自動控制原理課程設(shè)計(jì)-位置隨動系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

1、 成績 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 課程設(shè)計(jì)名稱：自動控制原理課程設(shè)計(jì) 題目：位置隨動系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì) 姓 名 專 業(yè) 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 2012年12月24日 設(shè)計(jì)任務(wù)書引言：自動控制原理課程設(shè)計(jì)是該課程的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)，既有別于畢業(yè)設(shè)計(jì)，更不同于課堂教學(xué)。它主要是培養(yǎng)學(xué)生統(tǒng)籌運(yùn)用自動控制原理課程中所學(xué)的理論知識，掌握反饋控制系統(tǒng)的基本理論和基本方法，對工程實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行完整的全面分析和綜合。一 設(shè)計(jì)題目：位置隨動系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)二系統(tǒng)說明：該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示其中：放大器增益為Ka=15，電橋增益,測速電機(jī)增益，Ra=7,La=10mH,J=0.005kg.m/s2,JL=0.03kg.m/s2,fL=

2、0.08,Ce=1,Cm=3,f=0.1,Kb0.2,i=0.02三系統(tǒng)參量系統(tǒng)輸入信號：系統(tǒng)輸出信號：四設(shè)計(jì)指標(biāo)1.在單位斜坡信號x(t)=t作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；2.開環(huán)截止頻率；3.相位裕度；五 基本要求：1. 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)；2. 利用頻率特性法分析系統(tǒng)：(1) 根據(jù)要求的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)，求系統(tǒng)的開環(huán)增益值；(2) 根據(jù)求得的值，畫出校正前系統(tǒng)的Bode圖，并計(jì)算出幅值穿越頻率、相位裕量,以檢驗(yàn)性能指標(biāo)是否滿足要求。若不滿足要求，則進(jìn)行系統(tǒng)校正。3. 利用頻域特性法綜合系統(tǒng)：(1) 畫出串聯(lián)校正結(jié)構(gòu)圖，分析并選擇串聯(lián)校正的類型（超前、滯后和滯后-超前校正）；(2) 確定校正裝

3、置傳遞函數(shù)的參數(shù)；(3) 畫出校正后的系統(tǒng)的Bode圖，并校驗(yàn)系統(tǒng)性能指標(biāo)。若不滿足，則重新確定校正裝置的參數(shù)。4. 完成系統(tǒng)綜合前后的有源物理模擬電路：六、 課程設(shè)計(jì)報(bào)告：1. 報(bào)告內(nèi)容（包括課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容、基本原理以及課程設(shè)計(jì)過程中參數(shù)的計(jì)算過程和分析過程）；(1) 課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明書一份；(2) 原系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)原理圖一張（自繪）；(3) 系統(tǒng)分析，綜合用精確Bode圖各一張； （4）系統(tǒng)綜合前后的模擬圖各一張。2. 總結(jié)（包括課程設(shè)計(jì)過程中的學(xué)習(xí)體會與收獲、對本次課程設(shè)計(jì)的認(rèn)識等內(nèi)容）；3. 提供參考資料及文獻(xiàn)；4. 排版格式完整、報(bào)告語句通順、封面裝幀成冊摘要 隨動系統(tǒng)是指系統(tǒng)的輸

4、出以一定的精度和速度跟蹤輸入的自動控制系統(tǒng)，并且輸入量是隨機(jī)的，不可預(yù)知的。在很多情況下，隨動系統(tǒng)特制被控量是機(jī)械位移的比還控制系統(tǒng) ?？刂萍夹g(shù)的發(fā)展，使隨動系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。位置隨動系統(tǒng)是反饋控制系統(tǒng)，是閉環(huán)控制，調(diào)速系統(tǒng)的給定量是恒值，希望輸出量能穩(wěn)定，因此系統(tǒng)的抗干擾能力往往顯得十分重要。而位置隨動系統(tǒng)中的位置指令是經(jīng)常變化的，要求輸出量準(zhǔn)確跟隨給定量的變化，輸出響應(yīng)的快速性、靈活性和準(zhǔn)確性成了位置隨動系統(tǒng)的主要特征。簡言之，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗干擾性能為主，隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以跟隨性能為主。在控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中，首先要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)內(nèi)部物理量

