自動控制原理課程設(shè)計(共16頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計說明書 課題名稱： 自動控制原理 設(shè)計題目： 自動控制與檢測原理 專業(yè)班級： 11級自動化 學(xué)生姓名： 袁 學(xué) 號 ： 自動控制系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要將被控制對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機(jī)的總體，這就是自動控制系統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中，被控對象的輸出量即被控量是要求嚴(yán)格加以控制的物理量，它可以要求保持為某一恒定值，例如溫度，壓力或飛行航跡等；而控制裝置則是對被控對象施加控制作用的機(jī)構(gòu)的總體，它可以采用不同的原理和方式對被控對象進(jìn)行控制，但最基本的一種是基于反饋控制原理的反饋控制系統(tǒng)。自動檢測 檢測是指為確

2、定產(chǎn)品、零件、組件、部件或原材料是否滿足設(shè)計規(guī)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求目標(biāo)值而進(jìn)行的測試、測量等質(zhì)量檢測活動。檢測有3個目標(biāo): 實(shí)際測定產(chǎn)品(含零、部件)的規(guī)定質(zhì)量特性及其指標(biāo)的量值。 根據(jù)測得值的偏離狀況,判定產(chǎn)品的質(zhì)量水平(等級),確定廢次品。 認(rèn)定測量方法的正確性和對測量活動簡化是否會影響對規(guī)定特征的控制 自動檢測是指在計算機(jī)控制的基礎(chǔ)上,對系統(tǒng)、設(shè)備進(jìn)行性能檢測和故障診斷。他是性能檢測、連續(xù)監(jiān)測、故障檢測和故障定位的總稱?，F(xiàn)代自動檢測技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、測量技術(shù)、傳感技術(shù)等學(xué)科共同發(fā)展的產(chǎn)物。凡是需要進(jìn)行性能測試和故障診斷的系統(tǒng)、設(shè)備,均可以采用自動檢測技術(shù) 課程內(nèi)容 設(shè)計一個

3、雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)1 雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)簡介1.1 概 述 用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。又稱隨動系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。它是由若干元件和部件組成的并具有功率放大作用的一種自動控制系統(tǒng)。位置隨動系統(tǒng)的輸入和輸出信號都是位置量，且指令位置是隨機(jī)變化的，并要求輸出位置能夠朝著減小直至消除位置偏差的方向，及時準(zhǔn)確地跟隨指令位置的變化。位置指令與被控量可以是直線位移或角位移。隨著工程技

4、術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種類型的位置隨動系統(tǒng)。由于發(fā)展了力矩電機(jī)及高靈敏度測速機(jī)，使伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了直接驅(qū)動，革除或減小了齒隙和彈性變形等非線性因素，并成功應(yīng)用在雷達(dá)天線。伺服系統(tǒng)的精度主要決定于所用的測量元件的精度。此外，也可采取附加措施來提高系統(tǒng)的精度，采用這種方案的伺服系統(tǒng)稱為精測粗測系統(tǒng)或雙通道系統(tǒng)。通過減速器與轉(zhuǎn)軸嚙合的測角線路稱精讀數(shù)通道，直接取自轉(zhuǎn)軸的測角線路稱粗讀數(shù)通道。因此可根據(jù)這個特征將它劃分為兩個類型，一類是模擬式隨動系統(tǒng)，另一類是數(shù)字式隨動系統(tǒng)。本設(shè)計雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)實(shí)際上就是隨動系統(tǒng)在雷達(dá)天線上的應(yīng)用。系統(tǒng)的原理圖如圖1-1所示。圖1-1 雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)原理圖1.2

