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位置随动控制系统设计与实现_王桂霞

位置随动控制系统设计与实现

王桂霞,　李　媛

(中国船舶重工集团公司第704研究所,上海　200031)

摘　要:计算机控制系统是保证位置随动系统功能和性能的重要部分,文中结合船用仿真

转台阐述了多机集散控制结构形式的位置随动转台的计算机控制系统方案,并以某位置随动转台为背景,对系统工程实现中的接口电路设计、电机、伺服放大器以及采样频率选取、程序设计等一系列问题进行了讨论,设计结果在位置随动试验样机中应用取得了良好效果. 关键词:位置随动;控制系统;采样频率;设计中图分类号:T M571,TP273 文献标识码:A 文章编号:100528354(2007)1220029204

Desi gn and reali zati on of control syste m of rando m positi on

WANG Gui 2Xia,L I Yuan

(No .704Research I nstitute,CSI C,Shanghai 20031,China )

Abstract :The co m puter control syste m is an i m portant part of guaranteeing perfor m ance of control syste m of

rando m position .Co m bining the m arine si m ulation turntable,this paper set forth the co m puter control syste m sche m e on the rando m position turntable w ith m ulti 2co m puter distributes control structure .Then taking a certain turntable of rando m position as background,it respectively discussed such key proble m s of syste m engineering re 2alization as the interface circuit design,choice of m otor ,servo am plifier and sam ple frequency and the program design .The design sche m e is applied in a rando m position proto type and gets a good result .

Key words :rando m position;control syste m;sam ple frequency;design

收稿日期:2007211219

作者简介:王桂霞(19772),女,工程师,主要从事自动控制的工作位置随动控制系统设计与实现

0　引言

位置随动转台系统由机械台体和计算机控制系统两个重要部分组成,前者是实现仿真功能的基础,而后者是保证转台系统功能和性能的核心部分.转台既要满足一定的动态、静态指标要求,也要为试验提供方便的操作界面和数据采集、处理手段,计算机控制系统不仅要具有实时控制功能,而且应具备监控管理功能,因此,计算机控制系统设计就成为仿真转台设计和工程实现的重要内容.

当前在各种控制系统中计算机已得到非常广泛的应用,根据不同的情况,控制系统的结构形式各不相同,一般分为操作指示系统、直接数字控制系统(DDC )和集散控制系统(DCS )等类型,在下文中将讨论集散控制结构形式的计算机控制系统的设计问题,其中主

要包括结构设计、系统工程实现中的接口线路设计、采样频率选择、程序设计等内容,并给出设计结果.

1　结构设计

本仿真转台采用多机集散控制形式,即采用上下位机的两级式结构.图1

为集散控制系统应用于本转

图1　原理框图

台的原理框图.

在该控制系统中,上位机主要接收来自船惯导平台的船的姿态信号,通过RS232串行接口与下位机通讯,作为该随动控制系统的输入信号,上位机还完成管理功能,为操作者提供人机接口.下位机完成控制功能,当它接受到上位机的输入信号后,通过PC I2 8136运动控制卡的脉冲输入(P I)读取位置信号进行P I D运算,通过PC I28136运动控制卡的D/A发出±10V控制电压,伺服放大器把±10V的速度控制信号放大,输出直流电压来控制直流力矩电机的转速,从而实现位置随动控制.采用上下位机结构,管理计算机和控制计算机相分离,上位机可以有更充裕的时间完成数据采集、存储、分析、图形显示等功能.上位机使用W indows操作系统,用Labview做图形界面,能够快速完成数据采集、存储、分析和图形显示等功能,使操作者能直观地看到转台的运转情况,进行数据分析.下位机的工作集中在实现转台的实时控制任务,采用DOS操作系统,主要完成控制率计算、控制量输出、位置反馈量的输入,构成转台的数字式位置/速率控制系统.

采用上下位两级分布的结构使系统的管理功能和实时控制功能由两台计算机分担,非常有利于系统的控制和管理,上下位机之间采用RS232串行接口进行通讯.下面对本转台控制系统实现中的一些问题进行讨论,并给出设计结果.

2　系统实现

确定了转台计算机控制系统的结构之后,再进行软硬件设计.

2.1　硬件设计

2.1.1　接口线路设计

上下位机之间采用RS232串行通讯接口实现信息传递,传输速率为19200kbp s,下位机和被控对象之间是通过PC I总线与PC I28136运动控制卡连接的, PC I28136运动控制卡集成了16位精度的A/D、D/A、2500v光电隔离的D I、DO及编码器脉冲输入P I功能,P I读取编码器的A+、A2、B+、B2、Z+、Z2六路信号,得到位置信号的零脉冲信号.下位机通过A/D采集测速机的速度信号,通过编码器脉冲输入端口读取来自编码器的位置信号,进行P I D运算后通过D/A 输出±10的控制电压给伺服放大器,伺服放大器进行放大和转换后输出直流电压给直流力矩电机,控制电机的转速,从而实现位置/速率控制.2.1.2　电机、伺服放大器及采样频率的选取

1)电机

伺服系统设计需从选择电机开始,作为伺服系统的执行元件,应能方便地实现连续平滑地对控制信号反应快捷,以保证整个系统带动被控对象按所需要的规律运动.执行电机是伺服系统中的一个重要组成部分,同时又靠它驱动被控对象,因此它是伺服系统与被控对象相联系的一个关键部件.被控对象的运动是与执行电机的运动同时进行的.执行电机除了要克服被控对象所形成的负载外,还必须克服电机自身的干摩擦力矩、电机转子的惯性转矩(电机转子转动惯量和电机转动角加速度).普通的伺服电机通常转速高而转矩小,在系统中作为执行元件去拖动负载时,都必须经过齿轮减速装置,但由于齿隙的影响,往往使系统的精度和稳定性下降,因此为了减小甚至消除误差,简化系统结构,提高精度和稳定性,达到少用不用减速器的目的,需选用具有低转速、大转矩和高精度等特点的力矩电机.

