位置随动系统课程设计概要
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
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。
位置随动系统
《MATLAB》课程设计___________________________________________________课程项目：位随跟踪系统设计学院：电气工程学院专业班级：10级自动化3班学号：P101813455姓名：蔡余敏指导老师：杨成慧摘要：位置随动系统要求具有很快的动态响应速度和较低的稳态误差。
它采用反馈控制实现校准，由此可建立数学模型，即传递函数。
由于闭环系统传递函数的零点对系统动态性能有影响，所以由闭环零、极点分布来分析和估算系统性能时，可以采用参数根轨迹上的闭环极点，但必须采用原来的闭环系统零点。
可用MATLAB工具箱函数对系统性能进行辅助分析设计。
关键词：位置随动系统动态性能稳态误差 MATLAB1.引言位置随动系统，即就是输出的位移随位置给定输入量而变化。
位置随动系统的应用十分广泛。
例如，军工业中自动火炮跟踪雷达或跟踪电子望远镜的目标控制，仪器仪表工业中函数记录仪以及机器人自动控制等。
2.设计原理及框图2.1设计原理一般来说，随动控制系统要求有良好的跟随性能。
位置随动系统是个非常典型的随动系统，是一个位置闭环反馈控制系统。
位置随动系统中的给定量是经常变动的，是一个随机量，要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应具有快速性、灵活性和稳定性。
为保证系统的稳定性，并具有良好的动态性能，可设计三种控制系统，并进行系统性能比较。
设位置随动系统如图（一）所示。
系统{ = 1 \* ROMAN\* MERGEFORMAT |I为比例（P）控制系统,系统为比例-微分（PD）控制系统，系统为测速反馈控制系统。
试分析对系统性能影响，并比较系统系统和系统在具有相同阻尼比时的有关特点。
2.2原理框图图（一）位置随动系统3.系统数学模型及传递函数显然，系统和系统具有相同的开环传递函数，即但他们的闭环传递函数是不同的，即由以上两式可以看出，两者具有相同的闭环极点，但系统具有闭环零点，而系统不具有闭环零点。
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。
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。
直流电机位置随动系统设计要点
中北大学信息商务学院课程设计说明书学生姓名：学号：学院：中北大学信息商务学院专业：自动化题目：直流电机位置随动系统设计（第六组）职称: 副教授2013 年 12 月 9 日中北大学信息商务学院课程设计任务书2013-2014 学年第一学期学院：中北大学信息商务学院专业：自动化学生姓名：学号：课程设计题目：直流电机位置随动系统设计（第六组）起迄日期： 12月 9 日～ 12月20日课程设计地点：德怀楼七层实验室指导教师：下达任务书日期: 2013年 12月 9日课程设计任务书课程设计任务书位置随动系统的概述一．位置随动系统的概念位置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。
伺服驱动系统（Servo System ）简称伺服系统，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。
使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。
当然，其基本工作原理和普通的交直流电机没有什么不同。
该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一般其内部包括电流、速度和/或位置闭环。
二．位置随动系统的基本组成 1.电位器式位置随动系统的组成下面通过一个简单的例子说明位置随动系统的基本组成，其原理图如图1-1所示。
这是一个电位器式的小功率位置随动系统，有以下五个部分组成：图1-1 电位器式位置随动系统原理图（1）位置传感器 由电位器1RP 和2RP 组成位置传感器。
1RP 是给定位置传感器,其转轴与操纵轮连接，发出转角给定信号*m θ；2RP 是反馈位置传感器，其转轴通过传动机构与负载的转轴相连，得到转角反馈信号m θ。
两个电位器由同一个直流电源s U 供电，使电位器输出电压*U 和U ，直接将位置信号转换成电压量。
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。
