火星漫游车转向控制系统解析

1、课程设计名称：.自动控制原理课程设计目: 火星漫游车转向系统.稳定性分析及校正.专业：电力系统及其.自动化班级：电力.1.0-01,.班.姓 名：冯旭学 号： 10050304课程设计任务书一、设计题目火星漫游车转向控制系统稳定性分析及校正二、设计任务以1997年7月4日年美国国家宇航局发射的以太阳能为动力“索杰纳号”火星探 测器转向系统为例，设计火星漫游车的转向控制系统并未校正前系统稳定性进行分析及 对系统校正。以达到如下稳定要求：1. 静态速度稳定误差ess 0-05 ；2. 相角裕量-60 ；校正后分析在单位阶跃信号作用下，系统的响应曲线。三、设计计划自动控制原理课程设计共1周。第1天：

2、查资料；第2天：方案分析比较，确定设计方案；第3天：分析系统稳定性；第4天：校正设计；第5天：编写整理设计说明书。四、设计要求1. 写出设计说明书。2. 同组同学的设计不能雷同。3.必要过程需用仿真软件MATLABS行仿真。指导教师：孙滨教研室主任：侯利民时间：2012年12月27日辽宁工程技术大学课程设计成绩评定表学期2012/2013 第一学期姓名冯旭专业电力系统及其自动化班级电力10-1班课程名称自动控制原理设计题目火星漫游车转向系统稳定性分析及校正评语成绩指导教师时间年 月日备注摘要本设计依据经典自动控制原理，首先在理论上从时域和频域两个方面分析了火星漫 游车转向控制系统的稳定性，并借

3、助仿真软件MATLAB (矩阵实验室)绘制了其频域特性图像。最后使用校正原理中串联超前校正法和三频段概念对该系统在频域上进行了 串联超前校正，使其达到一定的稳定要求。在分析的过程及校正的过程中大量使用了仿 真软件MATLAB (矩阵实验室)，其绘制出来的曲线精准、清晰，保证了结果的可靠性 和准确性。关键词：火星漫游车；自动控制原理；串联综合校正； MATLABAbstractThis design based on the classical theory of automatic control, first in theory in time domain and frequency do

4、main analysis of two aspects of the Mars rover steering control system stability, and with the aid of simulatio n software MATLAB (matrix laboratory) draw the freque ncy doma in characteristics image. Fin ally use correct ion prin ciple series lead correct ion method and three freque ncy band con ce

5、pt of the system in the freque ncy doma in on the series lead correct ion, en ables it to achieve a certa in stability requireme nts. In the process of an alysis and correcti on of the process of using the simulatio n software MATLAB (matrix laboratory), its pain ted curve precise and clear, to en s

6、ure the reliability and accuracy of the results.Key words: Mars rover; automatic control theory; the series syn thetic correcti on; MATLAB目录0引言 11概述 12数学模型 13系统稳定性分析及校正 23.1动力传动系统的稳定性分析 23.2系统的校正 43.3校正后系统的校验 53.4校正后系统的时域分析 64心得体会 75参考文献 7辽宁工程技术大学自动控制原理课程设计0引言人类对地球的近邻一火星一直非常感兴趣，。随着航天技术的快速发展，(前)苏联 和美

7、国都开始发射火星探测器。1962年11月(前)苏联向火星发射第一个火星探测器“火星1号”此后的三十多年，人类共向火星发射了 30多个探测器。这些探测器给人 类带来很多信息，尤其是基本否行了火星上有生物的可能。但是还是有人认为，火星上 也许只有局部地区有少量低等生物，固定的探测器无法找到；同时人类也想进一步了解 火星更多地区的情况。于是，火星漫游车诞生了。1概述本设计主要目的是讨论火星漫游车转向系统的稳定性分析。如图1-1(a)所示，以1997年7月4日年美国国家宇航局发射的以太阳能为动力 “索杰纳号”火星探测器转向系统为例，其转向控制系统的原理图为图1-1 (b)。(a) “索杰纳”号5车轮力

8、矩操纵调速阀门*动力传动系统* 和控制器漫游车C(s)漫游方向两组车轮的速度差(b) “索杰纳”号转向控制系统原理图图1-1火星漫游车“索杰纳”号及其转向控制系统原理图2数学模型根据原理图得到“索杰纳”号转向控制系统的方框图为图2-1所示。其开环传递函数为G(s)H(s) =Gc(s)Go(s)=KGo(s)S(S 2)(S 5)其闭环传递函数为G(s)=KGc(s)Go(s)1 Gc(s)Go(s)H(s)整理得(s)KGc(s)Gc(s) S(S 2)(S 5)R(s)预期的转动方向控制器动力传动系统Gc(s)G0(sfs+K)(s 枸|鼻(2-1)(2-2)C(s)图2-1 “索杰纳”号

