自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)

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1、 設(shè)計(jì)任務(wù)書 引言：《自動(dòng)控制原理》課程設(shè)計(jì)是該課程的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)，既有別于畢業(yè)設(shè)計(jì)，更不同于課堂教學(xué)。它主要是培養(yǎng)學(xué)生統(tǒng)籌運(yùn)用自動(dòng)控制原理課程中所學(xué)的理論知識(shí)，掌握反饋控制系統(tǒng)的基本理論和基本方法，對(duì)工程實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行完整的全面分析和綜合。 一． 設(shè)計(jì)題目：位置隨動(dòng)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì) 二． 系統(tǒng)說明： 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示 其中：放大器增益為Ka=15，電橋增益,測(cè)速電機(jī)增益，Ra=7Ω,La=10mH,J=0.005kg.m/s2,JL=0.03kg.m/s2,fL=0.08,Ce=1,Cm=3,f=0.1,Kb＝0.2,i=0.02 三．系統(tǒng)參量 系統(tǒng)輸入信號(hào)： 系

2、統(tǒng)輸出信號(hào)： 四．設(shè)計(jì)指標(biāo) 設(shè)定：輸入為r(t)=a+bt（其中：a=10， b=5） 在保證靜態(tài)指標(biāo)（ess≤0.3）的前提下， 要求動(dòng)態(tài)期望指標(biāo)：σp﹪≤15﹪；ts≤5sec； 五． 基本要求： 1. 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型——傳遞函數(shù)； 2. 利用根軌跡方法分析系統(tǒng)： （1） 作原系統(tǒng)的根軌跡草圖； （2） 分析原系統(tǒng)的性能，當(dāng)原系統(tǒng)的性能不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，則進(jìn)行系統(tǒng)校正。 3. 利用根軌跡方法綜合系統(tǒng)： （1） 畫出串聯(lián)校正結(jié)構(gòu)圖，分析并選擇串聯(lián)校正的類型（微分、積分和微分-積分校正）； （2） 確定校正裝置傳遞函數(shù)的參數(shù)； （3） 畫出校正后

3、的系統(tǒng)的根軌跡圖，并校驗(yàn)系統(tǒng)性能；若不滿足，則重新確定校正裝置的參數(shù)。 4. 完成系統(tǒng)綜合前后的有源物理模擬電路； 六． 課程設(shè)計(jì)報(bào)告： 1. 課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明書一份； 2. 原系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)原理圖一張（自繪）； 3. 系統(tǒng)分析，綜合用根軌跡圖一張； 4. 系統(tǒng)綜合前后的模擬圖各一張； 5.總結(jié)（包括課程設(shè)計(jì)過程中的學(xué)習(xí)體會(huì)與收獲、對(duì)本次課程設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)等內(nèi)容）； 6.提供參考資料及文獻(xiàn)； 7.排版格式完整、報(bào)告語句通順、封面裝幀成冊(cè) 一.系統(tǒng)說明 1. 設(shè)計(jì)目的 本次設(shè)計(jì)是利用我們?cè)凇蹲詣?dòng)控制原理》中所學(xué)的知識(shí)，結(jié)合課外學(xué)習(xí)的知識(shí)，由一個(gè)特定要求的位置隨動(dòng)系統(tǒng)，

4、建立系統(tǒng)模型，并計(jì)算分析其相關(guān)特性。當(dāng)原系統(tǒng)不滿足要求時(shí)，要對(duì)其進(jìn)行校正。 2. 系統(tǒng)原理（簡介） 位置隨動(dòng)系統(tǒng)是反饋控制系統(tǒng)。被控制量是負(fù)載機(jī)械的線位移或角位移，當(dāng)位置給定量任意變化時(shí)，要求輸出量快速而準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)給定量的變化。隨動(dòng)系統(tǒng)又稱“伺服系統(tǒng)”。這種控制系統(tǒng)的任務(wù)是首先要保持輸出量的變化能夠緊緊的隨其輸入的變化，并要求具有一定的跟隨精度。特別要指出的是，在這種系統(tǒng)中，輸入量的變化往往是任意的，是不能預(yù)先知道的。 在輸入量給定一個(gè)角度時(shí)，同位移監(jiān)測(cè)裝置發(fā)出一個(gè)誤差信號(hào)，放大裝置便有一個(gè)相應(yīng)的輸入信號(hào)，與此同時(shí)，反饋裝置又把齒輪系轉(zhuǎn)動(dòng)的角度送入同位移檢測(cè)裝置，如此直至反