5、 系統(tǒng)的組成從圖1-1可以看出本系統(tǒng)是一個電位器式位置隨動系統(tǒng)，用來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線的跟蹤控制，由以下幾個部分組成：位置檢測器、電壓比較放大器、可逆功率放大器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。以上四部分是該系統(tǒng)的基本組成，在所采用的具體元件或裝置上，可采用不同的位置檢測器，直流或交流伺服機(jī)構(gòu)等等。現(xiàn)在對系統(tǒng)的組成進(jìn)行分析：1、受控對象：工作機(jī)械（雷達(dá)天線）。2、被控量：角位置。3、干擾：主要是負(fù)載變化（及）。4、給定值：指令轉(zhuǎn)角。5、傳感器：由電位器測量、，并轉(zhuǎn)化為、。6、比較計算：兩電位器按電橋連接，完成減法運(yùn)算（偏差）。7、控制器：放大器，比例控制。8、執(zhí)行器：直流電動機(jī)及減速箱。1.3 工作原理現(xiàn)在來分析該系統(tǒng)的

6、工作原理。由圖1-1可以看出，當(dāng)兩個電位器和的轉(zhuǎn)軸位置一樣時，給定角與反饋角相等，所以角差，電位器輸出電壓，電壓放大器的輸出電壓，可逆功率放大器的輸出電壓，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)動手輪，使給定角增大，則，電動機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)減速器帶動雷達(dá)天線轉(zhuǎn)動，雷達(dá)天線通過機(jī)械機(jī)構(gòu)帶動電位器的轉(zhuǎn)軸，使也增大。只要，電動機(jī)就帶動雷達(dá)天線超著縮小偏差的方向運(yùn)動，只有當(dāng)，偏差角，系統(tǒng)才會停止運(yùn)動而處在新的穩(wěn)定狀態(tài)。如果給定角減小，則系統(tǒng)運(yùn)動方向?qū)⒑蜕鲜銮闆r相反。2 雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)主要元部件2.1 位置檢測器位置檢測器作為測量元件，由電位器和組成位置（角度）檢測器，其中電位器的轉(zhuǎn)軸和手輪相連，作為轉(zhuǎn)角

7、給定，電位器的轉(zhuǎn)軸通過機(jī)械機(jī)構(gòu)與負(fù)載部件相連接，作為轉(zhuǎn)角反饋，兩個電位器均由同一個直流電源供電，這樣可將位置直接轉(zhuǎn)換成電量輸出。 在控制系統(tǒng)中,單個電位器用作為信號變換裝置，一對電位器可以組成誤差檢測器，空載時，單個電位器的電刷角位移與輸出電壓的關(guān)系曲線在進(jìn)行理論分析時可以用直線近似，于是可得輸出電壓為式中，是電刷單位角位移對應(yīng)的輸出電壓，稱為電位器傳遞系數(shù)，其中是電位器電源電壓，是電位器最大工作角。對上式求拉氏變換，并令，可求得電位器傳遞函數(shù)為可以看出電位器的傳遞函數(shù)是一個常值，它取決于電源電壓和電位器最大工作角度。電位器可用圖2-1的方框圖表示。圖2-1 電位器方框圖其中輸入就是，輸出就是

8、，就是。用一對相同的電位器組成誤差檢測器時，其輸出電壓為式中是單個電位器的傳遞系數(shù)；是兩個電位器電刷角位移之差。稱為誤差角。因此，誤差角為輸入時，誤差檢測器的傳遞函數(shù)與單個電位器傳遞函數(shù)相同，即為在使用電位器時要注意負(fù)載效應(yīng)。所謂負(fù)載效應(yīng)就是指在電位器輸出端接有負(fù)載時所產(chǎn)生的影響。當(dāng)電位器接負(fù)載時，一般負(fù)載阻抗比較大，所以可以將電位器視為線性元件，其輸出電壓與電刷角位移之間成線性關(guān)系。2.2 電壓比較放大器電壓比較放大器由、組成，其中放大器僅僅起倒相的作用，則起電壓比較和放大作用，其輸出信號作為下一級功率放大器的控制信號，并具備鑒別電壓極性（正反相位）的能力。電壓比較放大器實(shí)際上是比較元件和一

