经典随动控制系统方案
自动控制原理(经典部分)课程教案
xx科技大学《自动控制原理》（经典部分）课程教案授课时间：适用专业、班级：编写人：编写时间：)())()m n s z s p --221)(1)21)(1)i j s s T s T s ζττζ++++++ 极点形成系统的模态，授课学时：2学时章节名称第二章第三节控制系统的结构图与信号流图（1）备注教学目的和要求1、会绘制结构图。
2、会由结构图等效变换求传递函数。
重点难点重点：结构图的绘制；由结构图等效变换求传递函数。
难点：复杂结构图的等效变换。
教学方法教学手段1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲多练的方法突出重点，用分析举例的方法突破难点。
2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。
教学进程设计（含教学内容、教学设计、时间分配等）一、引入（约3min）从“用数学图形描述系统的优点”引入新课。
二、教学进程设计（一）结构图的组成（约7min）1、信号线：表示信号的传递方向。
2、方框：表示输入和输出的运算关系，即C(S)=R(S)*G(S)。
3、比较点：表示两个以上信号进行代数运算。
4、引出点：一个信号引出两个或以上分支。
（二）结构图的绘制（约40min）绘制：列写微分方程组，并列写拉氏变换后的子方程；绘制各子方程的结构图，然后根据变量关系将各子结构图依次连接起来，得到系统的结构图。
例题讲解。
（二）结构图的简化（约46min）任何复杂的系统结构图，各方框之间的基本连接方式只有串联、并联和反馈连接三种。
方框结构图的简化是通过移动引出点、比较点、交换比较点，进行方框运算后，将串联、并联和反馈连接的方框合并，求出系统传递函数。
1、串联的简化：12()()()G s G s G s=2、并联的简化：12()()()G s G s G s=±3、反馈连接方框的简化：11()()1()()G ssG s H sΦ=4、比较点的移动：移动前后保持信号的等效性。
比较点前移比较点后移5、引出点的移动：移动前后保持信号的等效性。
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。
随动控制系统
叠加原理 在线性系统中，由 n个输入xi(t) (i=1、2……n）共同产生的输出y(t)，等于
如果控制系统的结构、参数在系统运行过 程中不随时间变化，则称为定常系统或者时不 变系统。系统响应只取决于输入信号的性态和 系统的特性，而与输入施加的时间无关。
u (t ) y (t ) u (t ) y (t )
否则，称为时变系统。
4 连续(时间)系统与离散(时间)系统
连续系统 系统中各部分的信号均是时间变量的连 续函数，常微分方程形式描述数学模型
稳、快、准三方面的性能指标往往由于 被控对象的具体情况不同，各系统要求也有 所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要 求是相互制约的。
(1)稳定性 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系 统不能实现预定任务。 (2)瞬态性能 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般 又称为动态性能。过渡时间、超调量、振荡 次数 稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。 既快又稳，表明系统的动态精度高。
离散系统 系统中的信号为脉冲序列或数码形式， 信号在时间上是离散的，差分方程式描述数 学模型
ห้องสมุดไป่ตู้
控制系统的分类
*按给定信号的形式 *按系统是否满足叠加原理 恒值系统/随动系统 线性系统/非线性系统
*按系统参数是否随时间变化 定常系统/时变系统 *按信号传递的形式 *按输入输出变量的多少 连续系统/离散系统 单变量系统/多变量系统
运动控制系统第6章位置随动系统
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
2. 交流伺服电动机
在现代伺服系统中，更多的采用交流伺服电动机。交流伺服电动机可 以是异步电动机或者永磁同步电动机。
交流异步伺服电动机有下述特点：
1）采用二相结构，电动机定子上布置有空间相差90º电角度的二相绕组， 一相称励磁绕组，一相称控制绕组，分别施加相位差90º的交流电压；
2）励磁绕组电压不变控制绕组电压为零时，旋转磁场变成了静止脉动磁 场，电动机立即停止转动，克服了普通异步电动机失电时的“自转”现象， 符合机床的要求；
6.2.4 数控机床的轨迹控制原理及其实现
1. 数控插补概述 以数控机床为例，其控制的目标是被加工的曲线或曲面，在加工过程
中要随时根据图纸参数求解刀具的运动轨迹，其计算的实时性有时难 以满足加工速度的需求。因此实际工程中采用的方法是预先通过手工 或自动编程，将刀具的连续运动轨迹分成若干段，而在执行程序的过 程中实时地将这些轨迹段用指定的具有快速算法的直线、圆弧或其它 标准曲线予以逼近。 插补是一个实时进行的数据密化过程。轨迹插补与坐标轴位置伺服是 数控机床的二个主要环节。 插补必须实时完成，因此除了要保证插补运算的精度外,还要求算法简 单。一般采用迭代算法。 就目前普遍应用的算法而言，可以分为两大类：脉冲增量插补，数据 采样插补。
经典控制理论知识点总结
经典控制理论知识点总结1、自动控制：是没有人直接参与的情况下，利用控制器或控制装置来控制机器、设备或者生产过程等，使其受控物理量自动地按照预定的规律变化，以达到控制目的。
2、开环控制系统定义：被控装置和被控对象之间只有顺向作用，无反向作用特点：系统结构简单、成本低、调整方便；控制精度低；抗干扰能力差。
3、闭环控制系统定义：把输出量直接或者间接的反馈到系统的输入端，形成闭环特点：输出量参与系统的控制；结构复杂、成本高、适应性强；控制精度高；抗干扰能力强。
