自动控制原理课程设计

计划自我控制基础课程设置物理科学与工程学院课程设计指南主题图名称：自动限制原则设计主题：自动限制和测试原理专业课：11级自动化学生姓名：元学号：自动控制系统要执行各种复杂的控制操作，首先以一定的方式连接控制对象和控制装置，构成有机整体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，控制对象的输出量是必须严格控制的物理量，必须保持在温度、压力、飞行路径等固定值。控制装置是对控制对象起控制作用的整体机制，可以用不同的原理和方法控制控制控制对象，但最基本的是基于反馈控制原理的反馈控制系统。自动检测测试是品质检查活动，例如测试、测量，以决定产品、零件、组件、零件或原料是否符合设计需求的品质标准与技术需求目标值。检验中实际测量了3个目标： 产品(0，包括零件)的规定质量特性及相应指标的值。根据测量值的偏差确定产品的质量水平(等级)，判定废品。判断测量方法的正确性和测量活动的简化是否会影响规定特性的控制自动检测基于计算机控制对系统、设备进行性能检测和故障诊断。他是性能测试、持续监视、错误检测和错误位置的通用术语。现代自动检测技术是计算机技术、微电子技术、测量技术、检测技术等学科共同发展的产物。自动检测技术可用于需要性能测试和故障排除的所有系统和设备课程内容雷达天线伺服控制系统设计1雷达天线伺服控制系统简介1.1概述用于精确跟随或再现过程的反馈控制系统。也称为伺服系统。在大多数情况下，伺服系统允许控制的量(系统的输出量)作为机械偏移或偏移速度、加速度的反馈控制系统，以精确跟踪输出的机械偏移(或拐角)输入的偏移(或拐角)。伺服系统的结构配置与其他形式的反馈控制系统在原则上没有区别。由多个元件和组合组成并具有电源增量的自动控制系统。位置伺服系统的输入和输出信号都是位置量，命令位置随机变化，在消除位置偏差之前，输出位置减少的方向上，必须能够及时准确地跟随命令位置的变化。位置命令和控制柄可以是直线位移或角度位移。随着工程技术的发展，出现了多种类型的位置伺服系统。研制了力矩电机和高灵敏度转速测量仪，伺服系统直接驱动，消除或减少了齿隙和弹性变形等非线性因素，已成功应用于雷达天线。伺服系统的精度主要取决于所用测量元件的精度。此外，还可以采取其他措施提高系统的精度。使用这种方法的伺服系统称为微调系统或双通道系统。与减速器和轴啮合的角度测量线称为集中读取通道，在轴的角度测量线上称为直接粗糙读取通道。因此，可以基于此要素分为两种类型。一个是模拟伺服系统，另一个是数字伺服系统。该设计雷达天线伺服控制系统实际上是在雷达天线上应用伺服系统。图1-1显示了系统的结构图。图1-1雷达天线伺服控制系统示意图1.2系统的配置如图1-1所示，该系统是用于位置检测器、电压比较放大器、可逆功率放大器、执行器等雷达天线跟踪控制的电位器位置伺服系统。上述四部分可以在用作系统基本组件的特定组件或设备中使用其他位置检测器、直流或交流伺服机制等。现在分析系统的配置。1，受控对象：工作机(雷达天线)。2，控制：角度位置。3、干涉：主要是负载变化(和)。4、给定值：命令角点。5，传感器：用电位器测量，转换为，6，比较计算：两个电位器按桥连接，完成减法计算(偏差)。7、控制器：放大器，比例控制。8、执行器：直流电动机和减速箱。1.3工作原理现在分析系统的工作原理。如图1-1所示，当两个电位器和的铰链位置相同时，给定的角度等于反馈角度，因此是角度差，电位器输出电压，电压放大器的输出电压，可逆功率放大器的输出电压，马达的速度，系统处于静止状态。转动手轮使指定的角度变大，电机速度，减速器对雷达天线的旋转，雷达天线通过机械机构驱动电位器轴，从而增加。但是马达驱动雷达天线，超过偏差减少的方向，需要偏离角度，系统才会停止工作，进入新的稳定状态。给定角度减小时，系统运动方向与上述相反。