9、部分放大元件的組合，其職能是把測量元件檢測到的被控量實(shí)際值與給定元件給出的參據(jù)量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差，并經(jīng)過電壓型集成運(yùn)算放大器的放大作用，將偏差信號放大。具體說來就是：其中，又因（偏差），所以上式可以寫成，對該式兩邊同時進(jìn)行拉氏變換，可得電壓比較運(yùn)算放大器的傳遞函數(shù)為從式子可以知道電壓比較放大器的傳遞函數(shù)也是一個常值。電壓比較放大器可以用圖2-2所示的方框圖表示圖2-2 電壓比較器方框圖其中。2.3 可逆功率放大器為了推動隨動系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即執(zhí)行電動機(jī)，只有電壓放大是不夠的，還必須有功率放大，這樣才能驅(qū)動電動機(jī)?？赡婀β史糯笃饕彩欠糯笤Ｓ捎谠诳刂葡到y(tǒng)中，控制信號不能提供驅(qū)動執(zhí)行

10、元件的功率，所以必須進(jìn)行功率放大。只有這樣，才能使電動機(jī)（執(zhí)行元件）按著期望的方向和速度運(yùn)行?？梢哉f，功率放大元件把具有固定電壓的電源變成了由信號控制的能源，即電壓或電流隨控制信號而變化的電源。根據(jù)所要驅(qū)動的電動機(jī)的不同，功率放大元件分為直流伺服功率放大器和交流伺服功率放大器兩種。前者驅(qū)動直流電動機(jī)，后者驅(qū)動交流電動機(jī)?？刂葡到y(tǒng)中目前應(yīng)用最廣的功率放大元件是直流功率放大器。系統(tǒng)對直流功率放大器一般有下述基本要求：1、能夠輸出足夠高的電壓和足夠大的電流，能輸出足夠大的電功率。2、線性度好。3、可靠的限流裝置。4、能夠吸收電動機(jī)的回輸能量。5、應(yīng)具備電流負(fù)反饋線路。常用的直流功率放大器有三種：線性

11、（比例式）功率放大器、開關(guān)式功率放大器和晶閘管功率放大器。本設(shè)計用到的功率放大器由晶閘管或大功率晶體管組成功放電路，由它輸出一個足以驅(qū)動電動機(jī)的電壓和電流。分析可知，對該環(huán)節(jié)做近似處理，可得對式子兩邊同時做拉氏變換，得可逆功率放大器的傳遞函數(shù)為用圖2-3所示的方框圖表示。圖2-3 可逆功率放大器方框圖其中。2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)即執(zhí)行元件，它的只能是直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。一般用來作為執(zhí)行元件的有控制閥、電動機(jī)、液壓馬達(dá)等。雖然隨著科技的發(fā)展，近些年來，交流電動機(jī)在控制系統(tǒng)特別是調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣，使直流電動機(jī)的地位受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。但目前直流電動機(jī)在控制系統(tǒng)中仍占主要地位

12、。對于調(diào)速范圍不大，動態(tài)響應(yīng)要求不高的系統(tǒng)，可以使用普通直流電動機(jī)。對于調(diào)速范圍大，動態(tài)響應(yīng)要求快的系統(tǒng)，特別是伺服系統(tǒng)（隨動系統(tǒng)），則應(yīng)采用直流伺服電動機(jī)。直流伺服電動機(jī)是專門為控制系統(tǒng)特別是伺服系統(tǒng)設(shè)計和制造的一種電機(jī)。它的轉(zhuǎn)子的機(jī)械運(yùn)動受輸入電信號控制作快速反應(yīng)。直流伺服電動機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)和基本特征與普通直流電動機(jī)沒有原則區(qū)別，但為了滿足控制系統(tǒng)的要求，在結(jié)構(gòu)和性能上做了一些改進(jìn)，具有如下特點(diǎn)：1、采用細(xì)長的電樞以便降低轉(zhuǎn)動慣量，其慣量大約是普通直流電動機(jī)的。2、具有優(yōu)良的換向性能，在大的峰值電流沖擊下仍能保持良好的換向條件。3、機(jī)械強(qiáng)度高，能夠承受住巨大的加速度造成的沖擊力作用。4

