自動控制原理課程設(shè)計(jì)

1、自動控制原理課程設(shè)計(jì)題目專班姓自動控制原理課程設(shè)計(jì)位置隨動系統(tǒng)性能分析與校正業(yè) 電氣工程及其自動級 名：學(xué)號指導(dǎo)老師：學(xué)期專學(xué)期專業(yè)第五學(xué)期電氣工程及其自動化姓名班級課題名稱自動控制原理課程設(shè)計(jì)論文題目位置隨動系統(tǒng)性能分析與校正評定標(biāo)準(zhǔn)評語：任課教師時間評定指標(biāo)分值得分知識創(chuàng)新性20理論正確性20內(nèi)容難易性15綜合實(shí)際性10知識掌握程度15書寫規(guī)范性10工作量10總成績100備備注一設(shè)計(jì)題目課程設(shè)計(jì)任務(wù)書位置隨動系統(tǒng)特性能分析與校正二設(shè)計(jì)任務(wù)要求完成的主要任務(wù)：求出系統(tǒng)個部分傳遞函數(shù)，并求出閉環(huán)傳遞函數(shù)；對系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性進(jìn)行分析；對系統(tǒng)進(jìn)行校正。指導(dǎo) 教師教研室主任： 時間：遼寧工程技術(shù)大學(xué)

2、目錄 HYPERLINK l _TOC_250026 綜述8 HYPERLINK l _TOC_250025 系統(tǒng)的原理圖,原理和方塊圖9 HYPERLINK l _TOC_250024 系統(tǒng)原理圖9 HYPERLINK l _TOC_250023 系統(tǒng)工作原理9 HYPERLINK l _TOC_250022 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖10 HYPERLINK l _TOC_250021 位置隨動系統(tǒng)傳遞函數(shù)建立10 HYPERLINK l _TOC_250020 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)10電位器10 HYPERLINK l _TOC_250019 運(yùn)算放大器： HYPERLINK l _TOC_250018

3、 功率放大器 HYPERLINK l _TOC_250017 直流電動機(jī), HYPERLINK l _TOC_250016 測速發(fā)電機(jī) HYPERLINK l _TOC_250015 隨動系統(tǒng)傳遞函數(shù)12 HYPERLINK l _TOC_250014 忽略擾動時傳遞函數(shù)12 HYPERLINK l _TOC_250013 擾動傳遞函數(shù)12 HYPERLINK l _TOC_250012 系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)12 HYPERLINK l _TOC_250011 系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)12 HYPERLINK l _TOC_250010 系統(tǒng)性能分析13 HYPERLINK l _TOC_250009 時

4、域分析13 HYPERLINK l _TOC_250008 頻域分析14 HYPERLINK l _TOC_250007 系統(tǒng)穩(wěn)定性14 HYPERLINK l _TOC_250006 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算,14 HYPERLINK l _TOC_250005 位置隨動系統(tǒng)的校正15 HYPERLINK l _TOC_250004 系統(tǒng)校正要求15 HYPERLINK l _TOC_250003 系統(tǒng)頻率特性15 HYPERLINK l _TOC_250002 5結(jié)論17 HYPERLINK l _TOC_250001 體會18 HYPERLINK l _TOC_250000 參考文獻(xiàn)：19摘要

5、隨動系統(tǒng)是指系統(tǒng)的輸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，在實(shí)際中應(yīng)用廣泛。本設(shè)計(jì)針對給定系統(tǒng) 統(tǒng)進(jìn)行分析，并判定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最后用超前校正對系統(tǒng)進(jìn)行校正設(shè)計(jì)， 以滿足系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的要求。關(guān)鍵詞：隨動系統(tǒng)；性能分析；校正。綜述位置隨動系統(tǒng)的被控制量是負(fù)載機(jī)械的線位移或角位移，當(dāng)位置給定量任 意變化時，要求輸出量快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定量的變化。隨動系統(tǒng)又稱“伺服 系統(tǒng)”。這種控制系統(tǒng)的任務(wù)是首先要保持輸出量的變化能夠緊緊的隨其輸入 的變化，并要求有具有一定的跟隨精度。特別要指出的是，在這種系統(tǒng)中，輸 入量的變化往往是任意的，是不能預(yù)先知道的.在輸入量給定

