高精度五轴转台方位系统设计与仿真

Harbin Institute of Technology

课程设计说明书（论文）

课程名称：自动控制原理课程设计

设计题目：高精度五轴转台方位系统

设计与仿真

院系：航天学院

班级：XXXX

设计者：

学号：

指导教师：XXXXXX

设计时间：2014年2月

哈尔滨工业大学

哈尔滨工业大学课程设计任务书

目录

1、题目要求与分析 (5)

1.1题目要求 (5)

1.2 题目分析 (5)

2、人工设计 (6)

2.1 校正方法的选择 (6)

2.2 串联迟后校正 (7)

2.2.1 串联迟后校正计算 (7)

2.2.2 验算 (8)

2.3 局部反馈校正 (9)

2.3.1 局部反馈校正计算 (9)

2.3.2 验算 (11)

2.4 校正结果的检验及修正 (11)

3、计算机辅助设计 (12)

3.1 校正前的开环simulink模型图 (12)

3.2 校正前的开环Bode图 (13)

3.3 校正后的开环simulink模型图 (14)

3.4 校正后的开环Bode图 (14)

3.5 校正后的闭环simulink模型图 (15)

3.6 校正后的闭环单位阶跃响应仿真曲线 (15)

3.7 校正后的闭环正弦响应仿真曲线 (16)

4、校正装置电路图 (17)

4.1 串联装置原理图 (18)

4.2 串联迟后校正环节装置电路 (18)

4.2 局部反馈校正环节装置电路 (18)

5、设计总结 (19)

6、心得体会 (20)

1、题目要求与分析 1.1题目要求

（1）、对于高精度五轴仿真转台方位系统，已知其固有传递函数为

)

18

.5325.26491(

87

.95)

()

(2

++=s

s s s I s Q

（2）、性能指标要求：

a. 最大角速度s /500；

b. 最大角加速度s /3500；

c. 动态误差小于5角秒；

d. 剪切频率高于50 1/s ；

e. 相角裕度大于45度

1.2 题目分析

根据题目所给原系统传递函数如下：

)

18

.5325.26491(

87

.95)

()

(2

++=s

s s s I s Q

可画出原控制系统的方框图如下

令=)(s G 1)18

.5325.26491(87

.95)

()

(2=++=s s s s I s Q

可求得s rad c /190=ω 代入G(s)得0225)(-=∠c j G ω 045-=γ

校正前的Bode 图如附录一所示。

可知剪切频率 190 1/s 远远小于设计要求，相角裕度-45度远远小于设计要求，故原系统不满足要求的指标。

2、人工设计

2.1 校正方法的选择

为增大带宽可以先增大开环放大倍数，且增大开环放大倍数可以减小动态误差，取增加的开环放大倍数为100.

得到控制系统的开环传递函数为

)

18

.5325.26491(

9587

)

()

(2

++=s

s s s I s Q

画出当前系统的BODE 图

Bode Diagram

-500

50

100

150

M a g n i t u d e (d B )

3

P h a s e (d e g )

增大开环放大倍数后广义被控对象的BODE 图

由当前系统的bode 图可以得出：剪切频率为s rad /644相角裕度为85-°相角裕度远远小于系统设计要求的45°，而带宽并未得到提高。故不应该增大开环放大倍数。

先采用串联迟后校正来设计。

2.2 串联迟后校正 2.2.1 串联迟后校正计算

在上述系统中找到︒-=︒+︒+︒-=︒++︒-=∠125104518010180)(γjw G 处的剪切频率，计算得s rad /130=ω，再将s rad /130=ω带入

553.4))18.532/1)(5.26491/1(1

87.95log(20))(log(20130

2=++⨯

⨯==ωjw jw jw jw G

βlog 20))(log(20=jw G 解得6891.1=β

取其为1.7

取

13010

1

1011

⨯==

c ωτ

得077.0=τ 131.0077.07.1=⨯==βτT 求得串联迟后环节为：

1

131.01

077.0)(1++=

s s s G c

将其并入原系统，

)1131.0)(18

.5325.26491()

1077.0(87.95)

()

(2++++=s s s s s s I s Q

得串联迟后校正后的系统开环bode 图如附录二。 2.2.2 验算

令1)1131.0)(18

.5325.26491()

1077.0(87.95)

()

()(2

=++++==

s s s s s s I s Q s G 串联迟后校正以后系统的剪切频率为

s rad c /5.68=ω

将s rad c /5.68=ω代入)(jw G ∠有︒=∠77)(jw G

相角裕度为︒77，满足设计要求。

下面对系统的动态误差进行检验：

假正弦输入信号为)sin()(t A t r ω=，由题得18

5πω=A ，18352π

ω=A 。

解得126

5π

=

A ，7=ω 当正弦输入信号为)7sin(126

5)(t t r π

=

时，210106.1)()()(-⨯=⋅=s R s s E e φ满足设计要求。

做完迟后校正的方框图如下