位置随动系统教学提纲
位置跟随系统课程设计
位置跟随系统课程设计一、教学目标本课程旨在通过位置跟随系统的教学，让学生掌握位置跟随系统的基本概念、原理和应用。
具体目标如下：1.理解位置跟随系统的定义和功能。
2.掌握位置跟随系统的核心技术和基本原理。
3.了解位置跟随系统在不同领域的应用。
4.能够运用位置跟随系统的原理解决实际问题。
5.具备分析位置跟随系统的能力，能够对其进行优化和改进。
6.能够运用位置跟随系统进行创新设计和实践。
情感态度价值观目标：1.培养学生对位置跟随系统的兴趣和好奇心，激发其学习热情。
2.培养学生具备创新精神和团队合作意识，能够积极参与位置跟随系统的研究和应用。
3.培养学生具备社会责任感，认识到位置跟随系统对社会发展的影响，能够将其应用于解决实际问题。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.位置跟随系统的定义和功能：介绍位置跟随系统的概念，解释其在不同领域的应用，如交通导航、机器人导航等。
2.位置跟随系统的核心技术和基本原理：讲解位置跟随系统中所涉及的关键技术，如定位技术、跟踪技术等，并阐述其基本原理。
3.位置跟随系统的应用案例分析：通过具体案例分析，让学生了解位置跟随系统在不同领域的实际应用，如车载导航系统、无人机跟踪等。
4.位置跟随系统的创新设计和实践：引导学生进行位置跟随系统的创新设计，培养学生的实践能力和创新精神。
三、教学方法为了提高教学效果，本课程将采用多种教学方法相结合的方式进行教学。
具体包括：1.讲授法：通过教师的讲解，让学生掌握位置跟随系统的基本概念和原理。
2.案例分析法：通过分析实际应用案例，让学生了解位置跟随系统的应用场景和解决实际问题的能力。
3.实验法：学生进行实验，让学生亲自动手操作，加深对位置跟随系统原理的理解。
4.小组讨论法：学生进行小组讨论，培养学生的团队合作意识和解决问题的能力。
四、教学资源为了支持本课程的教学，将选择和准备以下教学资源：1.教材：选择合适的教材，为学生提供系统、全面的学习材料。
自动控制原理课程设计位置随动系统
，从而拖动负载运动。
~5~
重庆邮电大学自动化学院自动控制原理课程设计
直流电动机：微分方程式为 ：
Tm
d M dt
m K mua K c M c
式中 Tm ， K m ， K c 及 M c 是考虑减速器和负载后，折算到电动机轴上的等效值。
测速发电机
是用于测量角速度并且将角速度转换成电压量的装置， 本设计中是永磁式直流测速 发电机。测速发电机的转子与带测量的轴相连接，在点电枢两端输出与转子角速度成正 比的直流电压，即 U T KT ， 式中 K T 是测速发电机的比例系数。是测速发电机的输 出斜率，表示单位角速度的输出电压。
重庆邮电大学自动化学院自动控制原理课程设计
目录
一、设计题目 ....................................................................................................................... 2 1.1 设计目的 ............................................................................................................ 2 1.2 设计内容与任务 ............................................................................................... 2 二、报告正文 ....................................................................................................................... 3 2.1 任务一的分析与求解 ........................................................................................ 4 2.1.1 系统原理图 ..................................................................................................... 