4、自动控制系统分类恒值系统与随动系统；线性系统与非线性系统；连续系统与离散系统；单输入单输出系统与多输入多输出系统。
5、受控对象：指接收控制量并输出被控制量的装备或设备参考输入量（设定值、给定值）：系统的给定输入信号，或称希望值自动控制系统的性能要求：稳定性；准确性，快速性。
6、自动控制理论的发展的三个阶段：经典控制理论；现代控制理论；智能控制理论。
7、列写系统微分方程的一般步骤为：（1）确定系统的输入变量和输出变量（2）从输入端开始，按照信号的传递顺序，依据各变量所遵循的物理、化学等定律，列写各变量之间的动态方程，一般为微分方程组（3）消去中间变量，得到输入变量、输出变量的微分方程（4）标准化拉氏反变换：留数法。
8、传递函数的定义：在零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比，称为线性定常系统的传递函数微分方程在时间域，传递函数在复数域传递函数的性质传递函数只适用于线性定常系统；传递函数是在零初始条件下定义的；传递函数可以有量纲；传递函数表示系统的端口关系；传递函数描述了系统的固有特性传递函数的表达式有理分式形式（特征多项式型）零、极点形式（首一型）时间常数形式（尾一型）。
9、动态性能的五个指标延迟时间(稳态值50%)；上升时间（稳态值10%-90%，非一阶0-稳态值）；峰值时间；调节时间；超调量（或最大超调量）。
10、一阶单位阶跃系统的动态性能指标：调节时间t=3T(5%误差带)，t=4T(2%误差带)延迟时间t=0.69T上升时间t=2.20T峰值时间，超调量不存欠阻尼二阶系统的动态性能指标（P72）一对靠的很近或相等的零、极点，彼此将相互抵消，其结果使留数等于零，此类零、极点称为偶极子闭环主导极点，它应满足以下两个条件：（1）在s平面上，距离虚轴比较近，且附近没有其他的零点和极点（2）其实部的绝对值比其他极点实部的绝对值小5倍以上。
自动控制原理课程设计-火炮跟踪随动控制系统-精品
课程设计名称：自动控制原理课程设计题目：火炮跟踪随动控制系统专业：班级：姓名：学号：课程设计任务书一、设计题目：车载武器随动系统设计二、设计任务：设计一个随动系统，使其发射端口在要求的精度和时间X围内跟踪目标.三、设计计划：1.查阅相关资料2.确定设计方案3.进展设计并定稿四、设计要求：要求设计的随动系统在跟踪过程有足够的稳定性与快速性指导教师：徐建华教研室主任：徐建华时间：2011年12月9 日中国矿业大学某某学院课程设计成绩评定表摘要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X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。
本文对一个随动系统进展研究，在准确把握研究的方向根底上，始终以系统的高运行性能为目标，在控制系统的稳定性，快速性，准确性这三者之间的固有矛盾中寻找最优的平衡点。
通过建立模型，元件确定，参数分析，串联校正四大模块，整合自动控制理论的各个知识点，包含了经典控制理论的大局部内容，知识点相互穿插，严密联系，并有机结合成一篇完整的论文。
目录一系统设计的步骤――――――――――――――――――――――――― 1 1.1 设计方案―――――――――――――――――――――――――――1―――――――――――――――――――― 1 ――――――――――――――――――――――――11.2 系统的方框图与开环传函――――――――――――――――――――52.1系统方框图――――――――――――――――――――――――――52.2系统开环传函―――――――――――――――――――――――――61.3 火炮系统的工作过程――――――――――――――――――――――6 1.4 性能指标确实定――――――――――――――――――――――――6 二控制系统方案和主要元部件的选择―――――――――――――――――72.1 系统方案―――――――――――――――――――――――――――7 2.2 元部件选择――――――――――――――――――――――――――7 三开环增益和静态误差计算―――――――――――――――――――――83.1 系统无测速反响――――――――――――――――――――――――8 3.2 系统参加测速反响―――――――――――――――――――――――8――――――――――――――――――――――――9 ――――――――――――――――――――――――9 ―――――――――――――――――――――――――10 3.3 静态误差的计算――――――――――――――――――――――――11 四动态分析和校正装置的设计――――――――――――――――――――13 五结论――――――――――――――――――――――――――――――15 六设计体会――――――――――――――――――――――――――――16 七参考文献――――――――――――――――――――――――――――17一系统设计的步骤1.1设计方案(1)控制任务：控制火炮跟踪目标，确定目标位置,适时开炮击中目标。
浅析ｐｌｃ控制的多电机同步系统
浅析ＰＬＣ控制的多电机同步系统摘要:通过对不同控制方法的分析,介绍了利用Omron系列PLC做为主控元件的多电机同步运行系统。
关键词:PLC 同步随动闭环电动机近年来,随着我国包装,分切,印刷,涂层等行业的蓬勃发展,做为配套的电气控制环节则对产品的质量起着关键的作用,目前以PLC做为中心控制元件的设备占有相当大的比重,并以其精确的控制,稳定的工作状态占据了十分重要的地位。
而在这些控制系统中核心问题便是各动力驱动轴的同步运行,即各电机的同步运行。
本文将介绍分析几种以OMRON系列PLC作为主控元件来实现多电机同步运行的方案。
1 系统控制方案1.1 随动系统随动系统,即一台电机作为主电机,另外一台或多台作为随动电机,随动电机紧跟着主电机运行;控制系统的基本组如图1所示。
