雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)

1、自 動(dòng) 控 制 原 理 課 程 設(shè) 計(jì)概 述 用來(lái)精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過(guò)程的反饋控制系統(tǒng)。又稱隨動(dòng)系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒(méi)有原則上的區(qū)別。它是由若干元件和部件組成的并具有功率放大作用的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)。位置隨動(dòng)系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)都是位置量，且指令位置是隨機(jī)變化的，并要求輸出位置能夠朝著減小直至消除位置偏差的方向，及時(shí)準(zhǔn)確地跟隨指令位置的變化。位置指令與被控量可以是直線位移或角位移。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各

2、種類型的位置隨動(dòng)系統(tǒng)。由于發(fā)展了力矩電機(jī)及高靈敏度測(cè)速機(jī)，使伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了直接驅(qū)動(dòng)，革除或減小了齒隙和彈性變形等非線性因素，并成功應(yīng)用在雷達(dá)天線。伺服系統(tǒng)的精度主要決定于所用的測(cè)量元件的精度。此外，也可采取附加措施來(lái)提高系統(tǒng)的精度，采用這種方案的伺服系統(tǒng)稱為精測(cè)粗測(cè)系統(tǒng)或雙通道系統(tǒng)。通過(guò)減速器與轉(zhuǎn)軸嚙合的測(cè)角線路稱精讀數(shù)通道，直接取自轉(zhuǎn)軸的測(cè)角線路稱粗讀數(shù)通道。因此可根據(jù)這個(gè)特征將它劃分為兩個(gè)類型，一類是模擬式隨動(dòng)系統(tǒng)，另一類是數(shù)字式隨動(dòng)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)實(shí)際上就是隨動(dòng)系統(tǒng)在雷達(dá)天線上的應(yīng)用。系統(tǒng)的原理圖如圖1-1所示。1 雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理圖1-1 雷達(dá)天線伺服

3、控制系統(tǒng)原理圖1.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成從圖1-1可以看出本系統(tǒng)是一個(gè)電位器式位置隨動(dòng)系統(tǒng)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線的跟蹤控制，由以下幾個(gè)部分組成：位置檢測(cè)器、電壓比較放大器、可逆功率放大器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。以上四部分是該系統(tǒng)的基本組成，在所采用的具體元件或裝置上，可采用不同的位置檢測(cè)器，直流或交流伺服機(jī)構(gòu)等等?，F(xiàn)在對(duì)系統(tǒng)的組成進(jìn)行分析：1、受控對(duì)象：雷達(dá)天線2、被控量：角位置。3、干擾：主要是負(fù)載變化（及）。4、給定值：指令轉(zhuǎn)角。5、傳感器：由電位器測(cè)量、，并轉(zhuǎn)化為、。6、比較計(jì)算：兩電位器按電橋連接，完成減法運(yùn)算（偏差）。7、控制器：放大器，比例控制。8、執(zhí)行器：直流電動(dòng)機(jī)及減速箱。1.3 工作原理分三種情

4、況考慮：1當(dāng)兩個(gè)電位器和的轉(zhuǎn)軸位置一樣時(shí)，給定角與反饋角相等，所以角差，電位器輸出電壓，電壓放大器的輸出電壓，可逆功率放大器的輸出電壓，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)。2當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使給定角增大，則，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)減速器帶動(dòng)雷達(dá)天線轉(zhuǎn)動(dòng)，雷達(dá)天線通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電位器的轉(zhuǎn)軸，使也增大。3給定角減小， ，電動(dòng)機(jī)就帶動(dòng)雷達(dá)天線超著縮小偏差的方向運(yùn)動(dòng)，只有當(dāng)，偏差角，系統(tǒng)才會(huì)停止運(yùn)動(dòng)而處在新的穩(wěn)定狀態(tài)。2 雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)框圖由實(shí)物圖可畫出系統(tǒng)方框圖，如下圖3-1 雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)原理框圖給定角經(jīng)電位器變成給定信號(hào)，被控量經(jīng)電位器變成反饋信號(hào)，給定信號(hào)與反饋信號(hào)產(chǎn)生偏差信號(hào)；偏差信號(hào)經(jīng)放大器