4 2.1.2 系统工作原理 ................................................................................................. 4 2.1.3 系统结构框图 ................................................................................................. 4 2.1.4 系统各环节传递函数..................................................................................... 5 2.2 任务二的分析与求解 ........................................................................................ 7 2.2.1 时域分析 ......................................................................................................... 7 2.2.2 频域分析 ....................................................................................................... 10 2.3 任务三的分析及求解 ...................................................................................... 11 2.3.1 校正要求 ...................................................................................................... 11 2.3.2 校正系统的函数的求解 ............................................................................... 12 2.3.3 通过 Matlab 仿真得到校正后传递函数的频域曲线特性 ............................ 12 三、设计总结及体会 .......................................................................................................... 15 3.1 总结 ................................................................................................................ 15 3.2 体会 ................................................................................................................. 15 四、参考文献： ................................................................................................................. 16 五、附录 ............................................................................................................................. 17 MATLAB 仿真函数 ............................................................................................... 17
位置随动系统课程设计概要
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。
自动控制原理课程设计——位置随动系统
自动控制原理课程设计——位置随动系统
在工业自动化领域，位置随动系统扮演着重要的角色。
它能够使驱动装置根据指令精确地移动到指定位置，并保持稳定。
位置随动系统的核心是自动控制系统，该系统通过反馈机制实时监测和调整驱动装置的位置。
在位置随动系统中，通常采用步进电机或伺服电机作为驱动装置。
这些电机能够根据控制系统的指令精确地转动一定的角度，从而实现位置的精确控制。
为了确保系统的稳定性，通常会采用闭环控制，即通过位置传感器实时监测电机的位置，并将位置信息反馈给控制系统。
在自动控制原理课程设计中，学生需要了解并掌握位置随动系统的基本原理、组成和实现方法。
学生需要自行设计并实现一个简单的位置随动系统，通过实验验证系统的性能和稳定性。
在设计过程中，学生需要考虑系统的硬件组成、控制算法的选择和实现、传感器选择和校准、系统调试和优化等方面的问题。
学生需要通过理论分析和实验验证相结合的方法，不断优化和完善系统设计。
通过这个课程设计，学生可以深入了解自动控制原理在实际应用中的重要性，提高自己的动手能力和解决问题的能力。
同时，这个课程设计也可以为学生未来的学习和工作打下坚实的基础。
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 (2)1.1 位置随动系统原理图 (2)1.2 各部分传递函数 (2)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。
自动控制原理课程设计-位置随动系统的分析与设计
成绩课程设计报告课程设计名称：自动控制原理课程设计题目：位置随动系统的分析与设计姓名专业学号指导教师2012年12月24日设计任务书引言：《自动控制原理》课程设计是该课程的一个重要教学环节，既有别于毕业设计，更不同于课堂教学。
它主要是培养学生统筹运用自动控制原理课程中所学的理论知识，掌握反馈控制系统的基本理论和基本方法，对工程实际系统进行完整的全面分析和综合。
一． 设计题目：位置随动系统的分析与设计 二．系统说明： 该系统结构如下图所示其中：放大器增益为Ka=15，电桥增益6K ε=,测速电机增益2t k =，Ra=7Ω,La=10mH,J=0.005kg.m/s 2,J L =0.03kg.m/s 2,f L =0.08,C e =1,Cm=3,f=0.1,K b ＝0.2,i=0.02 三．系统参量 系统输入信号：）（t 1θ 系统输出信号：）（t 2θ 四．设计指标1.在单位斜坡信号x(t)=t 作用下，系统的稳态误差01.0≤ss e ；2.开环截止频率30>c w ；3.相位裕度︒>40c γ；五． 基本要求：1. 建立系统数学模型——传递函数；2. 利用频率特性法分析系统：(1)根据要求的稳态品质指标，求系统的开环增益值；(2)根据求得的值，画出校正前系统的Bode图，并计算出幅值穿越频率、相位裕量,以检验性能指标是否满足要求。
若不满足要求，则进行系统校正。
3.利用频域特性法综合系统：(1)画出串联校正结构图，分析并选择串联校正的类型（超前、滞后和滞后-超前校正）；(2)确定校正装置传递函数的参数；(3)画出校正后的系统的Bode图，并校验系统性能指标。
若不满足，则重新确定校正装置的参数。
4.完成系统综合前后的有源物理模拟电路：六、课程设计报告：1.报告内容（包括课程设计的主要内容、基本原理以及课程设计过程中参数的计算过程和分析过程）；(1)课程设计计算说明书一份；(2)原系统组成结构原理图一张（自绘）；(3)系统分析，综合用精确Bode图各一张；（4）系统综合前后的模拟图各一张。
位置随动系统课程设计
位置随动系统课程设计引言：位置随动系统是一种能够根据外部环境和任务需求自动调整位置和姿态的系统。
在本文中，我将介绍一个关于位置随动系统的课程设计。
通过这个课程设计，学生们将能够深入了解位置随动系统的原理、设计和应用，并通过实践项目提升他们的实践能力和团队合作能力。
一、引入位置随动系统位置随动系统是一种智能系统，能够通过传感器和控制算法实现自动调整位置和姿态。
它可以广泛应用于工业生产、医疗器械、机器人等领域，提高生产效率和工作质量。
二、课程设计目标本课程设计的主要目标是让学生们了解位置随动系统的基本原理和设计方法，培养他们的创新思维和实践能力。
通过项目实践，学生们将能够独立设计和实现一个简单的位置随动系统，并通过团队合作完成一个应用案例。
