随动系统

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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

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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

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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=γ

U 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1

31R 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