位置随动控制系统设计与实现
激光切割Z轴位置随动控制系统设计
激光切割Z轴位置随动控制系统设计孙玉国;刘慧颖【摘要】针对激光切割和等离子切割等特种加工过程中需要实时调整切割头与板材间隙的问题,研制一款位移随动控制系统.采用AD7746电容转换器实现了毫米级间隙测量;以STC15单片机作为控制器对丝杆螺母机构进行PID闭环控制;编写RS-485上位机监控程序.实验结果表明:所研制的随动控制系统间隙跟随精度+0.1mm,最大跟随速度50mm/s,这为今后研制高速跟随控制系统奠定了基础.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2018(047)012【总页数】3页(P16-18)【关键词】激光切割;随动系统;微小间隙检测;PID控制律【作者】孙玉国;刘慧颖【作者单位】上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海 200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TG4850 引言在激光切割和等离子切割等特种加工过程中，要求切割头与板材之间始终保持一定的间隙值（典型范围为1～3 mm）：间隙值过小会烧灼板材，间隙值过大则聚光能量不足、加工件出现毛刺[1-3]。
从运动控制原理来看，这是一个典型的位移随动负反馈控制系统[4-8]。
目前，国内激光切割和等离子切割设备生产厂家一般不具备位移随动控制系统的研发能力，多通过购买国外的调高器与设备的X、Y轴实现联动。
鉴于以上工程背景，设计一款丝杆螺母驱动的位移随动控制系统，其跟随精度+0.1 mm，最大跟随速度50 mm/s，可望为国内激光切割设备生产厂家的自主研发提供理论参考。
1 位移随动控制系统框图位移随动控制系统框图如图1所示：受机架振动和板材自身凹凸不平的影响，切割头与板材之间的间隙会时刻发生变化，可由变间隙式电容传感器检测。
通过PID 负反馈控制，可在线调节滚珠丝杠滑台的运动速度和运动方向，从而实时调整切割头与板材之间的间隙值。
可通过RS-485接口与工控机进行通信，以便于Z轴间隙数的设定以及与X、Y轴控制系统的集成。
《自动控制原理》课程设计位置随动系统的超前校正
位置随动系统的超前校正1 设计任务及题目要求1.1 初始条件图1.1 位置随动系统原理框图图示为一随动系统，放大器增益为Ka=59.4，电桥增益Kτ=6.5,测速电机增益Kt=4.1,Ra=8Ω,La=15mH,J=0.06kg.m/s2JL =0.08kg.m/s2,fL=0.08,Ce=1.02,Cm=37.3,f=0.2,Kb＝0.1,i=11.2 设计任务要求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、出开环系统的截至频率、相角裕度和幅值裕度，并设计超前校正装置，使得系统的相角裕度增加10度。
3、用Matlab对校正前后的系统进行仿真分析，比较其时域相应曲线有何区别，并说明原因。
2 位置随动系统原理2.1 位置随动系统工作原理工作原理：该系统为一自整角机位置随动系统，用一对自整角机作为位置检测元件，并形成比较电路。
发送自整角机的转自与给定轴相连；接收自整角机的转子与负载轴（从动轴）相连。
TX 与TR 组成角差测量线路。
若发送自整角机的转子离开平衡位置转过一个角度1θ，则在接收自整角机转子的单相绕组上将感应出一个偏差电压e u ，它是一个振幅为em u 、频率与发送自整角机激励频率相同的交流调制电压，即sin e em u u t ω=⋅在一定范围内，em u 正比于12θθ-，即12[]em e u k θθ=-，所以可得12[]sin e e u k t θθω=-这就是随动系统中接收自整角机所产生的偏差电压的表达式，它是一个振幅随偏差（12θθ-）的改变而变化的交流电压。
因此，e u 经过交流放大器放大，放大后的交流信号作用在两相伺服电动机两端。
电动机带动负载和接收自整角机的转子旋转，实现12θθ=，以达到跟随的目的。
为了使电动机转速恒定、平稳，引入了测速负反馈。
系统的被控对象是负载轴，被控量是负载轴转角2θ，电动机施执行机构，功率放大器起信号放大作用，调制器负责将交流电调制为直流电供给直流测速发电机工作电压，测速发电机是检测反馈元件。
电力拖动自动控制系统：运动控制系统：第九章
图9-12 双环位置伺服系统结构图
§9.3伺服系统的设计
三.双环位置伺服系统
系统的开环传递函数为
W op (s)
系统的开环放大系数
K p ( i s 1) CT /( jJ ) K ( i s 1) 3 2 is s (Ti s 1) s (Ti s 1)
K
三.双环位置伺服系统
由Routh稳定判据求得系统稳定的条件
i d Ti ( i d ) K ( i d )( i d Ti ( i d )) 1
图9-13 采用PID控制的双环控制伺服系统开环传递函数对数幅频特性
§9.3伺服系统的设计
常用的调节器有比例－微分（PD）调节器、比例－积分（PI）调 节器以及比例－积分－微分（PID）调节器，设计中可根据实际 伺服系统的特征进行选择。
§9.3伺服系统的设计
一.调节器及其传递函数
在系统的前向通道上串联PD调节器校正装置，可以使相位超前， 以抵消惯性环节和积分环节使相位滞后而产生的不良后果。
机械传动机构的状态方程
d m dt j
§9.2伺服系统控制对象的数学模型
一.直流伺服系统控制对象的数学模型
驱动装置的近似等效传递函数
状态方程
Ks Ts s 1
dUd 0 Ks 1 Ud0 uc dt Ts Ts
§9.2伺服系统控制对象的数学模型
一.直流伺服系统控制对象的数学模型
图9-11 双环位置伺服系统
§9.3伺服系统的设计
三.双环位置伺服系统
忽略负载转矩时，带有电流闭环控制对象的传递函数为
Wobj ( s )
PLC—自整角机随动控制系统
PLC—自整角机随动控制系统作者：陆晨吴东御来源：《消费电子》2012年第17期摘要：运用永磁低速同步电动机和自整角机测角位移的工作原理来实现随动系统的运行，PLC A/D工作模块的工作原理调控控制系统，通过PLC技术、伺服系统位置测量技术和机械传动技术，形成了机电一体化的实践平台。
关键词：随动系统；永磁同步低速电动机；自整角机；PLC A/D模块中图分类号：TP275 文献标识码：A 文章编号：1674-7712（2012）14-0071-01对于自整角机随动控制系统，在以往是通过机械结构传动来控制的，本项目通过机电一体化随动控制系统来改变机械位置或角度。
这样的装置耗能少、工作效率高。
一、角位移随动系统的现状与总体设计原理（一）角位移随动系统的现状目前的角位移随动控制系统，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，工业自动导引的运动，国防上的雷达跟踪、导弹制导、火炮瞄准等。