三、课程设计内容1. 位置随动系统原理介绍：学生们将学习传感器原理、控制算法和运动规划等基础知识，了解位置随动系统的工作原理。
2. 设计与建模：学生们将学习如何设计和建模一个位置随动系统，包括选择合适的传感器、控制器和执行器，以及进行系统建模和仿真。
3. 控制算法设计：学生们将学习如何设计合适的控制算法，以实现位置和姿态的自动调整，并优化系统的性能。
4. 系统实现与调试：学生们将利用硬件平台和软件工具，实现他们设计的位置随动系统，并进行调试和优化。
5. 应用案例实践：学生们将以小组为单位，选择一个实际应用场景，设计和实现一个位置随动系统的应用案例，并进行演示和评估。
四、课程设计亮点1. 实践导向：本课程设计注重实践能力的培养，通过项目实践，学生们将能够将所学知识应用于实际问题的解决。
2. 团队合作：学生们将以小组为单位进行项目实践，培养他们的团队合作和沟通能力。
3. 创新思维：学生们将面临真实的问题和挑战，在解决问题的过程中培养创新思维和解决问题的能力。
五、总结通过本课程设计，学生们将能够全面了解位置随动系统的原理、设计和应用，并通过实践项目提升他们的实践能力和团队合作能力。
自动控制原理与系统第九章 位置随动系统
4) 位置随动系统的主环为位置环，调速系统的 主环为速度环。
5) 位置随动系统的技术指标，主要是对单位斜 坡输入信号的跟随精度(稳态的和动态的)，其他还 有最大跟踪速度、最大跟踪加速度等。
图9-5b为LD15系列仪表级增量编码器外形，其 直径d=1.5in，电参数有分辨率：100-2500P/r(每转 脉冲数，有的可高达10000P/r)；输入电压：DC5V； 输出：单端/长线驱动；频率0～100kHz。光电码盘 检测的优点是非接触检测、允许高转速和精度较高。 单个码盘可做到18位，组合码盘可做到22位。其缺 点是结构复杂、价格较贵、安装较困难。
位置随动系统有开环控制系统，如由单片机控 制的、步进电动机驱动的位置随动系统，开环控制 精度较低，目前已有精度达10000step/r以上的步进 随动系统。
对跟随精度要求较高而且驱动力矩较大的场合 ，多采用闭环控制系统，它们多采用交流(或直流) 伺服电动机驱动。典型位置随动系统的组成框图如 图9-1所示。
如图可见，系统有位置环、速度环和电流环三 个反馈回路。其中位置环为主环（外环），主要消 除位置偏差的作用；速度环和电流环均为副环（内 环），速度环起稳定转速的作用，电流环起稳定电 流与限制电流过大的作用。其中位置环是必需的， 位置随动系统主要依靠位置负反馈来减小并最后消 除位置偏差。
图9-1 典型位置随动系统的组成框图
a) 二进制编码盘
b) 编码器外形
图9-5 光电编码盘
图9-6 光电码盘角位移检测示意图
应用编码盘进行角位移检测的示意图如图9-6所 示。对应码盘的每一个码道，有一个光电检测元件 (图9-6为4码道光电码盘)。当码盘处于不同的角度 时，以透明与不透明区域组成的数码信号，由光电 元件的受光与否，转换成电信号送往数码寄存器， 由数码寄存器即可获得角位移的位置数值。
位置随动系统教学课件
跟踪性能
跟踪性能
跟踪性能是指位置随动系统能够实时 跟踪目标位置变化的能力。良好的跟 踪性能能够确保系统快速响应目标变 化。
影响因素
提高方法
通过优化控制算法、提高执行机构性 能和提高系统响应速度，可以提高跟 踪性能。
跟踪性能受到系统响应速度、控制算 法和执行机构性能等因素的影响。
稳定性
稳定性
稳定性是指位置随动系统在各种 工作条件下能够保持稳定运行的 能力。良好的稳定性能够减少故
详细描述
位置随动系统涉及到多个领域的知识和技术， 需要进行系统集成和优化。通过对系统硬件 和软件的优化设计，可以提高系统的响应速 度、减小系统体积和重量，同时提高系统的 稳定性和可靠性，满足各种复杂的应用需求。
智能化与自主化
总结词
智能化与自主化是位置随动系统未来的发展趋势，能够提高系统的智能化水平和自主能 力。
03
位置随动系统的性能指标
定位精度
定位精度
定位精度是衡量位置随动 系统能够准确确定目标位 置的能力。高定位精度能 够减少误差，提高系统性能。
影响因素
定位精度受到多种因素的 影响，包括传感器精度、 算法误差、环境条件等。
提高方法
通过改进传感器技术、优 化算法和提高数据处理能 力，可以提高定位精度。
总结词
自适应控制是一种能够自动调整控制参数以适应系统参数变 化的控制策略。
详细描述
