-正文自動控制原理課程設(shè)計(jì)

1、、八 、，刖言一般來說，隨動控制系統(tǒng)要求有好的跟隨性能。位置隨動系統(tǒng)是非常典型的隨動系 統(tǒng)，是個(gè)位置閉環(huán)反饋系統(tǒng)，系統(tǒng)中具有位置給定，位置檢測和位置反饋環(huán)節(jié)，這 種系統(tǒng)的各種參數(shù)都是連續(xù)變化的模擬量，其位置檢測可用電位器、自整角機(jī)、旋 轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等。位置隨動系統(tǒng)中的給只給定量是經(jīng)常變動的，是一個(gè)隨 機(jī)量，并要求輸出量準(zhǔn)確跟隨給定量的變化，輸出響應(yīng)具有快速性、靈活性和準(zhǔn)確 性。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并具有良好的動態(tài)性能，必須設(shè)有校正裝置，如在正 向通道中設(shè)置串聯(lián)校正裝并聯(lián)校正裝置等，為了提高位置隨動系統(tǒng)的控制精度，還 需要增加系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)或在系統(tǒng)中增加積分環(huán)節(jié)等。1設(shè)計(jì)原理及性能

2、指標(biāo)要求1.1設(shè)計(jì)原理要使角位移的輸出量能夠跟隨給定角位移的輸入量的變化而變化，達(dá)到位置隨動的目的，可以通過位置的檢測，反饋，校正等環(huán)節(jié)，形成位置閉環(huán)反饋系統(tǒng)。系統(tǒng)中 具有位置給定，位置檢測和位置反饋環(huán)節(jié)，這種系統(tǒng)的各種參數(shù)都是連續(xù)變化的模擬 量，其位置檢測可用電位器、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等。1.2設(shè)計(jì)性能指標(biāo)根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要，位置隨動系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：(1)誤差系數(shù) CH(1/2°°)s單位階躍響應(yīng)的超調(diào)量二上3%單位階躍響應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間ts±°.7s(4)幅值裕度h(dB) "B通過對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行系統(tǒng)分析和動態(tài)校正，最后設(shè)計(jì)出一個(gè)

3、符合穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性 和快速性要求的自整角機(jī)隨動控制系統(tǒng)。2控制方案及系統(tǒng)組成原理方框圖2.1控制方案要使角位移的輸出量能夠跟隨給定角位移的輸入量的變化而變化，達(dá)到位置隨動的目的，可以通過位置的檢測，反饋，校正等環(huán)節(jié)，形成位置閉環(huán)反饋系統(tǒng)。系統(tǒng)中 具有位置給定，位置檢測和位置反饋環(huán)節(jié)，這種系統(tǒng)的各種參數(shù)都是連續(xù)變化的模擬 量，其位置檢測可用電位器、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等。1、自整角機(jī)用作測量機(jī)械轉(zhuǎn)角（角位移）的傳感器，是位置檢測元件。隨動系統(tǒng)通過一對自 整角機(jī)來反映指令軸轉(zhuǎn)角、執(zhí)行軸轉(zhuǎn)角和它們之間的角差，與指令軸相連的自整角機(jī) 成為發(fā)送機(jī)，與執(zhí)行軸相連的成為接收機(jī)。2、相敏放大器用作

4、將自整角機(jī)測角電路輸出的角差電動勢整流成直流信號，該信號不僅反映角差的大小，而且要反映角差的極性。3、可逆功率放大器用作對控制信號進(jìn)行功率放大，以便驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的正反轉(zhuǎn)控制。4、伺服電動機(jī)是隨動系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要組成部分，對系統(tǒng)精度和快速性影響較大，要求伺服 電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量小，過載轉(zhuǎn)矩大以提高系統(tǒng)的快速性。5、校正電路通過校正，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性得到改善，以達(dá)到要求。2.2系統(tǒng)組成原理方框圖由控制方案，可得未校正前系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：2-1自整角機(jī)隨動控制系統(tǒng)原理方框圖3系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及傳遞函數(shù)3.1各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)1自整角機(jī)環(huán)節(jié)自整角機(jī)的輸入量是失調(diào)角，輸入量是