6、一個角度時，同位儀檢測裝置發(fā)出一個誤差信號，放大裝置便有 一個相應(yīng)的輸入信號，與此同時，反饋裝置又把齒輪系轉(zhuǎn)動的角度送入同位儀 檢測裝置，如此直至反饋角度的信號與輸入角度的信號相等時，電動機(jī)停止轉(zhuǎn) 動，由于次輪系的角度是可以隨時改變的，位置也就隨時改變，根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn) 定性和參數(shù)的要求設(shè)計(jì)這個位置隨動系統(tǒng).系統(tǒng)的原理圖,原理和方塊圖系統(tǒng)原理圖位置隨動系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)工作原理隨動系統(tǒng)的控制過程:在輸入量給定一個角度時，同位儀檢測裝置發(fā)出一 個誤差信號，放大裝置便有一個相應(yīng)的輸入信號，使直流伺服電動機(jī)帶動齒輪 系轉(zhuǎn)動，與此同時，反饋裝置又把齒輪系轉(zhuǎn)動的角度送入同位儀檢測裝置，如 此直至反饋角度的信號與

7、輸入角度的信號相等時，誤差信號以及放大裝置的輸 出功率均為零，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動，則齒輪系也就轉(zhuǎn)動到了給定的角度。由于次 輪系的角度是可以隨時改變的，位置也就隨時改變，因此系統(tǒng)的給定角度必須 根據(jù)實(shí)際需要角度隨時調(diào)整，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖 2 系統(tǒng)方框圖位置隨動系統(tǒng)傳遞函數(shù)建立系統(tǒng)各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)電位器:電位器是一種把線位移或者角位移轉(zhuǎn)換為電壓量的裝置,在控制系統(tǒng)中單 個電位器用作信號變換裝置,一對電位器可組成誤差檢測器.空載時,單個電位器的電刷角度位移(t) 與輸出電壓 u(t) 的關(guān)系呈階梯形狀,這是由繞線此線經(jīng)產(chǎn)生的誤差,理論分析時可以用直線近似.u(t)= K1t K1 =E/ max,是電刷單位

8、角位移對應(yīng)的輸出電壓,稱為電位器傳遞函數(shù).其中E max對上式求拉式變換可以求得電位器傳遞函數(shù)G(s)=U(s)/ (s=K1 用一對相同u(t)=u(t)-u2(t)=K (t, K1 是單 (t是兩個電位器電刷角位移之差,稱為誤差角,因此,以誤差角為輸入量時,誤差檢測器的傳遞函數(shù)與單個電位器的傳遞函數(shù)相同. u(t)= K1t運(yùn)算放大器：給定的電壓與速度反饋電壓在此合成, 產(chǎn)生偏差電壓并經(jīng)放大, 即11iu K (u u K1 R2 /11i功率放大器:本系統(tǒng)采用晶閘管整流裝置,它包括觸發(fā)電路和晶閘管主回路.忽略晶閘管 控制電路的時間滯后,aua其輸入輸出方程為 K3u32 ;式中 K3為

9、比例系數(shù).直流電動機(jī),電樞控制直流電動機(jī)的工作實(shí)質(zhì)是將輸入的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,也就是輸 入的電樞電壓ua (t),在電樞回路中產(chǎn)生電樞電流ia ,在由電流ia 與激磁磁通相T互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Tm,從而拖動負(fù)載運(yùn)動.動機(jī):微分方程式dMm為: Kmua KcMc式中Tm K m K c M c 是考慮減速器和負(fù)載后,折算到電動機(jī)軸上的等效值.測速發(fā)電機(jī):是用于測量角速度并且將角速度轉(zhuǎn)換成電壓量的裝置,本設(shè)計(jì)中是永磁式直流測速發(fā)電機(jī).測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與帶測量的軸相連接,在點(diǎn)電樞兩端輸出與轉(zhuǎn)子角速度成正比的直流電壓,即UT KT , 式中KT 是測速發(fā)電機(jī)的比例系數(shù).是測速發(fā)電機(jī)的輸出斜率,表示單

