位置隨動系統(tǒng)仿真研究

1、摘要位置隨動系統(tǒng)是一個帶位置反饋的自動控制系統(tǒng)。由于其給定量是隨機變化的，這就要求系統(tǒng)在保證穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，更加強調(diào)快速跟隨的性能。本文主要研究了位置隨動控制系統(tǒng)的組成和運行原理。通過建立直流電機模型，采用pid控制方法，從內(nèi)向外依次設(shè)計電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)和位置環(huán)，形成系統(tǒng)仿真模型。并在matlab下進(jìn)行仿真實驗，考察控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，得到較好的控制結(jié)果。關(guān)鍵詞：直流電機；位置隨動；pid；matlababstractposition follow-up system is an automatic control system with position feedback. because of

2、 its random changes to the quantity given, which not only requires the system to ensure stability, but also emphasizes the capability to follow quickly. this paper mainly researches the composition and operating principles of position follow-up system. through establishing mathematical model of dc m

3、otor and using pid control method, it designs current loop, speed loop and position loop from inside out, which forms system simulation model. additionally, the model is simulated by using the matlab software to visit the systems performance, which gets the desired control results.keywords: dc motor

4、; position follow-up; pid; matlab目 錄摘要iabstracti1 緒論11.1位置隨動系統(tǒng)的概念及其特點11.2位置隨動系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用11.3位置隨動系統(tǒng)的控制方法11.4 matlab軟件在仿真功能方面的介紹11.5本文所要完成的工作12 系統(tǒng)組成與工作原理12.1位置隨動系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)12.2組成系統(tǒng)的主要部件分析12.2.1光電編碼器12.2.2 pwm裝置12.2.3 m法測速13 系統(tǒng)仿真模型設(shè)計13.1電機仿真模型13.2電流環(huán)的仿真模型設(shè)計13.1.1 電流環(huán)及其特點13.1.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及其參數(shù)13.1.3檢驗近似條件13.1.4計算調(diào)

5、節(jié)器電阻電容13.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型設(shè)計13.2.1 轉(zhuǎn)速環(huán)及其特點13.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及其參數(shù)13.2.3檢驗近似條件13.2.4校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量13.3 位置環(huán)的仿真模型設(shè)計14 系統(tǒng)仿真14.1對位置隨動系統(tǒng)電流環(huán)進(jìn)行仿真14.2對位置隨動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行仿真14.3對位置隨動系統(tǒng)進(jìn)行仿真1總結(jié)1參考文獻(xiàn)1致謝11 緒論1.1位置隨動系統(tǒng)的概念及其特點隨動系統(tǒng)也稱之為伺服系統(tǒng)，是以位移、速度或力、力矩等作為被控量的自動控制系統(tǒng)。位置隨動系統(tǒng)是一個帶位置反饋的自動控制系統(tǒng)，是非常典型的隨動系統(tǒng)1。位置隨動系統(tǒng)的被控制量（輸出量）是負(fù)載機械空間位置的線位移或角位移，當(dāng)位置給定量（輸入量）

6、作任意變化時，該系統(tǒng)的主要任務(wù)就是使輸出量快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定量的變化，它主要解決有一定精度的位置跟隨問題。位置隨動系統(tǒng)中具有位置給定，位置檢測和位置反饋環(huán)節(jié)，這種系統(tǒng)的各種參數(shù)都是連續(xù)變化的模擬量，其位置檢測可用電位器、自整角機、感應(yīng)同步器、光電編碼器等。位置隨動系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)一樣，都是反饋控制系統(tǒng)，即通過對輸出量和給定量的比較，組成閉環(huán)控制，兩者的控制原理是相同的。它們的主要區(qū)別在于，調(diào)速系統(tǒng)的給定量一經(jīng)設(shè)定，即保持恒值，系統(tǒng)的主要作用是保證穩(wěn)定和抵抗擾動；而位置隨動系統(tǒng)的給定量是隨機變化的，要求輸出量準(zhǔn)確跟隨給定量的變化，系統(tǒng)在保證穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，更突出需要快速響應(yīng)?？偲饋砜?，穩(wěn)態(tài)精度和動