自适应控制通过实时监测系统参数的变化，自动调整控制参 数以适应这些变化，从而保持系统性能的稳定。自适应控制 能够有效地处理系统参数不确定性和外部干扰的问题，提高 系统的鲁棒性和适应性。
模糊控制
总结词
模糊控制是一种基于模糊逻辑和模糊集合论的控制策略，通过将专家的经验转换为模糊规则来实现控制系统。
第五章 位置随动系统
θ* m
+
K bs
K ph K S
Ud0 E
1 Ce
n
Kg ∫
θm
稳态误差的计算
U nom − I nom R a 110 − 2.9 × 3.4 Ce = = = 0.0417 V /(r • min −1 ) n nom 2400
Cm = 9.55Ce = 9.55 × 0.0417 = 0.398 N • m / A
三、位置随动系统的串联校正
θ* m
+
WAPR
K obj S(Tµ S + 1)(TmS + 1)
θm
位置调节器可选用PID调节器，把系统校正成Ⅱ型系统 调节器，把系统校正成Ⅱ 位置调节器可选用 调节器
U in I1 = = R0 − UB 1 R1 + C1S
Uin R0 R1 C1 B R2 C2 R3
第二节 自整角机工作原理
k bs U fm ia = sin( ωt − ϕ ) cos θ1 Z
θ1
~ uf ia
θ2
ubs Ａ2 B1 C2 B ib
k bs U fm ib = sin(ωt − ϕ ) cos(120o − θ1 ) Ａ1 Z
k U i c = bs fm sin(ωt − ϕ ) cos(120o + θ1 ) Z C1
感应电压 领先磁通90° 领先磁通 °
ubs = U bsm sin(ωt − ϕ + 90o ) cos(θ1 − θ 2 )
将发送机转子预先转过90° 以此作为零点， 将发送机转子预先转过 °，以此作为零点， θ2 = θ' + 90o 2
自动控制原理课程设计_位置随动系统的分析与设计说明
成绩课程设计报告课程设计名称：自动控制原理课程设计题目：位置随动系统的分析与设计姓名专业学号指导教师2012年12月24日设计任务书引言：《自动控制原理》课程设计是该课程的一个重要教学环节，既有别于毕业设计，更不同于课堂教学。
它主要是培养学生统筹运用自动控制原理课程中所学的理论知识，掌握反馈控制系统的基本理论和基本方法，对工程实际系统进行完整的全面分析和综合。
一． 设计题目：位置随动系统的分析与设计二．系统说明：该系统结构如下图所示其中：放大器增益为Ka=15，电桥增益6K ε=,测速电机增益2t k =，Ra=7Ω,La=10mH,J=0.005kg.m/s 2,J L =0.03kg.m/s 2,f L =0.08,C e =1,Cm=3,f=0.1,K b ＝0.2,i=0.02三．系统参量系统输入信号：）（tθ1系统输出信号：）（tθ2四．设计指标e；1.在单位斜坡信号x(t)=t作用下，系统的稳态误差01.0≤ss2.开环截止频率30>w；c3.相位裕度︒γ；>40c五．基本要求：1.建立系统数学模型——传递函数；2.利用频率特性法分析系统：(1)根据要求的稳态品质指标，求系统的开环增益值；(2)根据求得的值，画出校正前系统的Bode图，并计算出幅值穿越频率、相位裕量,以检验性能指标是否满足要求。
若不满足要求，则进行系统校正。
3.利用频域特性法综合系统：(1)画出串联校正结构图，分析并选择串联校正的类型（超前、滞后和滞后-超前校正）；(2)确定校正装置传递函数的参数；(3)画出校正后的系统的Bode图，并校验系统性能指标。
若不满足，则重新确定校正装置的参数。
4.完成系统综合前后的有源物理模拟电路：六、课程设计报告：1.报告内容（包括课程设计的主要内容、基本原理以及课程设计过程中参数的计算过程和分析过程）；(1)课程设计计算说明书一份；(2)原系统组成结构原理图一张（自绘）；(3)系统分析，综合用精确Bode图各一张；（4）系统综合前后的模拟图各一张。
运动控制系统第6章位置随动系统
本章教学要求与目标 掌握位置随动系统的特点、要求和组成 熟悉位置随动系统的控制方法 了解位置随动系统的数学模型和校正设计
6.1 位置随动系统概述
伺服（Servo）的意思是“伺候”和“服从”，广义的伺服系统是精确 地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也称为随动系统，它的主要 目标是实现精确、快速的轨迹跟踪，在现代工业中不可缺少。典型的 应用领域如数控机床、机器人、雷达跟踪、绘图仪等。
