自動控制原理課程設(shè)計-6

摘要坦克火控系統(tǒng)等控制系統(tǒng)歸根結(jié)底主要是依賴于位置隨動系統(tǒng)的控制問題，其根本任務(wù)就是以足夠的控制精度通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)被控目標(biāo)即輸出位置對給定量即輸入位置的及時和準(zhǔn)確的跟蹤。目前對新型坦克裝備的火控系統(tǒng)的基本要求如下：快速發(fā)現(xiàn)、捕獲和識別目標(biāo)；反應(yīng)時間短；遠(yuǎn)距離射擊首發(fā)命中率高；坦克行進(jìn)間能射擊固定或運(yùn)動目標(biāo)；操作簡便，可靠性高；配有自檢系統(tǒng)，維修簡便；具有較高的效費(fèi)比。坦克火控系統(tǒng)即隨動系統(tǒng)的設(shè)計要依據(jù)性能指標(biāo)的要求，選擇合適的元器件和適當(dāng)?shù)目刂品绞?，以達(dá)到性價比的最優(yōu)選擇。本此設(shè)計我將各控制系統(tǒng)抽象為位置隨動系統(tǒng)來進(jìn)行研究。1控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟根據(jù)綜述所述，坦克火炮控制系統(tǒng)可抽象為位置隨動系統(tǒng)，主要解決位置跟隨的控制問題，其根本任務(wù)就是通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)被控量即輸出位置對給定量即輸入位置的及時和準(zhǔn)確的跟蹤，并要求具有足夠的控制精度。根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，本設(shè)計采用雙閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輸出信號對輸入信號的跟蹤和復(fù)現(xiàn)。初步設(shè)計的環(huán)節(jié)如下角差檢測裝置可以選擇電位器組成的檢測器，或者自整角機(jī)檢測裝置。有兩個運(yùn)算放大器環(huán)節(jié)：第一個運(yùn)放為角差檢測裝置，它可以選擇可以選擇電位器組成的檢測器，或者自整角機(jī)檢測裝置。第二個運(yùn)算放大器：給定電壓與反饋電壓在此合成，產(chǎn)生偏差電壓，將經(jīng)過該運(yùn)算放大器放大。功率放大器：給定電壓與反饋電壓在此合成，產(chǎn)生偏差電壓，經(jīng)過放大器放大。執(zhí)行部件：系統(tǒng)中執(zhí)行元件可選用電樞控制直流伺服電動機(jī)和兩相伺服電動機(jī)，電樞控制的直流伺服電動機(jī)在控制系統(tǒng)中廣泛用作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對被控對象的機(jī)械運(yùn)動的快速控制。減速器：減速器對隨動系統(tǒng)的工作有重大影響，減速器速比的選擇和分配將影響到系統(tǒng)的慣性矩，并影響到快速性。初步設(shè)計的原理框圖如下：測量元件測量元件運(yùn)放1運(yùn)放2被控對象減速器執(zhí)行電機(jī)功放———圖1-1初步設(shè)計方框圖下面的內(nèi)容將重點(diǎn)設(shè)計系統(tǒng)各部分元件的選擇，系統(tǒng)的動態(tài)性能即穩(wěn)定性、平穩(wěn)性以及快速性和穩(wěn)態(tài)性能分析，最后將對系統(tǒng)的局部甚至整體進(jìn)行校正，選擇合適的校正裝置使其滿足設(shè)計任務(wù)性能指標(biāo)的要求。2控制方案和主要元部件選擇2.1測量元件的選擇及其傳遞函數(shù)角差檢測裝置可以選擇電位器組成的檢測器，或者自整角機(jī)檢測裝置。自整角機(jī)的檢測精度較高，適合用于精密的閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)中。相比自整角機(jī)，電位器的精度較差，但結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。這次設(shè)計主要針對一般精度的位置隨動系統(tǒng)，所以在此選擇電位器組成的角差檢測器。電位器是一種把線位移或角位移變換為電壓量的裝置。在控制系統(tǒng)中，可以使用一個電位器作為信號變換裝置，使用一對電位器組成誤差檢測器。空載時，單個電位器的電刷角位移與輸出電壓的關(guān)系可以近似為一條直線。由此可得式中是電刷單位角位移對應(yīng)的輸出電壓，稱為電位器傳遞函數(shù)，其中E是電位器電源電壓，是電位器最大工作角。由上式經(jīng)過拉氏變換可得電位器的傳遞函數(shù)為用一對相同的電位器組成誤差檢測器時，其輸出電壓是兩個電位器電刷角位移之差，稱為誤角差。因此，以誤角差為輸入量時，誤差檢測器的傳遞函數(shù)與單個電位器傳遞函數(shù)相同，為注意：當(dāng)電位器接負(fù)載時，只有在負(fù)載阻抗足夠大時，才能將電位器視為線性元件，其傳遞函數(shù)才為用方框圖可表示為K0K0圖2-1電位器傳遞函數(shù)方框圖2.2運(yùn)算放大器及其傳遞函數(shù)給定電壓與反饋電壓在此合成，產(chǎn)生偏差電壓，經(jīng)過放大器放大。傳遞函數(shù)為運(yùn)算放大器的比例系數(shù)用方框圖可表示為KK圖2-2運(yùn)放傳遞函數(shù)方框圖2.3功率放大器及其傳遞函數(shù)給定電壓與反饋電壓在此合成，產(chǎn)生偏差電壓，經(jīng)過放大器放大。