自控课程设计

1、 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 1雷达天线伺服控制系统简介2 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 概述2 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 系统的组成3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 工作原理3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 2雷达天线伺服控制系统主要元部件4 HYPERLINK l bookmark10 o Curre

2、nt Document 位置检测器4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 电压比较放大器5 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 可逆功率放大器5 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 执行机构6 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 3系统的开环增益的选择和系统的静态计算7 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 4系统的动态分析9 HYPERLINK l book

3、mark24 o Current Document 5校正设计io HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 6结论121雷达天线伺服控制系统简介概述用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺 服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统， 其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结 构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。它是由若干元件和部件组成的并具 有功率放大作用的一种自动控制系统。位置随动系统的输入和输出信号都是位置量，且指 令位置是随机

4、变化的，并要求输出位置能够朝着减小直至消除位置偏差的方向，及时准确 地跟随指令位置的变化。位置指令与被控量可以是直线位移或角位移。随着工程技术的发 展，出现了各种类型的位置随动系统。由于发展了力矩电机及髙灵敏度测速机，使伺服系 统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，并成功应用在雷达天线。 伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。此外，也可采取附加措施来提髙系统 的精度，采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。通过减速器与转轴啮 合的测角线路称精读数通道，直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。因此可根据这个特 征将它划分为两个类型，一类是模拟式随动系统，另一类

5、是数字式随动系统。本设计一一 雷达天线伺服控制系统实际上就是随动系统在雷达天线上的应用。系统的原理图如图1-1 所示。图1-1雷达天线伺服控制系统原理图图1-1雷达天线伺服控制系统原理图系统的组成从图1-1可以看出本系统是一个电位器式位置随动系统，用来实现雷达天线的跟踪控 制，由以下几个部分组成：位置检测器、电压比校放大器、可逆功率放大器、执行机构。 以上四部分是该系统的基本组成，在所采用的具体元件或装置上，可采用不同的位置检测 器，直流或交流伺服机构等等。现在对系统的组成进行分析：1、受控对象：工作机械（雷达天线）。2、被控量：角位置乞。3、干扰：主要是负载变化（/及7；）。4、给定值：指令

6、转角盅。5、传感器：由电位器测量盅、碟，并转化为”、US6、比较计算：两电位器按电桥连接，完成减法运算W-U=e （偏差）。7、控制器：放大器，比例控制。8、执行器：直流电动机及减速箱。工作原理现在来分析该系统的工作原理。由图1-1可以看出，当两个电位器RR和RP?的转轴位 置一样时，给定角碟与反馈角盅相等，所以角差厶兔=&；-久=0,电位器输出电压U* = U,电压放大器的输出电压U cl=0,可逆功率放大器的输出电压Ud=0,电动机的转 速n=0,系统处于静止状态。当转动手轮，使给定角広增大，久0,则UU, Ucl 0, Ud0,电动机转速n0,经减速器带动雷达天线转动，雷达天线通过机械机

7、构带动电位 器RP的转轴，使盅也增大。只要比+i)fUy) = K必由传递函数的定义，于是有G(s) = 3 = - 匕肚+ 1G(s)便是电枢电压叫到的传递函数，7；是系统的机电常数。这可以用图2-4所示的方框图来表示A GC)恥)A GC)图2-4直流伺服电动机方框图设减速器的速比为匚 减速器的输入转速为，而输岀转速为川，则减速器的传递函 数为G(s) =其中K=H 3系统的开环增益的选择和系统的静态计算系统的原理框图可简化成如图3-1所示给定角碟经电位器变成给定信号被控量经电位器变成反馈信号，给定信号与 反馈信号产生偏差信号偏差信号经放大器(电压比较放大器和可逆功率放大器)得到 Ud,

8、Ud通过执行机构(直流伺服电动机)作用到雷达天线上，减小偏差，最终实现碟=久。 这就是控制的整个过程。前面已经将各部件的传递函数分别用方框图表示了出来，用信号线将个方框图按信号 流向依次连接，在不考虑干扰力矩的条件下，并适当的变换，就会得到雷达天线伺服控制 控制系统的结构图，如图3-2所示KoE(s)4KdK,T +1赣)KgC(s)SB图3-2雷达天线伺服控制系统结构图 其中/?($)就是久，C(S)就是盘，K%=【i。将方框图进行化简处理，可得系统的开环传递函数2 昭(s)s(7 + l)其中K = KoKcKdKKg。简化后的系统方框图如图3-3所示R（s） +crC（$）恥）图3-3系