在现代计算机集成制导系统（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。
位置随动系统可以分为两类，开环控制系统和闭环控制系统。
相对于闭环控制系统而言，开环控制系统设计更加简单，但其在跟随精度上可能不如闭环控制系统。
但对于一般系统而言开环系统足矣。
（二）总体设计原理本设计的角位移随动系统采用开环设计，首先，通过两台同步电机分别对两根轴驱动，两根轴分别带动三相对接的两台自整角机的转子，当两根轴的转速不同时，输出交流误差电信号，并将此交流电信号经过相敏解调器转换为直流电信号，再输入PLC的AD模块，最后通过PLC驱动电机改变转速，消除转动误差，使两根轴达到同步随动的效果。
二、自整角机的选用及其工作原理（一）自整角机介绍自整角机是利用自整步特性将转角变为交流电压或由转角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。
一类位置随动系统的测速反馈控制
一类位置随动系统的测速反馈控制1位置随动系统原理1.1位置随动系统工作原理图1-1位置随动系统原理图该系统为一自整角机位置随动系统，用一对自整角机作为位置检测元件，并形成比较电路。
发送自整角机的转子与给定轴相连：接收自整角机的转子与负载轴（从动轴）相连。
TX 与TR 组成角差测量线路。
若发送自整角机的转子离开平衡位置转过一个角度r θ，则在接收自整角机的单相绕组转子的单相绕组上将感应出一个偏差电压e u ，它是一个振幅为em u 、频率与发送自整角机激励相同的交流调制电压。
即sin e em u u t ω=∙在一定范围内，em u 正比于r c θθ-，即[]em e r c u k θθ=-，所以可得[]sin e e r c u k t θθω=-这就是随动系统中接收自整角机所产生的偏差电压的表达式，它是一个振幅随偏差()r c θθ-的改变而改变的交流电压。
因此，e u 经过交流放大器放大，放大后的交流信号作用在两相伺服电动机两端。
电动机带动负载和接收自整角机的转子旋转，实现r c θθ=，以达到跟随的目的。
为了使电动机转速恒定、平稳，引入了测速负反馈。
系统的被控对象是负载轴，被控量使负载轴转角c θ，电动机是执行机构，功率放大器器信号放大作用，调制器负责将交流调制为直流电供给直流测速发电机工作电压，测速电动机是检测反馈元件。
1.2单元电路模块分析1.2.1自整角机自整角机是常用的位置检测装置，将角位移或者直线位移转换成模拟电压信号的幅值或相位。
自整角机作为角位移传感器，在位置随动系统中是成对使用的。
与指令轴相连的是发送机，与系统输出轴相连的是接收机。
则自整角机的表达式为()[()()]()r c u t K t t K t εεθθθ=-=∆在零初始条件下，拉氏变换为()()u s K s εθ=∆，则自整角机的传递函数为1()()()u s G s K s εθ==∆ 自整角机的结构图如图1-2所示图1-2 自整角机1.2.2功率放大器由于运算放大器具有输入阻抗很大，输出阻抗小的特点，在工程上被广泛用来作信号放大器。
自动控制原理课程设计
前言一般来说，随动控制系统要求有好的跟随性能。
位置随动系统是非常典型的随动系统，是个位置闭环反馈系统，系统中具有位置给定，位置检测和位置反馈环节，这种系统的各种参数都是连续变化的模拟量，其位置检测可用电位器、自整角机、旋转变压器、感应同步器等。
位置随动系统中的给只给定量是经常变动的，是一个随机量，并要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应具有快速性、灵活性和准确性。
为了保证系统的稳定性，并具有良好的动态性能，必须设有校正装置，如在正向通道中设置串联校正装并联校正装置等，为了提高位置随动系统的控制精度，还需要增加系统的开环放大倍数或在系统中增加积分环节等。
坦克火控系统等控制系统归根结底主要是依赖于位置随动系统的控制问题，其根本任务就是以足够的控制精度通过执行机构实现被控目标即输出位置对给定量即输入位置的及时和准确的跟踪。
1.控制系统的设计步骤根据综述所述，坦克火炮控制系统可抽象为位置随动系统，主要解决位置跟随的控制问题，其根本任务就是通过执行机构实现被控量即输出位置对给定量即输入位置的及时和准确的跟踪，并要求具有足够的控制精度。
根据设计任务的要求，本设计采用双闭环系统，实现输出信号对输入信号的跟踪和复现。
初步设计的环节如下角差检测装置可以选择电位器组成的检测器，或者自整角机检测装置。
有两个运算放大器环节：第一个运放为角差检测装置，它可以选择可以选择电位器组成的检测器，或者自整角机检测装置。
第二个运算放大器：给定电压与反馈电压在此合成，产生偏差电压，将经过该运算放大器放大。
功率放大器：给定电压与反馈电压在此合成，产生偏差电压，经过放大器放大。
执行部件：系统中执行元件可选用电枢控制直流伺服电动机和两相伺服电动机，电枢控制的直流伺服电动机在控制系统中广泛用作执行机构，能够实现对被控对象的机械运动的快速控制。
减速器：减速器对随动系统的工作有重大影响，减速器速比的选择和分配将影响到系统的惯性矩，并影响到快速性。
机电一体化系统设计伺服系统设计
二、伺服电机及其控制
2 直流电机的功率驱动 直流电机的调速电路目前以脉冲宽度调制电路应
用最为广泛.
桥式(H形)PWM变换器主电路
二、伺服电机及其控制
作用在电机两端的 平均电压为：
UAB(2Tton1)Us
二、伺服电机及其控制 3 直流伺服系统模型
二、伺服电机及其控制
1校正环节：一般速度环调节器为比例环节 G1S =Kp
1 系统等效转动惯量 的计算
系统运动部件动能的总和J d为x
E1 2im 1Mi Vi21 2jn1Jj
2 j
二、伺服系统稳态设计
设等效到执行元件输出轴上的总动能为
Edx
1 2
Jdx
d2
根据动能不变的原则,有 Edx ,E系统等效转动惯量
为
Jdxim 1Mi Vid2jn1Jj dj 2
一、方案设计
4．控制系统方案的选择 控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机
控制方式、驱动电路等的选择.常用的微型机有单 片机、单板机、工业控制微型机等,其中单片机由 于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多 方面的优越性,在伺服系统的控制中得到了广泛的 应用.
二、伺服系统稳态设计
系统方案确定后,应进行方案实施的具体化设 计,即各环节设计,通常称为稳态设计.其内容主要 包括执行元件规格的确定、系统结构的设计、系 统惯量参数的计算以及信号检测、转换、放大等 环节的设计与计算.稳态设计要满足系统输出能力 指标的要求.
可按下面公式计算
360
0பைடு நூலகம்
Zm
式中 为步距角； Z为转子上的齿数；m为
步进电动机运行的拍数.
