实验一 实现直流电机系统模型识别

一、实验设备与软件

1．硬件设备：计算机，NI ElvisⅡ实验平台，Quanser QNET直流电机。

2．软件系统：Win7系统，Labview2015开发软件。

阅读《自动控制原理实验指导》P38-2.1.2，了解Quanser QNET直流电机。

二、实验步骤

1．研读例程，熟悉LabVIEW ，及方波、滤波器、波形生成、系统辨识等控件。编程实现对Quanser QNET直流电机的系统辨识，获得电机的模型参数。物理端口：输入AI#4，输出AO#0。

2．调试出系统后，保存记录幅值、频率、采样率初值下的曲线图与辨识结果，再对比记录幅值、频率、采样率增大和减小情况下曲线变化和辨识结果。

三、Labview程序设计图

设计思路

利用 LabView 进行控制时根据实验目的、实验设备进行程序框图的设计， 并搭建硬件电路辅助完成实验。电路搭建好后，根据实验设计进行探究，并分析实验现象。根据程序框图的分块，分为波形的生成部分和波形的测量部分，在设计时注意到前面板和后面板的器件需求和区别，保证程序框图的正确。

给定方波的电压越大，电机转速越大，但由于方波包含了无限大频率分量，因此实际操作中难以实现标准的方波，多为近似方波。而由于阻尼、上升时间等方面的影响，实 际转速与理论转速存在一定差异。 首先需要给方波设定频率、幅值的参数，并设定系统的采样率。通过调整这三个参数及辨识出的电机模型。

四、实验结果及其分析

初始设定值的测量结果

采样率=250Hz，幅值= 3V，频率=0.5HZ

改变电压幅值后的测量结果

在固定采样率=250Hz，频率=0.5Hz 的情况下改变幅值，观察实验现象。

由上图可知，幅度的增大明显地导致了电机模型的比例系数增大以及参数 T增大。在幅度较小时模型拟合效果较差，这是由于幅度较小时外界干扰相较而言较大，误差会因此更加明显。

改变采样率后的测量结果

在固定频率=0.5Hz，幅值=3V 的情况下，改采样率，观察实验结果。

采样率300 采样率250 采样率200

由上图可知，采样率越高，获得的转速曲线越准确，模型的拟合效果越好，速度响应越接近方波。根据奈奎斯特采样定理，只要采样率大于激励波形带限便可以重建信号，而速度响应不能呈标准方波是因为方波含有无限频率的成分，再高的采样率也无法恢复方波。

改变频率后的测量结果

在固定采样率=250Hz，幅值=3V 的情况下，改变频率，观察实验结果。

由上图可知，频率影响反应时间，频率越大，传递函数的零点越小，反应时间越短，即速度响应的波形图周期与频率成反向变化，电机模型变化不大。

四、实验中遇到的问题及解决办法

在实验时发现本组结果与其他组的实验结果曲线有些许不同。在咨询老师后明白了实验结果与每组的电机有很大关系，因为实验是对实际的电机进行采样，因此模型的拟合程度与电机有关。

五、实验总结

实验结果表明幅值、采样率、频率等参数一定程度上影响了系统传递函数和模型的拟合效果，在幅值略大、系统采样率足够高、频率较大的情况下，模型的拟合效果较好。这次实验在老师提供的例程基础上，回忆了 LabView 的使用方法，并利用程序框图、硬件电路完成实验内容。实验过程中遇到了一些问题，最后通过请教老师明白了实验与硬件间有很大的关系，不能想当然地认为程序正确就一定会得到相同的结果。