速度控制 转矩控制
速度反馈 位置反馈
伺服 电动机
机械传 输出 动机构
旋转 编码器
图6-1 半闭环位置伺服系统结构示意图
全闭环位置伺服系统
全闭环结构的位置伺服系统以工作台的平动位移为被控量，采用光栅尺（也可 用感应同步器）作为位置检测元件。全闭环结构在一些大型机械设备和超精密 机械设备中得到应用。由于全闭环位置伺服系统将机械传动机构也包括到了位 置控制回路中，就使得机械传动结构的误差也可以通过闭环控制得到减小，但 同时也增大了位置闭环整定的难度。
2）定位精度与速度控制范围 定位精度是评价位置随动系统控制准确度的性能指标。系统最终定 位点与指令目标值间的静止误差定义为系统的定位精度。 位置伺服系统，应当能对位置输入指令输入的最小设定单位（1脉 冲当量），作出相应的响应。为了实现这一目标，一是要采用分辨 率足够高的位置检测器，二是要求系统的速度单元具有足够宽的调 速范围，也就是说速度单元要有较好的低速运行性能。 图6-3为速度控制单元的输入输出特性
（3）最大快移速度
最大快移速度即为系统速度控制单元所能提供的最高速度Vmax，最大快移 速度也是决定系统定位精度的一个重要参数。系统最小分辨率为
（4）伺服刚度
第九章位置随动系统-PPT文档资料
第9章 位置随动系统
应用编码盘进行角 位移检测的示意图 如图9－6所示。对 应码盘的每一个码 道，有一个光电检 测元件(图9-6为4码 道光电码盘)。当码 盘处于不同的角度
时，以透明与不透明区域组成的数码信号，由光电元 件的受光与否，转换成电信号送往数码寄存器，由数 码寄存器即可获得角位移的位置数值。
U K ( ) K i o
第9章 位置随动系统
角位移检测元件——圆盘式感应同步器
圆盘式感应同步器的结构如图9-4所示。其定子相当于直 线式感应同步器的滑尺，转子相当于定尺。其节距也是 2mm，而且定子中两个绕组相差也是1/4节距。工作原理 和特点与直线性感应同步器基本上是一样的。其测量角 位移的精度可达0.3″。
第9章 位置随动系统
位置随动系统的组成
位置随动系统有开环控制系统，如由单片 机控制、步进电动机驱动的位置随动系统， 以前开环控制精度较低，如今已有精度相 当高(10000step/r以上)的步进随动系统。 在跟随精度要求较高、而且驱动力矩又较 大的场合，多采用闭环控制系统，它们多 采用直流(或交流)伺服电动机驱动。典型的 位置随动系统的组成如图9-1所示。
第9章 位置随动系统
调节特性：电动机的调节特性通常是指电动机的转 n 速与控制电压间 U 的关系。对他励式电动机，控制电 压，可以是电枢电压(用得较多)，也可以是励磁电压； 对永磁式电动机，则只有电枢电压。直流伺服电动机 通常以电枢电压作为控制电压。下面就分析以电枢电 压作为控制电压时的调节特性，即分析 与 间的关 Ua 系。由式(3－1)～式(3－4)有：
第9章 位置随动系统
图9-1 典型的位置随动系统的组成
第9章 位置随动系统位置随 Nhomakorabea系统的特点
维修电工技师高级技师培训第10单元位置随动系统
采用数学式检测装置来组成数字式随动系统。在这类系 统中，一般仍可采用模拟的电流环和速度环以保证系统的快 速响应，但位置环是数字式的。
典型的模拟式位置随动系统原理框图
（3）位置随动系统有位置环
五、自整角机位置随动系统
自整角机
开滦技师学院
五、自整角机位置随动系统
开滦技师学院
练习： 填空题
8、自整角机按用途不同可分为_______________自整角机和 ____________自整角机两类。
2、数字式脉冲控制随动系统
开滦技师学院
第二种为数字式脉冲控制随动系统，其原理框图如图
3、数字式编码控制随动系统
开滦技师学院
3、数字式编码控制随动系统
开滦技师学院
在这种系统中，给定往往是二进制数字码信号。检测元 件一般是光电编码盘或其它数字反馈发送器借助于转换电路 得到二进制码信号， 二者联合构成“角度—数码” 转换器或 “线位移——数码” 转换器。它的输出信号与数码信号同时送 入计算机进行比较并确定误差，按一定控制规律运算后（如 PID运算），构成数字形式的校正信号，再经数模转变成电 压信号，作为速度控制器的给定。
单项选择题
1、力矩式自整角机所拖动的负载一般为仪表指针，属于 ____________同步旋转系统。 A. 微功率 B. 小功率 C. 小负载 D. 微负载
