利用计算机与互联网，通过组态软件在计算机组态，完成远程控制 。 网络控制系统是指建立在数字总线基础之上的控制系统。随着现场总线控制的推广应用，网络控制这一融合最新通信网络技术的计算机控制技术已越来越引起人们的广泛关注。与传统的点对点控制系统相比，网络控制系统具有可靠性高、系统连线少、结构灵活、通信协议开放等诸多优点。然而，由于控制网络采用串行数字通信方式，各节点将按照协议规范共享网络通信资源，从而不可避免将把网络环境中诸多不
12、确定因素引入控制系统。如何在网络环境下，充分考虑网络时延等对控制系统的影响，是进行网络控制系统分析与设计的关键。 网络实验平台的电机控制系统是网 络控制系统的一种表现形式。通过设计可以使电机完成远程控制。方便了电机的使用。 在学校和大学的研究正变得越来越紧凑和压缩 。利用计算机技术和网络技术不但可以模拟现实试验环境 1 , 而且还能解决实验设备的紧缺问题 , 提高现有实验设备的利用率。同时获得授权的学员可以在任何地方、任何时间通过网络试验平台做试验。国外很多大学实验室也都在进行网络虚拟试验方面的研究 2。 所以在控制工程专业、自动化专业以及控制技术专业，教学目标要求学生能更有效的把理论与实践有
13、机地结合起来。 通过 “CATS” 实验设备，自动化领域的论文、仿真 以及测试便可像实际工业应用一样，以一种易于理解的方式逐步建立起来 3。 而“ CATS” 实验设备是通过 MATLAB 软件实现。 MATLAB 是矩阵实验室（ Matrix Laboratory）的简称，是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。 而 MATLAB 的 是一个功能强大、具有良好交互性的科学及工程计算软件 ,它提供相当丰富的工具箱 ,使用户能非常有效地计算或模拟各种科
14、学及工程问题 . 除 了自身功能强大之外 ,它还具有非常好的扩- 2 - 展性 ,使得用户可以使用自己熟悉的开发平台 (语言 )来使用 MATLAB 强大的计算资源 ,如 C, C + + ,C#,Java 等等 4。 可以直接调用 ,用户也可以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB 函数库中方便自己以后调用，此外许多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。所研制开发的MathWorks 矩阵 ,MATLAB 允许的操作、功能和数据 ,绘制算法 ,创造实施的用户界面 ,和接口程序来用其他语言编程。虽然它是一个可选的工具箱 ,数字只使用MuPAD 象征性的
15、引擎 ,允许访问计算机代数的能力 5。 另外 Simulink 仿真和图形文献补充说 明 对动态设计模型和嵌入式系统中使用 。 - 3 - 2 总体设计 MATLAB 中提供了丰富的信号处理的方法， 首先 在 MATLAB 中先编写我们所需要的 阶跃响应 实验仿真程序 ，然后通过 CATS 系统输入到电机中，控制电机按照我们编写的要求运行，并在运行中把电机的状态反馈到计算机中用图像显示出来结果，通过图像进行时域分析。而 CATS 系统还会根据实验的结果的一些数据在 MATALAB 中作出传递函数，然 后通过观察来对这个系统进行时域分析、稳定性分析和根轨迹分析等。 本设计要求应用 CATS 系统
16、设计出基于网络实验平台的电机控制实验项目： （ 1）电机控制系统的阶跃响应； （ 2）电机控制系统的稳定性分析； （ 3）电机控制系统的根轨迹分析； （ 4）电机控制系统的设计。 - 4 - 3 实验准备 3.1 CATS 系统的流程图 图 3-1 流程图 图 3-1 是利用“ CATS”系统和 MATLAB 软件仿真出控 制电机系统相对应的传递函数的流程图，本实验也是通过这个流程图进行的。 3.2 MATLAB 的设置 （ 1） 打开 LapMap，从处理文本框你会发现你的 输入和输出量 。从 图3-2 中我们可以发现连接状态是 “成功 ”。 然后把 “5V电压通过 “send Ihe ne
17、w valve”.输入 IP 地址 :192.168.0.31 的电机，电机 将会 运行 。 Step 阶跃 Response 响应 Identification/系统鉴定 Computer model design/电脑辅助建模 2100)(SSaabsG- 5 - 图 3-2 电机运行的量 图中由上至下第一张是电机运行是的瞬时电压；第三张是电机瞬时转速 ; （ 2） 实现与 Matlab / Similink。打开 “Matlab 的 ”，找 到并打开 “Simulink的 ”如图 3-3。 图 3-3 Matlab and Simulink 标签 （ 3）新建一个 Simulink 文件 在浏览器左 上角 ，你可以找到一个新的模式建设的按钮 如图 3-4，并新建一个空白的 Simulink 文件。