位置随动系统的主要作用是跟随舰在海上航行的姿态,由于海上浪大风大,而大船在风和海浪的影响下,其摇摆周期约为5～25s,频率为0.04～0.2HZ,故船的摇摆速度很慢,这就要求电机在低速状态下能输出较大的力矩.而直流力矩电机是特种电机,可由直流电压调节转速,其负载特性(M2I)具有很高的线性度,其转矩特性是一条直线,在位置控制方式的伺服系统中,可在低速状态下工作,并能输出较大的力矩,尤其在平稳低速运行时更为突出.因此选用低转速、大力矩的直流力矩电机作为执行电机,以提高系统精度和稳定性.

2)伺服放大器

选用直流力矩电机,伺服放大器也相应地选用直流伺服放大器,直流伺服放大器把来自下位机的±10V速度控制信号放大,输出直流电压来控制直流力矩电机的转速.直流力矩电机和直流伺服放大器是构成直流伺服系统的主要部件.

作为伺服系统的一个重要部件,伺服放大器需具有一定的带宽,以快速跟踪舰的摇摆.由于舰的摇摆频率为0.04～0.2HZ,在选用伺服放大器时,其频率范围应高于跟踪信号最高频率,以确保放大器有大的加速度,在短时间内输出大电压大电流,快速跟踪舰的摇摆,以提高系统的动态精度.另外在选取伺服放大器时,伺服放大器的额定电流要大于直流力矩电机的峰值堵转电流,且应留有一定的安全裕量.

3)采样频率位置随动控制系统的控制器是由下位机实现的,构成数字式角位置/角速率伺服系统.在确定采样频率时,需要考虑系统的动态要求.

位置随动转台的主要作用是跟随舰在海上航行的姿态,对其动态跟踪精度要求较高,在±9角分范围内.对这种动态精度要求很高的转台,必须选择较高的采样频率,以满足系统的性能指标要求.目前这类转台角位置伺服系统的采样周期多取1m s,在本试验样机中,由于考虑到机械间隙对精度的影响,采样周期取为0.8m s .

2.2　程序设计

程序设计包括上位机程序设计和下位机程序设计两部分.

上位机程序应包括以下几部分的内容:

1)向下位机发送自检命令,接受自检信息,并在

检测到故障信息时进行故障处理.

2)设置转台的工作状态和工作参数.

3)通讯功能,即接受来自舰上惯导平台的舰的

姿态角信号,向下位机发送给定信号,并接受下位机的返回信息.

4)数据采集和处理功能.5)图形显示功能.

上位机的程序流程图如图2所示,采用Labview 可视化语言编程,以模板/按钮与弹出式窗口相结合的形式为操作人员提供操作界面

图2　上位机程序流程图

下位机的主要功能是根据上位机的命令完成对转台各种运动状态的实时控制,其程序框图如图3所示,其中各子程序的功能分别为:初始化子程序对

PC I 28136运动控制卡进行初始化,包括初始化A /D

和D /A 的电压范围,以及增量式编码器脉冲输入

(P I )方式等;自检子程序在初始化之后检测系统是否

正常;工作方式管理子程序完成对转台各工作状态的管理和调度;通讯处理子程序负责接受上位机的给定信号和向上位机发送转台的控制信息等

图3　下位机程序流程图

对转台伺服系统的实时控制在中断服务程序中完成,每0.8m s 发出一次控制指令,每20m s 向上位机发送一次转台状态信息,其流程图如图4所示

图4　实时控制流程图

3　调试

位置随动系统试验样机的调试包括速度环和位

置环的调试,先调节速度环,速度环调节好后,再调节位置环.

3.1　速度环调节

在位置环断开的前提下,首先进行零漂调节,即给伺服放大器的速度给定电压为0V,电机的转速为零,无零漂,测速机反馈电压为零.然后进行速度标定,在速度给定电压为0V时,电机转速为零,而在给定电压为10V或210V时,电机达到额定转速或被控对象的最大转速.最后进行速度环增益调节,用信号发生器给伺服放大器的速度给定端输入±2V的方波信号,频率为1～2HZ(频率要高于被控对象的频率),再用示波器显示测速机反馈信号,反馈曲线为阶跃响应曲线,通过调节伺服放大器的速度环增益,使阶跃响应曲线达到最佳.一般超调量为15%左右,要小于20%.

3.2　位置环调节

接通位置环,通过PC I28136运动控制卡的D/A 段输出控制电压,而从P I端读取编码器测得的被控对象的位置信息,通过下位机与上位机之间的通讯,从上位机的图形显示和数据分析结果,可以了解系统的跟踪状态,分析误差产生的原因,调节位置环的P I D参数,提高系统的跟踪精度.从上位机的图形显示发现,系统跟踪有明显的滞后,误差主要是由滞后引起的,需要增加速度前馈校正环节,通过调节速度前馈系数,减小跟踪误差.

通过分析,编码器的分辨率及机械结构的间隙对跟踪精度有一定的影响,对高精度的位置随动系统,机械间隙一定要尽可能小,而且编码器的分辨率要高.最后,在现有编码器分辨率低且存在机械间隙的情况下,系统的跟踪误差≤5角分,满足动态指标要求.如果提高编码器的分辨率和减小机械间隙,系统精度可以得到进一步提高.

5　结束语

本文对位置随动控制系统的主要设计问题进行了讨论,对具体工程实现中的若干关键问题作了深入研究,所设计的位置随动控制系统成功应用于位置随动试验样机,达到了指标要求.

参考文献:

[1]胡寿松.自动控制原理[M].北京:国防工业出版社,

1994.

[2]谭浩强.C程序设计[M].北京:清华大学出版社,

1999.

