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1、引 言位置随动系统是各种导航系统、大型雷达设施以及一些控制系统重要组成部分，因此，位置随动系统系统的研究就成为极为重要的课题。自整角机是一种感应式自同步微电机，由于它在军事系统中的普遍使用而得到了广泛发展。现在的自整角机已经能够满足很高的准确度要求，并能在很宽的温度、湿度、振动和冲击环境条件下正常工作，因而这种机电式传感器（自整角机）在位置随动系统中被广泛的采用。位置随动系统应用广泛，尤其是基于自整角机的位置随动系统，根据教学任务安排，课程设计作为实验教学的重要环节，能够很大程度的提高我们的分析问题和解决问题的能力。由于本人水平有限，课程设计中错误和不当之处在所难免，期望老师批评指正。1 位置
2、随动系统简介1.1 位置随动系统的组成 1.1.1位置随动系统的定义 位置随动系统最常见的是伺服系统（Servo-mechanism）。广义的伺服系统是指精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，又称为位置控制系统。在很多情况下，伺服系统这个术语一般只狭义的应用于利用反馈和误差修正信号对位置及其派生参数如速度和加速度进行控制的场合，其作用是输出的机械位移准确地实现输入的位移指令，达到位置的精确控制和轨迹的准确追踪1。1.1.2位置随动系统的组成 位置随动系统的结构和组成与其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。图1为一个典型的位置控制系统的基本组成，可以看出，这个系统由以下几部分组成：图1 典型
3、位置随动系统原理框图（1）位置检测器。位置检测器的作用是将位置量参数转换为电信号，由仪表转换为数据指示，形成反馈通道给控制器提供决策的依据。位置检测器可用光电编码器、旋转变压器、感应同步器等。（2）位置调节器。根据位置偏差信号实现位置的精确控制。（3）速度控制器。（4）可逆功率放大器。（5）执行机构。永磁式直流伺服电机SM作为带动负载的执行机构1。1.1.3位置控制系统的分类 采用不同的分类方法，可以得到不同类型的位置随动系统： （1）按控制原理（或方式）不同，表示的方式有开环、闭环和半闭环三种形式。 （2）按被控制量性质不同，有位移、速度、力和力矩等随动系统形式。 （3）按驱动方式不同，有电
4、气、液压和气压等随动驱动形式。 （4）按执行元件不同，分为步进电机随动、直流电机随动和交流电机随动形式2。1.2 位置随动系统的发展历史、发展状况和发展趋势位置随动系统最初应用于船舶驾驶和火炮控制，后来逐渐推广到很多领域，如天线位置控制、制导和导航、数控机床和机器人等。1.2.1位置随动系统的发展历史直流位置随动系统位置随动系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气位置随动系统根据所驱动的电机类型分为直流位置随动系统和交流位置随动系统。50年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。70年代则是直流位置随动电机的应用最为广泛的时代。交流位置随动系统 从7
5、0年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流位置随动技术交流位置随动电机和交流位置随动控制系统逐渐成为主导产品。1.2.2位置随动系统的发展状况从位置随动系统驱动产品当前的应用来看，直流位置随动系统产品正逐渐减少，交流位置随动系统产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流位置随动系统产品已经成为主流产品。交流位置随动系统驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流位置随动系统。1.2.3位置随动系统的发展趋势位置随动系统的发展趋势可以概括为交
6、流化、全数字化、采用新型电力电子半导体器件、高度集成化、智能化、模块化和网络化等方面发展。总的说来，位置随动系统将向两个方向发展。一个是满足一般工业应用要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品。另一个就是代表着位置随动系统发展水平的主导产品位置随动电机、位置随动控制器，追求高性能、高速度、数字化、智能型、网络化的驱动控制，以满足用户较高的应用要求1。1.3 位置随动系统的研究方法由于位置随动系统要控制的量多数是直线位移或角位移，组成位置环时必须通过检测装置将它们转换成一定形式的电量，这就需要位移检测装置。位置随动系统中常用的位移检测装置有自整角机、旋转变