9、统简化方框图从实际考虑，我们知道雷达天线伺服控制系统的性能应该是响应速度尽可能快，即调 节时间尽可能小，超调量尽可能小。本系统的设计要求是系统的单位阶跃响应无超调，且调节时间rs 0.5 o因系统的开环传递函数为G(s) =其中K为开环增益，7；为直流伺服电动机的时间常数。选取几=01$的直流伺服电动机作为执行机构。由开环传递函数求得系统的闭环传递函数G(s)1 + GG)G(s)1 + GG)由上式可以得到闭环特征方程为2v+=0这是一个二阶系统，在没有校正设计前，取系统的阻尼比为=0.5,代入=0.1,由二阶系统的标准形式有计算得到=10rad/so系统的开环增益为K = 10(rad/s

10、)2系统的开环传递函数为G($) =K _10G($) =S(TmS + l) 5(0.15 + 1)这可以用系统的参数方框图表示，如图3-4所示图3-4系统参数方框图可以看出v = l,是一型系统。静态位置误差系数K = lim G(s)H (s) = s得到系统在阶跃输入作用下的稳态误差11cexs = 0 + hmG(s)H(s) 1 + K”4系统的动态分析对本系统而言，在没有校正设计时， 软件进行系统的性能指标分析。时域分析：程序代码：num=10；den= 1 104系统的动态分析对本系统而言，在没有校正设计时， 软件进行系统的性能指标分析。时域分析：程序代码：num=10；den

11、= 1 10；G=tf(num,den)；step(G)= 0.5,可知系统是欠阻尼二阶系统。现用MATLAB1111/-/-1-11If/r10-20.40.6 Bme (sec)O.BSep ftreponte1.2231系统单位阶跃响应曲线如图4-1：图4-1系统校正前单位阶跃响应曲线频域分析：程序代码：num二10；den=conv(l 0, 1)；G=tf(num,den)；bode (G)50O50c CO 91 -Frequency (rad/sec) 图50O50c CO 91 -从图4-1和图4-2对此系统各性能指标进行计算，可得1、上升时间tr =2、调节时间ts= (2%

12、误差带)3、超调量 0,调节 时间匚二以为了满足设计要求，必须进行校正设计。5校正设计所谓校正，就是在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统 整个特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标。目前，在工程实践中常用的有三种校 正方法，分别是串联校正、反馈校正和复合校正。本系统的校正设计采用反馈校正。反馈校正是目前广泛应用的一种校正方式，反馈校 正的基本原理是：用反馈校正装置包围待校正系统中对动态性能改善有重大妨碍作用的某 些环节，形成一个局部反馈回路(内回路)，在局部反馈回路的开环幅值远大于1的条件下，局部反馈回路的特性主要取决于反馈校正装置，而与被包围部分无关；适当选择校正

13、装置的形式和参数，可以使系统的性能满足给定指标的要求。本系统采用直流测速发电机作为校正装置，即采用测速反馈控制来实现校正。直流测 速发电机的传递函数为G(s) =U(s)n(5)=KiG(s) =G(s) =U(s)n(5)=KiG(s) =U(s)丽将该校正环节加到原系统中，可以得到校正后的系统方框图，如图5-1所示E(s)图5-1校正后雷达天线伺服控制系统方框图画简后得到图5-2图5-2校正后系统方框图由图5-2得到校正后的开环传递函数G( =K=10-s(Tms + + KKl) 5(0.15 +1 + io/r.) 进一步得到校正后的系统的闭环特征方程+(10 + 100KJs + 1

14、00 = 0其中为与测速发电机输出斜率有关的测速反馈系数，校正设计的主要目的就是确定反馈 系数，以达到整个系统的设计要求。前面已经提到系统的设计要求是通过校正设计后系统的单位阶跃响应无超调，且调节 时间rs 0.55 o我们知道对于二阶系统要想无超调量，则校正后阻尼比!而且本系统要求尽可能快的响应，所以取阻尼比5=1。进而有2=10 + 100Ke/=100,于是可以计算出由于52 + 2g + ： = (y +1/7； )($ +1 /耳)当阻尼比为1时，T=T“所以得根据过阻尼二阶系统动态性能指标的近似计算，可得校正后系统的动态性能指标为“1 + 0矽+0右 J+0.6 + 0.2丽马1= 0.35(5)1 + 15+身 = 0.35(5)10ts = 4.757； = 0.475(5)调节时间ts = 0.475 0.5 ,无超调量，达到了设计要求。6结论本设计是雷达天线伺服控制系统的设计，伺服控制系统最初用于船舶的自动驾驶、火 炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是雷达天线伺服控制系统。主要讨论 的是雷达天线的跟踪问题。虽然系统达到了设计要求，但