位置随动系统建模与时域特性分析-自控
位置随动系统的分析与设计
位置随动系统的分析与设计1.系统需求分析-实时追踪目标位置:系统需要能够实时获取目标的位置信息,可以通过各种传感器如GPS、惯性测量单元等进行实现。
-实时控制移动对象:系统需要能够根据目标位置进行实时控制移动对象,例如调整机器人的航向、调整无人驾驶汽车的速度等。
-高精度定位:系统需要能够实现高精度的目标定位,以保证位置随动控制的准确性。
-快速响应:系统需要能够快速响应目标位置的变化,并及时调整移动对象的控制策略,以保持目标与移动对象之间的距离恒定。
-可靠性与鲁棒性:系统需要具备高可靠性和鲁棒性,能够应对传感器误差、环境变化等因素的影响。
2.系统设计-目标追踪模块:该模块用于实时获取目标的位置信息。
可以采用多种传感器,如GPS、激光测距仪等。
目标追踪模块需要具备高精度定位和高响应速度的特点,以确保位置信息的准确性和实时性。
-控制算法模块:该模块根据目标位置信息计算出移动对象的控制策略。
控制算法可以根据实际需求选择不同的模型,例如PID控制、模糊控制、最优控制等。
控制算法需要具备良好的控制性能和鲁棒性,以保证位置随动控制的稳定性和可靠性。
-控制器模块:该模块负责将控制策略转化为实际的控制指令,并对移动对象进行实时控制。
控制器可以采用硬件控制器或软件控制器的方式实现,也可以使用现有的控制器模块或定制开发控制器模块。
-反馈系统:该系统用于实时获取移动对象的状态信息,如位置、速度、加速度等。
反馈系统可以采用传感器进行实现,例如编码器、惯性测量单元等。
反馈系统可以为控制算法提供实时的状态反馈信息,以便对控制指令进行调整和优化。
3.系统实现位置随动系统的实现需要进行系统建模、算法设计和软硬件集成等工作。
在系统建模过程中,可以使用系统分析和系统设计方法,如UML建模、数据流图、状态转换图等,对系统进行建模和分析。
在算法设计过程中,可以根据系统需求和设计目标选择合适的算法,并进行仿真验证和优化调整。
在软硬件集成过程中,可以使用现有的软硬件平台,如嵌入式系统、机器人操作系统等,将设计好的算法和控制器模块集成到实际的系统中,并进行测试和调试。
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1 位置随动系统原理1.1 位置随动系统原理框图图1.1位置随动系统原理框图工作原理: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与位置比例的电压信号,并做出比较。
自动控制原理与系统第九章 位置随动系统
2、直流伺服电动机的结构特点
由于上述的要求,因此直流伺服电动机与普通 直流电动机相比,其电枢形状较细较长(惯量小), 磁极与电枢间的气隙较小,加工精度与机械配合要 求高,铁心材料好。
直流伺服电动机按照其励磁方式的不同,又可 分为电磁式(即他励式)(型号为SZ),(见图9-7a)和 永磁式(即其磁极为永久磁钢)(型号为SY)(见图9-b) 。
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。
(9-2) (9-3)
四、交流伺服电动机
1、交流伺服电动机的结构特点
交流伺服电动机也是自动控制系统中一种常用 的执行元件。它实质上是一个两相感应电动机。它 的定子装有两个在空间上相差90°的绕组:励磁绕 组A和控制绕组B。运行时,励磁绕组A始终加上一 定的交流励磁电压(其频率通常有50Hz或400Hz等几 种);控制绕组B则接上交流控制电压。常用的一种
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
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)表示。
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
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。
位置随动系统的分析与设计_自动控制原理课程设计
《自动控制原理》课程设计(简明)任务书——供09级电气工程与自动化专业学生用引言:《自动控制原理》课程设计是该课程地一个重要教案环节,既有别于毕业设计,更不同于课堂教案.它主要是培养学生统筹运用自动控制原理课程中所学地理论知识,掌握反馈控制系统地基本理论和基本方法,对工程实际系统进行完整地全面分析和综合. 一、设计题目:位置随动系统地分析与设计 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/s2,JL=0.03kg.m/s2,fL=0.08,Ce=1,Cm=3,f=0.1,Kb =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:设定:输入为r(t)=a+bt (其中:a=10, b=5) 在保证静态指标(ess≤0.3)地前提下, 要求动态期望指标:σ p ﹪≤15﹪;ts≤5sec ;五、基本要求:1. 建立系统数学模型——传递函数;2. 利用根轨迹方法分析系统:(1)作原系统地根轨迹草图;(2)分析原系统地性能,当原系统地性能不满足设计要求时,则进行系统校正.3.