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1、 自动控制原理课程设计报告 位置随动系统的分析与设计 姓 名 专 业 自动化 学 号 指导教师 2011.12.25摘要 本文对给定的某直流位置随动位置随动控制系统的方案图进行运算与设计，得出了系统在阶越信号和斜坡信号作用下的动态性能指标与稳态误差，并在频域内分析了系统的幅值裕度和相位裕度。用MATLAB软件对与系统稳定性有关的Nyquist图和Bode图进行了辅助分析,进而对系统串联校正，使之达到了规定的技术指标。最后为系统设计出了相应的模拟电路，并借助THBCC-2 软件作了验证。 一般来说，随动控制系统要求有好的跟随性能。位置随动系统是非常典型的随动系统，是个位置闭环反馈系统，系统中具有
2、位置给定，位置检测和位置反馈环节，这种系统的各种参数都是连续变化的模拟量，其位置检测可用电位器，自整角机，旋转变压器，感应同步器等。位置随动系统中的给只给定量是经常变动的，是一个随即量,并要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应具有快速性，灵活性和准确性。为了保证系统的稳定性，并具有良好的动态性能，必须设有校正装置，如在正向通道中设置串联校正装并联校正装置等，为了提高位置随动系统的控制精度，还需要增加系统的开环放大倍数或在系统中增加积分环节等。 关键词：时域分析，频域分析，串联校正，模拟电路。Abstract The chapter calculated and designed a pres
3、et square frames diagram, for which control system of some direct-currents follow-up position is, we got systems norm of dynamic function and steady state error, and analyzed its steady margin and phase angle margin in frequency domain. With a aid of MATLAB we calculated its Nyquist diagram and Bode
4、 diagram, which is helpful to analyze systems stability function, then after designing a series correction for system, made it get the expect technological norm, At last we designed the analog circuit for the system and checked it with a aid of THBCC-2software. Generally speaking, the servo control
5、system has good performance with requirements. Position servo system is very typical of the servo system, a position close-loop feedback system, system has given the position detection and location, the system of feedback various parameters are continuous change its position detection analog, usable
6、 potentiometer, resolvers, inductosyn.etc, The position servo system is often only to quantitative change, is a random output, and requirements for quantitative change with accurate and output response speed and flexibility and accuracy. In order to ensure the stability of the system, and has good d
7、ynamic performance, must have correction device, such as in the positive channel set series correction calibration device installed in parallel, in order to improve the position servo control precision of the system, but also need to increase the open-loop system magnification increase or in the sys