2雷达天线伺服控制系统主要组件2.1位置探测器位置检测器由电位器和配置位置(角度)检测器组成，其中电位器轴指定为旋转，电位器轴通过机械机构连接到载荷部件，角度反馈，两个电位器都为同一直流电源供电，因此位置可以直接转换为功率输出。在控制系统中，单电位器用作信号转换装置，一对电位器可以配置错误检测器，空载时单电位器的刷角位移与输出电压的关系曲线在进行理论分析时可以直线逼近，因此输出电压为样式中与笔刷单位角度位移相对应的输出电压，称为电位器传递系数。其中是电位器电源电压，是电位器最大工作角度。自下而上的拉普拉斯变换，所以电位器传递函数是可以看出电位器的传递函数是取决于电源电压和电位器最大工作角度的常量值。电位器可以用图2-1中的方块图表示。图2-1电位器方框图其中输入是。输出为。如果使用一对相同的电位器配置错误检测器，则输出电压为样式是单电位器传递系数。两个电位器刷角位移的差异。称为误差角度。因此，如果错误角度为输入，则错误检查器的传递函数与单个电位器传递函数相同：使用电位器时要注意负载效果。负载效果是负载连接至电位器输出端时产生的效果。在电位器负载下，由于典型负载阻抗较大，因此可以将电位器视为输出电压和刷角位移之间的线性分量。2.2电压比较放大器电压比较放大器由，组成，其中放大器只是起到逆相作用的情况下，起电压比较和放大作用。其输出信号是下一级功率放大器的控制信号，具有鉴别电压极性(正负相位)的能力。电压比较放大器实际上是比较组件和部分放大组件的组合，具有将测量组件中检测到的控制实际值与给定组件中给定的基准值进行比较，找出两者之间的偏差，通过基于电压的集成运算放大器的放大作用放大偏差信号的功能。具体来说：其中，因为(偏差)，常识是可写的，在这种方式的两侧同时进行拉普拉斯变换，电压比较运算放大器的传递函数如下从从方程可以看出，电压比较放大器的传递函数也是常数。电压比较放大器可以用图2-2所示的框图表示图2-2电压比较器方框图其中。2.3可逆功率放大器要驱动伺服系统的执行器，即执行电动机，光是电压放大是不够的，还要有功率放大才能驱动电动机。可逆功率放大器也是放大元件。在控制系统中，控制信号不提供驱动执行元件的功率，因此必须增加功率。只有这样，电动机(力分量)才能以所需的方向和速度运行。电力放大元件可以将具有固定电压的电源更换为由信号控制的能量，即电压或电流随控制信号变化的电源。根据要驱动的马达，功率放大元件分为直流伺服功率放大器和交流伺服功率放大器。前者驱动直流电动机，后者驱动交流电动机。控制系统中目前使用最广泛的功率放大元件是直流功率放大器。该系统通常对直流功率放大器有以下基本要求。1，能够输出足够的电压和足够的电流，输出足够大的功率。线性度好。3、可靠的电流限制装置。4、能吸收电动机的回流能量。5、必须有电流负反馈线。常用直流功率放大器有三种：线性(比例)功率放大器、开关功率放大器和晶闸管功率放大器。本设计中使用的功率放大器由晶闸管或大功率晶体管组成，输出足够的电压和电流以驱动电动机。分析结果，可以对此链接进行近似处理。如果两侧同时进行拉氏变换，可逆功率放大器的传递函数如下图2-3所示的方框图。图2-3可逆功率放大器方框图其中。2.4执行机构执行机制是直接推动控制目标，使控制装置发生变化的元件。通常用作执行器的控制阀、马达、液压马达等。尽管技术的发展，近年来交流电动机在控制系统(尤其是速度控制系统)中的应用越来越广泛，对直流电动机的选址提出了严峻的挑战。但是现在直流电动机在控制系统中仍然占据着主要位置。对于速度调节范围不大、动态响应要求不高的系统，可以使用普通直流电动机。使用速度调节范围大、动态响应要求快的系统，尤其是伺服系统。直流伺服电动机是一种电动机，专门为控制系统，尤其是伺服系统设计和制造。转子的机械运动由输入电信号控制，反应迅速。