自动控制原理课程设计-角度控制系统设计.doc

编 号： 审定成绩： 重庆邮电大学自动控制原理课程设计设计题目：角度控制系统设计 学 院 名 称 ：自动化学院学 生 姓 名 ：专 业 ：班 级 ： 学 号 ： 指 导 教 师 ：填表时间：2014 年 12 月重庆邮电大学摘 要为了改善角度控制系统的动态性能和稳定性，可以通过测速发电机将直流电动机的角转速测出，通过微分电路反馈到功放输入端，进行反馈校正。这样可以改善系统的瞬态性能。反馈校正是校正中的一种。是在单纯调整系统参数不能满足性能指标时，对系统进行的校正。测速发电机ZF将直流电动机的角速测出，通过分压电阻R，微分电路反馈到功放输入端，进行反馈校正。用反馈校正装置包围待校正系统中对动态性能改善有重大妨碍作用的某些环节，形成一个局部反馈回路；在局部反馈回路的开环幅值远大于1的条件下，局部反馈回路的特性主要取决于反馈校正装置，而与被包围部分无关；适当选择反馈校正装置的形式和参数，可以使已校正系统的性能满足给定指标的要求。【关键词】 角度控制 测速发电机 反馈校正目录第一章 绪论5第一节 概述5第二节 设计题目与设计内容5第三节 任务分工6第四节 本章小结7第二章 总体方案设计8第一节 设计内容8第二节 本章小结18设计总结19参考文献20第一章 绪论第一节 概述自动控制技术已广泛的应用在制造业，农业，交通，航天及航空等众多产业部门，极大的提高了生产率 提高了人们的生活水平。为了改善角度控制系统的动态性能和稳定性，可以通过测速发电机将直流电动机的角转速测出，通过微分电路反馈到功放输入端，进行反馈校正。第二节 设计题目与设计内容一、 设计题目 角度控制系统，系统输入为指令转角，输出为负载转角。当系统误差角时，由自整角既CX-CT组成的比较装置输出交流电压信号，通过解调放大器变为直流放大的信号，与转速反馈信号 比较，经过功率放大后驱动直流电动机ZD，用减速器 放大力矩，以拖动负载转动。负载转交 直接反馈到比较装置。测速发电机ZF将直流电动机的角速= 测出，通过分压电阻R，微分电路 反馈到功放输入端，进行并联校正。其目的是为了改善瞬态性能。图1.1 结构图 如果该系统满足精度要求，试设计并联校正装置，使系统精度不变，满足瞬间性能指标：最大超调量,调节时间。要求：a) 选取适当参数，建立系统控制模型；b) 写出传递函数；c) 写出分析过程；进行系统稳定性分析；d) 如果系统不稳定，进行校正，画出校正前后Bode图；e) 画出校正前后的单位阶跃响应图。2、 设计内容角度控制系统，系统输入为指令转角，输出为负载转角。当系统误差角时，由自整角既CX-CT组成的比较装置输出交流电压信号E。通过解调放大器变为直流放大的信号，与转速反馈信号比较，经过功率放大后驱动直流电动机ZD，用减速器放大力矩，以拖动负载转动。负载转交直接反馈到比较装置。测速发电机ZF将直流电动机的角速测出，通过分压电阻R，微分电路反馈到功放输入端，进行反馈校正。用反馈校正装置包围待校正系统中对动态性能改善有重大妨碍作用的某些环节，形成一个局部反馈回路；在局部反馈回路的开环幅值远大于1的条件下，局部反馈回路的特性主要取决于反馈校正装置，而与被包围部分无关；适当选择反馈校正装置的形式和参数，可以使已校正系统的性能满足给定指标的要求。第三节 任务分工本设计由十位同学组成，每位同学负责的主要任务如表1.1 所示。 表1.1 任务分工表序号姓名学号主要负责任务1建立数学模型2建立数学模型3并联反馈调节4并联反馈调节5系统稳定性分析6系统稳定性分析7建立传递函数8建立传递函数9画图、写程序10画图、写程序第四节 本章小结为了改善控制系统的性能,除了采用串联校正方式外,反馈校正也是广泛应用的一种校正方式.系统采用反馈校正后,除了可以得到与串联校正相同的结果外,还可以获得某些改善系统性能的特殊功能.反馈校正的特点有:1) 削弱非线性的特点2) 减少系统的时间常数3) 降低系统对参数变化的敏性4) 抑制系统噪声本设计就是利用了反馈校正的这些功能.不但满足给定的瞬态性能指标,还使系统从不稳定变为稳另外采用反馈校正的控制系统,必然是多环系统.在频域内进行多环系统的反馈校正,除了可采用期望特性综合法外,也可以采用分析法校正.反馈校正装置传递函数的倒数,在主要频率内近似等效于串联校正装置的传递函数,因此也可以用串联校正的方法确定反馈校正装置的参数.本设计是采用期望特性综合法,也可以用分析法校正.第二章 总体方案设计第一节 设计内容1.