同一台步进电动机,因通电方式不同,运行时步 距角也是不同的
自动控制原理第五版课后答案完整版
1-1 图1-2是液位自动控制系统原理示意图。在任意情况下，希望液面高度c维持不变，试说明系统工作原理并画出系统方块图。
图1-2 液位自动控制系统
解：被控对象：水箱；被控量：水箱的实际水位；给定量电位器设定水位（表征液位的希望值）；比较元件：电位器；执行元件：电动机；控制任务：保持水箱液位高度不变。
（4）因为c(t)的表达式中r(t)的系数为非线性函数，所以该系统为非线性系统。
（5）因为该微分方程不含变量及其导数的高次幂或乘积项，且各项系数均为常数，所以该系统为线性定常系统。
（6）因为c(t)的表达式中包含变量的二次项，表示二次曲线关系，所以该系统为非线性系统。
（7）因为c(t)的表达式可写为，其中，所以该系统可看作是线性时变系统。
解：（1）
① n＝3，根轨迹有3条分支,且均趋于无穷远处；
② 实轴上的根轨迹：[-50,0],(00];
③ 渐进线：，；
④ 分离点：
求解得：，（舍去）；
作出根轨迹如图所示：
（2）临界开环增益为根轨迹与虚轴交点对应的开环增益。
令，代入，并令其实部、虚部分别为零，即
，
解得：（舍去）
当时，
当时，
当时，
3-11设随动系统的微分方程为
其中，T１、Ｔ２和K２为正常数。若要求r(t)=1+ t时，c(t)对r(t)的稳态误差不大于正常数ε０，试问K１应满足什么条件?
分析：先求出系统的误差传递函数，再利用稳态误差计算公式，根据题目要求确定参数。
解： 由题意知：
因为该系统为Ⅰ型系统，且输入为单位速度信号时，系统的稳态误差为0.1，即
所以：
自动跟随小车的系统设计
自动跟随小车的系统设计发布时间：2021-10-29T14:49:08.823Z 来源：《论证与研究》2021年9期作者：李成龙 裘 实 车玉倩 杨 凌[导读] 摘要：如今，随着社会经济的快速发展和城市人口的快速增加，城市的交通压力越来越大，严重的交通堵塞和交通事故时有发生。
因此，解决交通问题迫在眉睫，仅仅依靠交通管理部门是远远不够的。
也有必要从科技的角度来解决这个问题。
随着人工智能技术的快速发展，小车的智能化设计已经成为一种趋势，自动跟车逐渐进入人们的视野，而具有自动跟车功能的行李箱，如京东无人配送，也进入了商用。
自动跟车系统通过安装在小车上的传感器获取道路信息，通过通信技术实现车与车之间的通信，辅以算法分析，从而实现小车的自动跟车行驶。
自动跟车系统还可以降低堵车概率，检测可能发生的危险事故，避免交通事故。
自动跟随小车的系统设计李成龙 裘 实 车玉倩 杨 凌（南京工程学院 江苏 南京 211167） 摘要：如今，随着社会经济的快速发展和城市人口的快速增加，城市的交通压力越来越大，严重的交通堵塞和交通事故时有发生。
因此，解决交通问题迫在眉睫，仅仅依靠交通管理部门是远远不够的。
也有必要从科技的角度来解决这个问题。
随着人工智能技术的快速发展，小车的智能化设计已经成为一种趋势，自动跟车逐渐进入人们的视野，而具有自动跟车功能的行李箱，如京东无人配送，也进入了商用。
自动跟车系统通过安装在小车上的传感器获取道路信息，通过通信技术实现车与车之间的通信，辅以算法分析，从而实现小车的自动跟车行驶。
自动跟车系统还可以降低堵车概率，检测可能发生的危险事故，避免交通事故。
关键词：智能小车；自动跟随；系统设计本文以AT89S52单片机为核心，结合多个功能模块，设计了一种自动随动小车系统。
该系统利用QTI传感器监测的位置，控制两台电机的运行，从而实现两车的跟踪。
利用HC-05蓝牙设备实现两车之间的通信，通过控制两车的速度来保持两车之间的距离相对恒定。
8 位置随动系统解析
指导教师评定成绩：审定成绩：重庆邮电大学自动化学院自动控制原理课程设计报告设计题目：位置随动系统单位（二级学院）：学生姓名：专业：班级：学号：指导教师：设计时间：重庆邮电大学自动化学院制目录一、设计题目 (2)二．报告正文 (3)摘要 (3)2．1 问题一的分析与求解 (4)2．2 问题二的分析与求解 (5)2．3 问题三的分析与求解 (10)2．4 问题四的分析与求解 (14)三、设计总结 (18)四、参考文献 (19)五、附录 (20)附录一 (20)附录二 (20)一、 设计题目自动控制原理课程设计任务书1某位置随动系统原理如下图所示。
输入量为转角r θ，输出量为转角c θ，p R 为圆盘式滑动电位器，SM 为伺服电动机，TG 为测速发电机。
要求：（１）查阅相关资料，分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。
（２）分析系统每个环节的输入输出关系，代入相关参数求取系统传递函数。
（３）分析系统时域性能和频域性能。
（４）运用根轨迹法或频率法校正系统，使之满足给定性能指标要求。
（已知条件和性能要求待定）二、设计报告正文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。
控制技术的发展，使随动系统得到了广泛的应用。
位置随动系统是反馈控制系统，是闭环控制，其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。
本次课程设计研究的是一类位置随动系统的滞后校正，首先通过分析原理求出传递函数，并利用主导极点进行降阶，得出一个二阶系统传递函数，并通过MATLAB分析时域和频域的各个性能，得出相角裕度太小和超调量太大，然后设计PD控制装置，改善系统的阻尼比，来使系统的各个性能达到要求。
自动控制原理课程设计-雷达天线伺服控制系统要点
雷达位置伺服系统校正班级： 0xx班学号： xx姓名： xx指导老师： x老师—2011.12雷达位置伺服系统校正一、雷达天线伺服控制系统(一) 概述用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。
又称随动系统。
在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。
伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。
它是由若干元件和部件组成的并具有功率放大作用的一种自动控制系统。
位置随动系统的输入和输出信号都是位置量，且指令位置是随机变化的，并要求输出位置能够朝着减小直至消除位置偏差的方向，及时准确地跟随指令位置的变化。
位置指令与被控量可以是直线位移或角位移。
随着工程技术的发展，出现了各种类型的位置随动系统。
由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，并成功应用在雷达天线。
伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。
此外，也可采取附加措施来提高系统的精度，采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。
通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道，直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。
