位置随动系统的超前校正设计.docx

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1、课程设计课程设计任务书题目：位置Bfi动系统的超前校正设计初始条件：图示为位置1.动系统，测速发电机TG及伺服电机SM共轴，右边的电位器及负载共轴。放大器增益为Ka=40,电桥增益K,=5,测速电机增益=0.25,Ra=,1.a=12mH.J=0.006kg.mi,C.=Cm=O.3N.m/A,f=0.2N.ms,i=10.其中，J为折算到电机轴上的转动惯量，r为折算到电机轴上的粘性摩擦系数，/为减速比。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作就及其技术要求，以及说明行撰写等详细要求）（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）求出系统的截止频率、相角裕度和

2、幅值裕度，并设计超前校正装置，使得系统的相角裕度增加12度：（3）用MatIab对校正前后的系统进行仿真分析，比较其时域响应曲线有何区分，并说明缘由:4）对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必需写清晰分析计算的过程，并包含Mat1.ab源程序或SimU1.ink仿真模型，说明书的格式依据教务处标准书写。时间支配:任务时间（天指导老师下达任务书，审翘、杳阅相关资料2分析、计算2编写程序1撰写报告2论文答辩1指导老师签名：系主任（或责任老师）签名:年月日年月日书目摘要I1位置随动系统11.1 位置随动系统原理11.2 部分元件分析21.2. I自整角机21.2.2功率放大器21.2.3两相

3、伺服电动机31.2.4直流测速电动机31.2.5减速器41.3各部分元件传递函数41.4位置随动系统的结构框图51.5位置随动系统的信号流图51. 6对系统进行Ma1.Iab仿真52加入校正装置后的系统分析821超前校正的原理82. 2超前校正的特性82.3计算超前网络的传递函数92.4对校正后的系统进行VatIab仿真102.5系统校正前后的比较113用Mat1.ab对校正前后的系统进行时域分析123.1对校正前后系统的单位阶跃响应进行仿真123.2缘由分析错误!未定义书筌.4总结体会未定义书筌.参考文献13本科生课程设计成果评定表14摘要随动系统是指系统的输出以肯定的粕度和速度跟踪输入的自

4、动限制系统，并且输入技是随机的，不行预知的。限制技术的发展，使随动系统得到了广泛的应用。位四随动系统是反馈限制系统，是闭环限制，调速系统的给定量是恒值，希望输出量能稳定，因此系统的抗干扰实力往往显得非常至要。而位置随动系统中的位置指令是常常变更的，要求输出量精确跟随给定量的变更，输出响应的快速性、故捷性和精确性成了位置随动系统的主要特征。简言之，调速系统的动态指标以抗干扰性能为主，随动系统的动态指标以跟随性能为主。在本次课程设计中，首先依据各个部件的物理化学特性求得其传递函数，然后得到系统的结构框图。依据结构框图画出对应的信号流图，从而得到系统的闭环传递函数。利用MAT1.AB对系统进行领域的

5、分析，为了满意相向裕度增加12度的要求，设计超前校正系统,得到校正后的系统的传递函数。利用MAT1.AB对校正前后的传递函数进行时域的分析，并比较它们的不同。关键词：位箔随动系统超前校正MAT1.AB频域分析位置随动系统的超前校正1位置随动系统1.1 位置随动系统原理随动限制系统又名伺服限制系统。其参考输入是变更规律未知的随意时间函数。随动限制系统的任务是使被控量按同样规律变更并及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，导师放射架限制系统，南达天线限制系统等，其特点是输入为未知。何服骈动系统(ServoSystem)简称何服系统，是一种以机械位置或用度作为限制对象的自动限

6、制系统，例如数控机床等。运用在何服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位精确、转动惯量较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。当然，其基本工作原理和一般的交直流电机没有什么不同。该类电机的专用聊动单元称为何服聊动单元，有时简称为伺服，一般其内部包括电流、速度和/或位置闭环。如图IT为位置随动系统的原理图。图IT位置随动系统原理图如图1所示，用一对电位器作为位置检测元件，并形成比较电路。两个电位器分别将系统的输入和输出位置信号转换成于志成比例的电压信号，并做出比较。当发送电位器的转角和接受电位器的转角相等时，对应的电压亦相等。因而电动机处于静止状态。假设是发送电位器的转角按逆时针方向增加一个角

7、度，而接受电位器没有同时旋转这样一个角度,则两者之间将产生角度偏差。相应地，产生个偏差电压，经放大器放大后得到u,供应直流电动机，使其带动负载和接受电位器的动笔起旋转，直到两个角度相等为止，即完成反馈。1.2 部分元件分析1.2.1 自整角机自整加机是利用自推步特性将转角变为沟通电压或由沟通电压变为转角的感应式微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。自整角机还可用以实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。两台或多台电机通过电路的联系，使机械上互不相连的两根或多根转轴自动地保持相同的转向变更，或同步旋转。电机的这种性能称为自整步特性。在伺服系统中，产生信号一方所用的自整角机称为发送

8、机，接收信号一方所用自整用机称为接收机。在零初始条件卜.，其拉氏变换为：=fs-o1.，图1-2自整角机结构框图1.2. 2功率放大器利用三极管的电流限制作用或场效应管的电压限制作用将电源的功率转换为依据输入信号变更的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即沟通信号电流，三极管的集电极电流恒久是基极电流的B倍，B是三极管的沟通放大倍数，应用这点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的B倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的B倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流放大，就完成了功率放大。功率放大罂的表达式为：4=k4,u(t)-u,

