磁盤控制系統(tǒng)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上要求和目標(biāo)磁盤驅(qū)動(dòng)器作為一種存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息的設(shè)備，在目前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中起著不可替代的作用。如今，磁盤技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，而其中又以讀寫磁頭的定位控制為核心技術(shù)。磁盤驅(qū)動(dòng)器讀寫系統(tǒng)的原理如圖1所示。圖1 磁盤驅(qū)動(dòng)器讀寫系統(tǒng)原理圖通過查找相關(guān)資料可知：磁頭的定位過程主要是由磁盤中的音圈電機(jī)(VCM)來完成的。它接受主機(jī)發(fā)出的讀寫數(shù)據(jù)命令，快速的將磁頭從當(dāng)前磁道移動(dòng)到數(shù)據(jù)所在的目標(biāo)磁道上。詳細(xì)的過程如下：首先音圈電機(jī)分析目標(biāo)磁道和當(dāng)前磁道的距離，主要是根據(jù)磁道號(hào)和磁道寬來確定。磁道號(hào)通過讀取刻錄在磁盤上的伺服信息中的磁道號(hào)獲得然后決定是向內(nèi)徑還是外徑移動(dòng)，這個(gè)過程稱為尋道。當(dāng)

2、到達(dá)目標(biāo)磁道后，磁頭再緊緊跟隨目標(biāo)磁道，跟隨過程通過讀取刻錄在磁盤上的伺服信息中的位置誤差信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。伺服控制機(jī)構(gòu)通過獲取磁頭相對(duì)于當(dāng)前磁道的位置信息，及時(shí)調(diào)整磁頭的位置，使磁頭始終能夠準(zhǔn)確定位在磁道的中心位置，并能夠有效的克服噪音干擾和機(jī)械擾動(dòng)造成的磁頭偏離當(dāng)前磁道的問題，這個(gè)過程稱為跟隨。這兩個(gè)過程都是由音圈電機(jī)帶動(dòng)滑塊來完成的。通過以上分析我們知道，音圈電機(jī)（VCM）的運(yùn)行性能是決定磁頭準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵。在實(shí)際中，由于干擾因素，音圈電機(jī)并不能運(yùn)行在理想的狀態(tài)，而是會(huì)出現(xiàn)振蕩或不穩(wěn)定的情況，這樣不僅不利于磁頭的準(zhǔn)確定位，還有可能損壞整個(gè)磁盤。因此需要設(shè)計(jì)控制器來改善其動(dòng)態(tài)性能，本設(shè)計(jì)主要討論

3、PID控制方法來設(shè)計(jì)硬盤驅(qū)動(dòng)器的控制器。如圖2所示，磁盤驅(qū)動(dòng)器由磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(包括音圈電機(jī)、懸架、磁頭、軸承)，硬盤碟片和主軸組成。磁盤驅(qū)動(dòng)器讀取系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是將磁頭準(zhǔn)確定位，以便正確讀取磁盤上磁道的信息，因而需要進(jìn)行精確控制的變量是安裝在滑動(dòng)簧片上的磁頭位置。磁頭位置精度要求為1µm，且磁頭由磁道a移動(dòng)到磁道b的時(shí)間小于50ms。 圖2 磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖 方案概述圖3給出了該系統(tǒng)的初步方案，其閉環(huán)系統(tǒng)利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)磁頭臂達(dá)到預(yù)期的位置。圖中的偏差信號(hào)是在磁頭讀取磁盤上預(yù)先錄制索引磁道時(shí)產(chǎn)生的。 圖3 磁盤驅(qū)動(dòng)讀寫系統(tǒng)初步方案 假定磁頭足夠精確，取傳感器環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，同時(shí)采用電

4、樞控制直流電機(jī)模型來建模，如圖4所示。圖4 建?？驁D電機(jī)的具體建模過程如下：電樞控制直流電機(jī)的模型如下圖5所示，電樞被模擬為一個(gè)線性電阻與電樞繞組電感相串聯(lián)，而電壓源表示電樞中產(chǎn)生的電壓。磁激用繞組用線性電阻和線性電感表示，表示氣隙磁通（以下我們均不考慮摩擦，風(fēng)損和鐵損，負(fù)載轉(zhuǎn)矩帶來的損耗等）。 圖5 直流電機(jī)模型圖電流電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程式為：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在恒定的磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)電元件產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為： 式中線圈的磁鏈在旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)中，轉(zhuǎn)子上每一個(gè)閉合的導(dǎo)體通路中都有（2-2）給出的電壓。已知正比于氣隙磁通和角速度，即所以電樞感應(yīng)電壓為：假定激磁不變并忽略電樞電壓和其他次要因素引

