自动控制原理课程设计--红外目标背景仿真装置中定向镜俯仰系统的.docx

A-2 课程设计说明书（论文）课程名称：自动控制原理设计题目：显示臂小车垂直伺服控制系统设计与仿真院 系：航天学院班 级：设 计 者：学 号：指导教师：设计时间：目录红外目标背景仿真装置中定向镜俯仰系统的设计与仿真51系统的人工设计51.1电机系统模型的建立及仿真51.2.系统性能指标61.3.期望频率法校正函数71.4.校正环节传递函数的设计71.5.前馈环节的设计102.计算机仿真122.1.matlab建模122.2.simulink仿真153.校正装置电路设计173.1系统的校正框图173.2元器件参数173.3校正电路20自动控制原理课程设计书设计题目：控制系统的设计与仿真（A-2）1已知控制系统直流电机主要参数如下：（红外目标背景仿真系统中定向镜系统中的俯仰系统）电机转动惯量 Jm=0.036gf.cm.s2 负载转动惯量 Jl=0.036gf.cm.s2电机转矩灵敏度 Ke=454.5gf.cm/A 电磁时间常数 Ts=0.052电机电枢电阻Ra=8.82 2性能指标（1）开环放大倍数 （2）剪切频率 （3）相位裕度 （4）谐振峰值（5）超调量p20% （6）过渡过程时间ts0.2s（7）角速度=2.62rad/s （8）角加速度=10.5rad/s（9）稳态误差ess=0.5mrad3设计要求和步骤（1）设计系统，满足性能指标。（2）人工设计。绘制系统校正前后以及校正装置bode图，并确定校正装置的传递函数。验算校正系统是否满足指标要求。（3）计算机辅助设计利用matlab语言对系统进行辅助设计、仿真、调试。（4）确定校正装置的电路形式、参数。（5）撰写设计报告。具体包括以下几个方面：1）设计任务书2）设计过程人工设计包括计算数据、系统校正前后以及校正装置bode图、校正装置传递函数、性能指标验算数据。计算机辅助设计包括simulink仿真框图，bode图，阶跃响应曲线，性能指标要求的其他曲线。3）校正装置电路图。4）设计结论。5）设计后的心得体会。哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名：皮永江 院 （系）：航天学院 专 业：自动化 班 号：110410328 任务起至日期：2014.02.172014.03.20 课程设计题目： 红外目标背景仿真装置中定向镜俯仰系统 编号：A-2已知技术参数和设计要求：1已知控制系统直流电机主要参数如下：（1）电机转动惯量 Jm=0.036gf.cm.s2 （2）负载转动惯量 Jl=0.036gf.cm.s2（3）电机转矩灵敏度 Ke=454.5gf.cm/A （4）电磁时间常数 Ts=0.052（5）电机电枢电阻Ra=8.82 2性能指标A（1）开环放大倍数 （2）剪切频率 （3）相位裕度 （4）谐振峰值（5）超调量20% （6）过渡过程时间ts0.2s（7）角速度=2.62rad/s （8）角加速度=10.5rad/s（9）稳态误差ess=0.5mrad 工作量：(1)根据电机参数建立传递函数模型；(2)人工设计利用半对数坐标值手工绘制系统校正前后及校正装置的Bode图，并确定出校正的装置传递函数；(3)计算机辅助设计用MATLAB进行仿真调试。确定校正装置的电路形式及参数，撰写实验报告。 工作计划安排：1、根据所给动态参数参数确定静态参数，求出传递函数，求出相应指标，确定矫正方法。 2、逐步校正，最终达到设计要求。 3、设计电路图。 4、撰写实验报告。