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。
本设计——雷达天线伺服控制系统实际上就是随动系统在雷达天线上的应用。
系统的原理图如图1-1所示。
图1-1 雷达天线伺服控制系统原理图(二) 系统的组成从图1-1可以看出本系统是一个电位器式位置随动系统，用来实现雷达天线的跟踪控制，由以下几个部分组成：位置检测器、电压比较放大器、执行机构。
以上部分是该系统的基本组成，在所采用的具体元件或装置上，可采用不同的位置检测器，直流或交流伺服机构等等。
现在对系统的组成进行分析： 1、受控对象：雷达天线； 2、被测量：角位置m θ；3、给定值：指令转角*m θ；4、传感器：由电位器测量m θ,并转化为U ；5、控制器：放大器，比例控制；6、执行器：直流电动机及减速箱。
位置随动系统
前言位置随动是指输出的位移随位置给定输入量而变化。
在位置随动控制系统中，一般执行电动机常选用伺服电动机，所以也称位置私服控制系统。
位置随动系统的应用十分广泛。
如，军事工业中自动火炮跟踪雷达天线或跟踪电子望远镜的目标控制，陀螺仪的惯性导航控制，飞行器及火箭的飞行姿态控制；冶金工业中轧钢机轧辊压下装置的自动控制，按给定轨迹切割金属的火焰喷头的控制；仪器仪表工业中函数记录仪的控制以及机器人的自动控制等。
一般来说，随动控制系统要求有好的跟随性能。
位置随动系统是非常典型的随动系统，是个位置闭环反馈系统，系统中具有位置给定，位置检测和位置反馈环节，这种系统的各种参数都是连续变化的模拟量，其位置检测可用电位器、自整角机、旋转变压器、感应同步器等。
位置随动系统中的给只给定量是经常变动的，是一个随机量，并要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应具有快速性、灵活性和准确性。
为了保证系统的稳定性，并具有良好的动态性能，必须设有校正装置，如在正向通道中设置串联校正装并联校正装置等，为了提高位置随动系统的控制精度，还需要增加系统的开环放大倍数或在系统中增加积分环节等。
1 设计原理及性能指标要求1.1设计原理要使角位移的输出量能够跟随给定角位移的输入量的变化而变化，达到位置随动的目的，可以通过位置的检测，反馈，校正等环节，形成位置闭环反馈系统。
系统中具有位置给定，位置检测和位置反馈环节，这种系统的各种参数都是连续变化的模拟量，其位置检测可用电位器、自整角机、旋转变压器、感应同步器等。
1.2设计性能指标根据现实需要，位置随动系统主要技术指标如下： (1)误差系数s C C )200/1(,010== (2)单位阶跃响应的超调量%3%≤σ (3)单位阶跃响应的调节时间s t s 7.0≤ (4)幅值裕度dB dB h 6)(≥通过对数学模型进行系统分析和动态校正，最后设计出一个符合稳定性、准确性和快速性要求的自整角机随动控制系统。
经典随动控制系统
经典控制系统——随动控制系统设计1，概述控制技术的发展使随动系统广泛地应用于军事工业和民用工业，随动系统是一种带反馈控制的动态系统。
在这种系统中输出量一般是机械量，例如：位移，速度或者加速度等等。
反馈装置将输出量变换成与输入量相同的信号，然后进行比较得出偏差。
系统是按照偏差的性质进行控制的，控制的结果是减少或消除偏差，使系统的输出量准确地跟踪或复现输入量的变化。
系统中的给定量和被控制量一样都是位移（或代表位移的电量），可以是角位移，也可以是直线位移。
根据位置给定信号和位置反馈反馈信号以及两个信号的综合比较来分类，可分成模拟式随动系统和数字式随动系统。
由于随动系统的输出量是一种机械量，故其输出常常以机械轴的运动形式表示出来。
该机械轴称为输出轴。
通常输出轴带动较大的机械负荷而运动，在随动系统中，如果被控量是机械位置或其导数时，这类系统称之为伺服系统。
位置随动系统的应用例子如:(1)机械加工过程中机床的定位控制和加工轨迹控制是位置随动系统的典型实例(2)冶金工业中轧刚机压下装置以及其它辅助设备的控制在轧制钢材的过程中，必须使上、下轧辊之间的距离能按工艺要求自动调整；焊接有缝钢管或钢板；要求焊机头能准确地对正焊缝的控制。
(3)仪表工业中各种记录仪的笔架控制，如温度记录仪、计算机外部设备中的x-y记录仪，各种绘图机以及计算机磁盘驱动器的磁头定位控制。
(4)制造大规模集成电路所需要的制图机、分布重复照相机和光刻机，机器人或机械手的动作控制等。
(5)火炮群跟踪雷达天线或电子望远镜瞄准目标的控制:舰船上的自动探舱装置使位于船体尾部的舱叶的偏角模仿复制位于驾驶室的操作手轮的偏转角,以便按照航向要求来操纵船舶的航向:陀螺仪惯性导航系统,各类飞行器的姿态控制等,也都是位置随动系统的具体应用。
2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。
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。
随动系统
l ab 311.gf kd .mt n经典控制系统——随动控制系统设计1 概述控制技术的发展使随动系统广泛地应用于军事工业和民用工业随动系统是一种带反馈控制的动态系统在这种系统中输出量一般是机械量例如位移速度或者加速度等等反馈装置将输出量变换成与输入量相同的信号然后进行比较得出偏差系统是按照偏差的性质进行控制的控制的结果是减少或消除偏差使系统的输出量准确地跟踪或复现输入量的变化系统中的给定量和被控制量一样都是位移或代表位移的电量可以是角位移也可以是直线位移根据位置给定信号和位置反馈反馈信号以及两个信号的综合比较来分类可分成模拟式随动系统和数字式随动系统由于随动系统的输出量是一种机械量故其输出常常以机械轴的运动形式表示出来该机械轴称为输出轴通常输出轴带动较大的机械负荷而运动在随动系统中如果被控量是机械位置或其导数时这类系统称之为伺服系统位置随动系统的应用例子如1机械加工过程中机床的定位控制和加工轨迹控制是位置随动系统的典型实例2冶金工业中轧刚机压下装置以及其它辅助设备的控制在轧制钢材的过程中必须使上下轧辊之间的距离能按工艺要求自动调整焊接有缝钢管或钢板要求焊机头能准确地对正焊缝的控制3仪表工业中各种记录仪的笔架控制如温度记录仪计算机外部设备中的x-y记录仪各种绘图机以及计算机磁盘驱动器的磁头定位控制4制造大规模集成电路所需要的制图机分布重复照相机和光刻机机器人或机械手的动作控制等5火炮群跟踪雷达天线或电子望远镜瞄准目标的控制舰船上的自动探舱装置使位于船体尾部的舱叶的偏角模仿复制位于驾驶室的操作手轮的偏转角以便按照航向要求来操纵船舶的航向陀螺仪惯性导航系统各类飞行器的姿态控制等也都是位置随动系统的具体应用2 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原理框图可描述如图1所示 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l ab 311.gf kd .mt n化这种现象就称为随动图1 