在该系统中由PLC接受来自上位机发来的控制信号,经过一定的运算转换为执行装置的控制信号,如变频器的频率,进而驱动主电机运行,通过编码器监测电机的实际运行速度,并将这一信号作为随动电机的控制命令,随动电机紧随这一速度便可实现两台电机的同步运行。
1.2 闭环系统闭环控制系统,即两台电机由同一控制器(PLC)发出控制信号,然后再各自构成闭环系统,紧随控制器发出的信号,即可实现多电机的同步运行;控制系统的基本组如图2所示。
在这个系统中由PLC接受来自上位机发来的控制信号,经过运算转换为执行装置的控制信号,同时发到两台电机的驱动器中,由于控制命令是相同的, 通过编码器监测电机的实际速度,与控制命令进行比较,构成闭环控制系统,这样只要两台电机的都紧随控制命令运行便可实现同步。
1.3 随动闭环系统随动闭环控制系统,综合了随动系统和闭环控制系统的特点,在随动控制系统的基础上构成了闭环控制。
两台电机驱动器由同一控制器(PLC)发出控制信号,并各自构成闭环系统,将辅电机的实际速度实时的与主电机进行比较,综合调整,使辅电机紧随主电机的运行速度,即可实现多电机的同步运行。
直流电机调速与角度随动系统在《自动控制原理》实验教改中的初探
我们采用时域法和频 域法 ， 分别 给定 阶跃 输入 信号 和不 同 频率的正弦输入信号 ， 通 过示 波器 和频率分 析仪对 力矩 电机和 角度 闭环模 型波形 观测 和数据 记录 ， 参数测 定和 系统模 型性能
验证 。
自动控制原理实验要 注重学 生对控 制理论 的理解 和应 用 ， 选取直流电机调速与角度 随动控 制系统 设计 的典型 实验平 台 ， 可以构建 出典型 的一 阶 、 二阶 系统 。从学生 对平 台的入 手到熟 练掌握 ， 从技 术指 标分 析到 控制 系统 调试 ， 是 一个 从 理论 到实 际， 再从 实践到理论的 多次反 复过程 。本 实验在 实验教 学方 式 上 由浅入深 ， 循序渐进 ， 变教 师讲 解 、 学生按 步就班 、 乏味 的验证 性实验为设计性 、 综合性实验 ， 激 发学生对实验的兴趣和创新 欲 望， 再结 合实验室开 放式教学 管理方式 ， 努力 为学生 营造学 习、 探讨 和创新 的氛围 ， 把 实验室变 成学 生工程实践训练 。 开 发 自我 创新 潜能的平 台。
其中 Ｋ 、 Ｔ ｍ 为 电机开环增益和时 间常数 。 Ｋ ， 、 Ｋ・ 为发送 和接受角度 电位器系 数 ， Ｇ（ ｓ ）为 串联校 正 网络 ， Ｋ、 分别 为系统开环增益与速度反 馈系数 ， 需 要根据 性能指 标要求 进行
设计 。
终达到的实际位置 ， 并 形成位置偏差信号给闭环控制器 ， 控制器 将获得的偏差信号放大 、 处理后 ， 控制 执行 电机向消除偏差的方 向旋转 ， 直至偏差达到一定 的精度为止 。
二、 实验 内害设量及分析 根据 自动控制专业学生 人才培 养方案 ， 需加 强锻炼 学生 工 程 实践能力 ， 我们修订 实验 教材 ， 删改过时 、 陈旧 、 重复 的实验 内 容， 更新 实验项 目， 在保 留验证性实 验经典 内容的基础 上 ， 增 加 设计 性和综合性环节 ． 开设 创新性研究项 目的思想来统筹全局 。 １ ． 验证性实验是 提供 学生 认识理 论教 学 的保 障。在理 论 教学 中， 机理 法建模 方法 是 否准 确 ， 实验 法对 模 型能否 进行 验 证， 让学 生有 更直观 、 深刻 的认识 。我们 以小功率直 流电机调速 系统为例 ， 图 １中将功率放大器 、 直流电机 和负载作为一个系统 进行建模 ， 对于力矩电机的传递 函数为一阶 系统模 型 。
典型控制系统仿真———液位自动控制系统仿真
典型控制系统的仿真----------液位控制系统班级： 0309102姓名： 030910231 ***030910221 董朋030910224 王玮目录一.引言......................................................................................................................................... - 3 - 二．方案选择.............................................................................................................................. - 3 - 1单回路控制方案说明：................................................................................................... - 3 - 2对该系统的初步分析....................................................................................................... - 3 - 三．系统的建模.......................................................................................................................... - 4 -1、原系统变化液位与开关阀门闭合程度关系表达式.................................................... - 4 -2开环系统matlab仿真...................................................................................................... - 6 -2.1原系统：................................................................................................................ - 6 -2.2原系统输出波形.................................................................................................... - 7 -2.3 分析....................................................................................................................... - 7 - 四．