利用根轨迹方法综合系统:(1)画出串联校正结构图,分析并选择串联校正地类型(微分、积分和微分-积分校正);(2)确定校正装置传递函数地参数;(3)画出校正后地系统地根轨迹图,并校验系统性能;若不满足,则重新确定校正装置地参数.4.完成系统综合前后地有源物理模拟电路;六、课程设计报告: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,综合用根轨迹图一张;4、系统综合前后地模拟图各一张;5、总结(包括课程设计过程中地学习体会与收获、对本次课程设计地认识等内容);6、提供参考资料及文献;7、排版格式完整、报告语句通顺、封面装帧成册摘要随动系统是指系统地输出以一定地精度和速度跟踪输入地自动控制系统,并且输入量是随机地,不可预知地.在很多情况下,随动系统特制被控量是机械位移地比还控制系统 .控制技术地发展,使随动系统得到了广泛地应用.位置随动系统是反馈控制系统,是闭环控制,调速系统地给定量是恒值,希望输出量能稳定,因此系统地抗干扰能力往往显得十分重要.而位置随动系统中地位置指令是经常变化地,要求输出量准确跟随给定量地变化,输出响应地快速性、灵活性和准确性成了位置随动系统地主要特征.简言之,调速系统地动态指标以抗干扰性能为主,随动系统地动态指标以跟随性能为主.在控制系统地分析和设计中,首先要建立系统地数学模型.控制系统地数学模型是描述系统内部物理量(或变量)之间关系地数学表达式.在自动控制理论中,数学模型有多种形式.时域中常用地数学模型有微分方程、差分方程和状态方程;复数域中有传递函数、结构图;频域中有频率特.本次课程设计研究地是位置随动系统地滞后校正,并对其进行分析.关键字:随动系统性能分析digestServo system is to point to the output of the system with a certain the precision and speed of tracking input of the automatic control system, and is the input of random, unpredictable. In many cases, servo system special was charged with volume is mechanical displacement control system than also. Control the development of technology, make servo systems have been widely used.Position servo system is feedback control system, is the closed-loop control and speed regulation system for the quantitative value is constant, want to output quantity can stable, so the anti-interference ability of the system often become very important. And with the position of the position servo system instructions are often changes, requirement output accurate quantitative change to follow, the response of the output, flexibility and accuracy position servo system became the main features. In short, speed regulation system in dynamic index to anti-jamming performance is given priority to, servo system dynamic index to follow performance primarily.In the control system of the analysis and design, the first to establish the mathematical model of the system. The mathematical model of the control system is to describe the system internal parameters (or variables) of the relationship between the mathematical expressions. In automatic control theory, the mathematical model has a variety of forms. Commonly used in time domain of mathematical model of the ordinary differential equations, difference equation and state equation。