5、（或變量）之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在自動控制理論中，數(shù)學(xué)模型有多種形式。時(shí)域中常用的數(shù)學(xué)模型有微分方程、差分方程和狀態(tài)方程；復(fù)數(shù)域中有傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖；頻域中有頻率特性等。本次課程設(shè)計(jì)研究的是位置隨動系統(tǒng)的滯后校正，并對其進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞：隨動系統(tǒng)；性能分析 AbstractServo system is to point to the output of the system with a certain the precision and speed of tracking input of the automatic control system, and is the input of

6、random, unpredictable. In many cases, servo system special was charged with volume is mechanical displacement control system than also. Control the development of technology, make servo systems have been widely used.Position servo system is feedback control system, is the closed-loop control and spe

7、ed regulation system for the quantitative value is constant, want to output quantity can stable, so the anti-interference ability of the system often become very important. And with the position of the position servo system instructions are often changes, requirement output accurate quantitative cha

8、nge to follow, the response of the output, flexibility and accuracy position servo system became the main features. In short, and the ? 目錄一.位置隨動系統(tǒng)原理- 1 -.1 位置隨動系統(tǒng)原理框圖- 1 -.2 部分電路圖- 1 -1.3 各部分元件傳遞函數(shù)- 3 -1.4 位置隨動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖- 4 -1.5 位置隨動系統(tǒng)的信號流圖- 4 -1.6 相關(guān)函數(shù)的計(jì)算- 4 -二.利用頻率特性法分析系統(tǒng)- 4 -2.1根據(jù)要求的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)，求系統(tǒng)的開環(huán)增益值

9、- 5 -2.3對系統(tǒng)進(jìn)行Matlab仿真- 5 -三.加入校正函數(shù)后的系統(tǒng)- 6 -2.穩(wěn)定性分析- 8 -3.穩(wěn)態(tài)精度分析ess- 9 -4動態(tài)性能分析- 9 -5.對校正后的系統(tǒng)進(jìn)行Matlab仿真- 9 -四.系統(tǒng)綜合- 10 -_Toc五系統(tǒng)模擬圖- 10 - 1.原系統(tǒng)模擬圖- 11 - 2.校正后的系統(tǒng)模擬圖- 12 -六.總結(jié)體會(結(jié)論)- 12 -1、設(shè)計(jì)體會及心得- 12 -2、參考文獻(xiàn)- 13 -位置隨動系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)一.位置隨動系統(tǒng)原理.1 位置隨動系統(tǒng)原理框圖圖1.1位置隨動系統(tǒng)原理框圖工作原理：用一對電位器作為位置檢測元件，并形成比較電路。兩個(gè)電位器分別將系統(tǒng)的輸

10、入和輸出位置信號轉(zhuǎn)換成于志成比例的電壓信號，并作出比較。當(dāng)發(fā)送電位器的轉(zhuǎn)角和接受電位器的轉(zhuǎn)角相等時(shí)，對應(yīng)的電壓亦相等。因而電動機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)。假設(shè)是發(fā)送電位器的轉(zhuǎn)角按逆時(shí)針方向增加一個(gè)角度，而接受電位器沒有同時(shí)旋轉(zhuǎn)這樣一個(gè)角度，則兩者之間將產(chǎn)生角度偏差。相應(yīng)地，產(chǎn)生一個(gè)偏差電壓，經(jīng)放大器放大后得到u，供給直流電動機(jī)，使其帶動負(fù)載和接受電位器的動筆一起旋轉(zhuǎn)，直到兩角度相等為止，即完成反饋。.2 部分電路圖（1）自整角機(jī)：作為常用的位置檢測裝置，將角位移或者直線位移轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號的幅值或相位。自整角機(jī)作為角位移傳感器，在位置隨動系統(tǒng)中是成對使用的。與指令軸相連的是發(fā)送機(jī)，與系統(tǒng)輸出軸相連的是接