忽略晶閘管控制電路的時間之后，其輸入輸出方程為求拉氏變換可得功率放大器的傳遞函數(shù)為用方框圖可表示為K3K3圖2-3功放傳遞函數(shù)方框圖2.4執(zhí)行元件的選擇及其傳遞函數(shù)系統(tǒng)中執(zhí)行元件可選用電樞控制直流伺服電動機(jī)和兩相伺服電動機(jī)，電樞控制的直流伺服電動機(jī)在控制系統(tǒng)中廣泛用作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對被控對象的機(jī)械運(yùn)動的快速控制。兩相伺服電動機(jī)具有質(zhì)量輕、慣性小、加速特性好的優(yōu)點(diǎn)，是控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種小功率交流執(zhí)行機(jī)構(gòu)。兩相伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩—速度特性曲線有負(fù)的斜率，且呈非線性。通常把低速部分的線性段延伸到高速范圍，用低速直線近似代替非線性特性。兩相伺服電動機(jī)機(jī)械特性的線性化方程可表示為式中是電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，是電動機(jī)的角速度，是阻尼系數(shù)，即機(jī)械特性線性化的直線斜率，是堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，可求的，其中可用額定電壓時的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩確定，即忽略負(fù)載轉(zhuǎn)矩的影響，則電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩式中是電動機(jī)轉(zhuǎn)子角位移，和分別是折算到電動機(jī)上的總轉(zhuǎn)動慣量和總粘性摩擦系數(shù)。在零初始條件下求拉氏變換，得到兩相伺服電動機(jī)的傳遞函數(shù)其中，是電動機(jī)的傳遞系數(shù)，是電動機(jī)的時間常數(shù)。根據(jù)角位移和角速度之間的微分關(guān)系可以把傳遞函數(shù)寫成用方框圖可表示為圖2-4伺服電動機(jī)傳遞函數(shù)方框圖2.5減速器減速器對隨動系統(tǒng)的工作有重大影響，減速器速比的選擇和分配將影響到系統(tǒng)的慣性矩，并影響到快速性?？紤]到減速器的輸入量為執(zhí)行電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其單位一般為,而輸出量應(yīng)該為機(jī)械轉(zhuǎn)角，若時間t以s為單位，則取上式的拉氏變換所以減速器的傳遞函數(shù)可表示為式中，是減速器的放大系數(shù)。用方框圖可表示為圖2-5減速器傳遞函數(shù)方框圖這樣，把轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的關(guān)系包含在內(nèi)，減速器可以當(dāng)成一個積分環(huán)節(jié)。2.6測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)是用于測量角速度并將它轉(zhuǎn)換成電壓量的裝置。在控制系統(tǒng)中常用的有直流和交流測速發(fā)電機(jī)。與交流測速發(fā)電機(jī)相比，直流測速發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓斜率大沒有剩余電壓（即轉(zhuǎn)速為零的時候沒有輸出電壓）沒有相位誤差（即勵磁和輸出電壓之間沒有相位移）穩(wěn)定補(bǔ)償容易實(shí)現(xiàn)測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與待測量的軸相連接，在電樞兩端輸出與轉(zhuǎn)子角速度成正比的直流電壓，即是轉(zhuǎn)子角位移；是轉(zhuǎn)子角速度；是測速發(fā)電機(jī)輸出斜率，表示單位角速度的輸出電壓。在零初始條件下，直流測速發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)為根據(jù)角位移和角速度之間的微分關(guān)系可以把傳遞函數(shù)寫成用方框圖可表示為KtsKtKtsKt圖2-6測速發(fā)動機(jī)傳遞函數(shù)方框圖2.7系統(tǒng)原理圖根據(jù)上述元器件的選擇，可以得到初步設(shè)計的系統(tǒng)原理圖。圖2-7系統(tǒng)原理圖3系統(tǒng)的靜態(tài)計算3.1確定開環(huán)系統(tǒng)的放大倍數(shù)系統(tǒng)的方塊圖如下K0K0K1K2K3KtsK0————圖3—1隨動系統(tǒng)動態(tài)方框圖根據(jù)動態(tài)方塊圖可以求得該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為根據(jù)系統(tǒng)原理圖中所給的參數(shù)，可以計算出各典型環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)。1.設(shè)電位器的最大角位移為，則2.運(yùn)算放大器的放大系數(shù)；3.功率放大器放大系數(shù)4.減速器的速比，則5.