位置随动系统的分析与设计自动控制原理课程设计627036讲课教案
《自动控制原理》课程设计(简明)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BSTBSR相敏电流功率放大SM负载TG减速器θ1θ2K εuaun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:设定:输入为r(t)=a+bt (其中:a=10, b=5) 在保证静态指标(ess ≤0.3)的前提下,要求动态期望指标:σp ﹪≤15﹪;ts≤5sec;五、基本要求:1.建立系统数学模型——传递函数;2.利用根轨迹方法分析系统:(1)作原系统的根轨迹草图;(2)分析原系统的性能,当原系统的性能不满足设计要求时,则进行系统校正。
3.利用根轨迹方法综合系统:(1)画出串联校正结构图,分析并选择串联校正的类型(微分、积分和微分-积分校正);(2)确定校正装置传递函数的参数;(3)画出校正后的系统的根轨迹图,并校验系统性能;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、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,综合用根轨迹图一张;4、系统综合前后的模拟图各一张;5、总结(包括课程设计过程中的学习体会与收获、对本次课程设计的认识等内容);6、提供参考资料及文献;7、排版格式完整、报告语句通顺、封面装帧成册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。
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。
位置随动系统课程设计
课程设计任务书学生姓名: 王吉彪 专业班级:自动化1007指导教师: 陈启宏 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: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:任务 时间(天)审题、查阅相关资料1 分析、计算 1.5 编写程序 1 撰写报告 1 论文答辩0.5指导教师签名: 年 月 日 系主任(或责任教师)签名: 年 月 日1位置随动系统建模与分析1.1位置随动系统的原理分析1.1.1 位置随动系统原理图图1-1 位置随动系统原理图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.m2,Ce=Cm=0.4N.m/A,f=0.2N.m.s,减速比i=0.11.1.2 位置随动系统原理分析位置随动系统原理图如图1.1所示,主要由位置检测器、电压比较放大器、可逆功率放大器和执行机构几部分组成.系统中给定r θ为输入量,负载为受控量,它的转角为c θ,要求控制负载的转角位移c θ随着输入量r θ的变化变化并保持一致。
位置测量器为两个环形电位器构成的桥式电路,它测量出系统输入量个输出量的偏差角度c -r θθ并将其转换成为电信号,电信号经过放大后驱动电机旋转。
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。
位置速动系统的建模与分析
位置随动系统的建模与分析Modeling and analysis of the position servo system摘要abstract首先对直流电动机位置随动系统的工作原理进行解释, 然后建立了直流电动机位置随动系统的控制模型, 最后通过实例比较了其不同参数下的动态性能并做了分析。
Firstly, the operating principle of the DC motor po sition servo system is explained, and the control m ode of the position servo system is established. The dynamic performance of the different parameters and the analysis of the dynamic performance of th different parameters are compared with the examples.关键词: 直流电动机; 位置随动系统; 动态性能Key words: DC motor; position servo system;dynamic performance.一、背景意义位置随动系统是应用领域非常广泛的一类系统, 又称为侍服系统, 它的根本任务就是实现执行机构对位置指令( 给定量)的准确跟踪, 被控制量一般是负载的空间位移, 当给定量随机变化时, 系统能使被控制量准确无误地跟随并复现给定量。
位置随动系统在直流电动机中作为执行元件, 把输入的电压信号(控制信号)变换成转轴的角位移和角速度输出, 改变控制电压可以变更电动机的转速和转向。
直流侍服电动机有控制方便、工作特性线性度好等方面的突出优点。
不过直流侍服电动机也有缺点: 换向器和电刷的滑动接触, 接触电阻的变化使工作性能的稳定性受到影响; 刷下的火花使换向器需要经常维护, 又不能在易爆的地方使用。
位置随动系统..