5、起的激磁磁通的變化，則激磁磁通為定值，式（2-4）可改寫為（2-5）其中直流電動(dòng)機(jī)電壓系數(shù)在轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體上作用垂直于磁通方向的力，電流的大小和磁感應(yīng)強(qiáng)度及導(dǎo)體長度成正比，在磁場中每一根導(dǎo)體都對(duì)總的合力提供一個(gè)分量。由于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)決定了力矢量作用于轉(zhuǎn)子半徑的力臂上，因而形成電磁轉(zhuǎn)矩。由假定的激磁磁通保持常數(shù)，所以電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，即 （2-6） 式中 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的機(jī)械功率為： （2-7）產(chǎn)生的功率本該一部分消耗于電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子的風(fēng)阻，機(jī)械摩擦和轉(zhuǎn)子鐵芯中的磁滯和渦流損耗，另一部分儲(chǔ)存于轉(zhuǎn)子功能，因而但是此處我們不考慮損耗，因而 根據(jù)速度和位移的關(guān)系，我們可以得出式中：摩擦

6、損耗所需的轉(zhuǎn)矩，包括摩擦，風(fēng)損和鐵損負(fù)載轉(zhuǎn)矩粘滯阻尼分量粘滯摩擦系數(shù) 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式（2-1），（2-5），（2-6），（2-8）構(gòu)成模擬直流電動(dòng)機(jī)的基本方程組，從其中可以求出直流電動(dòng)機(jī)在不同工作方式下的傳遞函數(shù)。對(duì)基本方程組進(jìn)行拉普拉斯變換后可得到： （2-9） 上述基本方程組的方塊圖如下圖所示：所以根據(jù)上圖，我們得到音圈電機(jī)的傳遞函數(shù)模型為： 代入?yún)?shù)，得到電機(jī)傳函化簡得，其中， （忽略）因此，該系統(tǒng)的音圈電機(jī)的傳函為，為二階系統(tǒng)。仿真設(shè)計(jì)一、 模擬PID控制我們知道，一個(gè)好的控制系統(tǒng)，應(yīng)該具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并且具有最小的超調(diào)量。最小節(jié)拍響應(yīng)是指以最小的超調(diào)量快速達(dá)到并保持在穩(wěn)態(tài)響應(yīng)

7、允許波動(dòng)范圍內(nèi)的時(shí)間響應(yīng)。因此，為了滿足設(shè)計(jì)要求，可以嘗試設(shè)計(jì)最小節(jié)拍控制系統(tǒng)，來達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。當(dāng)忽略電機(jī)磁場影響時(shí)，具有PD控制器的磁盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖6所示。（在PID控制器的選擇過程中，由于音圈電機(jī)的傳函模型中已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以PID控制器只需要PD控制就能達(dá)到目標(biāo)，積分環(huán)節(jié)基本上沒什么影響）圖6 加前置濾波器的PD控制框圖為了消除PD控制形成的零點(diǎn)因式對(duì)閉環(huán)動(dòng)態(tài)性能的不利影響，系統(tǒng)配置了前置濾波器。當(dāng)不考慮時(shí)，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為 相應(yīng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 由表1可知，二階最小節(jié)拍響應(yīng)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化閉環(huán)傳遞函數(shù)為表1 最小節(jié)拍系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化傳遞函數(shù)的典型系數(shù)和響應(yīng)性能指標(biāo)系統(tǒng)階數(shù)閉環(huán)傳

8、遞函數(shù)系數(shù)超調(diào)量調(diào)節(jié)時(shí)間21.820.10%4.8231.902.201.65%4.0442.203.502.800.89%4.8152.704.905.403.401.29%5.4363.156.508.707.554.051.63%6.04表中標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)節(jié)時(shí)間應(yīng)為 根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，應(yīng)有，于是可取，其對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間可以滿足設(shè)計(jì)要求。這樣，二階最小節(jié)拍系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化閉環(huán)傳遞函數(shù)為 令實(shí)際閉環(huán)傳遞函數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化閉環(huán)傳遞函數(shù)分母相等，有 ， 解得，。于是，所需的PD控制器為 為了消除PD控制器新增閉環(huán)零點(diǎn)的不利影響，將前置濾波器取為 系統(tǒng)的仿真框圖為然后，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試。無前置濾波器時(shí)單位

9、階躍輸入響應(yīng)，如圖所示，仿真表明，閉環(huán)零點(diǎn)可以提升系統(tǒng)的上升時(shí)間，但惡化了系統(tǒng)的超調(diào)量； 系統(tǒng)無前置濾波器的程序：K1=3380;K3=43.32;Gc=tf(K3,K1,1);G1=tf(5,1,20,0);G2=series(Gc,G1);G=feedback(G2,1);figure(1);step(G)grides=1-y;ess=es(length(es)ess = -0.0017無濾波器的仿真圖形：超調(diào)量為11.2%，不滿足要求；調(diào)節(jié)時(shí)間為39.3ms，誤差精度0.17%而加上前置濾波器時(shí)，系統(tǒng)的單位階躍時(shí)間響應(yīng)，如圖所示，其動(dòng)態(tài)性能大為改善，超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間，從而滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