實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩為，則折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩由此可得系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為閉環(huán)傳遞函數(shù)為3.2計算系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是系統(tǒng)控制準(zhǔn)確度的一種度量，通常稱為穩(wěn)態(tài)性能。穩(wěn)態(tài)誤差的大小反應(yīng)了輸出信號對輸入信號復(fù)現(xiàn)的程度。對于一個實(shí)際的控制系統(tǒng)，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、輸入作用的類型、輸入函數(shù)的形式的不同，穩(wěn)態(tài)輸出也會隨之變化?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是不可避免的，控制系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)之一，是盡量減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，或者使穩(wěn)態(tài)誤差小于某一容許值。4系統(tǒng)的靜態(tài)誤差影響穩(wěn)態(tài)誤差的因素有形態(tài)型別、開環(huán)增益、輸入信號的形式和幅值。下面討論該系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差。4.1階躍輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差與靜態(tài)位置誤差系數(shù)階躍信號為經(jīng)過拉氏變換得系統(tǒng)的靜態(tài)位置誤差為：系統(tǒng)的靜態(tài)位置誤差系數(shù)：4.2斜坡輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差與靜態(tài)速度誤差系數(shù)斜坡信號為經(jīng)過拉氏變換得系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差：系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)4.3加速度輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差與靜態(tài)加速度誤差系加速度信號經(jīng)過拉氏變換得系統(tǒng)的靜態(tài)加速度誤差：系統(tǒng)的靜態(tài)加速度誤差系數(shù)由以上分析可得，I型系統(tǒng)對階躍信號可以實(shí)現(xiàn)無差跟蹤，對斜坡信號可以實(shí)現(xiàn)有差跟蹤，對于加速度信號，I型系統(tǒng)不能跟蹤輸入信號。4.4系統(tǒng)的總靜差系統(tǒng)的總靜態(tài)誤差為三種靜態(tài)誤差之和。即5系統(tǒng)的動態(tài)性分析和綜合校正5.1系統(tǒng)穩(wěn)定性分析系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性的判定可以采用勞斯判據(jù)，赫爾維茨判據(jù)，根軌跡等多種判定方法。該系統(tǒng)為為二階系統(tǒng)，在此選擇勞斯判據(jù)比較簡便。勞斯判據(jù)判定系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是勞斯表中第一列各值為正。系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為系統(tǒng)的特征方程為所以有19309因?yàn)閯谒贡碇械谝涣懈髦禐檎?，所以該系統(tǒng)為穩(wěn)定系統(tǒng)。5.2系統(tǒng)動態(tài)分析和綜合校正5.2.1動態(tài)性能分析穩(wěn)定的系統(tǒng)在單位階躍函數(shù)作用下，動態(tài)過程隨時間的變化狀況的指標(biāo)，稱為動態(tài)性能指標(biāo)。假定系統(tǒng)在單位階躍輸入信號作用前處于靜止?fàn)顟B(tài)，而且輸出量及其各階導(dǎo)數(shù)均為零。這種假設(shè)符合該系統(tǒng)的情況。閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)為為負(fù)平面的兩個共軛根，所以系統(tǒng)為欠阻尼二階系統(tǒng)。欠阻尼二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)如圖5-1所示。二階系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)的的形式為由此可得該系統(tǒng)的自然振蕩頻率和阻尼比分別為由系統(tǒng)的參數(shù)可得阻尼振蕩頻率和阻尼角分別為圖5-1單位階躍響應(yīng)圖5-1單位階躍響應(yīng)01.0y(t)t二階系統(tǒng)的動態(tài)性能時域指標(biāo)包括：延遲時間上升時間峰值時間調(diào)節(jié)時間超調(diào)量二階系統(tǒng)的動態(tài)性能頻域指標(biāo)諧振峰值，諧振頻率，帶寬頻率截止頻率相角裕度超調(diào)量調(diào)節(jié)時間；5.2.2校正設(shè)計對隨動系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的分析與計算，僅僅解決了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度問題。