[3]刘金琨.先进P I D控制MAT LAB仿真[M].北京:电

子工业出版社,2004.

(上接第13页)

用过程中效果较好.

4　结论

本文通过对现有型线的分析对比,从数学理论上进行分析,发现曲线连接处存在拐点曲线不能光滑连接.进一步对其做了相应的修改,找到合适的连接方式,消除了曲线连接的拐点,整条曲线光滑连接.并对现有五螺杆泵存在的问题及结构改进进行了探讨,提出了改进设想.本文通过对五螺杆泵型线和结构的探讨,为以后进一步改进五螺杆泵型线和结构提供了一定的理论基础.

自动控制系统位置随动系统课程设计

摘要随动系统是指系统的输出以一定的精度和速度跟踪输入的自动控制系统，并且输入量是随机的，不可预知的，主要解决有一定精度的位置跟随问题，如数控机床的刀具给进和工作台的定位控制，工业机器人的工作动作，导弹制导、火炮瞄准等。在现代计算机集成制造系统（CIMC）、柔性制造系统（FMS）等领域，位置随动系统得到越来越广泛的应用。位置随动系统要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性和准确性为位置随动系统的主要特征。本次课程设计研究的是位置随动系统的超前校正，并对其进行分析。关键词：随动系统超前校正相角裕度

目录 1 位置随动系统原理 (1) 1.1 位置随动系统原理图 (1) 1.2 各部分传递函数 (1) 1.3 位置随动系统结构框图 (4) 1.4 位置随动系统的信号流图 (4) 1.5 相关函数的计算 (4) 1.6 对系统进行MATLAB仿真 (5) 2 系统超前校正 (6) 2.1 校正网络设计 (6) 2.2 对校正后的系统进行Matlab仿真 (8) 3 对校正前后装置进行比较 (9) 3.1 频域分析 (9) 3.2 时域分析 (9) 4 总结及体会 (10) 参考文献 (12)

位置随动系统的超前校正 1 位置随动系统原理 1.1 位置随动系统原理图图1-1 位置随动系统原理图系统工作原理：位置随动系统通常由测量元件、放大元件、伺服电动机、测速发电机、齿轮系及绳轮等组成，采用负反馈控制原理工作，其原理图如图1-1所示。在图1-1中测量元件为由电位器Rr 和Rc 组成的桥式测量电路。负载固定在电位器Rc 的滑臂上，因此电位器Rc 的输出电压Uc 和输出位移成正比。当输入位移变化时，在电桥的两端得到偏差电压ΔU=Ur-Uc ，经放大器放大后驱动伺服电机，并通过齿轮系带动负载移动，使偏差减小。当偏差ΔU=0时，电动机停止转动，负载停止移动。此时δ=δL ,表明输出位移与输入位移相对应。测速发电机反馈与电动机速度成正比，用以增加阻尼，改善系统性能。 1.2 各部分传递函数 (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，与系统输出轴相连的是接收机。 12()(()())()u t K t t K t εεθθθ=-=? (1-1) 零初始条件下，对上式求拉普拉斯变换，可求得电位器的传递函数为

位置随动系统校正资料

目录一、设计题目 (2) 二、设计报告正文 (3) 摘要 (3) 关键词 (3) （报告正文内容） (3) 三、设计总结 (22) 四、参考文献 (22)

一．设计题目题3：位置随动系统校正该随动系统通过控制信号θi 通过与检测信号ω相减的角度误差经过相敏放大和可控硅功率放大，通过电机带动拖动系统，经过减速器减速得到需要转动的角度θo 。 o 图1位置随动系统其中，相敏其中可调放大系数K1=1，可控硅滤波放大环节K2=800，伺服电机系统等效模型为1 1+s T L ，滤波器时间常数TL=0.25秒，伺服电机电机拖动及减速器系统系统数学模型为)1(1 +s T s M ，其时间常数TM=0.2秒。 1、写出系统传递函数，并简述各部分工作原理。 2、画出未校正系统的Bode 图，分析系统是否稳定。 3、画出未校正系统的根轨迹图，分析闭环系统是否稳定。 4、设计一个校正装置进行串联校正。要求校正后的系统满足指标：（1）超调量<15%，（2）调整时间<1.5s ，（3）相角稳定裕度>55deg ，（4）幅值稳定裕度>65dB 5、计算校正后系统的剪切频率ωcp 和-π穿频率ωcs 。 6、给出校正装置的传递函数数。 7、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。 8、设计PID 控制器，实现闭环控制，仿真系统的阶跃相应曲线。 9、分析控制参数Kp ，Ki ，Kd 对系统动态响应的影响。 10、在SIMULINK 中建立系统的仿真模型，在前向通道中分别接入饱和非线性环节和回环非线性环节，观察分析非线性环节对系统性能的影响。二、要求： 1、给出设计、校正前系统性能分析、拟采取的解决方案、方法及分析。 2、校正步骤、思路、计算分析过程和结果，建立控制、校正装置的simulink 模。

位置随动系统建模与时域特性分析-自控

课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目: 位置随动系统建模与时域特性分析初始条件：图示为一位置随动系统，测速发电机TG 与伺服电机SM 共轴，右边的电位器与负载共轴。放大器增益为Ka=40，电桥增益5K ε=,测速电机增益2t k =，Ra=6Ω，La=12mH ，J=0.006kg.m 2，C e =Cm=0.4N ?m/A ，f=0.2N ?m ?s ，i=0.1。其中，J 为折算到电机轴上的转动惯量，f 为折算到电机轴上的粘性摩擦系数，i 为减速比。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）（1）求出系统各部分传递函数，画出系统结构图、信号流图，并求出闭环传递函数；（2）当Ka 由0到∞变化时，用Matlab 画出其根轨迹。（3） Ka ＝10时，用Matlab 画求出此时的单位阶跃响应曲线、求出超调量、峰值时间、调节时间及稳态误差。（4）求出阻尼比为0.7时的Ka ，求出各种性能指标与前面的结果进行对比分析。（5）对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析计算的过程，并包含Matlab 源程序或Simulink 仿真模型，说明书的格式按照教务处