5、饋角度的信號(hào)與輸入角度的信號(hào)相等時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，由于此輪系的角度是可以隨時(shí)改變的，位置也就隨時(shí)改變。 Position servo system is feedback control system. Be control volume is loading machine line displacement or angular displacement, when the position to quantitative any changes, request output quickly and accurately to the repetition of quantitati

6、ve change. Servo system and say \"servo system\". This control system task is first to keep output change can tightly with its input changes, and has certain requirements with precision. Particularly want to point out is, in this system, the input amount of change is often arbitrary, is cant know in

7、 advance. In the input of a given an Angle, with displacement monitoring device sends a error signal, amplification device will have a corresponding input signal, at the same time, feedback device and put the gear rotating Angle of displacement detection device with into, so until the input signal

8、 and the feedback Angle Angle of the signal equals motor stop turning, due to the point of view of the gear is can always change, position will change from time to time. 3. 各環(huán)節(jié)的性能，功能特性說明 （1）電橋：電橋作為角位移傳感器，在位置隨動(dòng)系統(tǒng)中是成對(duì)使用的。作為常用的位置檢測(cè)裝置，它的作用是將角位移或者直線位移轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)的幅值或相位。 (2)放大器：放大器的作用是將微弱的電流信號(hào)或者電壓信號(hào)放大. (

9、3)直流電機(jī)：直流電機(jī)是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，在差壓u的作用下帶動(dòng)負(fù)載和接收電位器的動(dòng)筆一起旋轉(zhuǎn)。 (4)測(cè)速電機(jī)：使用測(cè)速機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中構(gòu)成PD控制器，反映的變化趨勢(shì)，產(chǎn)生有效的早期修正信號(hào)，改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (5)減速器：減速器將直流電機(jī)的速度降下來以加在接收電位器上，其中i為元件總減速比。 4. 設(shè)計(jì)基本要求 1.建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型——傳遞函數(shù)； 2.利用根軌跡方法分析系統(tǒng)： （3） 作原系統(tǒng)的根軌跡草圖； （4） 分析原系統(tǒng)的性能，當(dāng)原系統(tǒng)的性能不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，則進(jìn)行系統(tǒng)校正。 3.利用根軌跡方法綜合系統(tǒng)： （1）畫出串聯(lián)校正結(jié)構(gòu)圖，分析并選擇串聯(lián)校正的類型（微分、積分

10、和微分-積分校正）； (2)確定校正裝置傳遞函數(shù)的參數(shù)； (3)畫出校正后的系統(tǒng)的根軌跡圖，并校驗(yàn)系統(tǒng)性能；若不滿足，則重新確定校正裝置的參數(shù)。 4.完成系統(tǒng)綜合前后的有源物理模擬電路； 5. 設(shè)計(jì)指標(biāo) 其中：放大器增益為Ka=15，電橋增益,測(cè)速電機(jī)增益，Ra=7Ω,La=10mH,J=0.005kg.m/s2,JL=0.03kg.m/s2,fL=0.08,Ce=1,Cm=3,f=0.1,Kb＝0.2,i=0.02 設(shè)定：輸入為r(t)=a+bt（其中：a=10， b=5）在保證靜態(tài)指標(biāo)（ess≤0.3）的前提下， 要求動(dòng)態(tài)期望指標(biāo)：σp﹪≤15﹪；ts≤5sec；