位置随动系统原理框图随着机电产品及电子元件的不断发展与完善图1中各个环节均可采用多种不同的元器件来实现组成系统的元部件按职能分类主要有以下几种测量元件是用来检测被控制的物理量如果这个物理量是非电量一般要转换为电量如电位器旋转变压器或自整角机用于检测角度转换成电压测速发电机用于检测电动机的速度转换为电压而光电编码器作为位置与角度的检测元件应用在计算机位置控制系统及计算机速度控制系统中放大元件其职能是将偏差信号进行放大用来推动执行电机去控制被控对象可用晶体管晶闸管集成电路等组成的电压放大级和功率放大级将偏差信号放大执行元件其职能是直接推动被控对象使其被控量发生变化用来作为执行元件的有电动机等减速器其职能是实现执行元件与负载之间的匹配由于执行元件常为高转速小转矩的电动机而负载通常均为低转速大转矩所以在执行元件到负载之间需要引入减速器以达到两者之间的匹配减速器通常为一齿轮组典型的随动系统框图如图2所示图2 典型的随动系统框图3 各部件结构与数学模型一测量元件测量元件的种类电位器自整角机旋转变压器光栅多极旋转变压器感应同步器光电码盘等1伺服电位器最常用的伺服电位器是接触式电阻变换器或称为电阻式位移变换器它是在输入位移的作用下改变接入电路中的固定电阻即改变其电阻值的大小实际应用中通常将两个电位器并联构成桥式电路用以测量系统位移误差的大小如图3所示电位器的滑动端固定在转轴上其中和指令轴相联的称为发送电位器RPT 和输出轴相联的称为接收电位器RPR 两滑动端之间的电压U rp 与输入位移输出位移之差成正比供电电压Us 可为直流也可以是交流视具体情况确定电位器用于测量角位移时是转动式的当用于测量直线位移时则采图3 用电位器测量系统位移误差l ab 311.gf kd .mt n用直线位移式伺服电位器作位置检测元件线路简单惯性小消耗功率小所需电源简单且价格便宜使用方便缺点是位移范围有限测量精度不高容易磨损而造成接触不良且寿命短所以一般电位器只适用于测量精度要求不高位移范围有限的系统中2控制式自整角机自整角机或旋转变压器作为随动系统的测量元件通常是成对使用的控制式自整角机工作原理如图4图4中左边为自整角机发送机右边为自整角机接收机发送机的转子绕组接交流激磁电压U j 称激磁绕组接收机的转子绕组输出电压称为输出绕组发送机激磁绕组对定子D 1相的夹角用θ1表示接收机输出绕组对定子D 1’相的夹角用θ2表示θ1θ2就是发送机接收机激磁绕组轴线的夹角差值经推导后可得出输出绕组中产生的感应电势的有效值为E 2=E 2max cos δ式中δ=θ1θ2 通常把δ= 90°的位置作为协调位置偏离此位置的角度为失调角γ即δ=90°γ故E 2=E 2max cos δ= E 2max sin γ当接收机输出绕组接上交流放大器时可认为输出绕组电压U 2=U 2max sin γ在γ角很小时sin γ=γU 2=U 2max γ 3旋转变压器旋转变压器如图5所示其原理和自整角机类似一般来说角差的转换精度比自整角机高二交流放大器交流放大器是由基本运算放大器和反馈网络等组成因有电容的隔直作用可降低漂移及噪声交流放大器的线路图如图6其中的电容C 起隔直作用稳压管W 1W 2 用来限制输出信号主要目的是为了保护交放电路交流放大器的输入U sr 旋转变压器的角差信号通过耦合变压器输出到交流放大器的输入端交流放大器的输出U sc 解调环节的输入信号交流放大器的放大倍数为131R R K = 交流放大器的放大倍数是确定的为使系统工作于线性区应使输入电压较小 图4 自整角机图5 旋转变压器图6 交流放大器l ab 311.gf kd .mt n三解调环节在随动系统中误差敏感元件的输出信号是交流信号而我们以前分析研究的校正网络指在直流情况下进行的所以在系统中必须引入一个交流信号变为直流信号的环节——解调环节线路图如图7所示晶体管T 1T 2 对接是为了减少残余电压饱和时抵消饱和压降截止时抵消反向电流晶体管T 1T 2 作为开关截止时断开饱和时导通π型滤波电路用于减少输出的脉动成份工作原理U t 上正下负V be 反偏T 1T 2 截止U sr 不能通过U t 上负下正V be 正偏又因为U sr <<U t 集电极正偏T 1T 2 饱和导通T 1T 2 相当于接的开关U sr 通过对输入信号和解调信号的要求a)输入信号和解调信号同频率b)相位差0°或180°当同相时输出电压为正半周直流电压的极性为正当反相时输出电压为负半周直流电压的极性为负从输入端看进去解调环节的等效电路如图8所示其中R 2为后级电路的等效输入阻抗由等效电路可得解调滤波环节的传递函数为s T K V V s s s o +=1 其中221122)//(,C R R T R R R K s s =+=可见它是一个一阶惯性环节解调滤波电路的形式很多可以用类似的方法求出它们对应的传递函数四脉宽调制脉宽调制PWM 变换器是是一个电压脉冲变换装置其输出的PWM 波形信号经过功率放大便可以驱动直流电机实现调速控制线路图如图9U 为三角波发生器输出的信号U s 为控制器输出的直流控制电压波形图如图10所示U s =0U sc 的正负半波脉宽相等输出平均电压为零参见图10 (a)此信号经功率放大后电机不会转U s >0U sc 的正半波宽度>负半波宽度参见图10 (b)此信号经功率放大后电机正转U s <0U sc 的正半波宽度<负半波宽度参见图10 (c)此信号经功率放大后电机反转 U sc 的脉冲宽度正比于U s 实现了电压—脉冲的转换在三角波不包含直流成分时输出的线性度非常高采用PWM 控制电机速度的随动系统中由于开关频率高靠电枢的滤波作用可消除脉冲交流对直流电机的影响其开关频率f 应高于调速系统的最高工作频率通频带f c 一般希望f 10f c 同时还应当高于系统中所有回路的谐振频率以防引起共振但其上限受晶体管开关损耗和开关时间的限制一般选2000Hz 左右 图7 解调环节图8 解调环节的等效电路图9 脉宽调制l ab 311.gf kd .mt n图10 脉宽调制的波形五直流放大器和功率放大器直流放大器是为了满足静态及动态的性能指标需要改变系统增益系数K 而设定的直流放大器由基本运放电路和反馈网络组成且增益系数可调在线性工作区可将其看作一比例环节功率放大器在线性工作区同样是一比例环节六执行电机执行电机有很多种应根据系统类型功率外形等要求进行合理选择图11是直流电机的原理图L a 很小可以忽略电机的传递函数为1)()(+=Ωs T K s U s m m a式中Ω为电机转速K m 是电机增益常数T m 是电机时间常数若以角度θ为输出电机方框图为图12 电机方框图七校正环节1串联超前校正超前校正图13左边为无源校正网络右边为有源校正网络13 超前校正网络对有源校正其传递函数为AC 1R 1R 2U scU srC 1R 1R 2U scU sr()()11+=s T K s G p c 111C R T =12R R K p −=图11 控制电枢式直流电机l ab 311.gf kd .mt n对无源网络其传递函数为()11111++=s T s T s G ii c αα其中 1221>+=R R R i α111C R T =若1T i >>α则()()111+≈s T s G icα2串联滞后校正滞后校正图14左边为无源校正网络右边为有源校正网络14 超前校正网络有源滞后网络的传递函数为()()()⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=+==s T K s T T s s T s U s U s G p sr sc c 222211111ττ 其中12R