标准书写。时间安排：

指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日

目录 1 系统建模及分析 0 1.1 各部分传递函数 0 1.1.1 电位器传感部分 ...................................................................................................... 0 1.1.2 放大器部分 .............................................................................................................. 1 1.1.3 电动机部分 .............................................................................................................. 1 1.1.4 测速发电机部分 ...................................................................................................... 2 1.1.5 减速器部分 .............................................................................................................. 2 1.2 位置随动系统建模 . (3) 1.2.1 结构图 ...................................................................................................................... 3 1.2.2 信号流图 .................................................................................................................. 3 1.3 开闭环传递函数 .. (3) 1.3.1 开环传递函数 .......................................................................................................... 3 1.3.2 闭环传递函数 . (4) 2 绘制根轨迹曲线 ...................................................................................................... 4 3 10 a K 时系统各项性能指标 .. (5) 3.1 单位阶跃响应曲线 ............................................................................................................. 6 3.2 各项性能指标计算值 (6) 4系统阻尼比为0.7时各种性能指标 (7) 4.1阻尼比为0.7时a K 值的计算 .......................................................................................... 7 4.2 性能指标对比 . (9) 5 设计心得体会 ........................................................................................................ 10 参考文献 (11)

位置随动控制系统设计与实现

位置随动控制系统设计与实现王桂霞,　李　媛 (中国船舶重工集团公司第704研究所,上海　200031) 摘　要:计算机控制系统是保证位置随动系统功能和性能的重要部分,文中结合船用仿真转台阐述了多机集散控制结构形式的位置随动转台的计算机控制系统方案,并以某位置随动转台为背景,对系统工程实现中的接口电路设计、电机、伺服放大器以及采样频率选取、程序设计等一系列问题进行了讨论,设计结果在位置随动试验样机中应用取得了良好效果. 关键词:位置随动;控制系统;采样频率;设计中图分类号:T M571,TP273 文献标识码:A 文章编号:100528354(2007)1220029204 Desi gn and reali zati on of control syste m of rando m positi on WANG Gui 2Xia,L I Yuan (No .704Research I nstitute,CSI C,Shanghai 20031,China ) Abstract :The co m puter control syste m is an i m portant part of guaranteeing perfor m ance of control syste m of rando m position .Co m bining the m arine si m ulation turntable,this paper set forth the co m puter control syste m sche m e on the rando m position turntable w ith m ulti 2co m puter distributes control structure .Then taking a certain turntable of rando m position as background,it respectively discussed such key proble m s of syste m engineering re 2alization as the interface circuit design,choice of m otor ,servo am plifier and sam ple frequency and the program design .The design sche m e is applied in a rando m position proto type and gets a good result . Key words :rando m position;control syste m;sam ple frequency;design 收稿日期:2007211219 作者简介:王桂霞(19772),女,工程师,主要从事自动控制的工作位置随动控制系统设计与实现 0　引言位置随动转台系统由机械台体和计算机控制系统两个重要部分组成,前者是实现仿真功能的基础,而后者是保证转台系统功能和性能的核心部分.转台既要满足一定的动态、静态指标要求,也要为试验提供方便的操作界面和数据采集、处理手段,计算机控制系统不仅要具有实时控制功能,而且应具备监控管理功能,因此,计算机控制系统设计就成为仿真转台设计和工程实现的重要内容. 当前在各种控制系统中计算机已得到非常广泛的应用,根据不同的情况,控制系统的结构形式各不相同,一般分为操作指示系统、直接数字控制系统(DDC )和集散控制系统(DCS )等类型,在下文中将讨论集散控制结构形式的计算机控制系统的设计问题,其中主要包括结构设计、系统工程实现中的接口线路设计、采样频率选择、程序设计等内容,并给出设计结果. 1　结构设计本仿真转台采用多机集散控制形式,即采用上下位机的两级式结构.图1 为集散控制系统应用于本转图1　原理框图

位置随动系统教学提纲

位置随动系统

1位置随动系统的结构与工作原理 1.1 位置随动系统的结构组成位置随动系统的原理图如图1-1。该系统的作用是使负载J(工作机械)的角位移随给定角度的变化而变化，即要求被控量复现控制量。系统的控制任务是使工作机械随指令机构同步转动即实现：Q(c)=Q(r) 图1-1 位置随动系统原理图Z1—电动机，Z2—减速器，J—工作机械系统系统主要由以下部件组成：系统中手柄是给定元件，手柄角位移Qr是给定值（参考输入量），工作机械是被控对象，工作机械的角位移Qc是被控量（系统输出量），电桥电路是测量和比较元件，它测量出系统输入量和系统输出量的跟踪偏差（Qr –Qc）并转换为电压信号Us，该信号经可控硅装置放大后驱动电动机，而电动机和减速器组成执行机构。 1.2 系统的工作原理控制系统的任务是控制工作机械的角位移Qc跟踪输入手柄的角位移Qr。如图1-1，当工作机械的转角Qc与手柄的转角Qr一致时，两个环形电位器组成的桥式电路处于平衡状态。其输出电压Us=0，电动机不动，系统处于平衡状态。当手柄转角Qr发生变化时，若工作机械仍处于原来的位置不变，则电桥输出电压Us不等于0，此电压信号经放大后驱动电动机转动，并经减速器带动工作机械使角位移Qc向Qr变化的方向转动，并