选取适当参数，建立系统控制模型 图2.1 系统方框图1.1 各个环节的传递关系a) 自整角机CX-CT工作原理：在自整角发送机的励磁绕组中通入单相交流电流时，两台自整角机的气隙中都将产生脉振磁场，其大小随时间按余弦规律变化。脉振磁场使自整角发送机整步绕组的各相绕组生成时间上同相位的感应电动势，电动势的大小取决于整步绕组中各相绕组的轴线与励磁绕组轴线之间的相对位置。输出电动势为,其中q=(-) （1）b) 解调放大器工作原理：将自整角发出的交变信号变为直流信号。传递函数为： ,其中, （2）c) 功率放大器工作原理：是为了满足静态及动态的性能指标，需要改变系统增益系数K而设定的。由基本运放电路和反馈网络组成，且增益系数可调，在线性工作区可将其看作一比例环节。传递函数： （3）d) 直流电动机ZD工作原理: 直流电动机是由直流电源供电，输入的是电能，输出的是机械能。直流电动机在忽略其微小电感La情况下,可以看成是一个典型的一阶系统。传递函数： （4）为电动机的电阻；为电动机转子的转动惯量；为电磁力矩常数,由电动机的结构参数确定；为电机转速；Km是电机增益常数，Tm是电机时间常数。e) 减速器工作原理：减速机一般用于低转速大扭矩的传动设备，把电动机.内燃机或其它高速运转的动力通过减速机的输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的，普通的减速机也会有几对相同原理齿轮达到理想的减速效果，大小齿轮的齿数之比，就是传动比。减速机是一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将马达的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。传递函数： （5）f) 测速发电机ZF：工作原理：是在控制系统中用作速度和加速度传感器的一种微型发电机。直流测速发电机是一种转速的信号元件，它将输入的机械转速变换为电压信号输出。为了使旋转机械保持恒速，可以在电动机的输出轴上耦合一测速发电机，并将其输出电压和给定电压相减后加入放大器，经放大后供给直流伺服电动机。当电动机转速上升，测速发电机的输出电压增大，给定电压和输出电压的差值变小，经放大后加到直流电动机的电压减小，电动机减速；反之，若电动机转速下降，测速电机的输出电压减小，给定电压和输出电压的差值变大，经放大后加给电动机的电压变大，电动机加速。保证了电动机转速变化很小，近似于恒速。传递函数： （6）1.2 角度控制系统设计结构 - - 图2.2 系统方框图2.反馈控制的原理 反馈校正的基本原理：利用反馈校正装置包围待校正的系统中对动态性能改善有妨碍作用的某些环节，形成一个局部反馈回路，在局部反馈回路的开环幅值远大于一的时候，反馈的特性主要取决于反馈装置，而与被包围的部分无关。如图2.1前向通道被传递函数负反馈包围，于是反馈环路的传递函数为 (7) (8)如果 (9)可近似写出 (10) 从上式可以看出如果满足一定条件，则可以用反馈通道的传递函数的倒数来等效描述在一定的频带范围内控制系统的特性由传递函数 (11) 来描述。 负反馈的这个特性非常重要，本次设计就是利用了反馈校正的这个特性，减小系统的时间常数，改变系统的响应速度。从而改善了系统的动态性能。3.系统的分析和校正3.1 分析系统的固有特性 根据传递函数方框图3-1可得闭环传递函数 （12） _ _ 图2.3 系统传递函数方框图由闭环传递函数（12）可得系统特征方程为 ，可知该系统稳定。并画出幅频渐进线如图3-2 所示。根据图或计算可得出图中幅值穿越频率为43.7rad/s,相角欲量为-31度，增益欲量为-13.4dB。 图2.4系统固有特性，希望特性，并联特征部分的特性 程序：G1=tf(316,0.0026 0.15 1 0);figure(1);margin(G1);3.2 根据性能指标确定期望特性 系统固有部分低频段已经满足精度要求，故希望特性低频段与的-20dB/dec低频段直线重合（图c点前）。因为高频段对瞬态性能影响不大，所以可使期望特性高频段与高频段的-60dB/dec直线重合（图d点后） 下面按指标确定和，在来确定期望特性的中频段。先按从工具书中查出系统应该具备的相位欲量，接着按公式计算出再由公式算出中频段的幅值上下限： (13) (14) 中频段的位置由确定。根据，在工具书上查的，按指标要求取，。