液位控制系统的工作原理.................................................................................................. - 8 -1.建立加入反馈的液位控制系统模型：........................................................................... - 8 -五、单位反馈的系统分析.......................................................................................................... - 9 -六、自控数学模型的建立及其传递函数................................................................................ - 10 -七、传递函数)()(sHsHio的汇总....................................................................................... - 11 -八．液箱控制系统现实仿真（为简化画图，只画了一级液箱，实际为二级液箱）----------12九．实际系统的仿真：（已将液量与液位的关系用物理关系转化） .................................. - 12 - 1系统加入闭环反馈后的simulink仿真......................................................................... - 12 - 2加入闭环后系统波形图................................................................................................. - 13 - 3结果................................................................................................................................. - 13 -十、实际的实现方法................................................................................................................ - 13 -1.阀门用气动式开关......................................................................................................... - 13 -2.相应执行环节................................................................................................................. - 14 - 十一．实践结论........................................................................................................................ - 14 - 十二．小组分工...................................................................................................................... - 15 - 十三.实践总结........................................................................................................................... - 15 -一.引言在自控创新实践中，我们选择了某生产过程中液容进行控制，通过对该液箱的开环控制传递函数来研究系统的稳态特性，动态特性，以及根据现有的知识液平来探究如何通过闭环系统来进一步调高系统的稳定性。
位置随动系统课程设计
第一章位置随动系统的概述之欧侯瑞魂创作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)作任意变更时，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更，所以位置随动系统肯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，船舵的自动把持，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成缺少的设备，是电力拖动自动控制系统的一个重要分支。