逐渐使Qr和Qc的偏差减小。当Qc=Qr时，电桥的输出电压为0，电机停转，系统达到新的平衡状态。当Qr 任意变化时，控制系统均能保证Qc 跟随Qr任意变化，从而实现角位移的跟踪目的。该系统的特点：1、无论是由干扰造成的，还是由结构参数的变化引起的，只要被控量出现偏差，系统则自动纠偏。精度高。 2 、结构简单，稳定性较高，实现较容易。 2系统的分析与设计 2.1 位置随动系统方块图根据系统的结构组成和工作原理可以画出系统的原理方块图，如图2-1。可以看出，系统是一个具有负反馈的闭环控制系统。 R C 给定电放大器电动机减速器负载 — 反馈电位图2-1位置随动控制系统方块图 2.2 系统数学模型的建立该系统各部分微分方程经拉氏变换后的关系式如(2-1)： (2-1)(a) (2-1)(b) (2-1)(c) (2-1)(d) (2-1)(e) (2-1)(f) (2-1)(g) (2-1)(h) 根据各个环节结构图及其传函写出整个系统的结构图，如图2-2所示。

伺服控制系统(设计)

第一章伺服系统概述伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化，因此又称之为随动系统或自动跟踪系统。机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统。目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。 1.1伺服系统的基本概念 1.1.1伺服系统的定义 “伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行停止。伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。

1.1.2伺服系统的组成伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由检测部分、误差放大部分、部分及被控对象组成。 1.1.3伺服系统性能的基本要求 1）精度高。伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。 2）稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。 3）快速响应。响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。 4）调速范围宽。调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。 5）低速大转矩。在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。 6）能够频繁的启动、制动以及正反转切换。 1.1.4 伺服系统的种类伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；按照功能的不同可分为计量伺服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位置

位置随动系统

目录课程设计任务书 1.建立系统模型 2.建立数学模型 2.1测速发电机 2.2电枢控制直流侍服电动机 2.3功率放大器 2.4运算放大器Ⅰ，Ⅱ 2.5电位器 3.系统结构图、信号流图及闭环传递函数 3.1系统结构图 3.2信号流图 3.3开环传递函数 3.4闭环传递函数 4.开环系统的波特图和奈奎斯特图，稳定性4.1开环系统的波特图 4.2开环系统的奈奎斯特图 5.开环系统的截至频率、相角裕度和幅值裕度5.1开环传递函数 5.2开环截止频率 5.3相角域度 5.4幅值域度 6.总结

课程设计任务书题目: 位置随动系统建模与频率特性分析初始条件要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、求出系统各部分传递函数，画出系统结构图、信号流图，并求出闭环传递函数； 2、用Matlab 画出开环系统的波特图和奈奎斯特图，并用奈奎斯特判据分析系统的稳定性。 —K 1 —K 2 功放 K 3 SM TG 10K 10K -15V +15V 40K 10K 10K 40K K 0 0θ K i i θ 】

3、求出开环系统的截至频率、相角裕度和幅值裕度。时间安排： 1.15～16 明确设计任务，建立系统模型 1.17～19 绘制波特图和奈奎斯特图，判断稳定性 1.23～24 计算频域性能指标，撰写课程设计报告指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日位置随动系统建模与频率特性分析 1. 建立系统模型该系统由电位器，运算放大器，功率放大器，电枢控制直流侍服电动机，测速发电机五个部分组成。 2. 建立数学模型 2.1．测速发电机：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。在本控制系统中用的是永磁式直流测速发电机。如下图：测速发电机的转子与待测量的轴相连接，在电枢两端输出与转子角速度成正比的支流电压，即 TG U(t ) w

位置随动系统课程设计之令狐文艳创作

第一章位置随动系统的概述令狐文艳 1.1 位置随动系统的概念位置随动系统也称伺服系统，是输出量对于给定输入量的跟踪系统，它实现的是执行机构对于位置指令的准确跟踪。位置随动系统的被控量(输出量)是负载机械空间位置的线位移和角位移，当位置给定量(输入量)作任意变化时，该系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化，所以位置随动系统必定是一个反馈控制系统。位置随动系统是应用非常广泛的一类工程控制系统。它属于自动控制系统中的一类反馈闭环控制系统。随着科学技术的发展，在实际中位置随动系统的应用领域非常广泛。例如，数控机床的定位控制和加工轨迹控制，船舵的自动操纵，火炮方位的自动跟踪，宇航设备的自动驾驶，机器人的动作控制等等。随着机电一体化技术的发展，位置随动系统已成为现代工业、国防和高科技领域中不可缺少的设备，是电力拖动自动控制系统的一个重要分支。 1.2位置随动系统的特点及品质指标位置随动系统与拖动控制系统相比都是闭环反馈控制系统，即通过对输出量和给定量的比较，组成闭环控制，这两个系统的控制原理是相同的。对于拖动调速系统而言，给定量是恒值，要求系统维持输出量恒定，所以抗扰动性能成为主要技术指标。对于随动系统而言，给定量即位置指令是经常变化的，是一个随机变量，要求输出量准确跟随给定量的变化，因而跟随性能指标即系统输出响应的快速性、灵敏性与准确性成为它的主要性能指标。位置随动系统需要实现位置反馈，所以系统结构上必定要有位置环。位置环是随动系统重要的组成部分，位置随动系统的基本特征体现在位置环上。根据给定信号与位置检测反馈信号综合比较的不同原理，位置随动系统分为模拟与数字式两类。总结后可得位置随动系统的主要特征如下：