在图3-2中过点做斜率为-20dB/dec的直线，与=14.9db线和=-5.2db线分别交于点a和由a点作斜率为-40db/dec的直线,与低频段交于c点,ac即低频段过渡线在确定高频过度线时,应考虑尽量 使校正装置简单.因为=50rad/s是系统固有部分的一个转角频率,所以可将中频段从 点延长至该处的b点(延长中频段的稳定性有利),然后再以-40db/dec的斜率作为高频过度线,与固有部分的高频段交于d点.整个期望特性如图3-2中的细线所示3.3 检测期望特性的性能 由图3-2可写出 (15) 图3-3是它的Bode图,幅值欲量=20DB. 图2.5 Bode图程序：G2=tf(94.8 316,0.000896 0.1569 5.628 1 0);figure(2);margin(G2);3.4 求校正装置3.4.1 校正 为了清楚表示,将图3-2中的线画在图3-4中,并在同一图中画出被包围环节的幅频渐进线.在画出校正装置特性线,如图它是一个微分环节,传函为 = (16)根据图1-1可知 (17) 图2.6系统包围环节特性,校正装置特性式中,是测速发电机ZCF的电势系数,查产品手册得ZCF121的=0.16V.S/rad.是由电位计滑臂调节的分压系数.令= 和相等 可得=0.3, 0.=0.018.解=0.375.选择电容.电位器电阻R一般很小,选 校正前,后闭环系统阶跃响应分别如图2.7和图2.8系统从不稳定变为稳定，满足给定的瞬态性能指标. 图2.7 系统校正前的阶跃响应程序：num=316;den=0.0026 0.15 1 316;sys=tf(num,den);p=roots(den)t=0:0.01:3;figure(1)impulse(sys,t);gridxlabel(t);ylabel(c(t);title(impulse response);figure(2)step(sys,t);gridxlabel(t);ylabel(c(t);title(step response); 图2.8 系统校正后的阶跃响应程序为：G=tf(000316,0.00260.1510);Kp=0.13;Ki=1.83;Kd=0.1;fori=1:length(Kd)G2=tf(Kp*Ki*Kd(i)Ki1,Ki0)G1=feedback(G2*G,1);step(G1),holdonend 第二节 本章小结通过角度控制系统的反馈校正设计，使我对反馈校正的原理和实际应用有了进一步的了解。利用反馈校正装置包围待校正的系统中对动态性能改善有妨碍作用的某些环节，形成一个局部反馈回路，使得局部反馈的特性主要取决于反馈装置，而与被包围的部分无关。设计总结通过角度控制系统的反馈校正设计，使我对反馈校正的原理和实际应用有了进一步的了解。利用反馈校正装置包围待校正的系统中对动态性能改善有妨碍作用的某些环节，形成一个局部反馈回路，使得局部反馈的特性主要取决于反馈装置，而与被包围的部分无关。通过反馈校正改善系统的性能。为期10天的课程设计结束了。在这两周的学习中，我学到了很多，也找到了自己身上的不足,感受良多，获益匪浅。在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程.”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义.我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础. 通过这次角度控制系统设计，我在多方面都有所提高；通过这次角度控制系统设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次角度控制控制设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了角度控制控制设计等课程所学的内容；通过这个设计让我对自动控制技术有了进一步的认识，自动控制技术已广泛的应用在制造业、农业、交通、航天及航空等众多产业部门，极大的提高了生产率提高了人们的生活水平，因为这们技术涉及的方面很广所以要想灵活的应用自动控制技术就得广泛的学习各门科学 ，不能认为学好了自动控制原理就能顺利的应用自动控制技术。同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。 在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从