5、Ubs。 Ubs雖然是隨時(shí)間變化的量，但是因?yàn)楹罄m(xù)環(huán)節(jié)接有相敏整流器，交流電被整流成直流電，Ubs隨時(shí)間變化的因素對后續(xù)電路未產(chǎn)生影響，所以可以將自整角機(jī)的輸出量看成是Ubs = UbsmSin、：.一般地，當(dāng) ':豈10時(shí)，可近似認(rèn)為Ubs 一 UbsH，則自整角機(jī)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為Ubs(s)Wbs(S)=嚴(yán) Ubsm6(s)相敏整流環(huán)節(jié)相敏整流環(huán)節(jié)的輸入量為自整角機(jī)的輸出量Ubs，輸出量為相敏整流電壓Uph。該環(huán)節(jié)的濾波電路不僅對時(shí)間變量引起的電壓波動有綠波作用，對由失調(diào)角 的改變引起的電壓波動也能夠?yàn)V波。因?yàn)闉V波環(huán)節(jié)只有一個(gè)儲能元件，由Ubs引起Uph的變化是一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)，

6、所以相敏整流環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可由一階慣性環(huán) 節(jié)來描述，即Wph(s)Uph(s)Ubs(s)5TphS1式中，Kph為相敏整流放大器環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)，Tap為阻容濾波時(shí)間常數(shù)。可逆功率放大器環(huán)節(jié)PWM可你功率放大器的輸入量是 PWM控制電路的控制電壓Uc，輸出量是電 動機(jī)的端電壓Ud。因?yàn)榭刂菩盘柛淖儠r(shí)，功率器件需經(jīng)過一點(diǎn)延時(shí)才能體現(xiàn)出來， 因而功率放大環(huán)節(jié)可以近似為一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為Wap(s)二Ud(s)Uc(s)KapTapS1Kt式中，ap為功率放大環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)，即為延遲時(shí)間常數(shù)執(zhí)行電動機(jī)環(huán)節(jié)采用直流伺服電動機(jī)作為執(zhí)行電動機(jī)，該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為WmdGVI©TmTiS2

7、Tms 1因?yàn)殡妱訖C(jī)的電磁時(shí)間常數(shù)比機(jī)電時(shí)間常數(shù)小一個(gè)數(shù)量級，可將電動機(jī)的傳遞函數(shù)近似為I© I©(TmTS2Tms 1)(JS I)® 1)減速機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié)減速機(jī)構(gòu)的輸入量是電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 n (單位是r/min),輸出量是拖動負(fù)載旋轉(zhuǎn)的角 度(單位是度)。輸入輸出的關(guān)系滿足n 360dt = 6 ndti取零初始條件下的拉普拉斯變換，得到減速機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)為Wg(s)二m(S)N(s)6is式中，角，是個(gè)積環(huán)節(jié)。i為減速機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)?？梢姡瑴p速機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)速變換為轉(zhuǎn)采用串聯(lián)校正時(shí)，校正裝置可串接于鄉(xiāng)民整流放大器與 PWM控制電路之間。TmT,S2TmS 1系統(tǒng)的動

8、態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖所示。圖中，WAPR (S)為校正裝置的傳遞函數(shù)。3.3系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)二KbsKphKapKg /CeS(TphS 1)(TapS 1)(TmS 1燈 S 1)Kobjs(TphS 1)(TapS 1)(TmS 1)(T1S 1)WAPR(S)式中，K°bj 二 KbsKphKapKg /Ce4系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析4.1系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析位置隨動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，希望輸出量能夠準(zhǔn)確地跟蹤輸入量， 穩(wěn)態(tài)誤差卻小越 好。而在形成隨動控制系統(tǒng)誤差的諸多因素中， 有些屬于原理性誤差，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和 參數(shù)以及給定輸入量引起的誤差可以通過系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)加以抑制或消除， 而有些屬 于非原理

9、性誤差，例如，檢測誤差和給定裝置的誤差靠校正是無法消除的， 需要在設(shè) 計(jì)時(shí)選用精密元件來加以限制。檢測誤差檢測誤差是由檢測元件產(chǎn)生的，誤差的大小取決于檢測元件的精度。 位置隨動控 制系統(tǒng)常用的檢測元件有自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光電編碼盤等，它們 均有一定的準(zhǔn)確度等級。各類檢測元件也有準(zhǔn)確度分級。不同檢測元件的誤差范圍如 表4-1所示(表中N指光電編碼盤的柵縫數(shù))表4-1幾種檢測元件的誤差范圍檢測元件電位器自整角機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)同步器光電碼盤旋轉(zhuǎn)式直線式誤差范圍角度級角分級角秒級微米級360N原理誤差原理誤差是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)以及輸入函數(shù)決定的穩(wěn)態(tài)誤差。圖3-1所示位置隨動系統(tǒng)的故有開