13、、電刷一般都安排在幾何中性面上，以確保正、反轉(zhuǎn)特性對稱。本系統(tǒng)就是采用直流伺服電動機(jī)作為帶動負(fù)載運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)中的雷達(dá)天線即為負(fù)載，電動機(jī)到負(fù)載之間通過減速器匹配。直流伺服電動機(jī)在控制系統(tǒng)中廣泛用作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用來對被控對象的機(jī)械運(yùn)動實(shí)現(xiàn)快速控制，通過簡化處理后的直流伺服電動機(jī)的微分方程為式中可視為負(fù)載擾動轉(zhuǎn)矩。根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，可分別求到和到的傳遞函數(shù)，以便研究在和分別作用下電動機(jī)轉(zhuǎn)速的性能，將他們疊加后，便是電動機(jī)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)特性。所以在不考慮負(fù)載擾動轉(zhuǎn)矩的條件下，即時和在零初始條件下，即時，對上式各項求拉氏變換，并令，則得的代數(shù)方程為由傳遞函數(shù)的定義，于是有便是電樞電壓到的傳遞函

14、數(shù)，是系統(tǒng)的機(jī)電常數(shù)。這可以用圖2-4所示的方框圖來表示圖2-4 直流伺服電動機(jī)方框圖其中。設(shè)減速器的速比為，減速器的輸入轉(zhuǎn)速為，而輸出轉(zhuǎn)速為，則減速器的傳遞函數(shù)為其中。3 系統(tǒng)的開環(huán)增益的選擇和系統(tǒng)的靜態(tài)計算系統(tǒng)的原理框圖可簡化成如圖3-1所示圖3-1 雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)原理框圖給定角經(jīng)電位器變成給定信號，被控量經(jīng)電位器變成反饋信號，給定信號與反饋信號產(chǎn)生偏差信號；偏差信號經(jīng)放大器（電壓比較放大器和可逆功率放大器）得到，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)（直流伺服電動機(jī)）作用到雷達(dá)天線上，減小偏差，最終實(shí)現(xiàn)。這就是控制的整個過程。第二章中已經(jīng)將各部件的傳遞函數(shù)分別用方框圖表示了出來，用信號線將個方框圖按信號流向

15、依次連接，在不考慮干擾力矩的條件下，并適當(dāng)?shù)淖儞Q，就會得到雷達(dá)天線伺服控制控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，如圖3-2所示圖3-2 雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其中就是，就是，。將方框圖進(jìn)行化簡處理，可得系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)其中。簡化后的系統(tǒng)方框圖如圖3-3所示圖3-3 系統(tǒng)簡化方框圖從實(shí)際考慮，我們知道雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)的性能應(yīng)該是響應(yīng)速度盡可能快，即調(diào)節(jié)時間盡可能小，超調(diào)量盡可能小。本系統(tǒng)的設(shè)計要求是系統(tǒng)通過校正設(shè)計后的單位階躍響應(yīng)無超調(diào)，且調(diào)節(jié)時間。因系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為其中為開環(huán)增益，為直流伺服電動機(jī)的時間常數(shù)。選取的直流伺服電動機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由開環(huán)傳遞函數(shù)求得系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)由上式可以得到閉環(huán)特征

16、方程為這是一個二階系統(tǒng)，在沒有校正設(shè)計前，取系統(tǒng)的阻尼比為，代入，由二階系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)形式有計算得到。系統(tǒng)的開環(huán)增益為系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為這可以用系統(tǒng)的參數(shù)方框圖表示，如圖3-4所示圖3-4 系統(tǒng)參數(shù)方框圖可以看出，是一型系統(tǒng)。靜態(tài)位置誤差系數(shù)得到系統(tǒng)在階躍輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差4系統(tǒng)的動態(tài)分析在第三章選擇了系統(tǒng)的開環(huán)增益，并進(jìn)行了靜態(tài)計算，知道了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為，現(xiàn)在對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)分析。在典型輸入信號作用下，任何一個控制系統(tǒng)的時間響應(yīng)都由動態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程兩部分組成，動態(tài)分析就是對動態(tài)過程的分析。動態(tài)過程又稱過渡過程或瞬態(tài)過程，指系統(tǒng)在典型輸入信號作用下，系統(tǒng)輸出量從初始狀態(tài)到最終狀態(tài)的響應(yīng)過程。