2、对于功率较大的负载，力矩式自整角机不能达到要求时，可采 用控制式自整角机，将自整角机接成_______________状态。 A. △形 B. Y形 C. 变压器 D. 电动机
第5章位置随动系统
输出信号的作用及其处理 A、B两相的作用
根据脉冲的数目可得出 根据脉冲的数目可得出 被测轴的角位移； 被测轴的角位移； 根据脉冲的频率可得被 根据脉冲的频率可得被 测轴的转速； 测轴的转速； 根据A 根据A、B两相的相位超 前滞后关系可判断被测轴 前滞后关系可判断被测轴 旋转方向。 旋转方向。 后续电路可利用A 后续电路可利用A、B两 相的90° 相的90°相位差进行细分 处理（四倍频电路实现）。
5.2.5 磁尺
磁尺位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电 路组成。 利用录磁的原理将一定周期变化的方波、正弦波 或脉冲电信号，用录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上 ，作为测量的基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺 上的磁信号转换成电信号，经过检测电路处理后，用 以计量磁头相对磁尺之间的位移量。 特点：对使用环境的条件要求较低，对周围磁场的抗 干扰能力较强，在油污、粉尘较多的地方使用有较好 的稳定性。
〔3) 可逆功率放大器 动电动机的电压。 动电动机的电压。
输出驱
(4)执行机构 永磁式直流伺服电动机 执行机构 SM作为带动负载运动的执行机构。 作为带动负载运动的执行机构。 作为带动负载运动的执行机构 (5)减速器 一般情况下负载的转速 减速器 时很低的， 时很低的，在点击和负载之间需要 设置减速器。 设置减速器。……
sinbis524524光电编码盘光电编码盘增量增量式结构及工作原理结构及工作原理光电码盘随被测轴一起转光电码盘随被测轴一起转动在光源的照射下透动在光源的照射下透过光电码盘和光欄板形成过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号光敏忽明忽暗的光信号光敏元件把此光信号转换成电元件把此光信号转换成电信号通过信号处理装置信号通过信号处理装置的整形放大等处理后输的整形放大等处理后输出
第九章位置随动系统共34页文档
第9章 位置随动系统
角位移检测元件——光电编码盘
光电编码盘(简称光电 码盘)也是目前常用的 角位移检测元件。编码 盘是一种按一定编码形 式(如二进制编码)，将 圆盘分成若干等分(图 9-5为16个等分)；并分 成若干圈，各圈对应着
编码的位数，称为码道。如图9－5所示的编码盘为四个 码道。图9-5a即为一个4位二进制编码盘，其中透明(白 色)的部分为“0”，不透明(黑色)的部分为“1”。由 不同的黑、白区域的排列组合即构成与角位移位置相对 应的数码，如“0000”对应“0”号位，“0011”对应
U K (i o) K
第9章 位置随动系统
角位移检测元件——圆盘式感应同步器
圆盘式感应同步器的结构如图9-4所示。其定子相当于直 线式感应同步器的滑尺，转子相当于定尺。其节距也是 2mm，而且定子中两个绕组相差也是1/4节距。工作原理 和特点与直线性感应同步器基本上是一样的。其测量角 位移的精度可达0.3″。
第9章 位置随动系统
机械特性 如前所述，电动机的机械特性是控制电压不变时， 转速与转矩间的关系。由于交流伺服电动机的转 子电阻较大，因此它的机械特性为一略带弯曲的 下垂斜线。即当电动机转矩增大时，其转速将下 降。对于不同的控制电压，它为一簇略带弯曲的 下垂斜线，见图9－11a。由图可见，在低速时， 它们近似为一簇直线，而交流伺服电动机较少用 于高速，因此有时近似作线性特性处理。这样， 交流伺服电动机的传递函数也可近似以式(9－2) 与式(9－3)
第9章 位置随动系统
第9章 位置随动系统
系统的组成框图
第9章 位置随动系统
系统框图
G(s)K1
(T0s1)(T1s1) K' K2
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θc(s) _ Eb(s) _
图2-2位置随动系统的方框图
由方框图写出系统的开环传递函数为： （2—2）
式中：La—电动机电枢绕组的电感
Ra—电动机电枢绕组的电阻
Km—电动机的转矩系数