概述
位置随动系统又称伺服(Servo)系统, 主要解决对象的位置控制问题,根本任务就 是实现执行机构对位置指令的准确跟踪。因 此,位置随动系统必定是一个具有位置反馈 的闭环控制系统。
位置随动系统是狭义的随动系统。
4.1.1 位置随动系统的应用
减速器的输入量为电机转速n,输出量 为机械转角θm(o),若时间 t 以s为单位,则
m
n i
360 60
dt
6 i
ndt
i:减速器速比
经Laplace变换
Wg
(s
)
m
n
6 is
Kg s
系统的数学模型
θ*m(s)
+
Δθm
-
Ubs Kbs
Kph Tphs+1
Uph
Uct
WAPR(s)
3. 位置随动系统的并联校正
并联校正的基本思想: 在被调量负反馈之内,再加上被调量的
微分反馈。这样当被调量还没有变化但已有 变化趋势的时候,其微分就已经起着负反馈 作用了,因而有助于抑制振荡,减小超调。
3. 位置随动系统的并联校正
位置的微分是转速,因此,采用转速负反馈 可以很方便地组成位置随动系统的并联校正。
θ*m(s)
+
位置调节器
APR U*n(s)
ASR
+
-
-
θm(s)
U* (s)
- Ui(s)
U*i(s)
+
ACR Uct(s)
数字转速 信号形成
UPE
[VIP专享]位置随动系统建模与频率特性分析
目录摘要 (I)1位置随动系统的分析 (1)1.1位置随动系统建模分析 (1)1.2位置随动系统总体分析 (1)1.2.1随动系统的基本原理图 (1)1.2.3 随动系统的基本原理分析 (2)2位置随动系统的原理 (3)2.1位置随动系统各部分基本工作原理 (3)2.1.1环形电桥电位器 (3)2.1.2测速电机部分 (4)2.1.3放大器部分 (5)2.1.4伺服电机部分 (5)2.1.5 减速器 (7)2.2系统结构图和信号流图 (8)2.2.1系统结构图 (8)2.2.2系统信号流图 (10)2.3 系统的传递函数 (10)3系统开环传递函数图像绘制与稳定性判断 (11)3.1开环传递函数伯德图像绘制 (11)3.2开环传递函数奈奎斯特图像绘制 (11)3.3截止频率、相角裕度和幅值裕度 (12)4 系统的闭环传递函数的单位阶跃响应 (13)4.1闭环传递函数在单位阶跃输入下响应图像绘制 (13)4.2闭环传递函数输入响应误差分析 (15)结束语 (17)参考文献 (18)摘要自动控制技术是生产过程中的关键技术,也是许多高新技术产品中的核心技术。
自动控制技术几乎渗透到国民经济的给各个领域及社会生活的各个方面,是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人瞩目的高科技,是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术。
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。
本次设计任务是分析一个位置随动系统,本文通过开始的各个环节的数学建模,逐个推导各环节的数学传递函数,继而综合总的结构框图,计算出总的系统的传递函数。
在建立了传递函数的基础上,进一步作频率特性分析,绘制出理论分析的系统的伯德图和奈奎斯特曲线。
再由单位阶跃响应曲线可以得到相应的暂态指标和稳态指标,然后通过指标分析,总结出系统的性能,再反思得出各种指标参数的原因和相互关系。
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: 谭思云 工作单位: 自动化学院题 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=8,电桥增益2=εk ,测速电机增益15.0=t k ,Ra=7.5Ω,La=12mH ,J=0.0006kg.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。
时间安排:1、课程设计任务书的布置,讲解(一天)2、根据任务书的要求进行设计构思。
(一天)3、熟悉MATLAB中的相关工具(一天)4、系统设计与仿真分析。
(四天)5、撰写说明书。
(两天)6课程设计答辩(一天)指导教师签名:年月日系主任(或责任教师)签名:年月日摘要自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。
它的发展初期,是以反馈理论为基础的自动调节原理,并主要用于工业控制。
控制理论在几十年的发展中,经历了从经典理论到现代理论再到智能控制理论的阶段,并有众多的分支和研究发展方向。
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。
位置随动系统是反馈控制系统,是闭环控制,调速系统的给定量是恒值,希望输出量能稳定,因此系统的抗干扰能力往往显得十分重要。