7、態(tài)穩(wěn)定性是兩種系統(tǒng)都必須具備的，但在動態(tài)性能中，調(diào)速系統(tǒng)多強調(diào)抗擾性，而位置隨動同則更強調(diào)快速跟隨性能。1.2位置隨動系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用位置隨動系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。例如，軋鋼機軋輥壓下量的自動控制，數(shù)控機床的刀具給進(jìn)和工作臺的定位控制，船舵的自動操縱，工業(yè)機器人的動作控制，車防上的雷達(dá)跟蹤，導(dǎo)彈制導(dǎo)，火炮瞄準(zhǔn)等。隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展，位置隨動系統(tǒng)已成為現(xiàn)代工業(yè)、國防和高科技領(lǐng)域中不可缺少的設(shè)備，是電力拖動自動控制系統(tǒng)的一個重要分支3?？刂萍夹g(shù)的發(fā)展，使隨動系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于軍事工業(yè)和民用工業(yè)。尤其隨著國防技術(shù)的發(fā)展，要求隨動系統(tǒng)有更高的跟蹤速度和跟蹤精度，并具有更高的可靠性。隨動系統(tǒng)的

8、控制策略也由單一的pid控制方法發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)出現(xiàn)了大量新的算法，近年來受到控制界十分重視的智能控制，它能擺脫對控制對象數(shù)學(xué)模型的依賴，已成為眾所矚目的解決魯棒性問題的重要方法。目前智能控制在交流伺服系統(tǒng)應(yīng)用中較為成熟的當(dāng)數(shù)模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，而且大多是在模型控制基礎(chǔ)上增加一定的智能控制手段，以消除參數(shù)變化和擾動的影響。1.3位置隨動系統(tǒng)的控制方法當(dāng)今的自動控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱pid控制5，原理圖如圖

9、1.1所示。pid控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用pid控制技術(shù)。pid控制，實際中也有pi和pd控制。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。圖1.1模擬pid控制系統(tǒng)原理圖隨動控制中常用的方法是pid調(diào)節(jié)，盡管隨著現(xiàn)代交流

10、調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種新型控制算法，如自適應(yīng)控制、專家系統(tǒng)、智能控制等。從理論分析，許多控制策略都能實現(xiàn)良好的電機動靜態(tài)特性，但由于算法本身的復(fù)雜性，而且對系統(tǒng)進(jìn)行模型辨識比較麻煩，因此，在實際系統(tǒng)中實現(xiàn)時困難，對于傳統(tǒng)的pid調(diào)節(jié)器而言，其最大的優(yōu)點在于算法簡單，參數(shù)易于整定，具有較強的魯棒性，而且適應(yīng)性強，可靠性高，這些特點使pid控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨動系統(tǒng)中的控制對象并不是很復(fù)雜，用pid調(diào)節(jié)更易實現(xiàn)預(yù)期效果。1.4 matlab軟件在仿真功能方面的介紹matlab是mathworks公司開發(fā)的一種集數(shù)值計算、符號計算和圖形可視化三大基本功能于一體的功能強大、操作簡

11、單的優(yōu)秀工程計算應(yīng)用軟件。matlab不僅可以處理代數(shù)問題和數(shù)值分析問題，而且還具有強大的圖形處理及仿真模擬等功能,主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。從而能夠很好的幫助工程師及科學(xué)家解決實際的技術(shù)問題。matlab最重要的特點是易于擴展。它允許用戶自行建立完成指定功能的擴展matlab函數(shù)（稱為m文件），從而構(gòu)成適合于其它領(lǐng)域的工具箱，大大擴展了matlab的應(yīng)用范圍。目前，matlab已成為國際控制界最流行的軟件，控制界很多學(xué)者將自己擅長的cad方法用matlab加以實現(xiàn)，出現(xiàn)了大量的matlab配套工具箱，如控制系統(tǒng)工具箱（cont