7、压器、感应同步器、光电编码盘等。在各种位置随动系统中自整角机位置随动系统占据着重要的地位，所以在研究位置随动系统的时候重点研究自整角机位置随动系统2。2 自整角机的工作原理 按用途不同，自整角机可分为力矩式自整角机和控制式自整角机两类。力矩式自整角机可以不经过中间放大环节，直接传递转角信息，使相距甚远而又无机械联系的两轴能同步旋转。力矩式自整角接收机的负载一般是仪表指针，属于微功率同步旋转系统。对功率较大的负载，力矩式自整角机带动不了，可采用控制式自整角机，将自整角接收机接成变压器状态，其输出电压通过中间放大环节带动负载，组成自整角机的随动系统。图2 自整角机结构原理图图2是单相自整角机的结构
8、原理图。它具有一个单相励磁绕组及一个三相整步绕组，单相励磁绕组安装在转子上，通过俩个滑环引入交流励磁电流，励磁磁极通常做成隐极式，这样可使输入阻抗不随转子位置而变化。整步绕组是三相绕组，一般为分布绕组，安置在定子上，他们彼此在空间相隔120，并接成Y形。图3 控制式子整角机接线图控制式自整角机是作为转角电压变换器用的。使用时，将两台自整角机的定子绕组出线端用三根导线连接起来，发送机BST转子绕组接单相交流励磁电源，而接收机BSR转子绕组端输出是反映角位移的信号电压，如图3所示。3 自整角机位置随动系统的设计3.1 自整角位置随动系统的组成自整角机位置随动系统原理图如图3所示，自整角接收机输出的
9、正弦交流电压幅值为式中 发送机机械转角； 接收机机械转角。当时，为正值；当 num=500; den=0.0063 0.907 1 0; g1=tf(num,den) Transfer function: 500-0.0063 s3 + 0.907 s2 + sg4=feedback(g1,1) Transfer function: 500-0.0063 s3 + 0.907 s2 + s + 500 step(g4)6.1.2系统单位阶跃信号下的仿真结果如图11所示图11 固有系统阶跃输出曲线 由仿真图形可以得到：系统不稳定，需要校正。6.2采用PID调节器对系统进行校正图12 采用PID调
10、节器校正的随动系统结构图PID调节器的开环传递函数为最后经过计算和查表可以得到PID调节器传递函数中时间常数则PID调节器的开环传递函数可以写为6.3 使用MATLAB语言对校正后系统进行仿真分析6.3.1仿真程序 num=0.9 1; den=0.882 0; g2=tf(num,den) Transfer function:0.9 s + 1- 0.882 s num=0.084 1; den=0.005 1; g3=tf(num,den) Transfer function:0.084 s + 1-0.005 s + 1 g=g1*g2*g3 Transfer function: 37.
11、8 s2 + 492 s + 500-2.778e-005 s5 + 0.009556 s4 + 0.8044 s3 + 0.882 s2 feedback(g,1) Transfer function: 37.8 s2 + 492 s + 500-2.778e-005 s5 + 0.009556 s4 + 0.8044 s3 + 38.68 s2 + 492 s + 500 g5=feedback(g,1) Transfer function: 37.8 s2 + 492 s + 500-2.778e-005 s5 + 0.009556 s4 + 0.8044 s3 + 38.68 s2 +
12、 492 s + 500 step(g5)6.3.2系统单位阶跃信号下的仿真结果如图13所示图13 校正后系统阶跃输出曲线 由图可以读出校正后系统的一系列参数 上升时间： 峰值时间： 调节时间：超调量：7 结束语 本次课程设计用自整角机检测位移量的系统为典型，讨论位置随动系统的数学模型，稳态误差分析与动态校正设计。自整角机的角差输入和输出电压的关系是正弦函数，只有在角差很小的范围内才能近似地堪称是一个线性环节。对于随动系统动态性能的要求除了必须稳定以外，还要有快速跟随能力，动态校正问题往往比调速系统复杂得多，因而发展了多种动态校正方法。参考文献1 李宁、陈桂.运动控制系统.M.北京:高等教育出版社,2004.7，210-234 2丛爽、李泽湘.实用运动控制技术.M.北京:电子工业出社,2006.1,27- 34,165-1723陈伯时.电力拖动自动控制系统(第二版).M.北京:机械工业出版社， 2008.3,151-1874熊新民.自动控制原理与系统.M.北京:电子工业出版社,2003.7,170- 183 5任彦硕,赵一丁,张家生.自动控制系统.M.北京:北京邮电大学出版社, 2006.3,148-156
