一种双闭环直流调速系统的教学实验装置的制作方法

本发明涉及控制工程技术领域，特别是涉及一种双闭环直流调速系统的教学实验装置。

背景技术：

双闭环直流调速系统是典型的电气传动控制系统，是自动化、电气工程及其自动化等工科专业的重要应用方向和本科教学必修实践课程，是学习、理解、掌握运动控制调速系统的重要教学手段，在本科教学中通常以课程设计的方式进行教学。

目前，高校中应用的直流调速系统实验设备，通常采用以运算放大器为主体设计的模拟电路控制器，教学环节围绕系统pi参数整定展开。模拟系统的控制规律体现在硬件电路和所用器件上，线路复杂、操作性和通用性差，控制效果受器件性能、温度、外界干扰等因素的影响，且无法进行复杂控制规律的研究性实验环节。以数字控制器为核心的直流调速系统实验设备多为专用的控制器，或计算机作为上位机在专门设计的软件上进行pi参数整定，实验装置和软件固定且需实验室配备计算机，教学内容单一、人机交互效果差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种双闭环直流调速系统的教学实验装置，以解决现有双闭环直流调速系统教学实验设备需要计算机作为上位机进行参数整定和人机交互效果差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种双闭环直流调速系统的教学实验装置，所述实验装置包括：依次连接的模拟信号给定模块、转速环模拟控制器、电流环模拟控制器、晶闸管驱动电路、主电路和被控对象直流伺服电机，以及用于检测电流反馈信号的电流检测和变换电路、用于检测转速反馈信号的旋转编码器和转速变换电路；所述电流反馈信号输入至所述电流环模拟控制器的输入端，所述转速反馈信号输入至所述转速环模拟控制器的输入端；所述实验装置还包括：模数转换模块以及依次连接的数字信号给定模块、转速环数字控制器、电流环数字控制器、数模转换模块和功率放大模块；

所述模拟信号给定模块给定的模拟信号、所述转速反馈信号分别经所述模数转换模块输入至所述转速环数字控制器的输入端；所述电流反馈信号经所述模数转换模块输入至所述电流环数字控制器的输入端；所述功率放大模块输出端与所述晶闸管驱动电路的输入端连接。

可选的，所述模数转换模块、所述转速环数字控制器、所述电流环数字控制器、所述数模转换模块和所述功率放大模块构成控制器和信号转换装置；所述转速环数字控制器和所述电流环数字控制器的参数设定模块、所述电流反馈信号和所述转速反馈信号的显示模块以及所述数字信号给定模块构成触摸屏。

可选的，所述参数设定模块包括显示区域和输入按键区域，所述参数设定模块用于设定并显示所述转速环数字控制器和所述电流环数字控制器的比例、积分、积分限幅和输出限幅；所述显示模块用于显示所述电流反馈信号和所述转速反馈信号的瞬时值以及信号曲线。

可选的，所述模数转换模块包括第一a/d转换器、第二a/d转换器和第三a/d转换器；

所述第一a/d转换器连接于所述模拟给定信号模块的输出端与所述转速环数字控制器的输入端之间，所述第一a/d转换器用于将所述模拟给定信号模块输出的模拟信号转换为数字信号；

所述第二a/d转换器连接于所述旋转编码器和转速变换电路的输出端与所述转速环数字控制器的输入端之间，所述第二a/d转换器用于将所述旋转编码器和转速变换电路输出的转速反馈信号转换为数字信号；

所述第三a/d转换器连接于所述电流检测和变换电路的输出端与所述电流环数字控制器的输入端之间，所述第三a/d转换器用于将所述电流检测和变换电路输出的电流反馈信号转换为数字信号。

可选的，所述转速环数字控制器和所述电流环数字控制器采用同一主控制器。

可选的，所述控制器和信号转换装置包括模拟给定端口、电流反馈信号接入口和转速反馈信号接入口；所述模拟给定端口与所述模拟信号给定模块的阶跃信号输出端口连接；所述电流反馈信号接入口与所述电流检测和变换电路的电流检测反馈模拟信号输出端口连接；所述转速反馈信号接入口与所述旋转编码器和转速变换电路的转速变换反馈模拟信号输出端口连接。

可选的，所述功率放大模块的输出端口与所述晶闸管驱动电路中的模块锯齿波发生器的输入控制端口连接。

可选的，所述转速环数字控制器用于将所述模拟信号给定模块的模拟信号转换后的数字信号和所述转速反馈信号转换后的数字信号进行比较和运算后输出第一控制信号至所述电流环数字控制器。

可选的，所述转速环数字控制器用于将所述数字信号给定模块的数字信号和所述转速反馈信号转换后的数字信号进行比较和运算后输出第一控制信号至所述电流环数字控制器。

可选的，所述电流环数字控制器用于将所述第一控制信号和所述电流反馈信号转换后的数字信号比较和运算后输出第二控制信号至所述数模转换器中，进行数模转换。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