10、環(huán)傳遞函數(shù)為G'(s)二KbsKpKpKg/Ces(Tphs 1)(TapS 1)(TmTiS2S TmS 1)S(TphS 十 1)(TapS + 1)(TmT S2S 十 TmS + 1)式中，KobjKbsKphKapKg / CeKobjG(S) = G'(s)Wapr(s)二WAPR校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為s(TphS 1)(TapS 1)(TmS 1)(T1S 1)式中，WAPR（S）為位置調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。由自動控制原理知：選擇比例調(diào)節(jié)器，則校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)仍是I型系統(tǒng)，1型系統(tǒng)只對位置輸入信號是無靜差的，對于速度輸入能夠跟蹤，但有偏差，其偏差大小與系統(tǒng)的開

11、環(huán)增 益K成正比，并且因?yàn)榉e分環(huán)節(jié)位于系統(tǒng)的輸出端，在積分環(huán)節(jié)之前，任何部位的 階躍擾動都將產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差，1型系統(tǒng)不能夠在加速度輸入下工作。U型系統(tǒng)對位置輸入和速度輸入都是無差的， 對于加速度輸入也能跟蹤，但有穩(wěn) 態(tài)誤差，偏差大小與系統(tǒng)的開環(huán)增益成正比。與I型系統(tǒng)相比，U型系統(tǒng)比較理想， 其穩(wěn)態(tài)跟蹤精度優(yōu)于I型系統(tǒng)。若設(shè)計(jì)成U型系統(tǒng)，即要求位置調(diào)節(jié)器具有積分功能， 一般選Wapr（s）為PI （或滯后網(wǎng)絡(luò)）或PID （或滯后超前網(wǎng)絡(luò)）型調(diào)節(jié)器，這類調(diào) 節(jié)器傳遞函數(shù)的墳?zāi)购幸粋€(gè)S的獨(dú)立因子（或?qū)⒋髴T性環(huán)節(jié)近似為積分環(huán)節(jié)產(chǎn)生一個(gè)s獨(dú)立因子）。按這樣的傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可使調(diào)節(jié)器后面前向通道中恒值

12、擾動 的穩(wěn)態(tài)誤差為0。在有負(fù)載擾動時(shí)，負(fù)載擾動使I型系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差，誤差大小與負(fù)載擾動作用 點(diǎn)以前的增益K成正比。而對型系統(tǒng)不產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。從上述分析可以看出，U型系統(tǒng)的跟蹤能力和抗擾能力均比型系統(tǒng)優(yōu)越。因此采用U型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較合理。5系統(tǒng)的動態(tài)校正帶入具體數(shù)值后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s) =200s(0.1s 1)(0.02s 1)(0.01s 1)(0.005s 1)5.1繪出校正前的系統(tǒng)頻率特性曲線繪出校正前的系統(tǒng)頻率特性曲線如圖5-1所示.由圖知系統(tǒng)的性能指標(biāo)未復(fù)合 要求。L()圖5-1系統(tǒng)校正前和校正后的頻率特性曲線根據(jù)性能指標(biāo)要求，可以采用串聯(lián)綜合校正5.2串聯(lián)綜合校正先繪

13、系統(tǒng)期望特性曲線:1）期望特性曲線的低頻段。低頻段繪于圖5.1,起延長線在- 200rad / s處于橫軸相交，且在川"ad/s時(shí)，2°lgG = 46dB2）期望特性的中頻段。首先，將給定的時(shí)域指標(biāo)- %，s換算為相應(yīng)的頻域指標(biāo)，H及飛。由經(jīng)驗(yàn)公式=0.160.4(M r - 1),1 - M r - 1.8解出 M r =1.35 ；1M r生 ，再由經(jīng)驗(yàn)公式sin ，求得 二47.8，為留有余地，選相角裕度要求值二50H3 Mr：再由 Mr -1和1sin知，中頻區(qū)寬度應(yīng)取1 + sinH 一 一s二 7.51 - si n最后由經(jīng)驗(yàn)公式"父，K2 1.5（

14、Mr-1） 2.5（M r -1）2解得池=12.7rad/s，取期望特性的截止頻率c =13rad/s。其次，在圖上，過'c =13rad/s作斜率為JOdB/dec直線，其上下限角頻率2及2飛魯 3 - cM r 及M r求得2蘭3.37rad / s 3 - 22.6rad / s初選2=1.3rad / s 即2 = 保c 以及3 =50rad/s，此時(shí)中頻區(qū)寬度H八異匕=38.5，大于要求值。3）期望特性低、中頻段的銜接頻段。在圖中，找出中頻段與過2 =1.3rad/s的橫軸垂線的交點(diǎn)，過該交點(diǎn)作斜率為-40dB/dec直線，交低頻段于i =°.13rad/s， 從