直流伺服电动机的工作原理、结构和基本特征与普通直流电动机没有原理差异，但为了满足控制系统的要求，具有以下特征的结构和性能稍有提高：1、使用细长的电枢减少惯性矩，其惯性大约是普通直流电动机。2、具有良好的整流性能，在高峰值电流冲击下也能保持良好的整流条件。3、机械强度高，能承受巨大加速度引起的冲击作用。4、笔刷通常排列在几何中立面上，以使正性质和反转性质对称。该系统采用直流伺服电动机作为驱动负载运动的执行器，系统的雷达天线为负载，电机和负载之间的减速器匹配。Dc伺服电动机广泛用作控制系统中的执行机构，并用于快速控制受控对象的机械运动。由此处理的DC伺服电动机的微分方程如下样式可以视为载荷扰动转矩。根据线性系统的叠加原理，分别求出和的传递函数，分别研究了在作用下电机速度的性能，叠加后，可以成为电机速度的响应特性。因此，在不考虑载荷扰动力矩的情况下，在即时为零的初始条件下，求自下而上项的拉普拉斯变换，的代数方程为由传递函数定义电枢电压的传递函数，是系统的机电常数。这可以用图2-4中所示的方框图来表示图2-4直流伺服电动机方框图其中。减速器的速度比，减速器的输入速度为，输出速度为，减速器的传递函数为其中。3系统开环增益选择和系统静态计算系统的方块图可以简化，如图3-1所示。图3-1雷达天线伺服控制系统框图给定的角镜电位器是给定的信号，控制的电位器转换为反馈信号，给定的信号和反馈信号产生偏差信号。偏差信号通过放大器(电压比较放大器和可逆功率放大器)获得，通过执行器(直流伺服电动机)作用于雷达天线，减少偏差并最终实现。这就是控制的全过程。在第二章中，如图3-2所示，将每个组件的传递函数显示为方框图，使用信号线将方框图依次连接到信号流方向，然后进行适当的转换(不管干扰力矩如何)，得到了雷达天线伺服控制系统的结构图3-2雷达天线伺服控制系统结构图其中是。简化方块图可以获得系统的开环传递函数其中。简化的系统方框图，如图3-3所示图3-3系统简化框图实际上，我们知道雷达天线伺服控制系统的性能应尽可能快的响应速度，即调节时间应尽可能小，超驰应尽可能少。该系统的设计要求是，系统通过补偿设计后的单位阶段响应，没有过载，调整时间。系统的开环传递函数包括其中是开环增益，是直流伺服电动机的时间常数。选定的直流伺服电动机用作执行器。系统的闭环传递函数是从开环传递函数得到的自下而上可以得到闭环特性方程。这是使用系统阻尼比的二次系统，没有按照二次系统的标准形式设计的校准得到计算。系统的开环增益为系统的开环传递函数包括这可以用系统的参数框图表示，如图3-4所示图3-4系统参数方框图是一种系统。静态位置误差系数在阶跃输入下获得系统的稳态误差4系统动态分析第三章选择了系统的开环增益，执行了静态计算，知道系统的稳态误差，现在对系统进行了动态分析。在典型的输入信号下，所有控制系统的时间响应包括两部分：动态过程和稳态过程。动态分析是动态过程的分析。动态过程，也称为过渡或过渡过程，是指系统输出量从初始状态到最终状态的响应过程，该过程充当一般输入信号。实际控制系统有惯性、摩擦和其他一些原因，因此系统输出量不能完全再现输入量的变化。动态过程除了提供有关系统稳定性的信息外，还提供有关动态性能描述的响应速度和阻尼情况等信息。对于此系统，在未修改设计的情况下，您可能会发现该系统正在欠阻尼二级系统。动态分析特别是确定系统的动态性能指标。因得阻尼角阻尼振动频率为欠阻尼近似计算二次系统的每个性能指标可以1，延迟：2，上升时间：3、调整时间：4，超驰：这样计算的动态性能指标表明，系统不能满足设计要求、超驰、调整时间。此时，系统的单位阶跃响应曲线如图4-1所示图4-1系统校正前单位阶跃响应曲线系统的动态分析和图4-1所示，如果该系统没有校准设计，则无法达到设计要求，必须进行校准设计以满足设计要求。校准设计的具体内容将在以下章节中详细介绍。5修改设计校准是通过向系统添加可以根据需要更改参数的仪器或设备来更改系统的整