12、rol systemstoolbox），系統(tǒng)識別工具箱（system identification toolbox），魯棒控制工具箱（robustontrol toolbox），信號處理工具箱（signal processing toolbox）以及仿真環(huán)境simulink等6。目前，比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件是matlab。1980年美國的cleve moler博士研制的matlab環(huán)境（語言）對控制系統(tǒng)的理論及計算機輔助設(shè)計技術(shù)起到了巨大的推動作用。由于matlab的使用極其容易，不要求使用者具備高深的數(shù)學(xué)與程序語言的知識，不需要使用者深刻了解算法與編程技巧，且提供了豐富的矩陣處理功能，因

13、此控制理論領(lǐng)域的研究人員很快注意到了這樣的特點。尤其matlab應(yīng)用在電氣自動化專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計的計算機仿真上，更體現(xiàn)出它巨大的優(yōu)越性和簡易性。mtalab系統(tǒng)由五個主要部分組成:(1)matalb語言體系。matlab是高層次的矩陣/數(shù)組語言。具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特性。利用它既可以進(jìn)行小規(guī)模端程，完成算法設(shè)計和算法實驗的基本任務(wù)，也可以進(jìn)行大規(guī)模編程，開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序。(2)matlab工作環(huán)境包括管理工作空間中的變量據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開發(fā)、調(diào)試、管理m文件的各種工具。(3)圖形圖像系統(tǒng)。這是matlab圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成2d和3d數(shù)

14、據(jù)圖示、圖像處理、動畫生成、圖形顯示等功能的高層matlab命令，也包括用戶對圖形圖像等對象進(jìn)行特征控制的低層matlab命令，以及開發(fā)gui應(yīng)用程序的各種工具。(4)matlab數(shù)學(xué)函數(shù)庫。這是對matlab使用的各種數(shù)學(xué)算法的總稱。包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運算、矩陣分析等高層次數(shù)學(xué)算法等。(5)matlab應(yīng)用程序接口。這是matlab為用戶提供的一個函數(shù)庫，使得用戶能夠在matlab環(huán)境中使用c程序或fortran程序，包括從matlab中調(diào)用程序(如動態(tài)鏈接庫)，讀寫mat文件的功能。1.5本文所要完成的工作本文主要研究位置隨動控制系統(tǒng)的組成和運行原理，通過建立直流電機模型，

15、采用pid控制方法，從內(nèi)向外依次設(shè)計電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)和位置環(huán)，形成系統(tǒng)仿真模型。并在matlab軟件下進(jìn)行仿真實驗，考察控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。位置隨動系統(tǒng)中的給定量是經(jīng)常變動的，是一個隨機量，并要求輸出量準(zhǔn)確跟隨給定量的變化，輸出響應(yīng)具有快速性、靈活性和準(zhǔn)確性。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并具有良好的動態(tài)性能，必須設(shè)有校正裝置，如在正向通道中設(shè)置串聯(lián)校正或并聯(lián)校正裝置等，為了提高位置隨動系統(tǒng)的控制精度，還需要增加系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)或在系統(tǒng)中增加積分環(huán)節(jié)等。2 系統(tǒng)組成與工作原理2.1位置隨動系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，外邊再設(shè)一個位置控制環(huán)，便形成三環(huán)控制的位置隨動系統(tǒng)，如圖2.1所

16、示。其中位置調(diào)節(jié)器apr就是位置環(huán)的校正裝置，它的類型和參數(shù)決定了位置隨動系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和動態(tài)跟隨性能，其輸出限幅值決定著電機的最高轉(zhuǎn)速7。圖2.1位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)控制的位置隨動系統(tǒng)2.2組成系統(tǒng)的主要部件分析2.2.1光電編碼器 位置隨動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度很大程度取決于位置檢測元件，本系統(tǒng)采用光電編碼器作為位置檢測元件。光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，可以高精度測量被測物的轉(zhuǎn)角或直線位移量8。光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋