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更的，是一个随机变量，要求输出量准确跟随给定量的变更，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，所以系统结构上肯定要有位置环。
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分歧原理，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-火炮跟踪随动控制系统
课程设计名称：自动控制原理课程设计题目：火炮跟踪随动控制系统课程设计任务书一、设计题目：车载武器随动系统设计二、设计任务：设计一个随动系统，使其发射端口在要求的精度和时间范围内跟踪目标.三、设计计划：1.查阅相关资料2.确定设计方案3.进行设计并定稿四、设计要求：要求设计的随动系统在跟踪过程有足够的稳定性与快速性课程设计成绩评定表摘要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。
本文对一个随动系统进行研究，在准确把握研究的方向基础上，始终以系统的高运行性能为目标，在控制系统的稳定性，快速性，准确性这三者之间的固有矛盾中寻找最佳的平衡点。
通过建立模型，元件确定，参数分析，串联校正四大模块，整合自动控制理论的各个知识点，包含了经典控制理论的大部分内容，知识点相互穿插，紧密联系，并有机结合成一篇完整的论文。
目录一系统设计的步骤――――――――――――――――――――――――― 1 1.1 设计方案―――――――――――――――――――――――――――11.1.1 控制系统的基本组成――――――――――――――――――――11.1.2 系统的构造――――――――――――――――――――――――11.2 系统的方框图及开环传函――――――――――――――――――――52.1系统方框图――――――――――――――――――――――――――52.2系统开环传函―――――――――――――――――――――――――6 1.3 火炮系统的工作过程――――――――――――――――――――――6 1.4 性能指标的确定――――――――――――――――――――――――6 二控制系统方案和主要元部件的选择―――――――――――――――――7 2.1 系统方案―――――――――――――――――――――――――――7 2.2 元部件选择――――――――――――――――――――――――――7 三开环增益和静态误差计算―――――――――――――――――――――83.1 系统无测速反馈――――――――――――――――――――――――8 3.2 系统加入测速反馈―――――――――――――――――――――――83.2.1劳斯判据分析――――――――――――――――――――――――93.2.1 根轨迹分析――――――――――――――――――――――――93.2.3频域分析―――――――――――――――――――――――――10 3.3 静态误差的计算――――――――――――――――――――――――11 四动态分析和校正装置的设计――――――――――――――――――――13 五结论――――――――――――――――――――――――――――――15 六设计体会――――――――――――――――――――――――――――16 七参考文献――――――――――――――――――――――――――――17一系统设计的步骤1.1设计方案1.1.1 控制系统的基本组成:(1)控制任务：控制火炮跟踪目标，确定目标位置,适时开炮击中目标。
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。
经典随动控制系统方案
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。
随动跟踪监控系统设计
１ ． ３ 驱动电动机设计
为达 到 系统 动作 要求 ，设 计 了驱 动 伺 服 电动 机 电路 ， 如 图３ 所示 。
电动机 ２ ，伺 服 电动 机 ２收到信 号 后响应 运行 ，带 动 型支架 ２作仰俯 运动 ， 摄像 头 能实现 两个 自由 度 转动 （ 两个方 向各 转动 １ ８ ０ 。 ，两个 运动 过程 无前
｛
ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｗｉ ｄ ｔ ｈ ＝ （ ｍ ｙ ａ ｎ ｇ ｌ ｅ 一 ９ ２ ） ６ ： ／ ／ 将角度转化为 ５ ０ ０ ￣２ ４ ８ ０的脉宽值
１ ． ４ 重力感应系统工作原理
重力 感应 系统 （ Ａｒ ｄ ｕ ｉ ｎ ｏ三 轴加速 传 感器 ） ，如
监控 系统 的设计 过程 。
摄像 头
伺服 电动 机 １
伺服 电动 机 ２
电动机 支架
１ ． ２ 系统设计方框 根 据 系 统 的 总 体控 制 要 求 ，随 动 跟 踪 监 控 系
统采 用 了 ＭＥ ＧＡ３ ２ ８ Ａ ＶＲ单 片 机 为 核 心 的控 制 结
底座
构 ，包 括 电源 模 块 、摄 像 头 、伺 服 电动 机 驱 动 模 块 、 重 力 感 应 系 统 、动 力 转 换 模 块 和 一 个 与 Ｐ Ｃ 机 通 信 的模块 。通 过重 力感应 … 采 集模 块实现 闭 环控 制并 稳定速 度 。总体 设计方 案 的硬件 部分 详细 设计 框 图，如 图 ２所示 。
ｉ ｎ ｔ ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｗｉ ｄ ｔ ｈ ；
ｉ ｎ ｔ ｖ ａ ｌ ， ｖ ａ ｌ １ ， ｉ ；ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
／ ／ 定义角度变量
Ｎ 定 义脉 宽变 量
