3 光源自动跟踪系统课程设计解答.docx

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1、指导老师评定成果:审定成果:重庆邮电大学自动化学院自动限制原理课程设计报告设计题目：光源自动跟踪系统单位（二级学院）：自动化学院学生姓名：*专业：*班级：*学号：*指导教师：*设计时间：20*年*月重庆邮电高校自动化学院制书目一题目3-模型建立与求解42.1限制系统结构42.2光源检测模型42.3直流电机模型5三.性能验证和参数设计63.1根轨迹设计及频域分析63.2时域检验与速度信号测试73.3检测电路设计8一.课程设计题目已知一光源自动跟踪系统，利用帆板上一对光敏元件检测光能，当帆板偏离光源时，光敏元件产生电压差并通过放大后驱动电机转动，使太阳能帆板对准光源，如图示，其中，电机凡=1.75

2、；4=2.83xl0-3；匕=K叱表示转子旋转产生的电动势Kv=O.093;电机产生的电磁力矩T=KJ/,(=0.0924;电机及负载的转动惯量J=30xl(f692；阻力矩为=3*叱,其中8=5x10-3.电池帆板要求完成的主要任务：1、分析系统工作过程，建立数学模型，并画出结构图。2、系统跟踪阶跃响应的时间为0.5秒，超调量为小于5%,设计校正系统。3、分析当该系统跟踪太阳转动时的性能。4、设计光源检测放大装置，画出电路图并确定主要元件参数。二、模型建立与求解2.1限制系统结构依据检测、放大、电机三个模块，画出相应的限制结构图，如图2.I名豪器图2限制系统图在这里，角度的输入和比较依靠物理

3、的光线输入和检测以及系统结构布局来实现的.2.2光源检测系统模型该光源跟踪系统主要由光线检测电路，电机驱动放大器，直流伺服电机三个模块组成。两个完全相同的光敏传感器分别安装在帆板两边，用来检测光线是否正对该跟踪系统。当光线满意入射条件时，两个光敏传感器检测到的光辐射强度几乎相等，否则讲表明帆板偏向受辐射少的一边。两个感光器受到的辐射强度只差可以反馈给电机驱动器中，用来作为电机的误差信号，使帆板转向正确的位置。设光敏元件产生的电压和光的正投射面积成正比,系数为k*,则：vl=rcos(600-)v2=kcos(600+)v2-v=k(COS(60-一CoS(60+。)=2Z*sin60SinAe

4、=JKsinA6=GSinA6*AAO即：帆板与阳光的偏角将产生成正比的电压差，经过放大后驱动电机转动.2.3直流伺服电机模块若他励直流电动机工作在恒定励磁状态，通过变更电枢电压U”进行转速调整。其工作原理图如下：图4.直流伺服电动机工作原理图律，电动机电枢回路的运动方程式为：1.a华+RUMat(5)(6)设输入信号为电枢电压U,输出信号是电动机转角氏依据基尔霍夫电路定v,dVc=kva=k-at式中，1.a9Ra电枢绕组的电感和电阻;匕一一电动机的反电动势；k反电动势系数；coa电动机转速。由题目已知，电动机电磁转矩为T=k,ia(7)式中，尤为电动机的力矩系数。当电机空转时，其转矩平衡方

5、程为T=J+B-(8)dt2dt式中，J电动机轴上的转动惯量；B阻尼系数。将式(1)(4)联立，消去中间变量。，得到：(9)J1.a竿+.+Bk哼+0B+3塔=卬将(5)式作拉氏变换，且令初始条件为0,得到：J1.aCe(三)+(JR.+B1.-RB+k,k)sWs)=(U(三)(10)所以电动机的传递函数如下：(11)、一、O(三)勺G.(三)-G.(三)=zU(三)sJ1.as2+(JRa+B1.a)s+(RaB+kvkl)代入题目已知参数后，得到:GG)=108833953+710?+1813425(12)(4)开环传递函数依据图2.限制系统结构图，可以算出系统开环传递函数如下:C,、1

6、088339A(13)Gn(三)=：+7152+1813425三、模型检验3.1 绘制根轨迹图和波得图依据其开环传递函数用matlab仿真，作出其闭环阶跃响应图，如图8.Root1.oCUSEditor(C)-600-400RealAxis-20002001.oopgainchangedto20Ooooooo604020204060一SI登BBe-图5开环根轨迹图102103W4Frequency(rad/sec)OoOoOoOo5O52246809382-1-112一(mp)(Dpnyu6三(63P)gsud图6开环波德图可见,可以调整增益达到系统要求,由调整时间和超调量计算公式,当K取20

7、时,可满意要求.验证：StepResponsegp2-dEQ图7单位阶跃响应图对于最终一问,当太阳移动时,角度为匀速度变更,输入为斜坡信号,因此,用速度信号激励系统,得:Thw2E图7单位速度信号的响应图可见，系统存在稳态误差，可由公式计算得，ess=1k=181342/21766780=0.0083.3.2 检测电路模块（参考）检测电路部分，采纳半桥差动结构，如图3。将两个完全相同的光敏传感器分别安装在帆板两边，当光线在肯定范围变更时，两个光敏传感器检测到的光辐射强度会不相同，且帆板偏向受辐射少的一边。差动结构用来作为电机的误差信号，使帆板转向正确的位置。可见，该电桥的输出电压为(1)Ei(

8、Sa2)1.(Sj+AS)+(S2-S2)R+R2试中，Sl为光敏电阻，ASl为光敏电阻变更量。取S=ASr2=为，为便于表达和计算，将光敏电阻变更量看成电阻阻值变更量。S1=S2=R1=R29则得到：UO=E处（2）R而且UO于AR呈线性关系，且电压灵敏度比单臂高了一倍，能有效削减误差。依据光敏电阻伏安特性，如图4图4.光敏电阻伏安特性图可见=（伍为输入光源与帆板夹角）代入（2）式得到依据光敏电阻伏安特性曲线，作光敏电阻阻值与偏转角度（R-4）对应关系图，如下:图5.光敏电阻阻值与偏转角关系依据图形可以看出当偏角为O度时，即光敏电阻没有接受到光源时，电阻R=2AO;当偏角为60度，即光源垂直照耀该系统时，电阻R=IAO。所以公式(3)中，取电源电压E=30V,从图5得到&=10()。所以G,(三)=4=302.驱动电压放大模块为便于计算，这里采纳同相比例放大器。如图6。图6.驱动放大电路同相比例放大电路放大倍数关系如下：选凡=80AQ,R3TOZC则有匕=9。设起传递函数为G3(三),则有G3G)=k=9