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。
位置随动系统设计
前言自动控制技术已广泛应用于制造业、农业、交通、航空及航天等众多产业部门，极大地提高了社会劳动生产率，改善了人们的劳动条件，丰富和提高了人民的生活水平，再今天的社会生活中，自动化装置无处不在，在人类文明进步做出了重要贡献：20世纪90年代，实现了万米深海探测；通信和金融业已接近全面自动化；哈勃太空望远镜为研究宇宙提供了前所未有的机会；美国研制的探路者小车胜利的完成对火星表面的实地探测。
在控制技术需求要求的推动下，控制理论本身也取得了显著的进步。
从线性近似到非线性系统的研究取得了新的成就，借助微分几何的固有非线性框架来研究非线性系统的控制，已成为目前重要的研究方向之一；离散事件动态理论的形成，扩展了对离散系统的描述和分析能力等等很多方面都取得了惊人的成就。
而作为当代自动化专业的学生，在今后的工作和学习中对控制理论的要求会非常高。
以前看到一个控制系统只能知道它怎样操作，但是经过一年对《自动控制原理》的学习，我们就可以对这个控制系统进行研究、分析。
对它的控制方式就会有一定的认识和了解。
除此以外我们也可以自己设计控制系统，如果设计出来的系统不满足要求，也可以进行校正。
这次的课程设计我就是选择的这方面的题目。
1、 位置随动系统原理及结构图设位置控制系统如图1-1所示，其任务是控制有粘性摩擦和转动惯量的负载，使负载位置与输入手柄位置协调。
图1-1位置随动系统原理图图中a L 和a R 分别为电动机电枢绕组的电感和电阻；m C 为电动机的转矩系数；b K 为与电动机反电势有关的比例系数；s K 为桥式电位器的传递函数；a K 为放大器增益；i 为减速器速比；J 和f 分别为折算到电动机轴上的总转动惯量和总粘性摩擦系数。
首先，考虑负载效应应分别列写各元部件的运动方程并在零初始条件下进行拉什变换,于是有该系统各部分微分方程经拉氏变换后的关系式为：)()()(s s s c r e θθθ-= (a))()(s K s U e s s θ= (b))()(s U K s U s a a = (c)aa b a a R s L s E s U s I +-=)()()( (d))()(s I K s M a m d = (e)Bs)()()(2+-=Js s M s M s L d m θ (f))()(s s K s E m e b θ= (g))(1)(s is m c θθ= (h)图1-2作出每个子方程的结构图，如图1-2(a)～(h)所示。
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。
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。
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。
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。
数字位置随动控制系统的设计
《计算机控制系统》课程设计题目：数字位置随动控制系统设计学院：电气与信息工程学院班级：姓名：学号：指导老师：目录一、题目说明 (2)二、设计要求 (2)三、控制系统的工作原理说明 (2)四、控制器设计 (3)五、组成系统的主要硬件 (5)1、信号发生器 (5)2、角度采样(电位器) (5)3、通讯电路 (9)4 、电机 (9)六、系统软件 (10)七、PID前馈补偿控制实验 (10)八、结束语 (11)参考文献 (12)一、题目说明利用位置传感器和直流电动机的位置随动系统，见图a 。
该系统是利用位置传感器形成位置环，由所选定的单片机来完成数字控制器。
图a 全数字位置随动系统示意图二、设计要求：定位精度0.4°。
定位过程超调量＜10%。
输入阶跃、速度、加速度转角信号时，调节时间为250ms 。
三、控制系统的工作原理说明：1 系统结构与工作流程本文设计了一种电流 、位置双闭环反馈控制系统 。
如图 1所示 ，硬件系统包括了信号发生器 、TM$320LF2407 (以下 简称 F2407)控制器 、电机驱动 、电机及负载 、电流采样 、角度采样和通讯电路几个模式。
手柄 角度盘单片机 驱动电路 A/D 转换 位置反馈 位置给定 电源 直流电机 键盘输入图1 整体电路功能框图为了更好地模拟工业中实际的随动系统，采用SPCEO61A 作为信号发生器，F2407通过ADC 单元采样SPCE061A产生的波形，作为系统的被跟踪信号。
F2407的ADC单元(ADIN2、ADIN4)采样反映通过机的电流值和电机转动角度值的电压信号，作为系统的反馈。