5、（電壓比較放大器和可逆功率放大器）得到，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（直流伺服電動(dòng)機(jī)）作用到雷達(dá)天線上，減小偏差，最終實(shí)現(xiàn)。這就是控制的整個(gè)過(guò)程。2.1各部分傳函及方塊圖2.1.1 位置檢測(cè)器在控制系統(tǒng)中,單個(gè)電位器用作為信號(hào)變換裝置，一對(duì)電位器可以組成誤差檢測(cè)器，空載時(shí)，單個(gè)電位器的電刷角位移與輸出電壓的關(guān)系曲線在進(jìn)行理論分析時(shí)可以用直線近似，于是可得輸出電壓為式中，是電刷單位角位移對(duì)應(yīng)的輸出電壓，稱為電位器傳遞系數(shù)，其中是電位器電源電壓，是電位器最大工作角。對(duì)上式求拉氏變換，可求得電位器傳遞函數(shù)為可以看出電位器的傳遞函數(shù)是一個(gè)常值，它取決于電源電壓和電位器最大工作角度。電位器可用圖2-1的方框圖表示。圖2

6、-1 電位器方框圖其中輸入就是，輸出就是，就是。用一對(duì)相同的電位器組成誤差檢測(cè)器時(shí)，其輸出電壓為式中是單個(gè)電位器的傳遞系數(shù)；是兩個(gè)電位器電刷角位移之差。稱為誤差角。因此，誤差角為輸入時(shí)，誤差檢測(cè)器的傳遞函數(shù)與單個(gè)電位器傳遞函數(shù)相同，即為2.22 電壓比較放大器電壓比較放大器實(shí)際上是比較元件和一部分放大元件的組合，其職能是把測(cè)量元件檢測(cè)到的被控量實(shí)際值與給定元件給出的參據(jù)量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差，并經(jīng)過(guò)電壓型集成運(yùn)算放大器的放大作用，將偏差信號(hào)放大。具體說(shuō)來(lái)就是：其中，又因（偏差），所以上式可以寫成，對(duì)該式兩邊同時(shí)進(jìn)行拉氏變換，可得電壓比較運(yùn)算放大器的傳遞函數(shù)為從式子可以知道電壓比較放大器

7、的傳遞函數(shù)也是一個(gè)常值。電壓比較放大器可以用圖2-2所示的方框圖表示圖2-2 電壓比較器方框圖其中。2.2.3 可逆功率放大器本設(shè)計(jì)用到的功率放大器由晶閘管或大功率晶體管組成功放電路，由它輸出一個(gè)足以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電壓和電流。分析可知，對(duì)該環(huán)節(jié)做近似處理，可得對(duì)式子兩邊同時(shí)做拉氏變換，得可逆功率放大器的傳遞函數(shù)為用圖2-3所示的方框圖表示。圖2-3 可逆功率放大器方框圖其中。2.2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)直流伺服電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中廣泛用作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用來(lái)對(duì)被控對(duì)象的機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)快速控制，通過(guò)簡(jiǎn)化處理后的直流伺服電動(dòng)機(jī)的微分方程為式中可視為負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩。根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，可分別求到和到的傳遞函數(shù)，以便研

8、究在和分別作用下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的性能，將他們疊加后，便是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)特性。所以在不考慮負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩的條件下，即時(shí)和在零初始條件下，即時(shí)，對(duì)上式各項(xiàng)求拉氏變換，并令，則得的代數(shù)方程為由傳遞函數(shù)的定義，于是有便是電樞電壓到的傳遞函數(shù)，是系統(tǒng)的機(jī)電常數(shù)。這可以用圖2-4所示的方框圖來(lái)表示圖2-4 直流伺服電動(dòng)機(jī)方框圖其中。2.2.5減速器設(shè)減速器的速比為，減速器的輸入轉(zhuǎn)速為，而輸出轉(zhuǎn)速為，則減速器的傳遞函數(shù)為其中。2.3系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖在不考慮干擾力矩的條件下，并適當(dāng)?shù)淖儞Q，就會(huì)得到雷達(dá)天線伺服控制控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，如圖3-2所示圖3-2 雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其中就是，就是，。將方框圖進(jìn)行化簡(jiǎn)