1、本发明在控制对象和主电路、触发电路和模拟控制器回路不变的基础上，增加数据采集输入、数字控制器和触摸屏人机交互界面模块，实现直流调速系统的数字控制。实验教学装置只增加模块，不破坏原有系统结构，无需实验室配备计算机即可进行数字控制器实验，功能丰富、结构简单。

2、本发明在模拟控制系统教学设备的基础上进行数字化改造，设计新模块，不影响已有实验教学内容。实验装置可以对比模拟控制器和数字控制器的控制效果，且能够通过学生编程进一步拓展实现复杂最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律的研究性实验，教学效果好。

3、本发明采用触控屏输入数据并显示反馈信号，实验过程参数调试方便、外接设备少、人机交互友好。

4、本发明的教学实验装置的实验方法，能够应用工程设计法对控制系统进行数学建模、仿真实现和现场调试，具有系统的设计过程且增加设计过程的研究性，易于操作，具备良好的实践性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例提供的双闭环直流调速系统的教学实验装置的结构框图；

图2为本发明的实施例提供的双闭环直流调速系统的教学实验装置的实际接线图；

图3为利用本发明提供的双闭环直流调速系统的教学实验装置进行实验的方法的流程图；

图4为数字控制器执行的主程序流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例提供的双闭环直流调速系统的教学实验装置如图1所示：

所述实验装置在传统以模拟控制器为基础的实验设备基础上进行改造，本实验装置包括：依次连接的模拟信号给定模块14、转速环模拟控制器15、电流环模拟控制器16、晶闸管驱动电路9、主电路10和被控对象直流伺服电机11，以及用于检测电流反馈信号的电流检测和变换电路13、用于检测转速反馈信号的旋转编码器和转速变换电路12；所述电流反馈信号输入至所述电流环模拟控制器16的输入端，所述转速反馈信号输入至所述转速环模拟控制器15的输入端；所述实验装置还包括：模数转换模块以及依次连接的数字信号给定模块1、转速环数字控制器3、电流环数字控制器4、数模转换模块7和功率放大模块8；

所述模拟信号给定模块14给定的模拟信号、所述转速反馈信号分别经所述模数转换模块输入至所述转速环数字控制器3的输入端；所述电流反馈信号经所述模数转换模块输入至所述电流环数字控制器4的输入端；所述功率放大模块8输出端与所述晶闸管驱动电路9的输入端连接。

数字信号给定模块1用于接收用户设定的给定值，并将给定值传输给所述转速环数字控制器3。

其中，如图2所示，所述模数转换模块、所述转速环数字控制器3、所述电流环数字控制器4、所述数模转换模块7和所述功率放大模块8构成控制器和信号转换装置a；所述转速环数字控制器3和所述电流环数字控制器4的参数设定模块(图2中的“调节器设计”区域及按键区域)、所述电流反馈信号和所述转速反馈信号的显示模块(图2中的“反馈信号瞬时值”区域)以及所述数字信号给定模块1(图2中的“给定设置”区域)构成触摸屏b。

所述参数设定模块包括显示区域和输入按键区域，所述参数设定模块用于设定并显示所述转速环数字控制器和所述电流环数字控制器的比例、积分、积分限幅和输出限幅；所述显示模块用于显示所述电流反馈信号和所述转速反馈信号的瞬时值以及信号曲线。

如图1和2所示，所述模数转换模块包括第一a/d转换器2、第二a/d转换器5和第三a/d转换器6；

所述第一a/d转换器2连接于所述模拟给定信号模块14的输出端与所述转速环数字控制器3的输入端之间，所述第一a/d转换器2用于将所述模拟给定信号模块14输出的模拟信号转换为数字信号；

所述第二a/d转换器5连接于所述旋转编码器和转速变换电路12的输出端与所述转速环数字控制器3的输入端之间，所述第二a/d转换器5用于将所述旋转编码器和转速变换电路12输出的转速反馈信号转换为数字信号；

所述第三a/d转换器6连接于所述电流检测和变换电路13的输出端与所述电流环数字控制器4的输入端之间，所述第三a/d转换器用于将所述电流检测和变换电路13输出的电流反馈信号转换为数字信号。

所述转速环数字控制器3用于将所述模拟信号给定模块14的模拟信号转换后的数字信号和所述转速反馈信号转换后的数字信号进行比较和运算后输出第一控制信号至所述电流环数字控制器4。