10、。程序：K1=3380;K3=43.32;Gc=tf(K3,K1,1);G1=tf(5,1,20,0);Gp=tf(78.024,1,78.024);G2=series(Gc,G1);G3=feedback(G2,1);G=series(G3,Gp);figure(1);step(G)grides=1-y;ess=es(length(es)ess = -0.0017仿真圖形：在上述調(diào)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，得到結(jié)果如下程序：K1=1152;K3=58;Gc=tf(K3,K1,1);G1=tf(5,1,20,0);G2=series(Gc,G1);G=feedback(G2,1);fig

11、ure(1);step(G)grid仿真圖形：從圖中我們可以看出，這個(gè)系統(tǒng)更優(yōu)于帶前置濾波器的系統(tǒng)，階躍響應(yīng)快而迅速，響應(yīng)曲線在22ms左右就可以達(dá)到穩(wěn)定，且穩(wěn)定值為1，超調(diào)量基本為零，可以滿足我們的設(shè)計(jì)要求。二、 數(shù)字PID控制數(shù)字控制系統(tǒng)式一種以數(shù)字計(jì)算機(jī)為控制器去控制具有連續(xù)工作狀態(tài)的被控對(duì)象的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其典型原理圖如圖7所示：圖7 數(shù)字PID控制原理圖數(shù)字控制系統(tǒng)具有下列特征：（1）由數(shù)字計(jì)算機(jī)構(gòu)成的數(shù)字校正裝置，效果比連續(xù)式校正裝置好，且由軟件實(shí)現(xiàn)的控制規(guī)律易于改變，控制靈活。（2）采樣信號(hào)，特別市數(shù)字信號(hào)的傳遞可以有效地抑制噪聲，從而提高系統(tǒng)的抗擾能力。（3）允許采用高靈敏度的

12、控制元件，來提高系統(tǒng)的控制精度。（4）對(duì)于具有傳輸延遲，特別市大延遲的控制系統(tǒng)，可以引入采樣的方式穩(wěn)定。1、采樣周期數(shù)字計(jì)算機(jī)在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)信號(hào)和脈沖信號(hào)在系統(tǒng)中的相互傳遞，采樣器和保持器是數(shù)字控制系統(tǒng)中的兩個(gè)特殊環(huán)節(jié)。每隔T秒進(jìn)行一次控制修正，T為采樣周期。1.1采樣定理（香農(nóng)定理） 如果采樣角頻率s（或頻率fs）大于或等于2m（或2fm）即 式中m（或fm）是連續(xù)信號(hào)頻譜的上限頻率，則經(jīng)采樣得到的脈沖序列能無失真的再恢復(fù)到原連續(xù)信號(hào)。1.2采樣周期的選取采樣周期T選的越小，即采樣角頻率s選的越高，對(duì)控制過程的信息便獲得越多，控制效果也會(huì)越好。但是，采樣周期T選的過小，

13、將增加不必要的計(jì)算負(fù)擔(dān)，造成實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜控制規(guī)律的困難。反之，采樣周期T選的過大，又會(huì)給控制過程帶來較大的誤差，降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，甚至有可能導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)失去穩(wěn)定。因此，選擇采樣周期應(yīng)綜合考慮各種因素：（1）給定值的變化頻率。加到被控對(duì)象上的給定值變化頻率越高，采樣頻率應(yīng)越高，以使給定值的改變通過采樣迅速得到反映，而不致在隨動(dòng)控制中產(chǎn)生大的時(shí)延。（2）被控對(duì)象的特性?？紤]對(duì)象變化的緩急，若對(duì)象是慢速的熱工或化工對(duì)象，則丁一般取得較大；在對(duì)象變化較快的場合，T應(yīng)取得較小?？紤]干擾的情況，從系統(tǒng)抗干擾的性能要求來看，要求采樣周期短，使擾動(dòng)能迅速得到校正。（3）使用的算式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型。采樣周期

14、太小，會(huì)使積分作用、微分作用不明顯。同時(shí)，因受微機(jī)計(jì)算精度的影響，當(dāng)采樣周期小到一定程度時(shí)前后兩次采樣的差別反映不出來，使調(diào)節(jié)作用因此而減弱。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作慣性大，采樣周期的選擇要與之適應(yīng)，否則執(zhí)行機(jī)構(gòu)來不及反映數(shù)字控制器輸出值的變化。（4）控制的回路數(shù)。要求控制的回路較多時(shí)，相應(yīng)的采樣周期越長，以使每個(gè)回路的調(diào)節(jié)算法都有足夠的時(shí)間來完成。在本設(shè)計(jì)中，最終采樣周期定為。2、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器 通常，假定所選擇的A/D轉(zhuǎn)換器有足夠的字長來來表示編碼，量化單位q足夠小，所以由量化引起的幅值斷續(xù)性可以忽略。再假定，采樣編碼過程是瞬時(shí)完成的，可用理想脈沖的幅值等效代替數(shù)字信號(hào)的大小，則A/D轉(zhuǎn)換器可