8、tem integrator,etc. Key Words: ime Domain Analysis， Frequency Domain Analysis， Series Correction， Analog Circuit . 自动控制原理课程设计（简明）任务书引言：自动控制原理课程设计是该课程的一个重要教学环节，既有别于毕业设计，更不同于课堂教学。它主要是培养学生统筹运用自动控制原理课程中所学的理论知识，掌握反馈控制系统的基本理论和基本方法，对工程实际系统进行完整的全面分析和综合。一 设计题目：位置随动系统的分析与设计二系统说明：该系统结构如下图所示其中：放大器增益为Ka=15，电桥增益,
9、测速电机增益，Ra=7,La=10mH,J=0.005kg.m/s2,JL=0.03kg.m/s2,fL=0.08,Ce=1,Cm=3,f=0.1,Kb0.2,i=0.02三系统参量系统输入信号：系统输出信号：四设计指标1.在单位斜坡信号x(t)=t作用下，系统的稳态误差；2.开环截止频率；3.相位裕度；五 基本要求：1. 建立系统数学模型传递函数；2. 利用频率特性法分析系统：(1) 根据要求的稳态品质指标，求系统的开环增益值；(2) 根据求得的值，画出校正前系统的Bode图，并计算出幅值穿越频率、相位裕量,以检验性能指标是否满足要求。若不满足要求，则进行系统校正。3. 利用频域特性法综合系
10、统：(1) 画出串联校正结构图，分析并选择串联校正的类型（超前、滞后和滞后-超前校正）；(2) 确定校正装置传递函数的参数；(3) 画出校正后的系统的Bode图，并校验系统性能指标。若不满足，则重新确定校正装置的参数。4. 完成系统综合前后的有源物理模拟电路：六、 课程设计报告：1. 报告内容（包括课程设计的主要内容、基本原理以及课程设计过程中参数的计算过程和分析过程）；(1) 课程设计计算说明书一份；(2) 原系统组成结构原理图一张（自绘）；(3) 系统分析，综合用精确Bode图各一张；(4) 系统综合前后的模拟图各一张。2. 总结（包括课程设计过程中的学习体会与收获、对本次课程设计的认识等
11、内容）；3. 提供参考资料及文献；4. 排版格式完整、报告语句通顺、封面装帧成册。一、 系统说明（概述）1. 设计目的（1） 掌握自动控制原理课程中所学的理论知识。（2） 掌握反馈系统的基本理论和方法，对工程实际系统进行全面分析和综合。（3） 掌握反馈系统的基本理论和方法，对工程实际系统进全面分析和综合。（4） 掌握控制系统的设计和校正方法。（5） 掌握利用matlab对控制理论进行分析，研究和仿真技能。（6） 提高分析问题和解决问题的能力。2. 系统原理（简介）（1） 位置随动系统原理框图图2.1位置随动系统原理框图工作原理：用一对电位器作为位置检测元件，并形成比较电路。两个电位器分别将系统
12、的输入和输出位置信号转换成于志成比例的电压信号，并作出比较。当发送电位器的转角和接受电位器的转角相等时，对应的电压亦相等。因而电动机处于静止状态。假设是发送电位器的转角按逆时针方向增加一个角度，而接受电位器没有同时旋转这样一个角度，则两者之间将产生角度偏差。相应地，产生一个偏差电压，经放大器放大后得到u，供给直流电动机，使其带动负载和接受电位器的动笔一起旋转，直到两角度相等为止，即完成反馈。3. 各环节的性能、功能特性说明（1） 自整角机： 作为常用的位置检测装置，将角位移或者直线位移转换成模拟电压信号的幅值或相位。自整角机作为角位移传感器，在位置随动系统中是成对使用的。与指令轴相连的是发送机
13、，与系统输出轴相连的是接收机。（2） 功率放大器：用作将自整角机测角电路输出的角差电动势整流成直流信号，该信号不仅反映角差的大小，而且要反映角差的极性。（3） 两相伺服电动机：用作对控制信号进行功率放大，以便驱动执行机构，实现控制系统的正反转控制。 （4）直流测速电动机： 是随动系统执行机构的主要组成部分，对系统精度和快速性影响较大，要求伺服电动机转动惯量小，过载转矩大以提高系统的快速性。 （5）减速器：测速发电机是用于测量角速度并将它转换成电压量的装置。控制系统中常用的有直流和交流测速发电机。 4. 各部分元件传递函数 (1)(2)(3) (4)其中 是电动机机电时间常数;是电动机传递系数
14、(5) 5. 设计基本要求(1) 建立系统数学模型传递函数；(2) 利用频率特性法分析系统：a.根据要求的稳态品质指标，求系统的开环增益值；b.根据求得的值，画出校正前系统的Bode图，并计算出幅值穿越频率、相位裕量,以检验性能指标是否满足要求。若不满足要求，则进行系统校正。(3) 利用频域特性法综合系统：a.画出串联校正结构图，分析并选择串联校正的类型（超前、滞后和滞后-超前校正）；b.确定校正装置传递函数的参数；c.画出校正后的系统的Bode图，并校验系统性能指标。若不满足，则重新确定校正装置的参数。(4) 完成系统综合前后的有源物理模拟电路：6. 设计指标(1) 在单位斜坡信号x(t)=
15、t作用下，系统的稳态误差；(2) 开环截止频率；(3) 相位裕度；二、系统建模1. 各个环节模型 (1)环节结构图及传递函数a. 自整角机： 作为常用的位置检测装置，将角位移或者直线位移转换成模拟电压信号的幅值或相位。自整角机作为角位移传感器，在位置随动系统中是成对使用的。与指令轴相连的是发送机，与系统输出轴相连的是接收机。在零初始条件下，拉式变换为 图2.1自整角机ub. 功率放大器： 在零初始条件下，拉式变换为 u_图2.2放大器c. 两相伺服电动机： 在零初始条件下，拉式变换为图2.3两相伺服电动机d.直流测速电动机： 在零初始条件下，拉式变换为 图2.4直流测速电动机 e.减速器：在零