17、轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖2.2所示；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差的兩路脈沖信號，根據(jù)超前與滯后的關(guān)系可以確定電機的轉(zhuǎn)向。按照輸出脈沖與對應(yīng)位置關(guān)系的不同，光電編碼器有增量式和絕對式兩種，也有將兩者結(jié)合為一體的混合式編碼器。圖2.2光電編碼器原理圖1）增量式編碼器9。增量式光電編碼器是碼盤隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號，然后根據(jù)位置變化的方向用計數(shù)器對脈沖進(jìn)行加/減計數(shù)，以此達(dá)到位置檢測的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤、鑒向盤、光敏元件和電子線路組成。增量式光電

18、編碼器的工作原理是是由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動帶動在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)，在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑒向盤，在鑒向盤上有兩條彼此錯開相位的窄縫，并分別有光敏二極管接收主光柵碼盤透過來的信號。工作時，鑒向盤不動，主光柵碼盤隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤，通過主光柵碼盤和鑒向盤后由光敏二極管接收相位差的近似正弦信號，再由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信號和計數(shù)脈沖信號。為了獲得絕對位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉(zhuǎn)一周，輸出一個零位脈沖，使位置角清零。利用增量式光電編碼器可以檢測電機的位置和速度。2）絕對式編碼器10。絕對編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同

19、心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點是不要計數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有n位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有n條碼道。3）混合式絕對值編碼器?；旌鲜浇^對值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁極位置，帶有絕對信息功能；另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。2.2.2 pwm裝置脈沖調(diào)寬

20、功率放大器的開關(guān)頻率高，可以使系統(tǒng)獲得較快響應(yīng)，并僅靠電樞電感濾波就可以得到脈動很小的電流11。pwm電路為橋式電路，雙極性工作制。它由三部分組成：三角波發(fā)生器、電壓比較器、功率放大器。工作原理為由三角波發(fā)生器產(chǎn)生幅度和頻率都固定的三角波，將此波與輸入控制電壓相加，再通過零比較，就可以得到占空比與控制電壓成線性關(guān)系的脈寬調(diào)制波，此波加在pwm功率放大器上，經(jīng)放大加在力矩電機兩端。在一般的電力拖動自動控制系統(tǒng)中，pwm控制與變換器可以看成是一個滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫成 式中：pwm裝置的放大系數(shù)；pwm裝置的延遲時間。實際上延時時間是很小的，所以這種滯后環(huán)節(jié)可以看成是一個一階慣性環(huán)節(jié)，因此

21、2.2.3 m法測速利用定時器/計數(shù)器配合光電編碼器的輸出脈沖信號來測量電機的轉(zhuǎn)速，具體有3種測速方法：m法、t法和m/t法，本文采用了m法測速1。圖2.3 m法測速原理圖在一定的時間內(nèi)測取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)，用以計算這段時間倍的平均轉(zhuǎn)速，稱作法測速。把除以就可得到旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖的頻率，所以又稱頻率法。電動機每轉(zhuǎn)一圈共產(chǎn)生個脈沖（=倍頻系數(shù)編碼器光柵數(shù)），把除以就得到電動機的轉(zhuǎn)速。在習(xí)慣上，時間以秒為單位，而轉(zhuǎn)速是以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)為單位，則電動機的轉(zhuǎn)速為 在上式中，和均為常值，因此轉(zhuǎn)速正比于脈沖個數(shù)。高速時大，量化誤差較小，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過低時將小于1，測速裝置便不能正常

22、工作。所以法測速只適用于高速段。在實際的測量中，時間內(nèi)的脈沖個數(shù)不一定正好是整數(shù)。如果要求測量的誤差小于規(guī)定的范圍，比如說是小于百分之一，那么就應(yīng)該大于50。在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢測脈沖數(shù)以減小誤差，可以增大檢測時間單考慮到實際的應(yīng)用檢測時間很短，隨動系統(tǒng)中的測量速度用于反饋控制，一般應(yīng)在0.01秒以下。由此可見，減小測量誤差的方法是采用高線數(shù)的光電編碼器。3 系統(tǒng)仿真模型設(shè)計為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋、電流負(fù)反饋和位置負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)中設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器acr、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr和位置調(diào)節(jié)器apr。要獲得良好的動、靜態(tài)性能，acr一般都采用pi調(diào)節(jié)器，asr一般采用pi調(diào)節(jié)器。apr位置環(huán)一般也采用