同组设计者及分工：无 指导教师签字_ 年 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字_ 年 月 日*注：此任务书由课程设计指导教师填写 22 红外目标背景仿真装置中定向镜俯仰系统的设计与仿真编号：A-21系统的人工设计1.1电机系统模型的建立及仿真对于直流电机的简化模型有如下动态关系式：表格 1直流电机动态关系式表Tem=KtIa(t)s=1JS(Tems-Tc(s)Eat=Ke(t)Tems=KtIa(s)Tem=Jd(t)dt+Tc(t)Ias=1Ls+Ra(Uas-Ea(s)Uat=LadIa(t)dt+RaIat+Ea(t)Eas=Kes假设系统的阻力矩为0，则直流电机的传递函数为：(s)Ua(s)=1Keems2+ms+1e=LRa=0.052s m=RaJKeKt=0.4423s 1Ke=22ANm综上所述，电机系统控制模型为：(s)Ua(s)=1s220.023s2+0.4423s+1电机系统传递函数的bode图如下：由电机系统的bode图可以知道，系统的剪切频率c7.5rad/s，那么相角裕度=180。-tan0.4423*7.51-0.023*7.52-90。5。1.2.系统性能指标性能指标A给定的技术参数如下：1. 超调量：p20% 2. 过渡过程时间：ts0.2s 3. 角速度：=2.62rad/s 4. 角加速度：=10.5rad/s 5. 稳态误差：ess=0.5mrad 经过分析显示红外目标背景仿真装置中定向镜俯仰系统为高阶系统，所以对于参数的计算采用高阶系统进行运算。初步的想法是通过规定的静态指标超调量p和过渡过程时间ts，将系统要求的剪切频率以及相位裕度计算出来：采用高阶系统运算的经验公式。经验公式一：经验公式二：由经验公式一得到：相位裕度：65.3。 将相位裕度带入经验公式二得到：剪切频率：c35rad/s 1.3.期望频率法校正函数A：sin=h-1h+1=sin70。h=33B：2=ch=9033=15.9rads 3=ch=9033=509radsC：假设开环增益为1000；确定低频转折频率1=4.67radsD：假设高频转折频率4=1000rads那么得到校正之后的函数：Gs=1000(115.9s+1)s(14.67s+1)(1509s+1)(11000s+1)那么得到校正之后的函数bode图如下图：1.4.校正环节传递函数的设计系统的原函数：G0=220.023s3+0.4423s2+sUa校正之后的函数：Gs=1000(115.9s+1)s(14.67s+1)(1509s+1)(11000s+1)G0s=220.023s3+0.4423s2+sPD反馈G1s=1(14.67s+1)(1509S+1)sG1s=1(14.67s+1)(1509S+1)s串联校正G2s=(115.9s+1)s(14.67s+1)(1509s+1)(11000s+1)G2s=(115.9s+1)s(14.67s+1)(1509s+1)(11000s+1)开环增益Gs=1000(115.9s+1)s(14.67s+1)(1509s+1)(11000s+1)第一步：PD反馈校正参数计算：G0s=220.023s2+0.4423s1+1s=956.5s2+19.23s+43.4sG1s=1(s4.67+1)(s509+1)s设PD反馈校正部分为Kps+1=as+ba=513.67-19.23956.5=0.52b=2377.03-43.4956.5=2.44Kp=2.44=0.21K=4.67*509956.5=2.5第二部：串联校正G1s=1(14.67s+1)(1509S+1)sG2s=(115.9s+1)s(14.67s+1)(1509s+1)(11000s+1)Gc1s=(115.9s+1)(11000s+1)Bode(Gc1):系统函数校正前后bode图：1.5.前馈环节的设计在任务书中给出了相应的计算指标， 从给出的指标可以判断输入信号为正弦信号。其指标需满足要求：1. 角速度：=2.62rad/s 2. 角加速度：=10.5rad/s 3. 稳态误差：ess=0.5mrad通过前两个指标角速度与角加速度可以很容易的得出：输入信号的幅值与角频率的数值。据公式：=A*，= A*2经过计算得出：输入信号幅值=0.665rad，角速度=4.0rad/s所以，不难得出输入信号为：R(t)=0.655*sin(4t)rads没有加入前馈环节时系统稳态误差如下图所示：由图像可以得到，系统的稳态误差ess4mrad0.5mrad，所以不满足要求。