16、初始条件下，拉式变换为 图2.5 减速器 2. 系统模型：系统的框图结构系统结构框图3. 简化框图（1） 化简为单位负反馈结构框图如下：（2） 系统的开环传递函数开环传递函数： 三、系统分析及综合设计1. 原系统频域特性曲线由开环传递函数利用matlab求解系统的开环传递函数的幅值穿越频率, 相位裕量，截止频率 以下是程序：num= 5500den=1,40,0sys=tf(num,den)mag,phase,w=bode(num,den)gm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w)margin(sys)可得到截止频率rad/s；相位裕度,幅值裕度 .其频域特性曲线如图（
17、见附图1）：2. 稳定性分析由其开环传递函数易知其闭环传递函数：易知系统稳定，亦可有其相位裕度0,来确定该系统稳定。3. 稳态精度分析因为开环传递函数 ，在单位斜坡信号x(t)=t作用下，根据单位斜坡信号稳态误差的求法：=，=30rad/s,相位裕度40,满足要求；所以原系统串上该校正装置后满足所要求的各项性能指标5. 对校正前后系统性能进行比较可得到截止频率rad/s；相位裕度,幅值裕度 .校正前，截止频率rad/s；相角裕度；幅值裕度。对开环传递函数进行串联滞后校正，减小未校正系统中的中、高频幅值，以降低系统截止频率，从而提高相角裕度。故得到校正后，截止频率=34.6277rad/s；相角
18、裕度=；幅值裕度h=2.48。校正后，系统的相角裕度提高十五度，稳定性变得更好。6. 根据校正规律和和装置参数设计校正装置（电路图） 已知校正装置的传递函数为 = 四、 系统物理模拟图1. 原系统模拟图2. 综合后系统模拟图附图1附图2五、 设计小结（结论）1. 设计体会（心得）通过这段时间的课程设计，从无知到认知，到深入了解，渐渐了我喜欢上了这个全新的专业，让我深刻的体会到学习过程是最美的。在整个课程设计过程中，我每天都有很多新的体会。最终经过一周的奋战，课程设计完成了，在没有做课程设计之前觉得课程设计只是对这个学科所学知识的总结，但通过这次课程设计发现自己的看法片面。课程设计不仅是对所学知
19、识的一种检验，而且也是对自己能力的提高。通过课程设计，让我更加明白学习是一个长期的积累过程，经后的工作、生活中应该不段的学习，努力提高知识和综合能力。设计过程中，我查阅了大量的有关资料，并与同学交流，学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获还是很多的。在设计中培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心。让我充分体会到在创造过程中探索的艰辛和成功的喜悦。我的独立思考能力得到了相应的提高，在设计过程中，我不仅学到了知识，也让我感到了生活的充实和学习的快乐，以及获得知识的满足。真正接触了实践，使我消除了从学校走向社会的恐惧心理，使我对未来充满了信心，以良好的心态去面对社会。同时我也体验到了工
20、作的艰辛，促使自己努力学习更多的知识，为自己今后的工作奠定良好的基础。2. 对设计的建议这次课程设计让我体会很多。首先，要做好这门课程设计必须要有先进的理论作为指导，以理论指导实际，用实际去检验真理，让我们更加深入的去体会并认识我们所学的这门课程，从中发现自身的问题，及其他学习方面的不足，结合这一周以来我在这么课程设计当中发现并遇到的问题，我认为我们在学习当中理论性太强，就是平时所学的基本上都是理论知识，很少注重与实际结合这一方面，造成很多同学就不知道学习门课程到底对人们的生活有哪些影响，怎样应用这门课来改善我们的生活。当然，如果给我们一个现实生活中的一个实物让我们去分析研究，那就更有难度了，
21、因为本身学的都是理论，很少去接触实际应用的环节，又没有受到专门的建模指导，很难把实际的物理模型转化为便于研究的数学模型，这就为我们的建模造成了一定的困难，也影响了我们的进度。其次，因为这门课程设计要求我们进行框图的绘制，模拟图的绘制，并进行系统的模拟仿真，需要我们用到相应的软件，并进行相应的操作，但是自己只在大二学过autocad画图工具外，没学过其他的了，而仿真软件基本上都没学过，所以这在很大程度上影响了课程设计的进程，也影响了设计的质量。综上，我觉的我们在加强理论学习的同时也应该注重实际物理环节介绍，让我们学以致用，充分发挥学习的重要价值。同时我们也应该及时开设相应课程的学习。3. 致谢信
22、在设计过程中，也进一步砺练了自己，增强了独立发现问题、思考并解决问题的能力，相信这些能力对于将来走进就业岗位都会有极大地益处。 总而言之，在这一周的实践中，我学到了许多有益的东西，这些东西都是很宝贵的财富。 在此特别感谢*老师，她严谨细致，一丝不苟的作风深深的感染了我。她在百忙之余抽出时间进行耐心细致的指导，再次由衷的向她表示感谢。在设计过程中也同样得到了其他同学的热心帮助，在此向他们表示感谢。由于时间的仓促以及本人能力有限，因此在设计过程中难免会出现很多错误，对于这些不足与缺陷望*老师给予包容与理解，并希望*老师多加批评指正，在此一并表示感谢。六、 参考文献自动控制原理 ，北京工业大学出版社，孙亮、杨鹏主编自动控制理论重点、难点及典型题解析西安交大出版社MATLAB语言与控制系统仿真自动控制原理 ，北京国防工业出版社，李友善电机及拖动基础 ，机械工业出版社，汤天浩主编电机学 ，重庆大学出版社，谢明洙、张广溢主编电机学 ，机械工业出版社，冯欣南主编电机学 ，水利电力出版社，杨传箭主编