15、以用周期為T的理想開關(guān)代替。同理，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的D/A轉(zhuǎn)換器可以用保持器取代。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定測量的分辨率，過低的分辨率還會(huì)影響測量精度。D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定控制輸出的分辨率，過低的分辨率會(huì)影響控制精度。因此，在本系統(tǒng)的閉環(huán)控制中，二者應(yīng)取相同的分辨率，即相同的采樣周期。3、差分方法的選擇所謂差分變換法就是把微分方程中的導(dǎo)數(shù)用有限差分來近似等效，得到一個(gè)與原微分方程逼近的差分方程。差分變換法包括后向差分和前向差分變換。在本系統(tǒng)中采用后向差分變換來構(gòu)成位置型PID算法。后向差分變換法亦稱為后向矩形積分法，即用后向矩形面積來近似代替積分面積，具體做法如下。設(shè)控制器傳遞函數(shù)為，其微分

16、方程為 ，對(duì)該方程兩邊在和區(qū)間積分得 所以 上式右邊的積分即為與區(qū)間內(nèi)曲線下的面積，該面積用的矩形面積來近似替代（后向矩形積分），于是得4、位置型數(shù)字PID算法假設(shè)有模擬信號(hào)，其微分為，其后向差分為，所謂后向差分變換就是令 對(duì)上式兩邊取拉普拉斯變換（z）變換得 如果數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)具有相同特性，則 或 模擬PID控制器的算法為 式中，為輸出，為輸入，為比例系數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)。傳遞函數(shù)形式的模擬PID控制器為 直接應(yīng)用后向差分變換，將代入上式，推導(dǎo)出位置型數(shù)字PID控制器為因此搭建數(shù)字PID控制器，如圖 然后將電機(jī)傳遞函數(shù)進(jìn)行離散化：ts=0.001;sys=tf(5,1,2

17、0,0);dsys=c2d(sys,ts,'z')求出Transfer function:2.483e-006 z + 2.467e-006- z2 - 1.98 z + 0.9802最后構(gòu)建數(shù)字PID閉環(huán)控制系統(tǒng)為：5、數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定5.1數(shù)字PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響（1）比例系數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)性能的影響：在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，增加，穩(wěn)態(tài)誤差減小，進(jìn)而提高控制精度。對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響：增加，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快；如果偏大，系統(tǒng)輸出震蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長；過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。（2）積分時(shí)間常數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)性能的影響：積分控制能消除系統(tǒng)靜

18、差，但若太大，積分作用太弱，以致不能消除靜差。對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響：若太小，系統(tǒng)將不穩(wěn)定；若太大，對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能影響減小。（3）微分時(shí)間常數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響：選擇合適的將使系統(tǒng)的超調(diào)量減小。調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，允許加大比例控制；但若過大或過小都會(huì)適得其反。5.2數(shù)字PID參數(shù)整定 基于模擬PID控制器的參數(shù)整定方法，本系統(tǒng)采用的事試湊法，即按照先比例、后積分、再微分的步驟進(jìn)行整定。具體步驟如下：（1）只整定比例參數(shù)。將比例系數(shù)由小變大，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)，直到得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。（2）如果上述只采用比例控制器的系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則應(yīng)加入積分環(huán)節(jié)構(gòu)成PI控制器。整定時(shí)，首先把第（1）步整定的比例系數(shù)適當(dāng)減小，的初始值要取較大些，然后減小積分時(shí)間常數(shù)，使系統(tǒng)在保持良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得以消除。在此過程中，應(yīng)根據(jù)對(duì)響應(yīng)曲線的滿意程度反復(fù)修改和，以期得到滿意的響應(yīng)過程。（3）若經(jīng)過上述參數(shù)試湊系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能仍然不滿足設(shè)計(jì)要求（主要是超調(diào)量過大或系統(tǒng)響應(yīng)速度不夠快），則可加入微分環(huán)節(jié)。整定時(shí)，應(yīng)從0逐漸增大，同時(shí)相應(yīng)地改變和，不斷試湊，直到獲得滿意的控制效果。 在本系統(tǒng)中，經(jīng)過反復(fù)試湊，最終得到的參數(shù)為：，6、仿真分析：系統(tǒng)的響應(yīng)曲線為從曲線上我們可以得出，在階躍輸入為0.1，且，的情況下