9、转向控制系统方框图3系统稳定性分析及校正3.1动力传动系统的稳定性分析当系统本身不考虑控制器，即Gc(s) =1时动力传动系统开环传递函数为KG0(s)二S(S+2)(S + 5)现为其绘制根轨迹，以分析其稳定性。绘制过程如下：(1) 根轨迹渐进线与实轴夹角为0 _(2心戶n - m当 k =0 时，门-二3 ;当 k =1 时，二-二；当 k=2 时，二=5. 3二。与实轴交点为.E P-送 ZV =n - m由传递函数可得P1 =0, p2 - -2, p3 - -5，代入公式3-3中，得到-7 3(3-1)(3-2)(3-3)2。(2) 汇合点KS(S 2)(S 5)(3-4)(3-5)

10、(3-6)(3-7)G0(s)=7K12 j .( .2 10)2(. .2 . 4)( ,2 25)(3-8)令虚部为0,解出-,10综上所述，动力传动系统的手绘根轨迹如图 3-1所示，为了使其精准，现用MATLAB仿真软件进行仿真，其仿真后根轨迹如图* -5*-2图3-1手绘动力传动系统根轨迹3-2 (程序语言详见附录1)图3-2根轨迹仿真图由仿真得，分离点处 K=4.067;与虚轴交点处 K=69.0269。当0K4.067时，动力传动系统处于过阻尼状态；当K=4.0679时，动力传动系统处于临界阻尼状态；当4.0679K69.0626时，动力传动系统处于不稳定状态，即振荡发散状态3.2

11、系统的校正(1) 根据系统的速度稳态误差要求，确定开环增益K11kKV20 = lim SG(s)H (s) = limK = 20essv 0.0577(S+2)(S+5)(2) 用MATLAB仿真软件绘制未校正前的伯德图，并计算未校正前系统的幅值裕度Hg0，相角裕度0及其对应的截止频率 -0，穿越频率 .g0 (程序语言详见附录2) 如图3-3所示，未校正前系统的频率特性为：幅值裕度Hg0 =3.5000 ;相角裕度0 =35.7873 ；截止频率;:0 =3.1623 ;穿越频率；.池0 = 1.5224。Figure 1file dit 里lew Iftsert Tools R您$kt

12、op Window Help1 ：；：/7 J J .i fe乙-、甥心詔復 0 05总Bode Digram= 10.9 朋(art raKC. Pm 3SJS deg (al 1 52 皿用强口to-110310HFFrequeney iradseEi图3-3 MATLAB下未校正系统的伯德图(3) 根据校正相角裕度的要求，计算系统需要补充的角度:-0 -8 =60 -35.8 8 =32.2为了发挥超前网络的最大补偿作用使最大滞后相角；m等于系统需要补充的角度丄，即sin m = sin i =9 一 0.31= 0.2辽宁工程技术大学自动控制原理课程设计通过MATLAB软件解得:=0.

13、31(4) 求解T解得令 . m = . c = 9代入下式中,11(5) 校正装置的传递函数为Gc(s)=TS 1:TS 10.2S 10.062S 13.3校正后系统的校验0.2S 1系统校正后的开环传递函数为G(s)H (s) -Gc(s)Go(s) -20 s(0.062S 1)(S 2)(S 5) _64.5S(S 2)(S 16.1)通过MATLAB仿真软件绘制其伯德图如图3-4所示(程序语言详见附录3)，得到曲 _ limsG(s)H(s)s 0= 61o满足设计要求。file Edit yiew Insert Jools Qcfktop window Help 七飞彩灵謠二总匡

14、|口 口三7.- :二三 _mzBo-de Diagram-1Q1Q10w1Frequency (rad/sec占曇amidO72图3-5校正后系统伯德图3.4校正后系统的时域分析现用MATLAB中的SIMULINK模块，对校正后系统进行时域分析，其仿真电路如 图3-6。在单位阶跃信号的作用下，校正后系统的响应如图2-7所示。图3-6 MATLAB下系统单位阶跃响应电路图图3-7校正后系统单位阶跃响应曲线辽宁工程技术大学自动控制原理课程设计4心得体会历时一周的自动控制原理的课程设计结束了，课程设计的过程中我锻炼了积极思考，勇于提问，认真检查，踏实肯干的，严谨求实，决不气馁的科学精神。在课程设计过程中，我在校正后系统开环传递函数的设计上出现了一些问题，有很 多次通过仿真软件MATLAB计算所得的相角裕量小于零，但我没有放弃，从新开始计算 校正后的传递函数，一遍又一遍，最后计算出了合理的值。5参考文献1 胡寿松自动控制原理（第五版）北京：科学出版社.2007.2 张静.