R K p −=21C R =τ222C R T = 无源滞后网络的传递函数为()()()()()112212++===s T s T s X s X s U s U s G j sr sc c α 其中221R R R j +=α222C R T =3并联校正a 速度校正进行并联的速度校正可以提高电机的响应速度且不会影响闭环系统的极点 输入转角θ(t)输出电压U sc (t)如图15所示传递函数c sc c K s s U s G ==)()()(θK c 为发电机系数 为了使测速电机的输出电压可调常常通过一个电位器进行分压再输出AC 2R 1R 2U scU srC 2R 1R 2U scU sr图15 速度校正图16 速度校正l ab 311.gfkd .mt nRRK s s U s G c sc c 1)()()(=′=θ b 速度—微分校正如图16所示传递函数1)(2+=s T s T K s G c c c c 式中参数K c T c 由环节本身的结构参数所决定4 小功率随动系统设计采用旋转电位器作为测量元件直流电机作为执行元件质量不大的飞轮作为负载构成一个小功率的随动系统根据性能指标要求设计合理的校正网络调试完成满足要求的随动系统如图17为小功率随动系统实验装置包括“Lab311控制系统实验箱”和“控制系统实验台”图17 小功率随动系统实验装置一设计任务与要求1 根据给定的元部件和有关装置设计一套闭环控制的角度随动系统2 对系统的有关参数进行测试3 设计出合理的校正网络在系统中加以实现使得校正后的系统满足σ%≤20%t s ≤1s 并具有较大的静刚度和工作范围4 写出详细的技术报告包括以下内容a 主要任务b 设计构思元部件使用电路系统工作原理c 参数测定与处理d 开环传递函数的确定校正方法及实现e 校正前后系统性能的理论分析f 心得体会及遗留问题二元部件的技术性能与参数测定1 WDD35精密导电塑料电位器WDD35系列电位器具备连续旋转功能常在显示记录仪表中使用其滑动端与导电塑接收电位器直流电机测速电机飞轮发送电位器l ab 311.gfkd .mt n料接触实现角度电压的变换如图18为WDD35D-1型电位器外形旋转电位器在随动系统中完成角度电压变换是一个比例环节其系数Kr 可由测得的旋转角度输出电压拟合曲线的斜率求出表5-1 WDD35D-1型电位器主要技术指标 标准阻值K Ω 1 启动力矩(mN.m) ≤1 电阻公差(%) ±15 介质耐压(V) 500AC.RMS min 独立线性度(%) 0.5 绝缘电阻 M Ω≥1000500VDC理论电旋转角 345±2(°) 分辨力 理论上无限 输出平滑性(%) ≥0.05 额定功耗2W at 70 0W at 125旋转负荷寿命圈 50×106400r /min,每隔15min反转 输出平滑性变化≤50对标准值 独立线性度变化≤50对标准值电阻温度系数 ≤±400ppm/ 耐湿 90RH240h电阻变化≤10工作温度范围 -55 - +125()振动 振幅1.52mm 或加速度15g 频率10-200Hz 电阻变化≤±2 机械转角(°)360(连续)冲击50g 11ms 电阻变化≤±22 直流力矩电机执行部件为SYL-5永磁式直流力矩电动机连续堵转力矩M f =0.49N·m 连续堵转电流1.8A 连续堵转电压U f =20V 空载转速n omax =500r/min 静摩擦力矩0.098 N·mT m 的确定方法用频率特性测试仪获得电机的幅频曲线进行直线拟合转折频率即为1/T m K m 的确定方法用转速表测得转速n 与U sr 的关系则K m =n /U sr 为测量准确应选择不同的U sr 进行多次测量取平均值关于实验台中的飞轮负载可以与电机联接在一起看成一个整体进行上述参数的测量3 测速电机测速元件为CYD-1永磁式直流测速发电机U n =0.1v/r·min r L =23Ωn max =400r/min 测速电机作为测速元件工作在发电机状态与电机输出轴进行机械相联它的时间常数必须很小这样其惯量对被测系统的影响可以忽略不计因此测速电机也可以看作一个比例环节其比例系数K’m 可由测得的旋转速度输出电压拟合曲线的斜率求出在计算过程中需注意所有的参数和系数都有各自的单位为了不发生错误相关的参数应采用一致的度量在这里角位移用弧度表示时间用秒表示因而转速的单位“转/分”应化为“弧度/秒”三系统框图小功率随动系统的结构框图如图19所示图18 WDD35D-1型电位器l ab 311.gf kd .mt n图19 小功率随动系统结构图其中K r1K r2分别是发送接收电位器的比例系数K i 为功率放大器的系数G c s 为校正环节请读者自行分析上述模型的稳态特性并在此基础上确定校正方法四几个注意问题1 实验调试过程中要注意反馈的极性尤其对于非电信号的环节判断起来比较困难当系统出现振荡现象时首先应检查是否接成了正反馈2 注意运放必须工作在线性区防止输入信号过大出现饱和3 旋转电位器虽然能连续旋转但电旋转角只有340°左右其余20°左右的区域滑动端无信号输出4 实验过程中应充分利用三用表或示波器等仪器来检查测量和调整控制信号以及检查控制元件是否正常5 调试完成的系统的实测性能和理论值有偏差这主要是由于设计过程中没有考虑到的非线性因素元器件精度等原因造成。
控制系统的设计与校正
(c)r18 0
γ—为要求达到的相角裕度。 —是为补偿滞后网络的副作用而提供的相角裕度的修正量，一般取
5°～12°。
原系统中对应 处的频率即为(校c正r)后系统的剪切频率ω。
（4）求滞后网络的β值。 未校正系统在ω的对数幅频值为L0(ω)应满足
L 0(c)r2l0 g)(0 由此式求出β值。
了平系稳统性的将截有止所频下率降，获还得会足降够低的系快统速抗性高。频干扰的能力。
Ts 1
Xo s
Gs Ts 1
L
20 40
20lg Kg
20
11
11
c1 c2
T2 T
20lg
T1 T
60
90 180
80
二、滞后校正 1、滞后网络
Xi s
R1 R2 C
Gc
s
Xos Xi s
Phase Margin (deg): 18
At frequency (rad/sec): 8.91
Delay Margin (sec): 0.0508
Closed Loop Stable? Yes
-135
At frequency (rad/sec): 6.17
Closed Loop Stable? Yes
用希望对数频率特性进行校正装置的设计
G *(S)G 0(S)G c(S)
只要求得希望对数幅频特性与原系统固有开环对数幅频 特性之差即为校正装置的对数幅频特性曲线，从而可 以确定(s)，进而确定校正参数和电路
G* (S )为希望的开环传递函数 Gc (S)为校正装置的传递函数 G0 (S)为系统固有的传递函数
各种校正装置的比较：
超前校正通过相位超前特性获得所需要的结果；滞后校正则是通过高频衰减特性获得所需要的结 果；而在某些问题中，只有同时采用滞后校正和超前校正才能获得所需要的结果。
自控课程设计(位置随动系统)