11、 二.系統(tǒng)建模 1.各個(gè)環(huán)節(jié)模型 （1） 環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖（電路原理圖） （2） 寫出輸入輸出關(guān)系 電橋：微分方程 )；拉氏變換：U 放大器： 微分方程 ;拉氏變換：U 電樞直流電機(jī)：; 測(cè)速電機(jī)：微分方程 U 拉氏變換：; 減速器：;拉氏變換： （3） 寫出傳遞函數(shù)G(s),畫出結(jié)構(gòu)方框圖 u 電橋：傳遞函數(shù)：G(S)=K K 放大器： Ka U(s) Ua(s) 直流測(cè)速電機(jī)： (s) Ut(s) KtS 電樞直流電動(dòng)機(jī)： G(S)= Km/s(1+Tms)s

12、 減速器： G(S)= 2.系統(tǒng)模型:系統(tǒng)的框圖結(jié)構(gòu) —— 3.簡化框圖 （1） 化簡為單位負(fù)反饋 —— （2） 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) 三.系統(tǒng)分析 1.原系統(tǒng)的根軌跡 2. 穩(wěn)定性分析 = D(S)==0 S１=-20+71j s２=-20-71j 所以，原系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 3. 穩(wěn)態(tài)精度分析ess ess=esp+es

13、v += 所以，該系統(tǒng)滿足靜態(tài)要求。 5. 動(dòng)態(tài)性能分析 Wn==74.2 MP= =41%>15% 不滿足要求 ts==0.15<5 滿足要求 四.系統(tǒng)綜合（設(shè)計(jì)） 1.利用期望指標(biāo)繪制根軌跡 2. 設(shè)計(jì)校正規(guī)律和校正裝置（電路圖、裝置參數(shù)） 采用串聯(lián)矯正類型中的微分積分校正

14、 取 (2)確定期望點(diǎn)：滿足動(dòng)態(tài)性能的閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn) 因此有 = (3) 令求出不定點(diǎn) 所以由得到 (4)計(jì)算根軌跡過希望點(diǎn)的根軌跡增益 Kg=64 串聯(lián)校正裝置為 3.系統(tǒng)綜合過程表達(dá)（Bode圖上或根軌跡圖上） 五.系統(tǒng)物理模擬圖 1.原系統(tǒng)模擬圖 2.綜合后系統(tǒng)模

15、擬圖 六.設(shè)計(jì)小節(jié)（結(jié)論） 1.設(shè)計(jì)體會(huì)（心得） 經(jīng)過一周的努力，我終于完成了本次課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)。在設(shè)計(jì)的過程中,遇到了許多理論上和實(shí)際上的問題，發(fā)現(xiàn)平時(shí)的理論課學(xué)習(xí)還不夠充分和扎實(shí)，理論和實(shí)際脫節(jié)，經(jīng)過本次設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用問題上充分運(yùn)用了理論知識(shí)做知道，而這次設(shè)計(jì)也為理論做了廣泛的延伸和深化。 感謝這次課程設(shè)計(jì)過程中給予我?guī)椭耐瑢W(xué)和老師，這次課程設(shè)計(jì)提高了我自己的實(shí)踐能力，讓我感到什么事情都不應(yīng)該輕易放棄，只要努力就會(huì)有結(jié)果。 2.對(duì)設(shè)計(jì)的建議 3.參考文獻(xiàn) [1] 胡壽松主編，1994，自動(dòng)控制原理，第三版，北京：國防工業(yè)出版社 [2] 劉植禎等編，1981，計(jì)算機(jī)控制，北京：清華大學(xué)出版社 [3] 有本卓等編（熊昭琳譯），1983，線性系統(tǒng)理論例題練習(xí)，北京，國防工業(yè)出版社 [4] 吳麒主編，1990，自動(dòng)控制原理，北京：清華大學(xué)出版社