23、pi調(diào)節(jié)器，在系統(tǒng)運行時要求達(dá)到足夠高的位置控制精度、位置跟蹤精度和足夠快的跟蹤速度。要想得到調(diào)節(jié)器的仿真模型表達(dá)式，首先要計算得到電機的模型參數(shù)。3.1電機仿真模型電動機參數(shù)12：額定電壓，額定電流，額定轉(zhuǎn)速，電樞電阻，總電阻，電感,整流裝置滯后時間常數(shù)，機電時間常數(shù)，濾波時間常數(shù)，過載倍數(shù),電流反饋系數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。其特點是能經(jīng)常工作在堵轉(zhuǎn)和低速狀態(tài)，故適用于在位置或低速隨動系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。通過改變加在電樞兩端的電壓來控制電機的運行，其等效結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。圖3.1直流電機結(jié)構(gòu)圖直流電機中，電樞電流與磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，與電樞電流成正比： 式中是電動機轉(zhuǎn)矩系數(shù)，是電樞電流

24、產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。電動機軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程： 式中：電動機和負(fù)載折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量。：電動機和負(fù)載折算到電動機軸上的粘性摩擦系數(shù)。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的反電勢，其大小與激磁磁通及轉(zhuǎn)速成正比，方向與電樞電壓相反，即 電樞回路電壓平衡方程： 在零初始條件下對上式進(jìn)行拉式變換得： 整理后，可得到傳遞函數(shù)： 式中，為電樞回路電磁時間常數(shù)。由式式中消去中間變量、及便可以得到以為輸出量，以為輸入量的直流電動機微分方程為： 式經(jīng)拉氏變換得直流電機的傳遞函數(shù)為： 由于電樞電路電感較小，通常忽略不計，因此，式可簡化為： 式中是電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)，為電動機的傳遞系數(shù)。，可以求得，。在matlab軟件中建立

25、電機仿真模型：圖3.2電機的數(shù)學(xué)模型至此，已經(jīng)得到了伺服電機的數(shù)學(xué)模型，得到了傳遞函數(shù)的基本形式。3.2電流環(huán)的仿真模型設(shè)計3.1.1電流環(huán)及其特點在高精度隨動控制中，高精度、快速響應(yīng)的電流環(huán)成為核心問題。只有良好的電流環(huán)特性才能為良好的速度控制和位置控制奠定基礎(chǔ)。電流環(huán)的作用包括以下方面：(1)對電網(wǎng)波動起及時抗擾作用；(2)啟動時，保證電機獲得最大啟動電流；(3)正常運行時，使電流跟隨速度環(huán)輸出的變化；(4)堵轉(zhuǎn)時，限制最大輸出電流，防止燒毀電機及驅(qū)動器；(5)由于增加了電流環(huán)，改變了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，加快了電流調(diào)節(jié)能力，使控制性能得到了改善。在工程設(shè)計中,控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法一般原則:“先內(nèi)

26、環(huán)后外環(huán)”,從內(nèi)環(huán)開始，逐個設(shè)計調(diào)節(jié)器。對于三環(huán)位置隨動系統(tǒng)，應(yīng)首先設(shè)計電流環(huán)的調(diào)節(jié)器，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，最后是位置調(diào)節(jié)器。電流環(huán)是三環(huán)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，它的一個重要作用就是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值，突加控制作用時超調(diào)量越小越好。電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，兩個慣性時間為一常數(shù)比，根據(jù)自動控制的理論，一般情況下，多按典型i型系統(tǒng)來設(shè)計電流環(huán)，這樣的電流環(huán)既具有i型穩(wěn)態(tài)精度，在動態(tài)跟隨性能上超調(diào)也很小，以保持電樞電流恒定，抗擾動的恢復(fù)時間也較短。由于電流環(huán)控制對象是雙慣性的，所以采用pi調(diào)節(jié)器，下面使用pi算法實現(xiàn)隨動控制系統(tǒng)電流環(huán)的控制。3.1.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及其參數(shù)電流調(diào)節(jié)器的