位置随动系统课程设计

第一章位置随动系统的概述 1.1 位置随动系统的概念位置随动系统也称伺服系统，是输出量对于给定输入量的跟踪系统，它实现的是执行机构对于位置指令的准确跟踪。位置随动系统的被控量(输出量)是负载机械空间位置的线位移和角位移，当位置给定量(输入量)作任意变化时，该系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化，所以位置随动系统必定是一个反馈控制系统。位置随动系统是应用非常广泛的一类工程控制系统。它属于自动控制系统中的一类反馈闭环控制系统。随着科学技术的发展，在实际中位置随动系统的应用领域非常广泛。例如，数控机床的定位控制和加工轨迹控制，船舵的自动操纵，火炮方位的自动跟踪，宇航设备的自动驾驶，机器人的动作控制等等。随着机电一体化技术的发展，位置随动系统已成为现代工业、国防和高科技领域中不可缺少的设备，是电力拖动自动控制系统的一个重要分支。 1.2 位置随动系统的特点及品质指标位置随动系统与拖动控制系统相比都是闭环反馈控制系统，即通过对输出量和给定量的比较，组成闭环控制，这两个系统的控制原理是相同的。对于拖动调速系统而言，给定量是恒值，要求系统维持输出量恒定，所以抗扰动性能成为主要技术指标。对于随动系统而言，给定量即位置指令是经常变化的，是一个随机变量，要求输出量准确跟随给定量的变化，因而跟随性能指标即系统输出响应的快速性、灵敏性与准确性成为它的主要性能指标。位置随动系统需要实现位置反馈，所以系统结构上必定要有位置环。位置环是随动系统重要的组成部分，位置随动系统的基本特征体现在位置环上。根据给定信号与位置检测反馈信号综合比较的不同原理，位置随动系统分为模拟与数字式两类。总结后可得位置随动系统的主要特征如下： 1．位置随动系统的主要功能是使输出位移快速而准确地复现给定位移。 2．必须具备一定精度的位置传感器，能准确地给出反映位移误差的电信号。 3．电压和功率放大器以及拖动系统都必须是可逆的。 4．控制系统应能满足稳态精度和动态快速响应的要求，其中快速响应中，更强调快速跟随性能。 1.3 位置随动系统的基本组成

位置随动系统超前校正设计讲解

课程设计任务书学生姓名: 专业班级：_____________________ 指导教师：____________ 工作单位：________________ 题目：位置随动系统的超前校正初始条件: & = 0.12 V.s， 2 Ra=8O, La=15mH J=0.0055kg.m , C e=Cm=0.38N.m/A,f=0.22N.m.s,减速比i=0.4 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、求出系统各部分传递函数，画出系统结构图、信号流图，并求出闭环传递函数； 2、求出开环系统的截至频率、相角裕度和幅值裕度，并设计超前校正装置，使得系统的相角裕度增加10度。 3、用Matlab对校正前后的系统进行仿真分析，比较其时域相应曲线有何区别，并说明原因。时间安排: 任务时间（天）审题、查阅相关资料 1 分析、计算 1.5

指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日位置随动系统的超前校正 1位置随动系统原理分析 1.1系统原理分析工作原理：输入一定的角度弓，如果输出角度礼等于输入角度齐，则电动机不转动，系统处于平衡状态；如果兀不等于4，则电动机拖动工作机械朝所要求的方向快速偏转，直到电动机停止转动，此时系统处于与指令同步的平衡工作状态，即完成跟随。电枢控制直流电动机的工作实质：是将输入的电能转换为机械能，也就是有输入的电枢电压u a t在电枢回路中产生电枢电流i a t，再由电流i a t与励磁磁通相互作用产生电磁转矩M m t，从而拖动负载运动。工作过程：该系统输入量为角度信号，输出信号也为角度信号。系统的输入角度信号片与反馈来的输出角度信号入通过桥式电位器形成电压信号u；,电压信号u ；与测速电机的端电压ut相减形成误差信号u，误差信号u再经过放大器驱动伺服电机转到，经过减速器拖动负载转动。 1.2系统框图由题目可得系统框图如图1.1所示：

位置随动系统建模与分析--自控课设教材

课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：自动化学院题目: 位置随动系统建模与分析初始条件：图示为一位置随动系统，放大器增益为8=a k ，电桥增益2=εk ,测速电机增益15.0=t k V.s ，Ω=5.7a R ，La=14.25mH ，J=0.0006kg .m 2， C e =Cm=0.4N.m/A, f=0.2N.m.s, 减速比i=10 。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、求出系统各部分传递函数，画出系统结构图、信号流图，并求出闭环传递函数； 2、当Ka 由0到∞变化时，用Matlab 画出其根轨迹。 3、 Ka ＝10时，用Matlab 画出此时的单位阶跃响应曲线、求出超调量、超调时间、调节时间及稳态误差。 4、求出阻尼比为0.7时的Ka ，求出此时的性能指标与前面的结果进行对比分析。

时间安排：指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日

目录 1 位置随动系统原理 (3) １.1 位置随动系统原理框图 (3) １.2 元件结构图分析 (3) 1.3 位置随动系统各元件传递函数 (5) 1.4 位置随动系统的结构框图 (5) 1.5 位置随动系统的信号流图 (6) 1.6 相关函数的计算 (6) 2根轨迹曲线 (7) 2.1参数根轨迹转换 (7) 2.2绘制根轨迹 (7) 3单位阶跃响应分析 (8) 3.1单位阶跃响应曲线 (8) 3.2单位阶跃响应的时域分析 (9) 4系统性能对比分析 (11) 4.1 新系统性能指标计算 (11) 4.2 系统性能指标对比分析 (11) 5 总结体会 (12) 参考文献 (13)

位置随动系统建模与分析

课程设计任务书题目: 位置随动系统建模与分析初始条件：图示为一位置随动系统，放大器增益为Ka ，电桥增益2K ε=,测速电机增益0.15t k =V.s ，Ra=7.5Ω，La=14.25mH ，J=0.006kg.m 2 ，C e =Cm=0.4N.m/A,f=0.2N.m.s,减速比i=0.1 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、求出系统各部分传递函数，画出系统结构图、信号流图，并求出闭环传递函数； 2、当Ka 由0到∞变化时，用Matlab 画出其根轨迹。 3、 Ka ＝10时，用Matla 画求出此时的单位阶跃响应曲线、求出超调量、超调时间、调节时间及稳态误差。 4、求出阻尼比为0.7时的Ka ，求出各种性能指标与前面的结果进行对比分析。时间安排：指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日位置随动系统建模与分析