10、位角速度的輸出電壓.隨動系統(tǒng)傳遞函數(shù)根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖和對各個環(huán)節(jié)的分析可以求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù),忽略擾動時傳遞函數(shù)(s)/(s)K /(L sR )0itaat ;Kt * 6) * K 3Cm /(2 * 3.14) * K 3Cm ;擾動傳遞函數(shù)0cataa (s) / M (s) L (s) R /( L s R ) (Js 2 fs ) 0cataaKt * 6) * K 3Cm /(2 * 3.14) * K 3Cm ;系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)0cicTaaaa0 (s) / (s) (s) / (s) (s) / M (s) K L (s) R /( L (s) R ) (Js 2 0ci

11、cTaaaa0Kt * 6) * K 3Cm /(2 * 3.14) * K 3Cm ;系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)H (s) (La s Ra ) /( La s Ra ) (Js 2 fs )系統(tǒng)性能分析時域分析為了讓系統(tǒng)達(dá)到快速性的要求超調(diào)量滿足 % 5% 的要求，可以設(shè)定KT La (s) Ra 1000 , J 1, f 44系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為以有D(s)1000/s(s44)1000與標(biāo)準(zhǔn)形式相比較可2n244,%, 0.69屬于欠阻尼系統(tǒng),延遲時間td 的計(jì)算t 1 0.7 0.047dn上升時間tr 的計(jì)算12阻尼角arccos46.37，阻尼振蕩頻率12 22.87t 5.84

12、rd峰值時間t p 的計(jì)算t p 7.87d超調(diào)量 %的計(jì)算% 5%ts 的計(jì)算當(dāng)選取誤差帶 0.05 ts 3.5n 0.141頻域分析系統(tǒng)穩(wěn)定性根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)aaaG(s)H (s) (L s R ) /(L s R )( Js 2 fs aaa可以求出閉環(huán)系統(tǒng)特征方程為aaaD(s) (L s R ) (L s R )( Js 2 fs ) aaaD(s)L Js3(L fR J)s整理得aaaaa根據(jù)根據(jù)赫爾維茨可知,對于 n=3 時的線性系統(tǒng),其穩(wěn)定的充分必要條件可表示為如下簡單形式:n=3:特征方程的各項(xiàng)系數(shù)為正且a1a2 a0 a3 0a a a a L 2 f L R

13、f 2 R L J R 2 Jf L RaJ1 20 3aa aa aaaa a a a L 2 f L R f 2 R 2 Jf化簡得1 20 3aa a由于系數(shù)均為正, 所以滿足a1a2 a0 a3 0 ,可以判斷系統(tǒng)穩(wěn)定.系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算,系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)H(s(LasRa/(LasRaJs2 ,可知系統(tǒng)為1 型系統(tǒng),在階躍輸入作用下即r(tR1(tR為輸入階躍函數(shù)的幅值,則系統(tǒng)的靜態(tài)位置誤差系數(shù)為:KP G(s)H (s) G(0)H (0)s0KsKsp則用靜態(tài)位置誤差系數(shù)P 表示穩(wěn)態(tài)誤差為:于是可以算得系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差為:ess R /(1 K p ) ,1在單位斜坡輸入