27、傳遞函數(shù)為，其中電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。電流環(huán)小時間常數(shù)之和。為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇，電流環(huán)開環(huán)增益要求，取，故有，于是acr的比列系數(shù)。3.1.3檢驗近似條件電流環(huán)截止頻率，晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件（滿足近似條件），忽略反電動式變化對電流環(huán)動態(tài)影響條件（滿足近似條件），電流環(huán)小慣性群的近似條件（滿足近似條件）。3.1.4計算調(diào)節(jié)器電阻電容在調(diào)節(jié)器中，按所用運算放大器取，各電阻和電容值為，,取，取，按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性指標(biāo)為，滿足設(shè)計求。通過以上計算可以得到電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 3.2轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型設(shè)計3.2.1

28、轉(zhuǎn)速環(huán)及其特點速度調(diào)節(jié)器是影響pwm直流脈寬伺服系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。速度環(huán)的作用主要包括在以下方面：(1)對負(fù)載波動起抗擾作用；(2)速度pi調(diào)節(jié)器的輸出決定最大電流；(3)正常運行時，使速度跟隨給定變化。對于一般無位置環(huán)的轉(zhuǎn)速電流雙環(huán)系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)速環(huán)大都按典型二階系統(tǒng)設(shè)計。但是對于位置轉(zhuǎn)速電流的三環(huán)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速環(huán)外還有位置環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)按典型i型系統(tǒng)設(shè)計，此時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用比例積分調(diào)節(jié)器。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr中。按照工程經(jīng)驗，轉(zhuǎn)速超調(diào)量，下面使用pi算法實現(xiàn)位置隨動控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)的控制。3.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及其參數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的

29、傳遞函數(shù)。首先要確定電流環(huán)等效時間常數(shù)，在電流環(huán)設(shè)計中已取，根據(jù)所用電機紋波情況，轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)，轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)，按小時間常數(shù)近似處理，取。按跟隨和抗干擾性能都較好的原則，取中頻寬，則asr的超前時間常數(shù)為，這樣可以得到轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益，于是，可得到asr的比例系數(shù)為。3.2.3檢驗近似條件因為轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為：，電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：，滿足簡化條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：，滿足近似條件。3.2.4校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量時，1，不能滿足設(shè)計要求，實際上，由于是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，asr飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按asr退飽和的情況重新計算超調(diào)量。由得，當(dāng)空載啟動時

30、，負(fù)載系數(shù)，由此可得，滿足設(shè)計要求。 通過以上計算可以得到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 3.3位置環(huán)的仿真模型設(shè)計按照傳統(tǒng)的工程設(shè)計方法設(shè)計出隨動控制系統(tǒng)的電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，位置環(huán)為系統(tǒng)三閉環(huán)控制的最外環(huán)，下面嘗試把轉(zhuǎn)速環(huán)化簡，從而再對轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行pi串聯(lián)校正，得到的校正函數(shù)就是位置環(huán)的傳遞函數(shù)。為了方便表示，轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的傳遞函數(shù)分別用、代替，電機的電勢系數(shù)，電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的反饋系數(shù)分別用、代替。依據(jù)方框圖一步一步化簡。圖3.3轉(zhuǎn)速環(huán)方框圖圖3.4轉(zhuǎn)速環(huán)簡化方框圖從轉(zhuǎn)速環(huán)簡化方框圖中可以看出，化簡的表達(dá)式會越來越繁瑣，在進(jìn)行pi串聯(lián)校正時所得出的位置調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)表達(dá)式不一定是正確的。三環(huán)控制的位置隨動系