1 位置随动系统的建模 1.1 系统总体分析 1.1.1 系统概述随动控制系统又名伺服控制系统。其参考输入是变化规律未知的任意时间函数。随动控制系统的任务是使被控量按同样规律变化并与输入信号的误差保持在规定范围内。这种系统在军事上应用最为普遍.如导弹发射架控制系统，雷达天线控制系统等。其特点是输入为未知。伺服驱动系统（Servo System）简称伺服系统，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。当然，其基本工作原理和普通的交直流电机没有什么不同。该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一般其内部包括电流、速度和/或位置闭环。 1.1.2 系统基本原理分析首先输入角度和输出角度通过圆形电位器将角位移量转换为电压量，通过两个电位器构成的电桥进行比较产生角度电压误差，这个角度电压误差反映了输入角度与输出角度的角度误差，测速发电机的输出电压与伺服电机的角速度ω成正比，测速发电机产生的电压与角度电压误差通过比较产生电压误差，将这个电压误差送给放大器，经过放大器放大之后用来驱动伺服电机。伺服电机的输出角度还要经过减速箱进行转速变换之后才是最终的输出角度。 1.1.2 系统基本原理框图图1-1 系统基本原理框图 1.2 各部分传递函数 1.2.1 由双电位器构成电桥电位器是一种把线性位移或角位移变换成电压量的装置，在控制系统中一对电位器可以构成误差检测器。单个电位器的工作原理：单个电位器的电刷角位移与输出电压是线性正比

自动控制原理课程设计题目

自动控制原理课程设计题目及要求一、单位负反馈随动系统的开环传递函数为 1、画出未校正系统的Bode 图，分析系统是否稳定 2、画出未校正系统的根轨迹图，分析闭环系统是否稳定。 3、设计系统的串联校正装置，使系统达到下列指标（1）静态速度误差系数K v ≥100s -1；（2）相位裕量γ≥30° （3）幅频特性曲线中穿越频率ωc ≥45rad/s 。 4、给出校正装置的传递函数。 5、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。计算校正后系统的穿越频率ωc 、相位裕量γ、相角穿越频率ωg 和幅值裕量K g 。 6、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。 7、应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响（自由发挥）。二、设单位负反馈随动系统固有部分的传递函数为 1、画出未校正系统的Bode 图，分析系统是否稳定。 2、画出未校正系统的根轨迹图，分析闭环系统是否稳定。 3、设计系统的串联校正装置，使系统达到下列指标：（1）静态速度误差系数K v ≥5s -1；（2）相位裕量γ≥40° （3）幅值裕量K g ≥10dB 。 4、给出校正装置的传递函数。 5、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。计算校正后系统的穿越频率ωc 、相位裕量γ、相角穿越频率ωg 和幅值裕量K g 。 6、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。 7、应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响（自由发挥）。三、设单位负反馈系统的开环传递函数为 ) 2(4 )(+= s s s G k 1、画出未校正系统的根轨迹图，分析系统是否稳定。 2、设计系统的串联校正装置，要求校正后的系统满足指标：闭环系统主导极点满足ωn ＝4rad/s 和ξ＝0.5。 3、给出校正装置的传递函数。 4、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。计算校正后系统的穿越频率ωc 、相位裕量γ、相角穿越频率ωg 和幅值裕量Kg 。 5、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。 6、应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响（自由发挥）。四、设单位负反馈系统的开环传递函数为 ) 2)(1(06 .1)(++= s s s s G k 1、画出未校正系统的根轨迹图，分析系统是否稳定。 2、设计系统的串联校正装置，要求校正后的系统满足指标：（1）静态速度误差系数K v ＝5s -1；

位置随动系统设计与仿真

中文摘要：随动系统，通常也被称为伺服系统，是一种反馈控制系统。它是用来控制被控对象的某种状态，使被控对象的输出能自动、连续、精确地复现输入信号变化规律的一种控制系统,随动系统的控制对象通常为角度或机械位置，该系统最初用于船舶的操舵系统、火炮控制以及指挥仪中，后来慢慢推广到众多领域，尤其多见于自动车床、天线位置的控制还有导弹和飞船的制导等。如今随动系统的应用几乎扩展到了民用、工业、军事等各个领域，随着家用电器的普及和全自动化，它在生活中的应用也越来越广泛。而位置随动系统的被控量是位置，一般用线位移或角位移表示。当位置给定量作某种变化时，该系统的主要任务就是使输出位移快速而准确地复现给定量位移。