ｖ ｏ ｉ ｄ ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ （ ｉ ｎ ｔ ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ ｐ ｉ ｎ ， ｉ ｎ ｔ ｍｙ ａ ｎ ｇ ｌ ｅ ） ／ ／ 定义一个脉冲函数 图 ３ 随动跟踪系统控制 电路图
随动控制系统的例子
随动控制系统的例子
1. 你知道空调温度自动调节系统吗？这就是随动控制系统的一个典型例子呀！它就像是一个贴心的小助手，时刻感知着室内温度的变化，然后自动调整，让你始终处在舒适的环境中，多棒啊！
2. 汽车的自动驾驶系统不也是嘛！它可以根据路况自动控制速度和方向，这不就像有个经验丰富的老司机在帮你开车一样吗？这随动控制系统可真厉害！
3. 还有那舞台灯光的控制系统呀！它根据节目需要随时变化灯光效果，就如同魔法一般，给观众带来无与伦比的视觉享受，这可真是随动控制系统的神奇之处呢！
4. 想想看，电饭煲的自动保温功能也是呀！当饭煮好后，它能自动保持适宜的温度，是不是就像有个细心的人在照顾你的饮食呢，这可多亏了随动控制系统呢！
5. 咱们常用的智能洗衣机也有它呢！可以根据衣物的重量和脏污程度自动调整洗涤时间和强度，这不就如同有个专业的洗衣师傅在帮你打理衣服嘛，随动控制系统真牛！
6. 游乐园里的那些游乐设施的控制系统也是哦！能够根据设定自动运行，给游客带来刺激和欢乐，简直就像为大家创造快乐的精灵，随动控制系统太有意思啦！
7. 家里的智能窗帘系统也是随动控制系统呀！它可以根据光线自动开合，哎呀，就像个聪明的小精灵在帮你管理窗帘一样呢，真让人喜欢！
8. 工业生产中的一些自动控制系统也是呢，它们精准地控制着各种参数，使得生产高效又稳定，这不就是随动控制系统在默默贡献力量嘛！总之，随动控制系统真是无处不在，给我们的生活带来了太多的便利和惊喜！。
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
过程控制 习题与答案
第1章绪论思考题与习题1-1 过程控制有哪些主要特点？为什么说过程控制多属慢过程参数控制？解答：1．控制对象复杂、控制要求多样2. 控制方案丰富3．控制多属慢过程参数控制4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成1-2 什么是过程控制系统？典型过程控制系统由哪几部分组成？解答：过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。
组成：控制器，被控对象，执行机构，检测变送装置。
1-3简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、设定（给定）值和偏差的含义？解答：被控对象自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。
被控变量被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。
操纵变量受控制器操纵的，用以克服扰动的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。
扰动量除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。
设定值被控变量的预定值。
偏差被控变量的设定值与实际值之差。
1-4按照设定值的不同形式, 过程控制系统可分为哪几类？解答：按照设定值的不同形式又可分为:1．定值控制系统定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统.定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响,使被控变量最终回到设定值或其附近.以后无特殊说明控制系统均指定值控制系统而言.2.随动控制系统随动控制系统的设定值是不断变化的.随动控制系统的作用是使被控变量能够尽快地,准确无误地跟踪设定值的变化而变化3.程序控制系统程序控制系统的设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。
1-5 什么是定值控制系统?解答：在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。
1-6 什么是被控对象的静态特性？什么是被控对象的动态特性？为什么说研究控制系统的动态比其静态更有意义？解答：被控对象的静态特性：稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性。
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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。
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。
因为控制存在惯性，当输入X(t)变化时，输出丫(t)难以立即复现，此时丫(t)散t)，即：e(t)=丫(t)-X(t) 和，——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——执行电图1位置随动控制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、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。
实际测量中通常将两个电位器并联构成桥式电路，用以测量系统位移图3用电位器测量系统位移误差误差的大小，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接收电位器RPR两滑动端之间的电压Urp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米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、位移范围的系统中。