9、處理，可得系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)其中。簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)方框圖如圖3-3所示圖3-3 系統(tǒng)簡(jiǎn)化方框圖從實(shí)際考慮，我們知道雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)的性能應(yīng)該是響應(yīng)速度盡可能快，即調(diào)節(jié)時(shí)間盡可能小，超調(diào)量盡可能小。3.系統(tǒng)傳遞函數(shù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是系統(tǒng)通過(guò)校正設(shè)計(jì)后的單位階躍響應(yīng)無(wú)超調(diào)，且調(diào)節(jié)時(shí)間。因系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為其中為開環(huán)增益，為直流伺服電動(dòng)機(jī)的時(shí)間常數(shù)。選取的直流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由開環(huán)傳遞函數(shù)求得系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)由上式可以得到閉環(huán)特征方程為這是一個(gè)二階系統(tǒng)，在沒(méi)有校正設(shè)計(jì)前，取系統(tǒng)的阻尼比為，代入，由二階系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)形式有計(jì)算得到。系統(tǒng)的開環(huán)增益為系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為這可以用系統(tǒng)的參數(shù)方框圖表

10、示，如圖3-4所示圖3-4 系統(tǒng)參數(shù)方框圖4 系統(tǒng)性能分析4.1系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析可以看出，是一型系統(tǒng)。靜態(tài)位置誤差系數(shù)得到系統(tǒng)在階躍輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差4.2系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析對(duì)本系統(tǒng)而言，在沒(méi)有校正設(shè)計(jì)時(shí)，可知系統(tǒng)是欠阻尼二階系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)分析具體而言就是確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。因，于是求得阻尼角為而阻尼振蕩頻率為對(duì)欠阻尼二階系統(tǒng)各性能指標(biāo)進(jìn)行近似計(jì)算，可得1、延遲時(shí)間：2、上升時(shí)間：3、調(diào)節(jié)時(shí)間：4、超調(diào)量：由這些計(jì)算出的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)可以知道，系統(tǒng)并沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間。系統(tǒng)此時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線如圖4-1所示圖4-1 系統(tǒng)校正前單位階躍響應(yīng)曲線從對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和圖4-1可以看出

11、，如果該系統(tǒng)沒(méi)有校正設(shè)計(jì)，則達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，所以為了滿足設(shè)計(jì)要求，必須進(jìn)行校正設(shè)計(jì)。5 校正設(shè)計(jì)所謂校正，就是在系統(tǒng)中加入一些其參數(shù)可以根據(jù)需要而改變的機(jī)構(gòu)或裝置，使系統(tǒng)整個(gè)特性發(fā)生變化，從而滿足給定的各項(xiàng)性能指標(biāo)。目前，在工程實(shí)踐中常用的有三種校正方法，分別是串聯(lián)校正、反饋校正和復(fù)合校正。本系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)采用反饋校正。反饋校正是目前廣泛應(yīng)用的一種校正方式，反饋校正的基本原理是：用反饋校正裝置包圍待校正系統(tǒng)中對(duì)動(dòng)態(tài)性能改善有重大妨礙作用的某些環(huán)節(jié)，形成一個(gè)局部反饋回路（內(nèi)回路），在局部反饋回路的開環(huán)幅值遠(yuǎn)大于1的條件下，局部反饋回路的特性主要取決于反饋校正裝置，而與被包圍部分無(wú)關(guān)；適當(dāng)選擇校正