31、統(tǒng)的電流環(huán)的控制對象就是雙慣性環(huán)節(jié)，而電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)里，通過pi調(diào)節(jié)器串聯(lián)校正可等效為一階慣性環(huán)節(jié)，而轉(zhuǎn)速環(huán)在位置環(huán)里通過pi調(diào)節(jié)器串聯(lián)校正可等效為雙慣性環(huán)節(jié)?？梢岳斫鉃殡p慣性環(huán)節(jié)的被控對象經(jīng)兩次校正后還可等效為雙慣性環(huán)節(jié)。由工程計算法得到系統(tǒng)的位置對象12正好是一個一階積分環(huán)節(jié)，位置環(huán)的被控對象就是積分雙慣性環(huán)節(jié)。因此可以根據(jù)工程計算法得到的位置調(diào)節(jié)器的模型為 4 系統(tǒng)仿真4.1對位置隨動系統(tǒng)電流環(huán)進(jìn)行仿真前面已經(jīng)得到了電機模型的傳遞函數(shù)，pwm裝置的傳遞函數(shù)和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，電流環(huán)的反饋系數(shù)可以由工程經(jīng)驗所得。在matlab軟件中的simulink模塊中搭建電流環(huán)的模型，如圖4.1所

32、示。圖4.1電流環(huán)模型對電流環(huán)進(jìn)行時域仿真，可以得到階躍響應(yīng)曲線，如圖4.2所示。圖4.2電流環(huán)的階躍響應(yīng)曲線從圖4.2可以求得時域響應(yīng)性能指標(biāo)：超調(diào)量；峰值時間；調(diào)節(jié)時間。在階躍響應(yīng)測試中，達(dá)到了滿意的響應(yīng)。輸出響應(yīng)曲線有一個小的超調(diào)，隨后都能實現(xiàn)穩(wěn)定無差。4.2對位置隨動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行仿真前面已經(jīng)對電流環(huán)進(jìn)行仿真，轉(zhuǎn)速環(huán)是在電流環(huán)外面的一個環(huán)，在控制算法設(shè)計中得到了轉(zhuǎn)速環(huán)的傳遞函數(shù)。同電流環(huán)一樣，轉(zhuǎn)速環(huán)的反饋系數(shù)可以由工程經(jīng)驗所得。在matlab軟件中的simulink模塊中搭建電流環(huán)的模型，如圖4.3所示。圖4.3轉(zhuǎn)速環(huán)模型對電流環(huán)進(jìn)行時域仿真，可以得到階躍響應(yīng)曲線，如圖4.4所示。圖4

33、.4轉(zhuǎn)速環(huán)的階躍響應(yīng)曲線從圖4.4可以求得時域響應(yīng)性能指標(biāo)：超調(diào)量；峰值時間；調(diào)節(jié)時間。在階躍響應(yīng)測試中，達(dá)到了滿意的響應(yīng)。輸出響應(yīng)曲線有短時間的超調(diào)，隨后都能實現(xiàn)穩(wěn)定無差。4.3對位置隨動系統(tǒng)進(jìn)行仿真前面已經(jīng)對電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行了仿真，轉(zhuǎn)速環(huán)是在電流環(huán)外面的一個環(huán)，而位置環(huán)又是轉(zhuǎn)速環(huán)外面的一個環(huán)，在控制算法設(shè)計中得到了位置環(huán)的傳遞函數(shù)。同電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)一樣，位置環(huán)的反饋系數(shù)可以由工程經(jīng)驗所得。在matlab軟件中的simulink模塊中搭建整個位置隨動系統(tǒng)的模型，如圖4.5所示。圖4.5三環(huán)位置隨動系統(tǒng)模型對位置隨動系統(tǒng)進(jìn)行時域仿真，可以得到階躍響應(yīng)曲線，如圖4.6所示。圖4.6位置隨動系統(tǒng)