图4自整角机图5旋转变压器图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 i相得夹角用表示，接收机输出绕组对定子D i 相得夹角用矩表示。
(弓-如就是发送机、接收激磁绕组轴线的夹角差值。
经指导后可得出绕组中产生的感应电势的有效值：E2=E 2max cos S 式中S= - -2 )通常把決90的位置作为协调位置，偏离此位置的角度为失调角Y即注90 ° Y故：E2=E2max COS S = 2max sin Y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U2=U 2max Sin Y在Y角很小时sin Y =YU2=U 2max 丫(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，因由电容的隔离作用，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、W2用来限制输出信号，主要目的是为了保护交放电路。
图6交流放大器三、调解环节图7解调环节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。
或当同相时，输出电压为正半周，直流电压的极性为正，当反向时，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，R2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：图8解调环节的等效电路个电压一脉冲鄭装置，其输出的PWM波形信号经过功率放大便可以驱动直9。
U屈三角波发生器输出图如图10所示。
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一一解调环节。
线路图如图晶体管匚、T2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。
晶体管开关截止时断开、饱和时导通。
吕严型滤波电路用于减少输出的脉动成分。
T「T2截止，U sr不能通过。
U t上负下正，V be正偏，又因为当于接的开关，U sr通过。
7所示。
£、T2作为工作原理：U!上正下负,，V be反偏，通,,"斤2相当U sr<<U t，集电极正偏，「、T2饱和导通__KV s _1 T s S，T s=（R〃R2）…2 …1 「且个一阶段性环节。
'解调滤波电R2其中，5 R1可见，它是一， .....纵很多,可以用类似的方法求出它们对应的传递函数。
"糾□四、脉宽调制痔 __________脉宽调制（PWM）变换器是一流电机，实现调速控制。
线路图如图T图9脉宽调制U s =O , U se 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 >0，U se 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 <0，U se 的正半波宽度 <负半波宽度，参见图10(e)。
此信号经功率放大后电机反转。
U se 的脉冲宽度正比于U s ，实现了电压一脉冲的转换。
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 滤波作用，可消除脉冲交流对直流电机的影响。
其开频率f e，—般希望f>10 f e,同事还应当高于系图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I'- J图11控制电枢式直流电机式中：Q 为电机转速，Km 是电机增益常数，Tm 是电机时间常数 若以角度a 为输出，电机方框图为：¥ p-*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图13超前校正网络左右。
2000HzIM(c)毛和开关时间的限制，一般选统中所有回路的谐振U sr (S )S=K p1+1'1T2S 丿1 T 2S 丿■?iriK pR i无源滞后网络G c (s)二U sc (S ) U sr (S )(2) 并联校正 2 LTCX2(S )T2S+1其中 —, 其中'X ’(S )a j T 2S 1R 1 R 2a j 二^^2 , T^ R 2C 2R 2a 、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 (t)，输出：电压U sc (t)，如图15所示。
图15速度校正传递函数：图16速度校正U G c (s)=如图16所示。
传递函数：G c (s) = Kd 式中参数Q K C 、T c s 1”▼ —*小功率随动系统设计伉/ ；采用旋转电位器作为测量元件、 统。
根据性能执行要 包括“ Lab311控制系统试验箱”和“控制系统试验台F■『 / * * ■点亠 比■ ■ ■ . ■ ■ *占色对有源校正，其传递函数为：G c =K p 仃代/)T —RiG K - - R 2 / R |对无源网络，其传递函数为：G c ( s — _T1S 1a I 1 a 1- s ■ 1a i(2)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 图14超前校正网络有源滞后网络的传递函数为：，其中 a j = &R 2 1，T 1 二 R 1C 1R 2，其中c ‘为了使测速电 机的输出电压可sc 所决定。
节如图 一个小功率的随动系17为小功率随动系统实验装置,(s)b 、速度一微分校正7G c (s)=r 血二K c ，K c 为发电机系数。
°(S)、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。