當(dāng)系統(tǒng)據(jù)有足夠的開環(huán)放大倍數(shù)時可以保證所要求的穩(wěn)態(tài)精度，但放大倍數(shù)的增大又會影響到系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性；另外，隨動系統(tǒng)又有不同于調(diào)速系統(tǒng)的地方，即系統(tǒng)對快速跟隨給定能力的要求很高，而系統(tǒng)中一些固有的小時間常數(shù)又限制著截止頻率的提高，因而也限制了系統(tǒng)的快速跟隨性能。因此，隨動系統(tǒng)的動態(tài)校正便成為一個更為重要的任務(wù)。系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求為單位斜坡作用下靜態(tài)誤差，相角裕度，截止頻率為，幅值裕度通過對系統(tǒng)性能的分析，決定采用串聯(lián)超前校正裝置對初步設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行校正。方框圖為5-2?！獔D5-2校正方框圖串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為,因?yàn)樯鲜龅膫鬟f函數(shù)中有小于1的分度系數(shù)，相當(dāng)于在系統(tǒng)中加入了一個比例環(huán)節(jié)，減小了系統(tǒng)的開環(huán)增益，這對系統(tǒng)是不利的，所以在實(shí)際應(yīng)用中，串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為根據(jù)系統(tǒng)性能要求求解校正裝置的參數(shù)。根據(jù)靜態(tài)速度誤差，求解相當(dāng)于給原系統(tǒng)加一比例環(huán)節(jié)，是系統(tǒng)的傳遞函數(shù)變?yōu)榍蠼庠到y(tǒng)的截止頻率和相角裕度、幅值裕度可求得引入的超前網(wǎng)絡(luò)的最大相位角在此選擇校正裝置的參數(shù)確定為了發(fā)揮超前網(wǎng)絡(luò)的最大補(bǔ)償作用，用最大相位角進(jìn)行相位補(bǔ)償。求得求得校正裝置的傳遞函數(shù)為5.校驗(yàn)校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為1）穩(wěn)態(tài)性能得滿足性能指標(biāo)的要求。2）幅值裕度滿足性能指標(biāo)的要求3）截止頻率和相角裕度得滿足性能指標(biāo)的要求滿足性能指標(biāo)的要求————圖5-3系統(tǒng)方框圖課程設(shè)計總結(jié)本設(shè)計針對位置隨動這一控制系統(tǒng)進(jìn)行了討論和設(shè)計。在系統(tǒng)中使用到測量元件，執(zhí)行元件，減速器，以及放大元件，包括運(yùn)算放大器和功率放大器等。本設(shè)計通過比較分析，最終確定了系統(tǒng)所適用的元件，用一對電位器組成測量元件，通過它可以檢測出系統(tǒng)的輸出對輸入的跟蹤程度；使用兩相伺服電動機(jī)做執(zhí)行元件，具有重量輕、慣性小、加速特性好的優(yōu)點(diǎn)，通過電動機(jī)把電壓信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速信號；執(zhí)行元件通過減速器把伺服電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成角位移量，帶動被控對象發(fā)生相應(yīng)的角位移變化。經(jīng)過對系統(tǒng)性能的分析可以看出，初步設(shè)計的系統(tǒng)不能滿足本設(shè)計任務(wù)的要求，需要對系統(tǒng)進(jìn)行局部的校正，通過串聯(lián)超前校正裝置對系統(tǒng)進(jìn)行了校正，并驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能已經(jīng)達(dá)到系統(tǒng)指標(biāo)的要求。這次設(shè)計的位置隨動系統(tǒng)具有很普遍的意義，和很廣泛的使用價值。位置隨動系統(tǒng)在各個領(lǐng)域里都已經(jīng)占有了很重要的地位，它們的工作原理都是基本相同的，只是根據(jù)不同場合不同性能的要求而選擇不同的控制方式和不同的器件。對于我們來說，掌握好位置隨動系統(tǒng)的基本工作原理并能對性能不好的系統(tǒng)進(jìn)行合理的校正是很重要的。課程設(shè)計體會這次課程設(shè)計充滿了挑戰(zhàn)，自己掌握的知識是很有限的，但是通過自己的學(xué)習(xí)和分析，大量的搜索相關(guān)的資料，以及老師同學(xué)的幫助，我順利的完成了這次設(shè)計，并且獲得了很大的收獲。通過這次課程設(shè)計，我對自動控制原理的實(shí)際應(yīng)用有了更深的了解。當(dāng)今世界很多產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入自動化時代，這要求我們更好更多的掌握自動控制的原理和基本知識，將來才能更好的適應(yīng)這個社會的發(fā)展。通過自己設(shè)計這樣一個比較簡單的位置隨動系統(tǒng)，我對簡單的控制系統(tǒng)有了整體的認(rèn)識和了解，對系統(tǒng)工作的各個環(huán)節(jié)和各種指標(biāo)分析都有了更深刻的認(rèn)識。每一次課程設(shè)計都是我們自主學(xué)習(xí)和能力鍛煉的機(jī)會，我很高興自己能夠把握住這樣的機(jī)會，在