14、作用下,速度誤差為ess R / K K 1,所以速度誤差為R,a在加速度輸入信號作用下ess R / Ka ,K =0,所以加速度誤差為無窮大.a位置隨動系統(tǒng)的校正系統(tǒng)校正要求根據(jù)隨動系統(tǒng)要求,校正后的系統(tǒng)既能以所需要的精度跟蹤輸入信號,又能 抑制擾動信號的影響.并且隨動系統(tǒng)側(cè)重于快速性的要求,根據(jù)系統(tǒng)期望的開環(huán) 對數(shù)幅頻特性的要求可設(shè)計(jì)系統(tǒng)校正后的頻率特性,低頻段要陡且高.40dB/dec;中頻段要緩而寬.a 斜率為-20dB/dec.b 具有一定的中頻寬,反映系統(tǒng)的阻尼程度(3)高頻段要陡低. 斜率要求為 40dB/dec,系統(tǒng)頻率特性根據(jù)以上的條件對直流位置隨動系統(tǒng)進(jìn)行校正,系統(tǒng)的開環(huán)

15、傳遞函數(shù)為G(s)H (s) (La s Ra ) /(La s Ra )( Js 2 fs ) (La s Ra ) / sLa Js 2 (La f Ra J )s Ra f 開環(huán)頻率特性圖 3原系統(tǒng)根據(jù)要求可在低頻段加入積分環(huán)節(jié),提高系統(tǒng)的快速性.積分環(huán)節(jié)傳遞函數(shù) KF/s,KF根據(jù)實(shí)際要求確定,20lgKF 足夠大在中頻段由于系統(tǒng)有一階微分環(huán)節(jié)系統(tǒng)頻率為 0dB/dec所以需要加入慣性環(huán)節(jié)使中頻段斜率為-20dB/dec.并且使系統(tǒng)具有一定的中頻寬,加入環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為 1/(T S +1),系統(tǒng)的40dB/dec滿足系統(tǒng)快速性要求,KF/s(Ts+1)根據(jù)校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) K F /

16、s(T s +1),畫出理想的校正頻率特性,圖4校正系統(tǒng)頻率特性加入校正裝置后系統(tǒng)的方框圖5 加入校正后系統(tǒng)方框圖圖 6校正后的系統(tǒng)頻率特性加入校正裝置后,系統(tǒng)達(dá)到理想的頻率特性,滿足系統(tǒng)快速性和穩(wěn)定性要求, 各方面參數(shù)滿足要求,系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期的跟蹤精度.結(jié)論位置隨動系統(tǒng)首先要保持輸出量的變化能夠緊緊的隨其輸入的變化，并 要求有具有一定的跟隨精度。在實(shí)際問題中,隨動系統(tǒng)的輸入量使隨時變化的, 設(shè)計(jì)時需要很強(qiáng)的跟隨精度.在分析系統(tǒng)穩(wěn)定性時,忽略次要因素,系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是線性系統(tǒng),穩(wěn)定的充 分必要條件是閉環(huán)系統(tǒng)特征方程均具有負(fù)實(shí)部;可以用勞思判據(jù)判斷系統(tǒng)是否 穩(wěn)定.在對系統(tǒng)進(jìn)行校正時,首先要對原系統(tǒng)做出分析,根據(jù)實(shí)際需要對系統(tǒng)進(jìn) 行校正,選擇合適的校正方法和合理的校正參數(shù),使系統(tǒng)趨于最優(yōu).達(dá)到預(yù)期目 標(biāo).體會通過一個星期的學(xué)習(xí),設(shè)計(jì),我收獲了很多很多,首先這個設(shè)計(jì)事我自己動 手做出的,培養(yǎng)了我發(fā)現(xiàn)問題,自己動手解決問題的能力,其次在這次設(shè)計(jì)中老 師同學(xué)給了我不少的幫助,使我認(rèn)識到了互相幫助,相互學(xué)習(xí)的重要性,再后,把 書本中的知識和實(shí)際問題聯(lián)系在一起,發(fā)現(xiàn)自己在書本中的不足,并且能將這些 不足在實(shí)際問題中解決,為以后走向工作崗位奠定了一定基礎(chǔ),最后再這個設(shè)計(jì) 中,我深深的感覺到了實(shí)踐的重要性,并從實(shí)踐中找到了快樂,自己做的設(shè)計(jì)也 有一些成就感,當(dāng)然這個設(shè)計(jì)可