而位置随动系统中的位置指令是经常变化的,要求输出量准确跟随给定量的变化,输出响应的快速性、灵活性和准确性成了位置随动系统的主要特征。
自动控制原理与系统第6章 位置随动系统性能分析
6.1.5 执行机构 1.直流伺服电动机
直流伺服电动机的作用是将控制电压信号转换成转轴上的 角位移或角速度输出,通过改变控制电压的极性和大小,就能 改变电动机的转向和转速,实质上是一台他励式直流电动机。 优点是效率高、控制性能好(控制电压为零时,可自行停转)、 具有宽广的调速范围,功率范围较大,适用于中、大功率随动 系统。
5.系统的校正设计
(1)采用串联校正 有如下结论:降低增益,将使系统的稳定性改善, 但使系统的快速性和稳态精度变差。PD校正将使系统 的稳定性和快速性改善,但是抗高频干扰能力明显下 降。PI校正将使系统的稳态性能得到明显的改善,但 使系统的稳定性变差。PID校正兼顾了系统稳态性能 和动态性能的改善,因此在要求较高的场合多采用 PID)校正。
所以,位置单环随动系统仅适用于负载小、非 线性因素不强、扰动不大的场合。
2.位置转速负反馈双环系统
3.复合控制随动系统
利用前馈和反馈相结合的方法,构成复合 控制随动系统,可以有效地提高系统精度和 动态品质,因此也得到广泛应用。
6.2.2 位置随动系统的基本类型
1.按控制方式 (1)误差控制的随动系统——系统运动的快慢取决于误差的大小, 误差为零时,系统相对静止。 (2)复合控制系统——按输入信号微分和系统误差综合控制的系统 。特点是系统的运动取决于输入信号的变化率(速度或加速度)和系统误 差信号的综合作用。 2.按组成系统元件的物理性质 (1)电气随动系统一一除机械部件外,均为电气元件。包括直流随 动系统和交流随动系统。 (2)电气一液压随动系统——误差测量和放大部分是电气的,系统 的功率放大和执行机构则是液压系统。 3.按系统信号特点: (1)连续随动系统——系统中传递的电信号是连续的,属于模拟式 控制。 (2)数字随动系统——系统中传递的电信号有离散的脉冲数字信号 ,系统的运动靠数字量控制。系统中必须有A/D,D/A转换器。 (3)脉冲一相位随动系统——系统的输入、输出均为方波脉冲,按 输入、输出方波脉冲的相位差来控制系统的运动。
基于自整角机的位置随动系统设计与分析.
1、位置随动系统的简介1.1 随动系统的结构原理位置随动系统是一种位置反馈控制系统,因此,一定具有位置指令和位置反馈的检测装置,通过位置指令装置将希望的位移转换成具有一定精度的电量,利用位置反馈装置随时检测出被控机械的实际位移,也把它转换成具有一定精度的电量,与指令进行比较,把比较得到的偏差信号放大以后,控制执行电机向消除偏差的方向旋转,直到达到一定的精度为止。
这样,被控制机械的实际位置就能跟随指令变化,构成一个位置随动系统【3】。
下面我们结合实际,介绍一个位置随动系统的一般工作过程。
原理图如图1所示。
图1 位置随动系统原理框图工作过程:因为系统存在惯性,当输入X(t)变化时,输出Y(t)难以立即复现,此时Y(t)≠X(t),即:e(t)= Y(t)―X(t)≠0,——测量元件将偏差e(t)转换成电压输出——经小信号放大器放大,功率放大器——执行电机转动——减速器——使被控对象朝着消除误差的方向运动,只要X(t)≠Y(t),就有e(t)≠0,执行电机就会转动,一直到偏差e(t)=0,执行电机停止转动,此时系统实现了输出量Y(t)对输入量X(t)的复现。
当X(t)随时间变化时,Y(t) 就跟着X(t)作同样变化,这种现象就称为随动【3】。
1.2 位置随动系统的分类随着科学技术的发展,出现了各种类型的随动系统。
由于位置随动系统的基本特征体现在位置环上,体现在位置给定信号和位置反馈信号及两个信号的综合比较方面,因此可根据这个特征将它划分为两个类型,一类是模拟式随动系统,另一类是数字式随动系统【4】。
模拟式随动系统的各种参量都是连续变化的模拟量,其位置检测器可用电位器,自整角机,旋转变压器,感应同步器等。
负载是雷达天线的模拟式位置随动系统的原理图见图2,一般是在调速系统的基础上外加一个位置环组成,它是最常见的。
图2 模拟式随动系统原理框图由于模拟式检测装置的精度收到制造上的限制,不可能做的很高,从而影响了整个模拟式随动系统的精度。
位置随动系统建模与频率特性分析报告
