位置随动系统设计与仿真

中文摘要：随动系统，通常也被称为伺服系统，是一种反馈控制系统。它是用来控制被控对象的某种状态，使被控对象的输出能自动、连续、精确地复现输入信号变化规律的一种控制系统,随动系统的控制对象通常为角度或机械位置，该系统最初用于船舶的操舵系统、火炮控制以及指挥仪中，后来慢慢推广到众多领域，尤其多见于自动车床、天线位置的控制还有导弹和飞船的制导等。如今随动系统的应用几乎扩展到了民用、工业、军事等各个领域，随着家用电器的普及和全自动化，它在生活中的应用也越来越广泛。而位置随动系统的被控量是位置，一般用线位移或角位移表示。当位置给定量作某种变化时，该系统的主要任务就是使输出位移快速而准确地复现给定量位移。

第一章绪论

1.1课题研究背景

1.1.1随动系统现状及历史

随动系统，通常也被称为伺服系统，是一种反馈控制系统。它是用来控制被控对象的某种状态，使被控对象的输出能自动、连续、精确地复现输入信号变化规律的一种控制系统，其衡量指标主要有超调量、稳态误差、峰值时间等时域指标以及相角域度、幅值域度、频带宽度等频域指标，其输入是一种变化规律未知的时间函数。随动系统中的驱动电机应该具有响应速度快、定位准确、转动惯量大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。早在二十世纪三十年代，伺服机构这个词便进入人们的视线了。到二十世纪中期，在自动控制理论的发展下随动系统也得到了极大的发展，其应用领域进一步扩大。近几十年，伺服技术更是取得飞跃发展，其应用也迅速扩展到民用、工业和军事领域中。在冶金行业，它用于多种冶金炉的电极位置控制，机器的运行控制等；在运输行业中，水路陆路空中三方的运输工作也都用到了伺服系统，比如，飞机的驾驶，电力机车的调速，船舶的操舵等，一定程度上都实现了“自动化”控制；如今，军事领域也充分运用到了伺服系统，比如雷达天线的自动瞄准的跟踪控制，导弹和鱼雷的自动控制等等。另外，随着空调、洗衣机等各类家用电器在家庭中的普及，伺服系统的应用也走入到了我们的日常生活中。

1.1.2随动系统的应用

随动系统的控制对象通常为角度或机械位置，该系统最初用于船舶的操舵系统、火炮控制以及指挥仪中，后来慢慢推广到众多领域，尤其多见于自动车床、天线位置的控制还有导弹和飞船的制导等。如今随动系统的应用几乎扩展到了民用、工业、军事等各个领域，随着家用电器的普及和全自动化，它在生活中的应用也越来越广泛。

人们应用随动控制系统主要是为了达到下面几个目的：

⒈用较小的功率指令信号来控制很大功率的负载，比如火炮控制、船舵控制等。

2.在没有机械连接的情况下，利用输入轴控制远处的输出轴，从而实现远距离的同步传动控制。

3.令输出机械位移自动、精确地跟随电流信号，例如记录仪和指示仪表等。

1.2随动系统发展方向及特点

随动控制系统作为自动化系统的一种，其研究和应用领域非常广泛。从早期的模拟直流系统，到八十年代后期的数字交流系统，随动系统大量应用于工业和军事领域。新的控制方式和技术不断出现，同时各种新算法（如：最优控制、自适应控制、模糊控制、人工智能控制、神经网络等）也在不断涌现。从实现手段上来看，它起初只是用一些硬件机械，直流电机等，后来随着计算机技术的发展，人们开始由模拟信号控制转为数字控制，由硬件机械转为用单片机、PLC等实现。总的来说，随动系统的发展方向可概括为以下这几个方面：

(1)全数字化

软件随动控制逐渐取代原有的硬件随动控制，以模拟电子器件为主的控制单元将全部被新型的采用高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的随动控制单元全面代替这样就使得应用现代控制理论的先进算法成为可能，同时也实现了系统的全数字化的随动控制。

(2)专用化和多样化

尽管市场上仍存在很多通用化的伺服产品，但是专门为某些特定场合应用而设计制造的伺服系统已经越来越多。随着不同形状、不同粘接结构、不同性能的磁性材料的出现以及分割式铁芯结构工艺的使用，已经实现了无刷永磁式伺服电机的大批、高效、自动化的生产，这加快了专业化与多样化的进程。

（3）高度集成化

以前的伺服系统是应用多个伺服单元模块构成一个整体来使用，现在新的随动系统应用的是单一的、高度集成化的、多功能的控制单元模块，对于一个控制单元，应用软件设置不同的系统参数，就能够得到不同性能的模块，这种高度的集成化的设计很大程度的缩小了整个控制系统的体积，令系统的安装工作以及调试都变得简单了很多。

(4) 采用新型的电力电子器件

如今随动系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型半导体器件，比如功

率场效应管(MOSFET)、大功率的晶体管(GTR)和绝缘门极晶体管(IGPT)等。这些先进晶体管等器件的应用使得执行电机的驱动变得简单，大大降低了随动控制单元输出回路的功率损耗，降低了系统运行过程中的噪声，显著提高了系统在各种不同信号下的响应速度。

(5)智能化

随着新型数字化随动控制单元的使用与发展，智能型产品也越来越多的应用于随动控制系统，这些智能型产品通常都具有记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过软件设置，然后被保存在控制单元内部，可供我们查阅与读取，必要时在运行途中也可以通过通信接口由上位计算机对这些参数进行修改，另外这些新型元件都具有故障自诊断与分析功能，若系统出现了故障，它们会将故障的类型以及引起故障的可能原因显示出来，便于人们维修和调试。

第二章雷达天线位置随动系统的设计

2.1位置随动系统概述

随动系统的共性就是输出量快速而准确地复现给定量。随动系统的另一个名称“伺服系统”也很好的体现了这个共性，而位置随动系统的被控量是位置，一般用线位移或角位移表示。当位置给定量作某种变化时，该系统的主要任务就是使输出位移快速而准确地复现给定量位移。在生产实践中，位置随动系统的应用领域非常广泛。例如，船舵的自动操纵控制，雷达天线的自动跟踪控制，宇航设备的自动驾驶，火炮方位的自动跟踪，数控机床的定位控制和加工轨迹控制等等。随着机电一体化技术的发展，位置随动系统现已成为工业、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。

随动系统和调速系统一样都是反馈控制系统，通过对系统的输出量和给定量进行比较，组成闭环控制。位置随动系统不同于调速系统，其位置给定是经常变化的，是一个随机变量，它要求输出量能够准确的跟随给定量的变化，系统稳定是前提，在保证稳定性的情况下，输出响应的快速性、灵活性、准确性是位置随动系统的主要特证，所以位置随动系统必定是一个位置反馈控制系统。本文我们以雷达天线位置跟随系统为例，介绍系统的工作过程，设计原理，并对其进行仿真。

2.2雷达天线位置随动系统的工作原理

2.2.1系统的基本组成

图2—1为位置随动系统的实物图，用来实现雷达天线的跟踪控制。