11、收機(jī)。在零初始條件下，拉式變換為 圖1.2.1自整角機(jī)u（2）功率放大器： 在零初始條件下，拉式變換為 u_圖1.2.2放大器（3）兩相伺服電動機(jī)：在零初始條件下，拉式變換為圖1.2.3兩相伺服電動機(jī)（4）直流測速電動機(jī)：在零初始條件下，拉式變換為圖1.2.4直流測速電動機(jī)（5）減速器：在零初始條件下，拉式變換為 圖1.2.5 減速器1.3 各部分元件傳遞函數(shù)（1） （1）（2） （2）（3） （3）（4） （4）其中 是電動機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù);是電動機(jī)傳遞系數(shù)（5） （5） 1.4 位置隨動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖圖1.4 結(jié)構(gòu)框圖1.5 位置隨動系統(tǒng)的信號流圖圖1.6 信號流圖1.6 相關(guān)函數(shù)的計(jì)算開環(huán)

12、傳遞函數(shù)： 閉環(huán)傳遞函數(shù)： （二.利用頻率特性法分析系統(tǒng)： 2.1根據(jù)要求的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)，求系統(tǒng)的開環(huán)增益值； 單位斜坡信號x(t)=t,拉氏變換,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差則 2.2檢驗(yàn)性能指標(biāo)是否滿足要求根據(jù)求得的值，畫出校正前系統(tǒng)的Bode圖，并計(jì)算出幅值穿越頻率、相位裕量,以檢驗(yàn)性能指標(biāo)是否滿足要求。若不滿足要求，則進(jìn)行系統(tǒng)校正。開環(huán)傳遞函數(shù)：=Q(W)=-最小相位慣性環(huán)節(jié)： w=40，斜率減小20dB/dec 最小交接頻率： w=40繪制低頻段漸近線特性曲線：因?yàn)?0lgk=20lg=42.77，則低頻段漸近線斜率k=-20dB/dec，通過點(diǎn)（1,20lg5500/40）=（1,42.77）繪

13、制頻段w40，k=-40，則系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻漸近曲線2.3對系統(tǒng)進(jìn)行Matlab仿真開環(huán)傳遞函數(shù)相角裕度增益裕度仿真程序：num= 5500den=1,40,0sys=tf(num,den)mag,phase,w=bode(num,den)gm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w)margin(sys) 由圖可知 ：校正前，截止頻率 ；相角裕度；幅值裕度。因?yàn)橛深}知：.開環(huán)截止頻率；.相位裕度；所以則該題需要校正三.加入校正函數(shù)后的系統(tǒng)3.1 目的：使系統(tǒng)的相角裕度提高10度利用滯后網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行串聯(lián)校正的基本原理利用滯后網(wǎng)絡(luò)的高頻復(fù)制衰減特性，使已校正系統(tǒng)的截止頻率下降，從

14、而使系統(tǒng)獲得足夠的相角裕度。串聯(lián)校正結(jié)構(gòu)圖 其中 各元件依次為滯后校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)形式為： Gc=R2csR1+R2cs令T= =R1+R2R2 滯后網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)計(jì)算步驟如下確定新的因?yàn)槲葱Ｕ到y(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：Hs=5500s2+40sL040=20lg-20lgc-20lg1+402=20lg =2.43c+（25）=+|=c47+5=+（）|=c Q(w)= 9 C又根據(jù) 得出 滯后網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)所以，校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為2.穩(wěn)定性分析系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為Ds=1+Gos=kkakm1i+sTms+1+kakmktssTms+1+kakmkts 令D(s)=0,即kkakm1i+s

15、Tms+1+kakmkts=Tms2+1+kakmkts+ kkakm1i=s2+40s+5500=0 由上式可以看出ai0,由于該系統(tǒng)是二階系統(tǒng)，故該系統(tǒng)穩(wěn)定。3.穩(wěn)態(tài)精度分析ess 由題意可得 ess=esv=1kv kv=lims0sGo(s)=137.5故ess=1137.5=0.00730，故截止頻率滿足要求；相位裕度co=3040，故相位裕度不滿足要求。5.對校正后的系統(tǒng)進(jìn)行Matlab仿真仿真程序：num=44,137.5den=0.028,1.125,1,0sys=tf(num,den)mag,phase,w=bode(num,den)gm,pm,wcg,wcp=margin(

