自动控制原理课程设计报告书.doc

磁盘驱动读取系统概述：磁盘驱动读取装置的目标是要将磁头准确定位，以便正确读取磁盘磁道上的信息，由于磁盘旋转速度在1800转/分和7200转/分之间，磁头在磁盘上方不到10nm的地方运动，所以位置精度指标要求非常高。此系统轨道的位置是通过读取预先录制在上的信息（格式化完成）进行检测的，因此反馈通道的传递函数取为：H(s)=1。此外我们近似磁头与手臂之间的簧片是完全刚性的，所以影响磁头定位的主要扰动因素是外界的冲击、震动和系统内部参数发生改变等因素，我们要改进控制系统，以减小扰动因素的影响。在这次设计中我们将用到比例控制，超前校正控制，滞后超前校正控制等方法。一、利用实验数据建立对象数学模型（考虑读写头与悬臂刚性连接）实验原理图： C(S) R(S) 相关数据：t(s)00.0020.0040.0060.0080.010.0120.0140.016y(m)00.0497320.0805570.0893580.0914390.0918340.0919730.0920020.092008飞升曲线标幺曲线 根据程序：t=t(15:30);y1=y(15:30);y2=y1/0.092008;y3=1-y2;y4=log(y3);plot(t,y4)gridp=polyfit(t,y4,1)有关参数：TY*1-y*ln(1-y*)0.0070.985560.01344-4.30950.00750.990870.0091329-4.69590.0080.993810.0061877-5.08520.00850.995820.004181-5.47720.0090.997180.0028179-5.87180.00950.998110.0018945-6.26880.010.998730.0012705-6.66840.01050.999150.00084964-7.07070.0110.999430.00056635-7.47630.01150.999620.00037597-7.8860.0120.999750.0002482-8.30130.01250.999840.00016258-8.72440.0130.999890.00010525-9.15920.01350.999936.6917e-005-9.61210.0140.999964.1305e-005-10.0950.01450.999982.4207e-005-10.629并得到：p = -829.6900 1.5860所以：K=-829.69,b=1.586得到斜率坐标曲线如下图：斜率坐标图 计算如下：所以对象传递函数:G(s)=0.92008/(1.15610-6S3+2.1610-3S2+S)二、采用比例控制，系统的性能指标要求：超调量s%5%，调整时间ts Select a point in the graphics windowselected_point = -7.4426e+002 -8.3668e+000ians = 26.5803得到如图根轨迹：根轨迹图在保证系统稳定的前提下，折中选出比例增益，系统稳定要求闭环系统的极点位于S平面的右半面，通过根轨迹图可知当s%=4.88%时，系统Ka=2473、系统的稳定裕度编程：ka=247;sys1=tf(0.92008*ka, 0.00121 1)sys2=tf(1,0.000958 1 0)sys3=series(sys1,sys2);bode(sys3)gridmargin(sys3)h r wg wc=margin(sys3)运行结果：Transfer function: 227.3-0.00121 s + 1 Transfer function: 1-0.000958 s2 + sh =8.2297 （幅值欲量h）r =63.7349 （相角欲量r）wg =928.8050 （交接频率wg）wc =215.3773 （截止频率wc）BODE图4、单位阶跃给定作用下的响应曲线编程：ka=247;t=0:0.0001:10;sys1=tf(0.92008*ka, 0.00121 1)sys2=tf(1,0.000958 1 0)sys3=series(sys1,sys2);sys4=feedback(sys3,1)y,t=step(sys4,t);plot(t,y)grid得到曲线如图：5、单位扰动作用下的响应曲线编程：ka=247;t=0:0.001:2;sys1=tf( 1,0.000958 1 0)sys2=tf(0.92008*ka,0.00121 1)sys3=feedback(sys1,sys2)y,t=step(sys3,t);plot(t,y)grid得到曲线如图：5、小结通过多次改变Ka的可得到以下表中的多组数据：Ka225235247255265超调量3.14%3.95%4.88%5.57%6.4%调节时间（s）0.0140.0130.0120.0120.013对单位阶跃扰动的响应的最大值0.00490.00480.00460.00450.0044由此折中选择Ka=247为合适的。三、采用超前校正，系统的性能要求，超调量小于5%，调整时间小于200ms,稳态误差要求小于1um,单位扰动的最大响应小于0.005。1、控制系统的方块图： N(S)Kc(bsT+1)/(Ts+1)1/S(0.000958S+1)0.92008/(0.00121S+1)R(S) C(S)2、校正前的系统的频率特性：BODE图通过计算如下:可以得到超前传递函数：（0.92008S+1）/（0.0035S+1）校正后系统的开环传递函数：0.92008/（1.15610-6S3+2.12610-3S2+S）*1086862（0.92008S+1）/（0.0035S+1）2、校正后系统的频率特性曲线：a=0.92008;b=1.156e-006 0.00216 1 0sys=tf(a,b);sys1=tf(1086862*1.0815 1086862,0.0035 1 )sys2=series(sys,sys1)bode(sys2)margin(sys2)grid BODE图3、系统的稳定裕度：由此可知系统的稳定裕度：幅值欲量h=16.2db.相角欲量r=87.8度4、阶跃给定和扰动阶跃作用下的响应曲线单位阶跃给定：扰动阶跃作用：5、小结：串联超前校正装置对系统进行校正，使我认识到了超前校正的重要作用通过它可提高系统的截止频率和相角欲量，从而减小了阶跃响应的超调量和调节时间从而改善系统动态性能指标。通过这部分的校正练习，我进一步巩固了超前校正的具体步骤。四、 超前-滞后校正，系统的性能指标要求：超调量s%5%，调整时间ts=25。所以有性能指标确定希望的闭环主导极点的坐标=-17.5j17.9 为使系统的闭环主导极点位于希望的位置，计算出滞后超前网络的超前角由于原系统的两个极点为0，-500，通过计算原系统折算到到希望主导极点的之一S1的相角为：=-137.7。而S1为理想动态区域内的实验点。该点成为闭环极点的条件是：于是滞后超前网络的超前部分的超前角为-42.3。 根据对系统稳态指标的要求，计算原系统开环增益应提高的倍数根据系统稳态指标的要求可得k=1069010 求校正网络的传递函数。由下列的幅值条件和相角条件：=1=-42.3。根据上述两个条件，由计算可得,Tb.其中=5.65, Tb=2.8。下面选择滞后部分的参数Ta使之满足下面的幅值条件和相角条件：=1，03。于是可得=11.34s得校正后系统的开环传递函数为4、校正后系统的根轨迹为：5、系统的稳定裕度：校正后系统的频率响应曲