17、由于實(shí)際控制系統(tǒng)具有慣性、摩擦以及其它一些原因，系統(tǒng)輸出量不可能完全復(fù)現(xiàn)輸入量的變化。動態(tài)過程除提供系統(tǒng)穩(wěn)定性的信息外，還可以提供響應(yīng)速度及阻尼情況等信息，這些信息用動態(tài)性能描述。對本系統(tǒng)而言，在沒有校正設(shè)計時，可知系統(tǒng)是欠阻尼二階系統(tǒng)。動態(tài)分析具體而言就是確定系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)。因，于是求得阻尼角為而阻尼振蕩頻率為對欠阻尼二階系統(tǒng)各性能指標(biāo)進(jìn)行近似計算，可得1、延遲時間：2、上升時間：3、調(diào)節(jié)時間：4、超調(diào)量：由這些計算出的動態(tài)性能指標(biāo)可以知道，系統(tǒng)并沒有達(dá)到設(shè)計要求，超調(diào)量，調(diào)節(jié)時間。系統(tǒng)此時的單位階躍響應(yīng)曲線如圖4-1所示圖4-1 系統(tǒng)校正前單位階躍響應(yīng)曲線從對系統(tǒng)的動態(tài)分析和圖4-1可

18、以看出，如果該系統(tǒng)沒有校正設(shè)計，則達(dá)不到設(shè)計要求，所以為了滿足設(shè)計要求，必須進(jìn)行校正設(shè)計。校正設(shè)計的具體內(nèi)容將在下一章重點(diǎn)詳細(xì)介紹。5 校正設(shè)計所謂校正，就是在系統(tǒng)中加入一些其參數(shù)可以根據(jù)需要而改變的機(jī)構(gòu)或裝置，使系統(tǒng)整個特性發(fā)生變化，從而滿足給定的各項性能指標(biāo)。目前，在工程實(shí)踐中常用的有三種校正方法，分別是串聯(lián)校正、反饋校正和復(fù)合校正。本系統(tǒng)的校正設(shè)計采用反饋校正。反饋校正是目前廣泛應(yīng)用的一種校正方式，反饋校正的基本原理是：用反饋校正裝置包圍待校正系統(tǒng)中對動態(tài)性能改善有重大妨礙作用的某些環(huán)節(jié)，形成一個局部反饋回路（內(nèi)回路），在局部反饋回路的開環(huán)幅值遠(yuǎn)大于1的條件下，局部反饋回路的特性主要取決

19、于反饋校正裝置，而與被包圍部分無關(guān)；適當(dāng)選擇校正裝置的形式和參數(shù)，可以使系統(tǒng)的性能滿足給定指標(biāo)的要求。本系統(tǒng)采用直流測速發(fā)電機(jī)作為校正裝置，即采用測速反饋控制來實(shí)現(xiàn)校正。直流測速發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)為或?qū)⒃撔Ｕh(huán)節(jié)加到原系統(tǒng)中，可以得到校正后的系統(tǒng)方框圖，如圖5-1所示 圖5-1 校正后雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)方框圖畫簡后得到圖5-2圖5-2 校正后系統(tǒng)方框圖由圖5-2得到校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)一步得到校正后的系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程其中為與測速發(fā)電機(jī)輸出斜率有關(guān)的測速反饋系數(shù)，校正設(shè)計的主要目的就是確定反饋系數(shù)，以達(dá)到整個系統(tǒng)的設(shè)計要求。前面已經(jīng)提到系統(tǒng)的設(shè)計要求是通過校正設(shè)計后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)無超調(diào)，且調(diào)節(jié)時間。我們知道對于二階系統(tǒng)要想無超調(diào)量，則校正后阻尼比。而且本系統(tǒng)要求盡可能快的響應(yīng)，所以取阻尼比。進(jìn)而有，于是可以計算出由于當(dāng)阻尼比為1時，所以得根據(jù)過阻尼二階系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的近似計算，可得校正后系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)為調(diào)節(jié)時間，無超調(diào)量，達(dá)到了設(shè)計要求。6 結(jié) 論本設(shè)計是雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計，伺服控制系統(tǒng)最初用于船舶的自動駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到很多領(lǐng)域