16、mag,phase,w)margin(sys) 根據(jù)波特圖，知截止頻率；相角裕度；幅值裕度。四.系統(tǒng)綜合對校正前后裝置進(jìn)行比較 校正前，截止頻率；相角裕度；幅值裕度。對開環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行串聯(lián)滯后校正，減小未校正系統(tǒng)中的中、高頻幅值，以降低系統(tǒng)截止頻率，從而提高相角裕度。故得到校正后，截止頻率；相角裕度；幅值裕度。校正后，系統(tǒng)的相角裕度提高近十度，穩(wěn)定性變得更好。五系統(tǒng)模擬圖 1.原系統(tǒng)模擬圖2.校正后的系統(tǒng)模擬圖六.總結(jié)體會(結(jié)論)1、設(shè)計(jì)體會及心得整個(gè)課程設(shè)計(jì)分為五個(gè)部分，隨動系統(tǒng)建模、傳遞函數(shù)的求解、校正裝置的設(shè)計(jì)及性能的分析。每一部分的完成，都需要我們下一番功夫。在隨動系統(tǒng)的建模上，經(jīng)過討

17、論，分析，仿真。找出了符合要求的隨動系統(tǒng)模型。同時(shí)根據(jù)課設(shè)的初始條件，選擇參數(shù)，計(jì)算傳遞函數(shù)。在模型建立好，參數(shù)選擇合適的前提下，傳遞函數(shù)的計(jì)算還是比較簡單。在設(shè)計(jì)校正裝置，根據(jù)題目的要求，求出合理的校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)。由于計(jì)算的誤差，離理論值多少都有些偏差。不過還好的是基本符合要求。最后就是校正前后的性能比較。學(xué)會仿真軟件又是我要掌握的一項(xiàng)。在經(jīng)過學(xué)習(xí)，請教后，我能輕松的畫出自己想要的圖形。看著最終的成果，覺得收獲頗多。 一 、 對系統(tǒng)原理有更深的理解 通過課程設(shè)計(jì)，掌握了什么是系統(tǒng)原理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的基本過程及其各階段的基本任務(wù)，熟悉了系統(tǒng)設(shè)計(jì)總流程框圖，了解了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的生成過程、構(gòu)造工具

18、及其相關(guān)的技術(shù)對課本上的知識有了更深的理解，課本上的知識是機(jī)械的，表面的。通過把該課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，把原來以為很深?yuàn)W的書本知識變的更為簡單，對系統(tǒng)原理有更深的理解。 二、 對該理論在實(shí)踐中的應(yīng)用有深刻的理解 通過把該算法的內(nèi)容，算法的執(zhí)行順序在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，知道和理解了該理論在計(jì)算機(jī)中是怎樣執(zhí)行的， 對該理論在實(shí)踐中的應(yīng)用有深刻的理解 。 三、 激發(fā)了學(xué)習(xí)的積極性 通過該課程設(shè)計(jì)，全面系統(tǒng)的理解了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原理和基本實(shí)現(xiàn)方法。把死板的課本知識變得生動有趣，激發(fā)了學(xué)習(xí)的積極性。把學(xué)過的自動控制原理的知識強(qiáng)化，能夠把課堂上學(xué)的知識通過自己設(shè)計(jì)表示出來，加深了對理論知識的理解。以前對與自動控制系統(tǒng)的認(rèn)識是模糊的，概念上的，現(xiàn)在通過自己動手做設(shè)計(jì)，從實(shí)踐上認(rèn)識了系統(tǒng)是如何運(yùn)行的，如何通過計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)內(nèi)部各個(gè)部件運(yùn)行，對計(jì)算機(jī)集中控制原理的認(rèn)識更加深刻。課程設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該仔細(xì)。四、 理解了該知識點(diǎn)以及學(xué)科之間的融合滲透 本次課程設(shè)計(jì)程序綜合了本專業(yè)的