12、裝置的形式和參數(shù)，可以使系統(tǒng)的性能滿足給定指標(biāo)的要求。本系統(tǒng)采用直流測(cè)速發(fā)電機(jī)作為校正裝置，即采用測(cè)速反饋控制來(lái)實(shí)現(xiàn)校正。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)為或?qū)⒃撔Ｕh(huán)節(jié)加到原系統(tǒng)中，可以得到校正后的系統(tǒng)方框圖，如圖5-1所示 圖5-1 校正后雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)方框圖畫簡(jiǎn)后得到圖5-2圖5-2 校正后系統(tǒng)方框圖由圖5-2得到校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)一步得到校正后的系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程其中為與測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出斜率有關(guān)的測(cè)速反饋系數(shù)，校正設(shè)計(jì)的主要目的就是確定反饋系數(shù)，以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。前面已經(jīng)提到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是通過(guò)校正設(shè)計(jì)后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)無(wú)超調(diào)，且調(diào)節(jié)時(shí)間。我們知道對(duì)于二階系統(tǒng)要想無(wú)超調(diào)量，則

13、校正后阻尼比。而且本系統(tǒng)要求盡可能快的響應(yīng)，所以取阻尼比。進(jìn)而有，于是可以計(jì)算出由于當(dāng)阻尼比為1時(shí)，所以得根據(jù)過(guò)阻尼二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的近似計(jì)算，可得校正后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)為調(diào)節(jié)時(shí)間，無(wú)超調(diào)量，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。6 結(jié) 論本設(shè)計(jì)是雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，伺服控制系統(tǒng)最初用于船舶的自動(dòng)駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來(lái)逐漸推廣到很多領(lǐng)域，特別是雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)。主要討論的是雷達(dá)天線的跟蹤問(wèn)題。雖然系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但這只是理論上的設(shè)計(jì)，好多環(huán)節(jié)都采用了理想化的處理，與實(shí)際條件還有一定的區(qū)別。要是進(jìn)行物理設(shè)計(jì)，還有很多方面的問(wèn)題需要注意和解決。從本質(zhì)上說(shuō)就的一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中，通過(guò)

14、對(duì)系統(tǒng)工作原理的分析，進(jìn)行了方案和主要元部件的選擇。對(duì)系統(tǒng)的開環(huán)增益和靜態(tài)誤差進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，了解了系統(tǒng)在沒(méi)有進(jìn)行校正設(shè)計(jì)時(shí)的動(dòng)態(tài)性能，最后進(jìn)行了校正設(shè)計(jì)并再次進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，使系統(tǒng)最終達(dá)到了在單位階躍信號(hào)作用下，響應(yīng)無(wú)超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間的設(shè)計(jì)要求。7 體 會(huì)通過(guò)本次的課程設(shè)計(jì)也使我們學(xué)到了很多知識(shí)，不僅使我們對(duì)自動(dòng)控制原理的了解和理解更加深刻了，而且也讓我們學(xué)會(huì)了分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法，我了解了雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)的工作原理，并進(jìn)一步學(xué)習(xí)了控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)的時(shí)域分析法，系統(tǒng)的校正等方面的知識(shí)。讓我們學(xué)會(huì)了分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法鞏固了所學(xué)的知識(shí)，學(xué)會(huì)了如何利用圖書館的資源。學(xué)會(huì)了團(tuán)隊(duì)合作的精神以及刻苦鉆研的精神，學(xué)會(huì)一些在課本中根本沒(méi)有提及到的東西。加強(qiáng)了理論知識(shí)與實(shí)踐統(tǒng)一的能力，加強(qiáng)了自己的動(dòng)手操作能力。同時(shí)，也讓我接觸了很多書本之外的知識(shí)，大大地豐富了我們的見(jiàn)聞，拓寬了我們的視野。由于，自動(dòng)控制原理適用于很多領(lǐng)域、應(yīng)用于各行各業(yè)，在做本次設(shè)計(jì)的同時(shí)，也讓我們接觸、學(xué)習(xí)了許多其他專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)，豐富了我們的知識(shí)儲(chǔ)備