位置随动系统建模与分析1位置随动系统的原理分析1.1位置随动系统的原理图位置随动系统的基本原理图如下所示：图1-1 位置随动系统的原理图1.2 位置随动系统工作基本原理位置随动系统工作原理：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、齿轮系以及绳轮等基本环节组成，它通常采用负反馈控制原理进行工作，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。
负载就固定在电位器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,表明输出位移与输入位移相对应。
测机停止转动，负载停止移动。
此时δ=δL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。
1.3 位置随动系统的基本组成环节1.3.1 自整角机作为常用的位置检测装置，将角位移或者直线位移转换成模拟电压信号的幅值或相位。
自整角机作为角位移传感器，在位置随动系统中是成对使用的。
与指令轴相连的是发送机，与系统输出轴相连的是接收机。
u(t)=Kτ(θ1(t)−θ2(t))=Kτ∗∆θ(t) (1-1) 在零初始条件下，对上式求其拉普拉斯变换，可求得电位器的传递函数。
则其传递函数如下式所示：G(s)=U(s)/∆Θ(s)=Kτ(1-2) 根据所求得的传递函数，绘制出自整角机结构图可用图1-2表示如下：图 1-2 自整角机1.3.2 功率放大器由于运算放大器具有输入阻抗很大，输出阻抗小的特点，在工程上被广泛用来作信号放大器。
其输出电压与输入电压成正比，传递函数为：G(s)=Ua(s)/U1(s)=Ka(1-3) 式中参数Ua为输出电压，U1为输入电压，Ka为放大倍数。
功率放大器结构图可用图1-3表示：图 1-3 功率放大器1.3.3 两台伺服电动机列出其工作方程如下：T m∗[d2θ(t)/dt2]+dθ(t)/dt=K m∗u a(t) (1-4) 根据式（1-4），对两边进行拉普拉斯变换，可以求得其传递函数。
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位置随动控制系统设计与实现王桂霞, 李 媛(中国船舶重工集团公司第704研究所,上海 200031) 摘 要:计算机控制系统是保证位置随动系统功能和性能的重要部分,文中结合船用仿真转台阐述了多机集散控制结构形式的位置随动转台的计算机控制系统方案,并以某位置随动转台为背景,对系统工程实现中的接口电路设计、电机、伺服放大器以及采样频率选取、程序设计等一系列问题进行了讨论,设计结果在位置随动试验样机中应用取得了良好效果. 关键词:位置随动;控制系统;采样频率;设计 中图分类号:T M571,TP273 文献标识码:A 文章编号:100528354(2007)1220029204Desi gn and reali zati on of control syste m of rando m positi onWANG Gui 2Xia,L I Yuan(No .704Research I nstitute,CSI C,Shanghai 20031,China )Abstract :The co m puter control syste m is an i m portant part of guaranteeing perfor m ance of control syste m ofrando m position .Co m bining the m arine si m ulation turntable,this paper set forth the co m puter control syste m sche m e on the rando m position turntable w ith m ulti 2co m puter distributes control structure .Then taking a certain turntable of rando m position as background,it respectively discussed such key proble m s of syste m engineering re 2alization as the interface circuit design,choice of m otor ,servo am plifier and sam ple frequency and the program design .The design sche m e is applied in a rando m position proto type and gets a good result .Key words :rando m position;control syste m;sam ple frequency;design收稿日期:2007211219作者简介:王桂霞(19772),女,工程师,主要从事自动控制的工作位置随动控制系统设计与实现0 引言位置随动转台系统由机械台体和计算机控制系统两个重要部分组成,前者是实现仿真功能的基础,而后者是保证转台系统功能和性能的核心部分.转台既要满足一定的动态、静态指标要求,也要为试验提供方便的操作界面和数据采集、处理手段,计算机控制系统不仅要具有实时控制功能,而且应具备监控管理功能,因此,计算机控制系统设计就成为仿真转台设计和工程实现的重要内容.当前在各种控制系统中计算机已得到非常广泛的应用,根据不同的情况,控制系统的结构形式各不相同,一般分为操作指示系统、直接数字控制系统(DDC )和集散控制系统(DCS )等类型,在下文中将讨论集散控制结构形式的计算机控制系统的设计问题,其中主要包括结构设计、系统工程实现中的接口线路设计、采样频率选择、程序设计等内容,并给出设计结果.1 结构设计本仿真转台采用多机集散控制形式,即采用上下位机的两级式结构.图1为集散控制系统应用于本转图1 原理框图台的原理框图. 在该控制系统中,上位机主要接收来自船惯导平台的船的姿态信号,通过RS232串行接口与下位机通讯,作为该随动控制系统的输入信号,上位机还完成管理功能,为操作者提供人机接口.下位机完成控制功能,当它接受到上位机的输入信号后,通过PC I2 8136运动控制卡的脉冲输入(P I)读取位置信号进行P I D运算,通过PC I28136运动控制卡的D/A发出±10V控制电压,伺服放大器把±10V的速度控制信号放大,输出直流电压来控制直流力矩电机的转速,从而实现位置随动控制.采用上下位机结构,管理计算机和控制计算机相分离,上位机可以有更充裕的时间完成数据采集、存储、分析、图形显示等功能.上位机使用W indows操作系统,用Labview做图形界面,能够快速完成数据采集、存储、分析和图形显示等功能,使操作者能直观地看到转台的运转情况,进行数据分析.下位机的工作集中在实现转台的实时控制任务,采用DOS操作系统,主要完成控制率计算、控制量输出、位置反馈量的输入,构成转台的数字式位置/速率控制系统.采用上下位两级分布的结构使系统的管理功能和实时控制功能由两台计算机分担,非常有利于系统的控制和管理,上下位机之间采用RS232串行接口进行通讯.