根据稳态误差的定义有如下公式：E(s)R(s)=1-Gc(s)G1(s)1+G(s)H(s)s=j4Ei4=|Rj4|1-Gcj4G1j4|1+Gj4Hj4|0.5mrad|1+G2j4Hj4|恒定1-GcsG1s=0.0004207s3+0.2161s2+s-Gcs0.0004207s3+0.2161s2+s消去低次系数较大项Gcs=0.2161s2+s为了方便实现Gcs=0.2s2+s(0.001s+1)2加入前馈环节时系统稳态误差如下图所示：由图像可以得到，系统的稳态误差ess0.25mrad den=conv(1/4.67,1,conv(1/509,1,0,1/1000,1); sys_1=tf(num,den)； /校正之后函数bode图bode(sys_1)step(feedback(sys_1,1,-1);grid /校正之后传递函数阶跃响应t=0:0.001:10;u=0.665*sin(4*t);E_s=1/(1+sys_1); lism(E_s,u,t);grid /校正之后稳态误差校正环节bode图：G1s的阶跃响应图像如下：由上图可以知道，系统超调量不符合要求，那么适当较低开环放大倍数可以适当减少超调量，将开环放大倍数设为850。Gs=850(115.9s+1)s(14.67s+1)(1509s+1)(11000s+1)此时G1s的阶跃响应图像如下：由图像可知，系统的超调量p20% ，过渡过程时间ts0.2s，满足要求。系统校正前后bode图：2.2.simulink仿真用simulink做出系统框图：系统未加入前馈时的稳态误差如图所示：系统加入前馈时的稳态误差如图所示：综上所述，校正后的系统满足要求。3.校正装置电路设计3.1系统的校正框图3.2元器件参数PD环节：Kps+1Kp=2.44=R7+R8R6=0.21=R7R8C3R7+R8可以取R6=2.8KR7=14KR8=14KC3=30F串联环节：T1s+1T2s+1 T1=115.9=R4R5C2R4+R5T2=11000=R2C1可以取R1=1KR2=1KR3=10KR4=20KR5=20KC1=1FC2=6F放大环节：K1=R2R4R1R3=850, K2=R2R4R1R3=2.5K1=R2R4R1R3=850K2=R2R4R1R3=2.5可以取R1=R3=1KR2=10K,R4=8.5K R1=5K,R3=1KR2=2K,R4=1K前馈环节：1s+1s2s+13s+1 1=0.2=R4R5C2R4+R52=0.001= R2C13=0.01=(R6+R7)C3 可以取R1=R2=1KC1=1FR3=10KR4=R5=20KC2=20F R6=5KR7=5KC3=1F3.3校正电路4.设计结论1通过这次课程设计，给了实际的工程背景，我学会了更好的应用已学的知识解决实际问题，虽然只是在仿真上得到解决，但我觉得非常自豪和欣慰。2本系统采用了比例+微分控制的方法改善了系统的动态性能。可以用放大器和电阻、电容网络，改善系统的动态特性。3通过对于内环bode图的特性的调节，我发现加微分负反馈对于减小系统的剪切频率有很大的帮助，虽然这次这个特点对于矫正产生了很大的影响，但我相信在以后的学习过程中，这个特点会起到一些帮助。4对于一个输入为正弦信号的闭环系统，其响应输出一般很难和输入信号复制相同，这时可以在系统闭环之前增加一个增益，调整输出信号的幅值。5在实际设计一个控制系统时，希望频率的转折点尽量取到整数，这次设计就是没有注意这个问题，这对后来的实际电路的原件的选取造成的巨大的麻烦。6. 在实际设计校正电路的时候，应该选取实际存在的电阻值，从而对于实际购买元件有很大的帮助。相反，若主观臆造任意电阻和电感值，不仅无形的增加的系统的设计难度，同时对于系统的实现也产生了影响。5.设计心得体会通过这次课程设计，进一步理解了上学期自动控制原理课程中的一些基本概念，比如剪切频率、相角裕度、稳态误差、过渡过程时间、超调量；熟练掌握了各种校正，对在何种情况应用哪种校正，以及不同校正的区别也都有了一定的了解。本题目仅仅给了剪切频率、相角裕度、稳态误差、过渡过程时间、超调量五个参数指标和相应的系统框图，在对不同校正的试用