实用标准文案目录1位置随动系统的分析 (2)1.1位置随动系统建模分析 (2)1.2位置随动系统总体分析 (2)1.2.1随动系统的基本原理图 ...........................................21.2.2随动系统的基本原理结构图 .......................................21.2.3随动系统的基本原理分析 (3)2位置随动系统的原理 (4)2.1位置随动系统各部分基本工作原理 (4)2.1.1环形电桥电位器 .................................................42.1.2放大器 .........................................................52.1.3直流伺服电动机 .................................................62.1.4测速发电机 .....................................................72.1.5减速器 .........................................................82.1.6系统的信号流图 .................................................92.1.7系统的闭环传递函数 (10)3位置随动系统的开环传递函数图像绘制与稳定性判断 (11)3.1开环传递函数伯德图像绘制 (11)3.2开环传递函数奈奎斯特图像绘制 (12)3.3由开环传递函数求出开环系统的截止频率、相角裕度和幅值裕度。
(12)4位置随动系统的闭环传递函数在输入下的响应 (13)4.1闭环传递函数在单位阶跃输入下响应图像绘制 (13)4.2闭环传递函数在斜坡信号输入下响应图像绘制 (14)4.3闭环传递函数输入响应误差分析 (15)5当Ka由0到∞变化时根轨迹的绘制 (16)5.1等效开环传递函数的推导 (16)5.2根轨迹的绘制 (16)6对系统进行超前校正 (17)7心得体会及参考文献 (20)精彩文档.实用标准文案1位置随动系统的分析1.1位置随动系统建模分析在分析系统时由于所给的系统是其原理图,分析的时候很复杂,需要将系统进行建模分析,根据数学公式分析起来就会简单得多。
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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 01.1 各部分传递函数 01.1.1 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)位置随动系统建模与时域特性分析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。
1 系统建模及分析1.1 各部分传递函数1.1.1 电位器传感部分电位器传感部分如图1所示:图1 电位传感器部分元件微分方程: )()]()([)(t k t t k t u c r εεεεθθθ=-= 在零初始条件下进行拉氏变换 )()(s k s u εεεθ= 传递函数: εεεθks s u s G ==)()()(1 1.1.2 放大器部分放大器部分如图2所示:元件微分方程: )()(t u k t u a a = 在零初始条件下进行拉氏变换:)()(s u k s u a a = 传递函数: a a k s u s u s G ==)()()(2 1.1.3 电动机部分电动机部分如图3所示:元件微分方程:在零初始条件下进行拉氏变换:32()()()()()()a m a a m a m e m m a L Js s L f R J s s R f C C s s c u s θθθ++++=图2 放大器部分图3 电动机部分3232()()()()()()m m m a a a a m em a d t d t d t L J L f R J R f C C c u t dt dt dtθθθ++++=传递函数:1.1.4 测速发电机部分测速发电机部分如图4所示:元件微分方程:在零初始条件下进行拉氏变换: ()()t t m u s k s s θ=传递函数: 1.1.5 减速器部分减速器部分如图5所示:元件微分方程: )(1)(t i tm c θθ=在零初始条件下进行拉氏变换: )(1)(s is m c θθ=传递函数: is s s G m c 1)()()(5==θθ 图4 测速发电机部分432()()()()()m ma a a a a m e s C G s u s L Js L f R J s R f C C sθ==++++()()m t td t u t k dtθ=3()()()t tm u s G s k s s θ==图5 减速器部分1.2 位置随动系统建模1.2.1 结构图系统结构图如图6所示1.2.2 信号流图信号流图如图7所示:其中 ))((2fs Js R L C G a a m++=1.3 开闭环传递函数1.3.1 开环传递函数sC K K C C f