下面对本转台控制系统实现中的一些问题进行讨论,并给出设计结果.2 系统实现确定了转台计算机控制系统的结构之后,再进行软硬件设计.2.1 硬件设计2.1.1 接口线路设计上下位机之间采用RS232串行通讯接口实现信息传递,传输速率为19200kbp s,下位机和被控对象之间是通过PC I总线与PC I28136运动控制卡连接的, PC I28136运动控制卡集成了16位精度的A/D、D/A、2500v光电隔离的D I、DO及编码器脉冲输入P I功能,P I读取编码器的A+、A2、B+、B2、Z+、Z2六路信号,得到位置信号的零脉冲信号.下位机通过A/D采集测速机的速度信号,通过编码器脉冲输入端口读取来自编码器的位置信号,进行P I D运算后通过D/A 输出±10的控制电压给伺服放大器,伺服放大器进行放大和转换后输出直流电压给直流力矩电机,控制电机的转速,从而实现位置/速率控制.2.1.2 电机、伺服放大器及采样频率的选取1)电机伺服系统设计需从选择电机开始,作为伺服系统的执行元件,应能方便地实现连续平滑地对控制信号反应快捷,以保证整个系统带动被控对象按所需要的规律运动.执行电机是伺服系统中的一个重要组成部分,同时又靠它驱动被控对象,因此它是伺服系统与被控对象相联系的一个关键部件.被控对象的运动是与执行电机的运动同时进行的.执行电机除了要克服被控对象所形成的负载外,还必须克服电机自身的干摩擦力矩、电机转子的惯性转矩(电机转子转动惯量和电机转动角加速度).普通的伺服电机通常转速高而转矩小,在系统中作为执行元件去拖动负载时,都必须经过齿轮减速装置,但由于齿隙的影响,往往使系统的精度和稳定性下降,因此为了减小甚至消除误差,简化系统结构,提高精度和稳定性,达到少用不用减速器的目的,需选用具有低转速、大转矩和高精度等特点的力矩电机.位置随动系统的主要作用是跟随舰在海上航行的姿态,由于海上浪大风大,而大船在风和海浪的影响下,其摇摆周期约为5～25s,频率为0.04～0.2HZ,故船的摇摆速度很慢,这就要求电机在低速状态下能输出较大的力矩.而直流力矩电机是特种电机,可由直流电压调节转速,其负载特性(M2I)具有很高的线性度,其转矩特性是一条直线,在位置控制方式的伺服系统中,可在低速状态下工作,并能输出较大的力矩,尤其在平稳低速运行时更为突出.因此选用低转速、大力矩的直流力矩电机作为执行电机,以提高系统精度和稳定性.2)伺服放大器选用直流力矩电机,伺服放大器也相应地选用直流伺服放大器,直流伺服放大器把来自下位机的±10V速度控制信号放大,输出直流电压来控制直流力矩电机的转速.直流力矩电机和直流伺服放大器是构成直流伺服系统的主要部件.作为伺服系统的一个重要部件,伺服放大器需具有一定的带宽,以快速跟踪舰的摇摆.由于舰的摇摆频率为0.04～0.2HZ,在选用伺服放大器时,其频率范围应高于跟踪信号最高频率,以确保放大器有大的加速度,在短时间内输出大电压大电流,快速跟踪舰的摇摆,以提高系统的动态精度.另外在选取伺服放大器时,伺服放大器的额定电流要大于直流力矩电机的峰值堵转电流,且应留有一定的安全裕量.3)采样频率位置随动控制系统的控制器是由下位机实现的,构成数字式角位置/角速率伺服系统.在确定采样频率时,需要考虑系统的动态要求.位置随动转台的主要作用是跟随舰在海上航行的姿态,对其动态跟踪精度要求较高,在±9角分范围内.对这种动态精度要求很高的转台,必须选择较高的采样频率,以满足系统的性能指标要求.目前这类转台角位置伺服系统的采样周期多取1m s,在本试验样机中,由于考虑到机械间隙对精度的影响,采样周期取为0.8m s .2.2 程序设计程序设计包括上位机程序设计和下位机程序设计两部分.上位机程序应包括以下几部分的内容:1)向下位机发送自检命令,接受自检信息,并在检测到故障信息时进行故障处理.2)设置转台的工作状态和工作参数.3)通讯功能,即接受来自舰上惯导平台的舰的姿态角信号,向下位机发送给定信号,并接受下位机的返回信息.4)数据采集和处理功能.5)图形显示功能.上位机的程序流程图如图2所示,采用Labview 可视化语言编程,以模板/按钮与弹出式窗口相结合的形式为操作人员提供操作界面.图2 上位机程序流程图 下位机的主要功能是根据上位机的命令完成对转台各种运动状态的实时控制,其程序框图如图3所示,其中各子程序的功能分别为:初始化子程序对PC I 28136运动控制卡进行初始化,包括初始化A /D和D /A 的电压范围,以及增量式编码器脉冲输入(P I )方式等;自检子程序在初始化之后检测系统是否正常;工作方式管理子程序完成对转台各工作状态的管理和调度;通讯处理子程序负责接受上位机的给定信号和向上位机发送转台的控制信息等.图3 下位机程序流程图 对转台伺服系统的实时控制在中断服务程序中完成,每0.8m s 发出一次控制指令,每20m s 向上位机发送一次转台状态信息,其流程图如图4所示.图4 实时控制流程图3 调试位置随动系统试验样机的调试包括速度环和位置环的调试,先调节速度环,速度环调节好后,再调节位置环.3.1 速度环调节在位置环断开的前提下,首先进行零漂调节,即给伺服放大器的速度给定电压为0V,电机的转速为零,无零漂,测速机反馈电压为零.然后进行速度标定,在速度给定电压为0V时,电机转速为零,而在给定电压为10V或210V时,电机达到额定转速或被控对象的最大转速.最后进行速度环增益调节,用信号发生器给伺服放大器的速度给定端输入±2V的方波信号,频率为1～2HZ(频率要高于被控对象的频率),再用示波器显示测速机反馈信号,反馈曲线为阶跃响应曲线,通过调节伺服放大器的速度环增益,使阶跃响应曲线达到最佳.一般超调量为15%左右,要小于20%.3.2 位置环调节接通位置环,通过PC I28136运动控制卡的D/A 段输出控制电压,而从P I端读取编码器测得的被控对象的位置信息,通过下位机与上位机之间的通讯,从上位机的图形显示和数据分析结果,可以了解系统的跟踪状态,分析误差产生的原因,调节位置环的P I D参数,提高系统的跟踪精度.从上位机的图形显示发现,系统跟踪有明显的滞后,误差主要是由滞后引起的,需要增加速度前馈校正环节,通过调节速度前馈系数,减小跟踪误差.通过分析,编码器的分辨率及机械结构的间隙对跟踪精度有一定的影响,对高精度的位置随动系统,机械间隙一定要尽可能小,而且编码器的分辨率要高.最后,在现有编码器分辨率低且存在机械间隙的情况下,系统的跟踪误差≤5角分,满足动态指标要求.如果提高编码器的分辨率和减小机械间隙,系统精度可以得到进一步提高.5 结束语本文对位置随动控制系统的主要设计问题进行了讨论,对具体工程实现中的若干关键问题作了深入研究,所设计的位置随动控制系统成功应用于位置随动试验样机,达到了指标要求.参考文献:[1]胡寿松.自动控制原理[M].北京:国防工业出版社,1994.[2]谭浩强.C程序设计[M].北京:清华大学出版社,1999.[3]刘金琨.先进P I D控制MAT LAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2004.(上接第13页)用过程中效果较好.4 结论本文通过对现有型线的分析对比,从数学理论上进行分析,发现曲线连接处存在拐点曲线不能光滑连接.进一步对其做了相应的修改,找到合适的连接方式,消除了曲线连接的拐点,整条曲线光滑连接.并对现有五螺杆泵存在的问题及结构改进进行了探讨,提出了改进设想.本文通过对五螺杆泵型线和结构的探讨,为以后进一步改进五螺杆泵型线和结构提供了一定的理论基础.。