9、(t)在零初始条件下,其拉氏变换为：ua(三)kuu(三)-U1(三)图1-3为功率放大器结构图。图1-3功率放大罂结构框图1.2.3两相伺服电动机传统的沟通伺服电动机的结构通常是采纳笼转子两相伺服电动机以及空心杯转子两相同服电动机，所以常把沟通伺服电动机称为两相伺服电动机，其传递函数为：S+皿=Sndt2（it零初始条件下,其对应的拉氏变换为：（7；$、SMKS）=AM。图17为两相伺服电动机的结构框图。u、4图1-4两相伺服电动机结构框图1.1 2.4直流测速电动机直流测速发电机是一种测速元件，它把转速信号转换成直流电压信号输出。直流测速发电机广泛地应用于自动限制、测量技术和计算机技术等装

10、置中。对直流测速发电机的主要要求是：（1）输出电压要严格地及转速成iE比，并且不受温度等外界条件变更的影晌：（2）在肯定的转速3输出电压要尽可能的大：（3）不灵敏区要小。直流测速发电机可分为励磁式和永磁式两种。励磁式由励磁绕组接成他励，永磁式采纳矫顽力高的磁钢制成磁极。由于永磁式不需另加励磁电源，也不因励磁绕组温度变更而影响输出电压，故应用较广。其传递函数为：在零初始条件卜，其拉氏变换为：m,()=,.()图1-5为直流测速电动机的结构框图。IS1-5直流测速电动机结构图1.2 .5减速器减速机在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，随即由我国上海长城减速机器厂矿减速机理运用

11、全新技术革新的减速机一般用于低转速大扭矩的传动设备，把电动机、内燃机或其它高速运转的动力通过减速机的输入轴上的齿数少的齿轮喷合输出轴上的大战轮来达到减速的目的，一般的减速机也会有几对相同原理齿轮达到志向的减速效果，大小齿轮的齿数之比，就是传动比。其传递函数为：/s=Ha)在零初始条件下,其拉氏变换为：m(三)=i(三)图16为减速器的结构框图。图1-6诚速器结构框图1.3 各部分元件传递函数(1)电桥:(2)放大器:(3)测速机:(4)电机:其中:Tm=RuJ,I(RJV1.+CIe)=027是电动机机电时间常数Kn,=Cm(R1.fn+CMc)=O23是电动机传递系也(5)减速器：1.4位置

12、随动系统的结构框图位置随动系统的结构框图如图1-7所示。图1-7位置RO动系统的结构框图1.5 位置随动系统的信号流图位置随动系统的信号流图如图1-8所示。图1-8位置随动系统的信号流图1.6 对系统进行Mat1.ab仿真开环传递函数:G(三)=$(口+】)+&*/S027?+3.3S闭环传递函数：利用Mat1.ab做出上述函数的Bode图并求出相向裕度。仿真程序如F：num=4.6;此s+1.)+W0.27?+3.15+4.6den=0.27,3.3,0;bo1.e(num,den);得到的BOdC图如图1-9所示.图1-9未校正前系统的BOde图开环传递函数相角裕度仿真程序：num=4.6

13、;BodeDiagram501011010,102103Frequency(rad/s)p)BPWU6BS-180dcn=(0.27.33,0;SyS=tf(num.dcn);mag.phase.w=bodc(num.dcn);gm,pm,wcg.wcp)=margin(mag,phase.w);margin(sys):得到的相对稳定性分析图如图ITo所示。BodeDiagrammpPwU6BS校正前的相对稳定性分析的Bode图由图可知，校正前，截止频率：0,=1.38mds,相角裕度：7=83.5.2加入校正装置后的系统分析2.1超前校正的原理超前校正是限制系统中的一种校正方法,运用时须要获

14、得校正指标，一般用电阻和电容就可连接而成超前校正的实质是通过对系统引入相位超前校正环节来变更系统的频率特性。对于某一校正环节的传递函数，可以有多种物理实现。有电气的、机械的、气动的、液压的等。实际设计限制系统时，原委采纳何种形式，在某种程度上取决于被控对象的性质。例如，假如被控装置中包含易燃流体，则应当气动校正装置或气动传动机构，以免产生火花的可能性。假如不存在发生火灾的危急性，则通常采纳电气校正装置，因为电气传输简洁、精度高、牢罪性大，并且简洁实现。常用的超前校正网络有无源超前校正RC网络、有源超前校正网络，常用的由运算放大器加电阻、电容组成的有源校正装设有PD限制器、带惯性的PD限制器。设计超前校正装置，使得系统的相角裕度增加15度，考虑到在系统相向裕度增加的状况卜.系统原来的截止频率也会跟着增大，从而引起系统原来相加裕度的卜.降。为了补偿系统本身相角裕度的减小，可以适当的在增加肯定的角度,但是系统的截止频率太小，故截止频率增大时对系统相角裕度影响可忽视。2.2超前校正的特性超前校正就是在前向通道中串联传递函数为的校正装置.，其中参数a、T为可调，如图2-1所示。图2T超前校正可见，这里的校正环节的结构是确定的，但参数可调，现在的任务就是确定参数a、T,使系统满意给定的性能指标。从超前校正的零、