位置随动系统超前校正设计

武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书1课程设计任务书学生姓名：专业班级：电气0803指导教师：工作单位：自动化学院题目:位置随动系统超前校正设计初始条件：图示为一位置随动系统，测速发电机TG与伺服电机SM共轴，右边的电位器与负载共轴。放大器增益为Ka=40，电桥增益5K,测速电机增益2tk，Ra=6Ω，La=12mH，J=0.006kg.m2,Ce=Cm=0.3Nm/A,f=0.2Nms,i=0.1。其中，J为折算到电机轴上的转动惯量，f为折算到电机轴上的粘性摩擦系数，i为减速比。要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）（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）求出系统的截止频率、相角裕度和幅值裕度，并设计超前校正装置，使得系统的相角裕度增加10度；（3）用Matlab对校正前后的系统进行仿真分析，比较其时域响应曲线有何区别，并说明原因；（4）对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析计算的过程，并包含Matlab源程序或Simulink仿真模型，说明书的格式按照教务处标准书写。武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书2时间安排：任务时间（天）指导老师下达任务书，审题、查阅相关资料2分析、计算3编写程序2撰写报告2论文答辩1指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书I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数。要求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。位置随动系统是反馈控制系统，是闭环控制，调速系统的给定量是恒值，希望输出量能稳定，因此系统的抗干扰能力往往显得十分重要。而位置随动系统中的位置指令是经常变化的，要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性和准确性成了位置随动系统的主要特征。简言之，调速系统的动态指标以抗干扰性能为主，随动系统的动态指标以跟随性能为主。本次课程设计主要研究利用超前校正装置来改善随动系统的性能，并对校正前后的系统性能分别在时域和频域进行对比分析，以得到超前校正的作用。关键字：位置随动系统超前校正时域频域武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书II目录摘要..............................................................................................................................................Ⅰ1.系统功能简介.........................................................................................................................12.系统功能分析及数学建模..................................................................................................12.1系统各环节分析.......................................................................................................22.1.1自整角机环节................................................................................................22.1.2放大环节.......................................................................................................22.1.3直流伺服电机环节.........................................................................................32.1.4直流测速环节................................................................................................42.1.5减速环节.......................................................................................................42.1.6主单位负反馈环节.........................................................................................42.2系统整体建模...........................................................................................................42.3系统整体建模相关说明............................................................................................63系统校正前性能分析..........................................................................................................63.1稳定性分析................................................................................................................63.2幅频特性和相频特性分析........................................................................................74系统超前校正装置设计......................................................................................................84.1超前校正可行性分析................................................................................................84.2超前校正装置参数计算............................................................................................94.3超前校正后的性能分析..........................................................................................104.3.1稳定性分析..................................................................................................114.3.2幅频特性和相频特性分析.............................................................................124.4超前校正装置的物理实现......................................................................................135系统校正前后的性能对比...............................................................................................145.1系统校正前后频域性能对比..................................................................................145.2系统校正前后时域性能对比..................................................................................156心得与体会...........................................................................................................................19参考文献....................................................................................................................................20武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书1位置随动系统超前校正设计1.系统功能简介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数。本系统中参考输入量为所需要转过的角度r，反馈量为负载实际转过的角度c，两个输入量经过自整角机将两角度之差0转换为电压信号0u，0u与测速电机的反馈电信号1u之差u作为放大器的输入信号，经放大后，伺服电动机SM将会在其放大电压的作用之下有选择性的动作。当负载与所要求的位置达到同步时，0=0，0u=0，则SM在测速反馈的作用下达到静止稳定状态；当r发生变化时，0≠0，0u≠0，则SM在由异步引起的电压信号的作用下，拖动负载转过偏差角度，并经过主反馈，直到负载达到新的同步静止稳定状态。通过以上环节便能实现位置随动系统。系统的原理图如图1所示，系统的方框图如图2所示。图1位置随动系统的原理图r参考输入⊕0放大器0u⊕u伺服电机m减速环节c被控输出c1u图2位置随动系统的方框图测速反馈主反馈环节武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书22.系统功能分析及数学建模2.1系统各环节分析由前面的系统简介可知，本系统共有6大环节，它们分别是自整角机环节，放大环节，直流伺服电机环节，直流测速环节，减速环节和主单位负反馈环节。下面分别对每个环节构建数学模型，并做详细的分析及相关计算。2.1.1自整角机环节自整角机是一种将转角变成电压信号或者将电压型号变成转角，以实现角度传送，变换和指示的原件。它可以在随动系统中用作机械设备的之间的角度联动装置，以使机械装置上两根或两根以上的转轴保持同步偏转或旋转。通常是两台或多台组合使用。本系统中，通过自整角机将角度信号0转变成为电压信号0u。自整角机环节的结构图如图3所示。0r0()Gs0uc图3自整角机结构图由以上结构图可得自整角机环节的数学模型为：00()rcuKK（1）在初始条件为0的条件下（以下各环节的传递函数皆在此条件之下，不在说明）求得其传递函数为：000()()5()usGsKs（2）2.1.2放大环节放大环节的结构图如图4所示。0()()()1()muSususGs-1u图4放大环节结构图由以上结构图可得放大环节的数学模型为：01()()[()()]ma