15、而完成銜接頻段設(shè)計(jì)4) 期望特性的高頻段。根據(jù)' =1及Kv =200s的要求，在圖上繪上不可變部分 的幅頻特性20lgGo ,知其高頻段斜率為_60"OOdB/dec，表明待校正系統(tǒng)具有良 好的抑制高頻噪聲的能力，故可使其期望特性的高頻段與 2OlgGo的高頻段相同。5) 期望特性中、高頻段的銜接頻段。在圖中，找出過'5Orad/s的橫軸垂線與期望中頻率的交點(diǎn)，通過該點(diǎn)作斜率為- 40dB /dec直線并與期望特性的高頻段相交，交點(diǎn)對應(yīng)的頻率 4 “OOrad/s是期望特性從低頻到高頻的第四個(gè)交接頻率，從而完成中、高頻段之間的銜接頻段設(shè)計(jì)。期望特性的第五個(gè)交接頻率2

16、OOrad/s通過期望特性進(jìn)行的綜合串聯(lián)校正，顯然滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求。由期望特性曲線可得校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)二2OO(O.79s+1)s(7.9s 1)(O.O2s 1)(O.OO5s 1)由Lo( )Lc( )】=20lg(GOGc)及圖5-2，可得串聯(lián)校正裝置對應(yīng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:G (s)二(0.79s 1)(0.1s 1)c (7.9s 1)(0.02s 1)通過以上校正，經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)的性能指標(biāo)完全達(dá)到要求?？偨Y(jié)根據(jù)被控對象及給定的技術(shù)指標(biāo)要求設(shè)計(jì)自動控制系統(tǒng)， 需要進(jìn)行大量的分析計(jì) 算。設(shè)計(jì)中需要考慮的問題是多方面的，既要保證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有良好的性能滿足給 定技術(shù)指

17、標(biāo)的要求；又要照顧到便于加工，經(jīng)濟(jì)性好，可靠性高。在設(shè)計(jì)過程中，既 要有理論指導(dǎo)，也要重視實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，往往還要配合許多局部和整體的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)被控對象給定后，按照被控對象的工作條件，被控信號具有的最大速度和加速度要 求，可以初步選定執(zhí)行元件的型式、特性和參數(shù)。然后，根據(jù)測量精度、抗擾能力、 被測信號的物理性質(zhì)、測量過程中的慣性及線性度等因素，選擇合適的測量變送元件。 在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)增益可調(diào)的前置放大器與功率放大器。這些初步選定的元件及被控對象，構(gòu)成系統(tǒng)中不可變部分。設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)大的目的，是將構(gòu)成控制器的各元件與 被控對象適當(dāng)組合起來，使之滿足表征控制精度、阻尼程度和響應(yīng)速度的性能指標(biāo)要 求。如果通

18、過調(diào)整放大器增益后仍不能全面滿足設(shè)計(jì)要求的性能指標(biāo)，就需要在系統(tǒng)中增加一些參數(shù)及特性可按需要改變的校正裝置，使系統(tǒng)性能全面滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)體會通過這次課程設(shè)計(jì)，讓我了解了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法， 也讓我了解了有關(guān)隨動系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)理念，鞏固了自己所學(xué)的知識 ，加深了自己對理論與實(shí)際相結(jié)合 的理解，深刻體會到要把書本上的知識運(yùn)用到實(shí)際中去，這樣才能在實(shí)踐中才能提高 自己，使自己能夠融會貫通，把自己和社會聯(lián)系到一起。在做課程設(shè)計(jì)的過程中，我深深地感受到了自己所學(xué)到知識的有限，明白了只學(xué)好課本上的知識是不夠的，要通過圖書館和互聯(lián)網(wǎng)等各種渠道來擴(kuò)充自己的知識。在實(shí)驗(yàn)過程中我們曾經(jīng)遇到過問題。從這次課程設(shè)計(jì)中我學(xué)習(xí)到了如何對待遇到的困難， 進(jìn)一步培養(yǎng)了自己一絲不茍的科 學(xué)態(tài)度和不厭其煩的耐心。在實(shí)驗(yàn)的過程中我和其它同學(xué)一起探討，我們互相討論互 相合作，使得我課程設(shè)計(jì)得以順利完成，體會到了合作的力量。這次課程設(shè)計(jì)的體會 對我以后的學(xué)習(xí)和工作有幫助作用，衷心心感謝老師在設(shè)計(jì)過程中給我們的諄諄教 導(dǎo)；衷心感謝學(xué)校給我們提供這次機(jī)會。參考文獻(xiàn)1 任彥碩，趙一丁，張家生自動控制系統(tǒng)M.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.2 文腱昌自動控制系統(tǒng)M.第2版北京：冶金工業(yè)出版社.2001.3 JohnJ.D'azzo,ConstantineH.Houpis . Line