R s J R f L Js L i C K K s G m t a e m a a a a ma )()()(23+++++=ε 图6 系统结构图图7 信号流图由于a L 较小,故可以忽略,那么开环传递函数为:sC K K C C f R i Js iR C K K s G m t a e m a a ma )()(2+++=ε代入参数得:ss s G 353.302647.02.588)(2+=1.3.2 闭环传递函数iCK K s C K K C C f R s J R f L Js L iC K K s ma m t a e m a a a a ma εε++++++=Φ)()()(23由于a L 较小,故可以忽略,那么闭环传递函数为:ma m t a e m a a ma C K K s C K K C C f R i Js iR C K K s εε++++=Φ)()(2代入参数得: 2.588353.302647.02.588)(2++=Φs s s2 绘制根轨迹曲线由开环传递函数sC K K C C f R i Js iR C K K s G m t a e m a a ma )()(2+++=ε得:sK s K s K s K s G a aa a )20340(95000)08.036.1(036.020)(22++=++=以非开环增益为可变参数绘制根轨迹:0)20340(9500012=+++s K s K a a 解得: 134095000202-=++ss s K a等效开环传递函数 ss s K s G a3409500020)(2++='在MATLAB 中编写绘制根轨迹曲线的程序如下: >> num=[50 12500]; >> den=[18 725 0];>> rlocus(num,den);得到根轨迹图,如图8:3 10=a K 时系统各项性能指标将10=a K 代入闭环传递函数表达式得:500005409500005000)20340(95000)(22++=+++=Φs s K s K s K s a a a开环传递函数: ss s G 540950000)(2+=图8 系统根轨迹图3.1 单位阶跃响应曲线在MATLAB 中编写绘制单位阶跃响应曲线的程序如下: >> num=[5000]; >> den=[9 2340 5000];>> step(num,den);得到系统单位阶跃响应曲线,如图9:由图2可知:超调量%25.1%σ= 峰值时间0.046p t s = 调节时间0.113s t s = 稳态误差0ss e =3.2 各项性能指标计算值由50000540950000)(2++=Φs s s 可得: 图9 10=a K 时系统单位阶跃响应曲线自然频率5.74=n ω 阻尼比0.402ς=超调量%100%25.1%eσ=⨯=峰值时间0.046p t s ==调节时间 3.50.117s nt s ξω==稳态误差()()()()2200060lim limlim 01605556ss s s s s s s sR s e sE s G s s s →→→+====+++ 4系统阻尼比为0.7时各种性能指标4.1阻尼比为0.7时a K 值的计算由aa aK s K s K s 5000)20340(95000)(2+++=Φ可得: 950002anK =ω 9340202+=a n K ζω 解得 56.1=a K 或者3.185=a K (舍去)则 ()78002.371978002++=Φs s s其中:自然频率n ω=29.44在MATLAB 中编写绘制单位阶跃响应曲线的程序如下: >> num=[7800]; >> den=[9 371.2 7800]; >> step(num,den);得到此时系统单位阶跃响应曲线,如图10:由图3可知: 超调量=⨯=--%100%21ξπξσe 4.6%峰值时间s t n p149.012=-=ξωπ调节时间s t ns 194.05.3==ξω图10 56.1=a K 时系统单位阶跃响应曲线图稳态误差()()()()07.8662.412.41lim 1limlim 22000=+++=+==→→→s s ss s s G s sR s sE e s s s ss 4.2 性能指标对比在MATLAB 中输入以下程序进行图形对比: >> num=[7800]; >> den=[9 371.2 7800]; >> step(num,den); >> hold on >> num=[50000]; >> den=[9 540 50000]; >> step(num,den); >> hold off得到性能指标对比如图11:图11 性能指标对比图由上表及图11可知,系统阻尼比增大会使超调量减小,峰值时间增大,调节时间增大,但稳态误差不变。