所述转速环数字控制器3用于将所述数字信号给定模块1的数字信号和所述转速反馈信号转换后的数字信号进行比较和运算后输出第一控制信号至所述电流环数字控制器4。

所述电流环数字控制器4用于将所述第一控制信号和所述电流反馈信号转换后的数字信号比较和运算后输出第二控制信号至所述数模转换器7中，进行数模转换。所述数模转换器7与功率放大电路a/p8连接，将控制信号放大后输入到装置原有的晶闸管驱动电路9。晶闸管驱动电路9输出信号控制主电路10的电压，从而完成对被控对象直流伺服电机11的转速控制。

如图2示出了本实施例是在原有的双闭环直流调速系统的教学实验装置进行的改进，具体改进如下：

改进后的教学实验装置包括两个大部分，即实验装置已有部分和新增部分。其中已有部分包括模拟信号给定模块dg01、晶闸管驱动电路中的锯齿波发生器dt04、主电路dm01和被控对象直流伺服电机dd14，电流检测和变换电路dd06、旋转编码器和转速变换电路dd02。新增部分包括控制器和信号转换装置a和触摸屏b。具体接线如图2中粗黑线所示：

所述控制器和信号转换装置a包括模拟给定端口、电流反馈信号接入口和转速反馈信号接入口。

模拟给定端口uin与模拟信号给定模块dg01的阶跃信号输出端口u*n1连接。

电流反馈信号接入口uidig与所述电流检测和变换电路dd06的电流检测反馈模拟信号输出端口ui1连接。

转速反馈信号接入口undig与所述旋转编码器和转速变换电路dd02的转速变换反馈模拟信号输出端口un连接。

控制器和信号转换装置a的控制信号输出端口uout与晶闸管驱动电路中的锯齿波发生器dt04输入控制端口uk1连接。

已有部分的连接关系不变，具体为：

锯齿波发生器dt04输出xs1与晶闸管桥式整流电路模块dm01的门级控制输入端口xs1连接。

晶闸管桥式整流电路模块dm01的三相交流输入端口u1、v1、w1分别与强电给定模块dsm00u、v、w三相连接。

主回路中，晶闸管桥式整流电路模块dm01的直流输出端口分别于电抗器dd11、电流检测变换模块dd06、直流电机dd14电枢绕组串联。

直流电机dd14励磁绕组与励磁电压模块dd10连接。

如图3所示，利用本发明提供的双闭环直流调速系统的教学实验装置进行实验的方法如下：

步骤301，搭建直流电机开环测试系统，并测试直流电机自然机械特性；

步骤302，测试开环系统参数，包括电枢电阻、电动势常数、电磁时间常数、机电时间常数等电机静态参数；

步骤303，测试并调试数字控制器的输入输出，设计并调试电流反馈系数、转速反馈系数、数字控制器输出电压范围。

步骤304，应用步骤302中测试得到的电机参数，进行数学建模，并应用工程设计法计算pi参数；

步骤305，搭建以模拟控制器为核心的双闭环直流调速系统，并设计调试模拟控制器asr输出限幅值、模拟控制器acr输出限幅值。

步骤306，以步骤304计算得到的pi参数为初始值进行pi参数整定，调节电流控制器和转速控制器的电阻、电容值，得到系统最终的pi参数值；

步骤307，对模拟pi调节器进行数字化，计算数字调节器pi参数、限幅值；

步骤308，去掉模拟控制器接线，搭建以数字控制器为核心的双闭环直流调速系统；

步骤309，输入采样频率和以模拟控制器为核心得到的pi参数为设计初值等到触摸屏界面，点击“启动”按钮，数字控制器开始执行如图4所示的程序流程，其中中断处理包括转速调节中断子程序、电流调节中断子程序和故障保护中断子程序；

步骤310，调节控制器pi参数，观察系统控制性能，直到得到电机良好的控制效果；

步骤311，对系统进行抗干扰实验。

其中，如图4所示，数字控制器执行的程序流程如下：

系统初始化；

判断是否按下“启动”键，若否，返回本步骤；若是，执行下一步；

检查输入参数是否正确，若否，发出错去提示，并返回“判断是否按下“启动”键”的步骤；若是，执行下一步；

中断处理；

刷新显示；

判断是否按下“停止”键，若否，返回“判断是否按下“启动”键”的步骤；若是，保存数据。

根据本发明提供的具体实施实例，本发明公开了一下技术效果：

本发明公开双闭环直流调速系统的教学实验装置是在原有双闭环直流调速实验教学装置上进行的改造，改造后不影响传统模拟控制器双闭环直流调速系统的使用，且能够在不配备实验室计算机基础上增加数字控制器进行直流调速系统的实验，结构简单、人机交互效果好。

双闭环直流调速系统的教学实验装置进行实验时，实验装置无需上位机，实验方法采用模拟pi参数数字化，具有递进性，并可以对比模拟控制器和数字控制器的控制效果。且能够通过学生编程进一步拓展实现复杂最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律的研究性实验，教学效果好。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。