角度控制系统的校正设计

角度控制系统的校正设计 1 课程设计名称 课程设计名称 自动控制原理课程设计 题题 目 目 角度控制系统的校正设计 专 业 电气工程及其自动化 班 级 姓 名 学 号 角度控制系统的校正设计 2 课程设计任务书课程设计任务书 一 设计题目设计题目 角度控制系统的校正设计 二 设计任务设计任务 1 学习角度控制系统工作原理 2 掌握系统反馈校正的控制方法 3 深刻理解反馈校正控制实际意义 三 设计计划设计计划 第一天选择课程设计题目 确定课程设计任务 第二天根据课程设计任务进行查阅资料 第三天进行整理资料及进行设计 第四天进行可行性分析并进行校正分析 第五天进行电脑录入输出 四 设计要求设计要求 通过角度控制系统的反馈校正达到对系统性能改善的目的 更好的掌握和应用经典控制理论 并进行可行性分析和相应的设计 得出设计 结论 指 导 教师 教研室主任 时 间 角度控制系统的校正设计 3 辽宁工程技术大学 课 程 设 计 成 绩 评 定 表 学期2006 2007 年度第一学期姓名 专业电气工程及其自动化班级 课程名称自动控制原理课程设计 设计题目角度控制系统的校正设计 评定指标分值得分 知识创新性20 理论正确性20 内容难易性15 结合实际性10 知识掌握程度15 书写规范性10 工作量10 总成绩100 评 定 标 准 评语 任课教师时间 年 月 日 备 注 角度控制系统的校正设计 4 摘摘 要要 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 关键词 角度控制 测速发电机 反馈校正 角度控制系统的校正设计 5 目录 1 角度控制系统原理图 1 2 反馈控制原理 2 2 3 3 系统的分析和校正 3 3 3 1 分析系统的固有特性 3 3 3 2 根据性能指标确定期望特性 4 3 3 检测期望特性的性能 4 3 4 求校正装 置 5 5 4 总结 7 7 体会 8 8 参考文献 9 角度控制系统的校正设计 6 1 角度控制系统原理图 如图 1 1 为一 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 r c 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0 e 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 1 V 2 V 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 c c 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 其目的是为了改善 11R C 瞬态性能 角度控制系统原理图 图 1 1 结构图 图 1 2 系统方框图 角度控制系统的校正设计 7 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 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 如图 2 1 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 s G2 s H2 s s HG1 s G X s Y s 22 2 j H jG1 jG X j Y j 22 2 其频率响应为 可以看到在感兴趣的频带内如果 1 j H jG 22 可近似写出 jH 1 j H jG jG X j Y j 222 2 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 s H 1 s G1 s H 1 s G R s C s 13 2 1 3 2 1 sHsG sG 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 角度控制系统的校正设计 8 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 可得固有传递函数 102 0 113 0 316 0 SSS SG 图 3 1 系统传递函数方框图 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 A 量为 31 度 增益欲量为 13 4dB 图 3 2 系统固有特性 希望特性 并联特征部分的特性 角度控制系统的校正设计 9 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 A 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 A 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 dBA 9 14 122 1 22 1 lg20 1 dBA2 5 122 1 22 1 lg20 2 中频段的位置由确定 根据 在工具书上查的 按指标要求取 c 55 cs t 8 sts6 0 srad c 13 在图 3 2 中过点做斜率为 20dB dec 的直线 与 14 9db线和 srad 13 1 A 2 A 5 2db线分别交于点 a 和 b 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 A 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 b 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 1008 0 102 0 16 5 13 0316 ssss s L 9 5513008 0 arctan136 5arctan90133 0arctan180 图 3 3 是它的 Bode 图 幅值欲量 20DB g H 角度控制系统的校正设计 10 图 3 3 Bode 图 3 4 求校正装置 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 SB 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 113 0 398 s sGb sGf 为 sGf 113 0 398 s 根据图 1 1 可知 1 11 112 SCR SCR K s sV sG f d f 角度控制系统的校正设计 11 图 3 4 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 f K f K 电位计滑臂调节的分压系数 令 和相等 可 sGf 113 0 398 s 1 11 112 SCR SCR K s sV sG f d f 得 0 3 0 0 018 解 0 375 选择电容 11C R 11C R 电位器电阻 R 一般很小 选 150 102 3 0 2 6 11 RFC kRR15 0 10 3 1 校正前 后闭环系统阶跃响应分别如图 3 5 和图 3 6 系统从不稳定变为稳定 满足给定的瞬态性能指标 sts68 0 64 20 图 3 5 系统校正前的阶跃响应 图 3 6 系统校正后的阶跃响应 角度控制系统的校正设计 12 4 结论 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 角度控制系统的校正设计 13 体会 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 在设计的过程中遇到了不少的问题 首先是课题的选择 经过反复的挑选 我选种 了这个课题 虽然是我学过的内容但是到了自己分析问题的时候还是手忙脚乱 不知道 从什么地方下手 但是我坚信自己一定能完成设计任务 通过网络的搜索 图书的查阅 我对设计的过程和方法有了一定了解 然后在老师和同学的帮助下 我的课程设计顺利 的完成 在这里我要感谢帮助过我的老师和同学 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