34、的階躍響應(yīng)曲線從圖4.6可以求得時域響應(yīng)性能指標(biāo)：超調(diào)量；峰值時間；調(diào)節(jié)時間。在階躍響應(yīng)測試中，系統(tǒng)達(dá)到了滿意的響應(yīng)。輸出響應(yīng)曲線有一個小的超調(diào)，隨后都能實現(xiàn)穩(wěn)定且無差。一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)則以跟隨性能為主，位置隨動系統(tǒng)需要很強的跟隨性能，下面將對本次設(shè)計的三環(huán)隨動系統(tǒng)的動態(tài)性能進(jìn)行驗證。把輸入信號改為鋸齒波，可以得到下面的響應(yīng)曲線。跟隨曲線鋸齒波圖4.7位置隨動系統(tǒng)跟隨性能響應(yīng)曲線從圖4.7可以看到，在鋸齒波輸入測試中可以看出，位置調(diào)節(jié)到指定點作了一次較明顯的波動，但其他時間給定與響應(yīng)基本吻合，說明系統(tǒng)具有較好的跟隨性能，因此能實現(xiàn)快速和高精度

35、的位置控制?？偨Y(jié)本文主要研究了位置隨動控制系統(tǒng)的組成和運行原理。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋、電流負(fù)反饋和位置負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)中設(shè)計了電流調(diào)節(jié)器acr、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr和位置調(diào)節(jié)器apr。在控制方面采用的是傳統(tǒng)的pid控制。為了獲得良好的動、靜態(tài)性能，acr采用pi調(diào)節(jié)器，asr采用pi調(diào)節(jié)器。apr位置環(huán)也采用pi調(diào)節(jié)器，在系統(tǒng)運行時要求達(dá)到足夠高的位置控制精度、位置跟蹤精度和足夠快的跟蹤速度。通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，使用matlab軟件對這一控制方法進(jìn)行仿真，考察控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，并得到了滿意的控制結(jié)果。通過設(shè)計過程，培養(yǎng)了分析問題和解決問題的能力，文獻(xiàn)檢索和自學(xué)能力，撰寫論文的能力，提高外語閱讀和

36、翻譯水平。在設(shè)計過程中遇到了許多難題，其中最突出的部分就是一些參數(shù)的設(shè)定需要工程經(jīng)驗。由于實驗條件和時間的限制，本文并沒有在硬件方面開展工作，沒有做出位置隨動系統(tǒng)的實物模型。另外本文只采用了傳統(tǒng)的pid控制，沒有考慮其他的智能控制方法，如模糊自適應(yīng)pid控制，自適應(yīng)控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，從實時性和模型的精確性的角度來分析這些復(fù)雜控制器實現(xiàn)的可行性，這還需要進(jìn)一步驗證。參考文獻(xiàn)1陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)m.北京:機械工業(yè)出版社,2003.2王海英.控制系統(tǒng)的matlab仿真與設(shè)計m.北京:高等教育出版社,2009.3張崇巍,李漢強.運動控制系統(tǒng)m.武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2002.4秦亮亮.

37、綜合數(shù)字隨動控制系統(tǒng)的實驗設(shè)計與開發(fā)d.哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文.2008.5胡壽松.自動控制原理m.北京:國防工業(yè)出版社,1994.6黃忠霖.控制系統(tǒng)matlab計算及仿真m.北京:國防工業(yè)出版社,2004.7劉玉倩,劉春生.基于arm微處理器的隨動系統(tǒng)實驗平臺開發(fā)d.南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文.2008.8爾桂花,竇曰軒.運動控制系統(tǒng)m.北京:清華大學(xué)出版社,2002.9阮毅,陳維均.運動控制系統(tǒng)m.北京:北京清華大學(xué)出版社,2006.10叢爽,李澤湘.實用運動控制技術(shù)m.北京:電子工業(yè)出版社,2006.11吳紅星.電機驅(qū)動與控制集成電路及應(yīng)用m.北京:中國電力出版社,2006.12劉啟新.電機與拖動基礎(chǔ)m.北京:中國電力出版社,2005.13劉煜,張科,李言俊.一種位置隨動控制系統(tǒng)的建模與仿真研究j.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報.2005,18(2):42-46.14周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與matlab仿真m.北京:中國電力出版社,2003.15王永蘭,胡琳靜,席東民.位置隨動系統(tǒng)的設(shè)計及仿真研究j.儀器儀表學(xué)報.2009