F2407通过串口SCl单元实时向PC机发送系统状态信息。
一方面，PC机实时显示系统状态曲线，创造了良好的人机界面，实现了对系统状态的实时监控。
另一方面可以保存统状态信息，为系统建模及控制算法研究提供了试验数据。
每个采样周期开始，DSP首先采样给定信号、位置反馈信号和电流反馈信号，然后执行随动系统的PID等控制策略计算输出加在电机两端的PWM 电压信号量，最后通过电机驱动芯A3952进行功率放大，驱动电机转动，实现随动控制。
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。
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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。
1.3 位置随动系统的基本组成1.3.1 电位器式位置随动系统的组成下面通过一个简单的例子说明位置随动系统的基本组成，其原理图如图1-1所示。
这是一个电位器式的小功率位置随动系统，有以下五个部分组成：图1-1 电位器式位置随动系统原理图1．位置传感器 由电位器1RP 和2RP 组成位置传感器。
1RP 是给定位置传感器,其转轴与操纵轮连接，发出转角给定信号*m θ；2RP 是反馈位置传感器，其转轴通过传动机构与负载的转轴相连，得到转角反馈信号m θ。
两个电位器由同一个直流电源s U 供电，使电位器输出电压*U 和U ，直接将位置信号转换成电压量。
误差电压U U U -=∆*反映了给定与反馈的转角误差m m θθθ-=∆*，通过放大器等环节拖动负载，最终消灭误差。
2．电压比较放大器（A ） 两个电位器输出的电压信号*U 和U 在放大器A 中进行比较与放大，发出控制信号c U 。
由于U ∆是可正可负的，放大器必须具有鉴别电压极性的能力。
输出的控制电压c U 也是可逆的。
3．电力电子变换器（UPE ） 它主要起功率放大的作用（同时也放大了电压），而且必须是可逆的。
在小功率直流随动系统中多用P-MOSFET 或IGBT 桥式PWM 变换器。
对于大功率位置随动系统，会用到可逆的脉宽调制式PWM 变换器。
4．伺服电机（SM ） 在小功率直流随动系统中多用永磁式直流伺服电机，在不同情况下也可采用其它直流或交流伺服电机。
大功率随动系统中也可采用永磁式直流伺服电机，由伺服电机和电力电子变换器构成可逆拖动系统是位置随动系统的执行机构。
5．减速器与负载 在一般情况下负载的转速是很低的，在电机与负载之间必须设有传动比为i 的减速器。
在现代机器人、汽车电子机械等大功率设备中，为了减少机械装置，倾向于采用低速电机直接传动，可以取消减速器。
以上五个部分是各种位置随动系统都有的，在不同情况下，由于具体条件和性能要求的不同，所采用的具体元件、装置和控制方案可能有较大的差异。
1.3.2 位置传感器的分类和简单介绍精确而可靠地发出位置给定信号并检测被控对象的位置是位置随动系统工作良好的基本特征。
位置传感器将具体的直线或角位移转换成模拟的或数字的电量，再通过信号处理电路或算法，形成与控制器输入量相匹配的位置误差信号。
位置传感器的分类很多，常用的有以下几种：1．电位器电位器是最简单的位移—电压传感器，可以直接给出电压信号，价格便宜、使用方便，但滑臂与电阻间有滑动接触，容易磨损或接触不良，可靠性较差。
2．基于电磁感应原理的位置传感器属于这一类的位置传感器有自整角机、旋转变压器、感应同步器等，是应用比较广泛的模拟式位置传感器，可靠性和精度都较好。
3．光电编码器光电编码器由光源、光栅码盘和光敏元件三部分组成，直接输出数字式电脉冲信号，是现代数字式随动系统主要采用的位置传感器。
码盘一般为圆形，由电动机带动旋转，也有用直线形的，由电动机构传动。
按照输出脉冲与对应位置关系的不同，光电编码器有增量式和绝对值式两种，也有将两者结合为一体的混合式编码器。
1）增量式编码器。
脉冲数值直接与位移的增量成正比时称作增量式编码器，常用的圆形增量式码盘每转发出5000~500=N 个脉冲，高精度码盘可达数万个脉冲。
通过信号处理电路和可逆计数器可以输出位置增量信号，再经过测速算法，可以给出转速信号；2）绝对值式编码器。
绝对值式编码器码盘的图案由若干个同心圆环组成，称作码道。
码道的道数与二进制的位数相同，有固定的零点，每个位置对应着距零点不同位置的绝对值。
绝对值式码盘一周的总计数为n N 2=，其中n 为码盘的位数，一般20~4=n ，粗精结合的码盘可达20=n 。
绝对值式编码器的码盘又分为二进制码盘和循环码码盘两种。
这里就不做介绍。
4．磁性编码器和光电编码器一样，磁性编码器也是由位移量变换成数字式电脉冲信号的传感器，近年来发展相当迅速，已有磁敏电阻式、励磁磁环式、霍耳元件式等多种类型。