第一章绪论 1.1课题研究背景 1.1.1随动系统现状及历史随动系统，通常也被称为伺服系统，是一种反馈控制系统。它是用来控制被控对象的某种状态，使被控对象的输出能自动、连续、精确地复现输入信号变化规律的一种控制系统，其衡量指标主要有超调量、稳态误差、峰值时间等时域指标以及相角域度、幅值域度、频带宽度等频域指标，其输入是一种变化规律未知的时间函数。随动系统中的驱动电机应该具有响应速度快、定位准确、转动惯量大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。早在二十世纪三十年代，伺服机构这个词便进入人们的视线了。到二十世纪中期，在自动控制理论的发展下随动系统也得到了极大的发展，其应用领域进一步扩大。近几十年，伺服技术更是取得飞跃发展，其应用也迅速扩展到民用、工业和军事领域中。在冶金行业，它用于多种冶金炉的电极位置控制，机器的运行控制等；在运输行业中，水路陆路空中三方的运输工作也都用到了伺服系统，比如，飞机的驾驶，电力机车的调速，船舶的操舵等，一定程度上都实现了“自动化”控制；如今，军事领域也充分运用到了伺服系统，比如雷达天线的自动瞄准的跟踪控制，导弹和鱼雷的自动控制等等。另外，随着空调、洗衣机等各类家用电器在家庭中的普及，伺服系统的应用也走入到了我们的日常生活中。 1.1.2随动系统的应用随动系统的控制对象通常为角度或机械位置，该系统最初用于船舶的操舵系统、火炮控制以及指挥仪中，后来慢慢推广到众多领域，尤其多见于自动车床、天线位置的控制还有导弹和飞船的制导等。如今随动系统的应用几乎扩展到了民用、工业、军事等各个领域，随着家用电器的普及和全自动化，它在生活中的应用也越来越广泛。人们应用随动控制系统主要是为了达到下面几个目的： ⒈用较小的功率指令信号来控制很大功率的负载，比如火炮控制、船舵控制等。 2.在没有机械连接的情况下，利用输入轴控制远处的输出轴，从而实现远距离的同步传动控制。

计算机控制系统课程设计

《计算机控制》课程设计报告题目: 超前滞后矫正控制器设计姓名: 学号: 10级自动化 2013年12月2日

《计算机控制》课程设计任务书指导教师签字：系（教研室）主任签字： 2013年11 月25 日

1.控制系统分析和设计 1.1实验要求设单位反馈系统的开环传递函数为) 101.0)(11.0(100 )(++= s s s s G ，采用模拟设计法设计数字控制器，使校正后的系统满足：速度误差系数不小于100，相角裕度不小于40度，截止角频率不小于20。 1.2系统分析（1）使系统满足速度误差系数的要求: ()() s 0 s 0100 lim ()lim 100 0.1s 10.011V K s G s s →→=?==++ (2)用MATLAB 画出100 ()(0.11)(0.011) G s s s s = ++的Bode 图为： -150-100-50050 100M a g n i t u d e (d B )10 -1 10 10 1 10 2 10 3 10 4 P h a s e (d e g ) Bode Diagram Gm = 0.828 dB (at 31.6 rad/s) , P m = 1.58 deg (at 30.1 rad/s) Frequency (rad/s) 由图可以得到未校正系统的性能参数为：相角裕度0 1.58γ=?，幅值裕度00.828g K dB dB =, 剪切频率为：030.1/c rad s ω=，截止频率为031.6/g rad s ω=

（3）未校正系统的阶跃响应曲线 024******** 0.20.40.60.811.2 1.41.61.8 2Step Response Time (seconds) A m p l i t u d e 可以看出系统产生衰减震荡。（4）性能分析及方法选择系统的幅值裕度和相角裕度都很小，很容易不稳定。在剪切频率处对数幅值特性以-40dB/dec 穿过0dB 线。如果只加入一个超前校正网络来校正其相角，超前量不足以满足相位裕度的要求，可以先缴入滞后，使中频段衰减，再用超前校正发挥作用，则有可能满足要求。故使用超前滞后校正。 1.3模拟控制器设计（1）确定剪切频率c ω c ω过大会增加超前校正的负担，过小会使带宽过窄，影响响应的快速性。首先求出幅值裕度为零时对应的频率，约为30/g ra d s ω=，令 30/c g rad s ωω==。（2）确定滞后校正的参数 2211 3/10 c ra d s T ωω= ==, 20.33T s =,并且取得10β=

一类位置随动系统的测速反馈控制

一类位置随动系统的测速反馈控制 1位置随动系统原理 1.1位置随动系统工作原理图1-1位置随动系统原理图该系统为一自整角机位置随动系统，用一对自整角机作为位置检测元件，并形成比较电路。发送自整角机的转子与给定轴相连：接收自整角机的转子与负载轴（从动轴）相连。TX 与TR 组成角差测量线路。若发送自整角机的转子离开平衡位置转过一个角度r θ，则在接收自整角机的单相绕组转子的单相绕组上将感应出一个偏差电压e u ，它是一个振幅为em u 、频率与发送自整角机激励相同的交流调制电压。即sin e em u u t ω=?在一定范围内，em u 正比于r c θθ-，即[]em e r c u k θθ=-，所以可得[]sin e e r c u k t θθω=-这就是随动系统中接收自整角机所产生的偏差电压的表达式，它是一个振幅随偏差()r c θθ-的改变而改变的交流电压。因此，e u 经过交流放大器放大，放大后的交流信号作用在两相伺服电动机两端。电动机带动负载和接收自整角机的转子旋转，实现r c θθ=，以达到跟随的目的。为了使电动机转速恒定、平稳，引入了测速负反馈。系统的被控对象是负载轴，被控量使负载轴转角c θ，电动机是执行机构，功率放大器器信号放大作用，调制器负责将交流调制为直流电供给直流测速发电机工作电压，测速电动机是检测反馈元件。 1.2单元电路模块分析 1.2.1自整角机

自整角机是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。则自整角机的表达式为 ()[()()]()r c u t K t t K t εεθθθ=-=? 在零初始条件下，拉氏变换为()()u s K s εθ=?，则自整角机的传递函数为 1()()() u s G s K s εθ==? 自整角机的结构图如图1-2所示图1-2 自整角机 1.2.2功率放大器由于运算放大器具有输入阻抗很大，输出阻抗小的特点，在工程上被广泛用来作信号放大器。其输出电压与输入电压成正比，即有 ()[()()]a a f u t K u t u t =- 在零初始条件下，拉氏变换为()[()()]()a a f a u s K u s u s K u s =-=??，则传递函数为 21()()() a a u s G s K u s == 式中()a u s 为输出电压，1()u s 为输入电压，a K 为放大倍数。图1-3 功率放大器 1.2.3两相伺服电机

位置随动控制系统设计与实现_王桂霞

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