Ke—与电动机反电势有关的比例系数
Ks—桥式电位器的传递系数
取电动机的额定功率PN=27KW，则可得：
则可得起动到额定转速时的转速超调量为：
，满足设计要求
取. ，由 得，
则电流超调量为： ，满足设计要求。
由式 得，
为了方便计算，取B=0.76，则
又因为 ，所以可得
由以上的分析及参数的选择，可得所设计的位置系统的开环传递函数为：
3系统的性能分析
3.1系统性能的时域分析
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。
由此该位置控制系统可简化为一个二阶系统，其原理图如图2-3所示：
图2-3近似后系统的方框图
将式（2-3）与二阶系统的闭环传递函数的标准形式比对：
（2-4）
可得：自然频率 （2-5）（a）
阻尼比ζ= （2-5）（b）
根据时域分析中讲过的公式，可以算出不同K值下系统的性能指标如表2-1。
表2—1时域指标的计算值
K
ξ
1
0.9
0.8
0.707
0.6
0.5
tr
11.1T
6.67T
4.71T
3.32T
2.42T
σp%
0
0.15
1.5
4.3
9.5
16.3
φMo
76.3o
73.5o
69.6o
65.5o
59.2o
51.8o
由上表可见，当开环放大倍数K越大，对应的阻尼比ξ越小，则相位裕量愈大，最大超调量愈小，但同时快速性将变差。令式（2-4）的分母多项式为零，得二阶系统的特征方程：
由于系统为I型系统，所以在单位阶跃信号作用下的稳态误差为：
由此可得Ⅰ型系统可实现无差跟随输入新号，设计满足稳态性能要求。
3.1.3系统动态性能的分析
在控制系统中，通常都希望控制系统都具有适度的阻尼，较快的响应速度和较短的调节时间，因此在该系统的设计中取ζ=0.707，即取K=1/2T。
延迟时间tdtd=(1+0.7ζ)/ =2.69（s）
3.1.1系统稳定性的判定
由系统的开环传函
得系统的特征方程为：
运用劳思判据判定系统的稳定性。写出系统的劳思表如下：
1195.2
3.120
195.2
根据劳思判据：线性系统稳定的充分必要条件是劳思表中第一列严格为正。由系统劳思表知，第一列中全为正数，所以该系统稳定。
3.1.2系统稳态性能的分析
系统的稳态误差计算公式如下：
峰值时间tp
ζ一定时, ↑→ ↓，而 一定时,ζ↑→ ↑。
超调量σ℅
σ%只与ζ有关，与 无关。
根据以上对系统的稳态性能的分析可概略画出位置系统在欠阻尼情况下的响应曲线。
=0(2-6)
其两个根（闭环极点）为： （2-7）
显然，二阶系统的时间响应取决于ζ和Wn这两个参数。根据式（2-5）中ζ， 与K，T之间的关系，可求出K和T与动态性能指标之间的关系，从而间接的得到了Ks，KA，J，B及i,Ke等系统参数与动态性能指标之间的关系。
2.3系统的参数选择
根据对系统设计的要求，取可控硅装置的放大倍数：Ka=40
Ka—放大器增益
i—减速器速比
J—折算到电动机轴上的总转动惯量
B—折算到电动机轴上的总粘性摩擦系数
如果略去电动机的电枢电感La，并令 , .其中，K1称为增益，F称为阻尼系数。那么在不考虑负载力矩的情况下，位置控制系统的开环传递函数可简化为： 其中，K=K1/F，称为开环增益，为需要选定的参数；T=J/F，称为机电时间常数，一般为系统保留下来的固有参数。则可得相应的闭环传递函数为： （2-3）
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。
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.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。
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。
上式表明，增大自然频率 或减小阻尼比ζ，都可以减小延迟时间。或者说，当ζ不变时，闭环极点距S平面的坐标原点越远，系统的延迟时间越短；而当 不变时，闭环极点距S平面的虚轴越近，系统的延迟时间越短。
调节时间ts
上升时间tr
可见，当阻尼比ζ一定时，阻尼角β不变，系统的响应速度与 成正比，而当阻尼震荡频率 一定时，阻尼比越小，上升时间越短。
位置随动系统
1）
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