与光电编码器相比，磁性编码器的突出优点是：适应环境能力强，不怕灰尘、油污和水露，结构简单，坚固耐用，响应速度快，寿命长；不足之处是制成高分辨率有一定困难。
磁性编码器也可以做成增量式或绝对值式，在数字随动系统中有很好的应用前景。
1.4 位置随动系统的分类随着科学技术的发展出现了各类随动系统由于位置随动系统的特征体现在位置上，体现在位置给定信号和位置反馈信号及两个信号综合比较方面，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，一类是数字式随动系统。
数字式随动系统又可分为数字相位随动系统和数字脉冲随动系统。
由于本次设计研究的是模拟随动系统，数字随动系统就不做介绍。
对于模拟随动系统可按闭环系统分为三类。
1．多环位置随动系统这里只详细介绍经典的位置、转速、电流三环控制系统转速，这类系统适用广泛。
多环系统还包括只有位置环、电流环，没有转速环；或是只有位置环、转速环，没有电流环，其实同三环系统大同小异，分析和设计方法相同。
位置、转速、电流三环系统在电流环、转速环双闭环调速系统的基础上，外边再加一个位置控制环，便形成一个三环控制系统，如图1-2所示。
三环的调节器分别称为位置调节器（APR）、转速调节器（ASR）、电流调节器（ACR）。
其中位置环属外环，是最主要的环，转速环即是位置环的内环，又是电流环的外环，电流环是系统内环。
在设计调节器时，转速调节器和电流调节器可按原双闭环系统的设计和整定方法来解决。
其中位置调节器APR就是位置环校正装置，它的类型和参数决定了位置随动系统的系统误差和动态跟随性能，其输出限幅值决定了电机的最高转速。
位置、转速、电流三个闭环都画成单位反馈，反馈系数都已计入各调节器的比例系数中去。
和双闭环控制系统一样，多环控制系统调节器的设计方法也是从内环到外环，逐个设计各环节的调节器。
按此规律，对于如图1-2所示的三环位置随动系统，应首先设计电流调节器ACR，然后将电流环简化成转速环中的一个环节，和其它环节一起构成转速调节器ASR的控制对象，再设计ASR。
最后，再把整个转速环简化为位置环中的一个环节，从而设计位置调节器APR。
逐环设计可以使每个控制环都是稳定的，从而保证整个控制系统的稳定性。
当电流环和转速环内的对象参数变化或扰动时，电流反馈和转速反馈都能够起到及时的抑制作用，使之对位置环的工作影响很小。
同时每个环节都有自己的控制对象，分工明确，易于调整。
但这样的逐环设计的多环控制系统也有明显的不足，即对外环的控制作用的响应不会很快。
这是因为设计每个环节时，都要将内环等效成其中的一个环节，而这种等效环节传递函数之所以能够成立，是以外环的截止频率远远低于内环为前提的。
在一般模拟控制的随动系统中，电流环的截图1-2 位置、转速、电流三环位置随动系统的原理图BQ-光电位置传感器 DSP-数字转速信号形成环节止频率约Hz ci 150~100=ω，转速环的截止频率cn ω约在20~30Hz 之间，最高不超过50Hz ，照此推算，位置环的截止频率只有Hz c 10=θω左右。
位置环的截止频率被限制的太低，会影响系统的快速性，因为这类三环控制的位置随动系统只适用于对快速跟随性能要求不高的场合，例如点位控制的机床随动系统。
在近代数字控制的随动系统中，控制对象的快速响应性能已经大大提高，各控制环的采样周期也可以大大缩短，其转速环的截止频率达Hz cn 200~100=ω，因而位置环的截止频率也可以提高，在要求高动态性能的数控机床轨迹控制和机器人控制中都取得了很好的应用效果。
在位置、转速 、电流三环系统中，位置调节器的输出是转速调节器的输入，速度调节器是电流调节器的输入，电流调节器的输出直接控制功率变换单元，也就是脉宽调制系统。
这三个环的反馈信号都是负反馈，三个环都是反相放大器。
三环相制约，使控制达到极其完美的地步。
第二章 三环随动系统的数学模型的建立和参数计算2,1 三环随动系统的基本组成及其数学模型的建立2.1.1 三环随动系统的基本组成系统可分为以下八个部分：1．位置环我们只分析它的数学模型，不会把它作具体介绍。
可以近似为一阶惯性环节，传递函数为=)(s W j 1+s T K j j（2-1）2．位置传感器 模拟随动系统的位置传感器如前所述，大体可以分为两种，电位器和基于电磁感应原理的位置传感器。
基于电磁感应原理的位置传感器有自整角机、旋转变压器、感应同步器等，是应用比较广泛的模拟式位置传感器，可靠性和精度都比较高。
本次设计采用的位置传感器是自整角机。
自整角机是角位移传感器，在随动系统中总是成对应用的。
与指令轴相联的自整角机称为发送机，与执行轴相联的称作接收机。
按用途不同，自整角机可分为力矩式自整角机和控制式自整角机两类。