自动控制原理课程设计报告书 CD机.doc

CD机光驱读盘设计CD机光驱读盘设计磁头读取装置的目的是要将磁头准确定位，以便正确读取磁盘磁道上的信息，由于磁盘工作时处于高速的旋转。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，我要改进控制系统，以减小扰动因素的影响。在这次设计中我用到比例-微分控制，超前校正。一、 磁头读取的工作原理磁盘作为一种磁表面存储器，是在非磁性的合金材料表面涂上一层很薄的磁性材料，通过磁层的磁化来存储信息。硬盘主要由磁盘和磁头及控制电1组成，信息存储在磁盘上，磁头负责读出或写入。硬盘一开机，其磁盘就开始高速旋转。磁关可以采用轻质薄膜部件，盘片在高转下产生的气生的气流浮力迫使磁头离开盘面悬浮在盘片上方，浮力与磁头座架弹簧的反向弹力使得磁头保持平衡。这样的非接触式磁头可以有效地减小磨损和由摩擦产生的热量及阻力。 当硬盘接到一个系统读取数据指令后磁头根据给出的地址，首先按磁道号产生驱动信号进行定位然后再通过盘片的转动找到具体的扇区，最后由磁头读取指定位置的信息并传送到硬盘自带的Cache中。磁盘可以方便有效地储存信息，磁盘驱动器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。磁盘驱动器结构示意图如图所示。 磁盘驱动器结构示意图该闭环系统利用电机驱动磁头臂到达预期的位置。磁盘驱动器的磁头闭环控制系统方框图如图所示。 磁盘驱动器的磁头闭环控制系统方框图二、建立对象数学模型：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 所以对象传递函数:G(s)=0.92008/(1.15610-6S3+2.1610-3S2+S)三、采用比例微分控制1、控制系统方块图： N(S)Kp1+1/(Tis+1)1/s K0/s(Ts+1)R(S) c(s) 1 2、传递函数与根轨迹 不变部分的传递函数为 G0=k0/s(Ts+1)由图可知，系统不可变部分与PI控制器串联后，其开环传递函数为 Gs=k0kp(Tis+1)/Tis2(Ts+1)系统的特征方程为 TiTs3+Tis2+kpk0Tis+kpk0=0其中，参数T，Ti，k0，kp都是正数。由劳思判据可知，调整PI控制器的积分时间常数T，使之大于系统不可变部分的时间常数T，可以保证闭环系统的稳定性。如果系统串联PI控制器后不但要求闭环系统稳定，而且要求闭环系统有相对稳定度a，以改善系统的动态性能，则令s1=s+a带入原方程，经过计算得 aa(8a2TiT2-8aTiT+2Ti)/k0(Ti-T-2aTTi) TiKpK0/(a3T-a2+aKpK0)其中，第一个不等式给出了系统相对稳定度a的上界，表明系统不可变部分的时间常数T越大，允许的相对稳定度a越小；第二和第三个不等式是PI控制器可调参数kp及Ti的调节依据。 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： （1） 相角裕度r r=1800+/G(jwc)H(jwc) 于闭环稳定系统，如果系统开环相频特性再滞后r度，则系统将处于临界稳定状态。（2） 幅值裕度h h=1/G(jwx)H(jwx)幅值裕度h的含义是，对于闭环稳定系统，如果系统开环幅频特性在增大h倍，则系统将处于临界稳定状态。手工绘制波德图步骤：1、确定转折频率：10、40，在(1,20log200)点画斜率为-20的斜线至 ；2、在 之间画斜率为-40的斜线；3、在 后画斜率为-60的斜线。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、单位扰动给定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：6、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。四、采用超前校正.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）3、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 频率特性曲线图4、系统的稳定裕度：5、阶跃给定和扰动阶跃作用下的响应曲线 阶跃给定作用下响应曲线扰动给定阶跃作用响应曲线6、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。 五、设计体会 通过自动控制原理的课程设计，我不仅加深了对自动控制原理课程的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。创新，是要我们学会将理论很好地联系实际，并不断地去开动自己的大脑，从为人类造福的意愿出发，做自己力所能及的，别人却没想到的事。使之不断地战胜别人，超越前人。同时，更重要的是，我在这一设计过程中，学会了坚持不懈，不轻易言弃。设计过程，也好比是我们人类成长的历程，常有一些不如意，也许这就是在对我们提出了挑战，勇敢过，也战胜了，胜利的钟声也就一定会为我们而敲响。这个设计过程中，我遇到过许多次失败的考验，就比如，自己对实际生活中的实物的不了解给整个设计带来的困扰，真想要就此罢休，然而，就在想要放弃的那一刻，我明白了，原来结果并不那么重要，我们更应该注重的是这一整个过程。于是，我坚持了下来。当然最终，这个设计很成功，主要体现在，自己成功的用滞后超前校正装置提高系统的动态性能指标，而且还可以提高系统的稳态性能指标。通过这部分的校正也使我懂得了滞