单闭环磁盘驱动读取系统性能分析与参数设计

课程设计任务书题目:单闭环磁盘驱动读取系统性能分析与参数设计初始条件：磁盘驱动系统的物理结构如图1所示，结构框图如图2所示。图1磁盘驱动系统物理示意图图2磁盘驱动系统的结构框图图2中，Amplifier模块代表控制器，此处用比例控制器，coil模块代表执行机构，此处为电机，该模块的传递函数简化为10005000(s)G1s,load环节代表荷载，该模块的传递函数为)20(1(s)G2ss。R(s)-C(s)AmplifierRLmsKCoilLoad）（1J1ss1)(sH传感器N(s)-aK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）求出系统的开环传递函数和闭环传递函数，分析系统的稳定性，如果系统稳定，求系统的稳态误差；（2）分析磁盘驱动系统输出单调上升时，放大环节的放大系数Ka的变化范围，并用Matlab画出其根轨迹；（3）分析Ka变化对系统动态性能指标的影响，并进行计算；（4）设计系统在单位阶跃信号作用下超调小于4.3%时的Ka值，计算对应的其它动态性能指标；分析系统的频域性能指标；（5）分析系统是否能跟踪单位斜坡输入和单位加速度输入；（6）分析干扰信号N（s）为单位阶跃信号时，对系统性能的影响；（7）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。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2编写程序1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：年月日目录摘要...................................................................................................................I单闭环磁盘驱动读取系统性能分析与参数设计..........................................11设计的目的及意义.......................................................................................11.1设计目的.......................................................................................................11.2设计意义.......................................................................................................12原系统性能分析...........................................................................................22.1磁头控制系统结构图...................................................................................22.2校正前系统开环传递函数...........................................................................22.3校正前系统闭环传递函数...........................................................................22.4校正前系统稳定性能分析...........................................................................23设计系统.......................................................................................................43.1设计系统思路...............................................................................................43.2设计步骤.......................................................................................................43.2.1系统动态性能的分析思路......................................................................................43.2.2分析N(s)与R(s)的不同情况..................................................................................43.2.3系统的频域性能指标..............................................................错误!未定义书签。3.3分析跟踪单位斜坡输入...............................................................................83.4分析跟踪单位加速度输入...........................................错误!未定义书签。4再议稳定性...................................................................错误!未定义书签。总结..................................................................................错误!未定义书签。参考文献..........................................................................错误!未定义书签。I摘要在现代科学技术的众多领域中，自动控制系统起着越来越重要的作用。近几十年来随着电子计算机技术的发展和应用，在宇宙航行、机器人控制、导弹制导以及核动力等高新技术中，自动控制计数具有特别重要的作用。自控是系统设计，现代控制，电机调速等后续学科的基础。俗话说：“万丈高楼平地起。”与自动化相关的专业，其专业课程必设计自控原理；从工程角度讲，被控制的对象一般接收的信号都是模拟信号，这就有一定的物理意义，而物理学是一种理论性较强的学科。未来自动化的设备将会应用更加广泛，自动化设备也会更加智能，这些都是建立在自控原理之上的。磁盘可以方便有效的储存信息。磁盘驱动器则广泛用于从便携式计算机到大型计算机等各类计算机中，是控制工程的一个重要应用实例。本次任务是如何让磁盘系统精确读取。关键字：自动控制自动化磁盘系统武汉理工大学《自动控制系统》课程设计说明书1单闭环磁盘驱动读取系统性能分析与参数设计1设计的目的及意义1.1设计目的1、通过本次课程设计，能够培养自己理论联系实际的设计思想，训练自己综合运用经典控制理论和相关课程知识的能力。2、掌握自动控制原理中各种校正装置的作用及用法，根据不同的系统性能指标要求进行合理的系统设计，并调试满足系统的指标。3、进一步加深对MATLAB软件的认识和理解，学会使用MATLAB语言来进行系统建模、系统校正中的性能参数的求解、以及系统仿真与调试。4、此外，还可以通过本次设计来锻炼独立思考和动手解决控制系统实际问题的能力。1.2设计意义通过对磁盘驱动器磁头控制系统的校正，可以保证磁头的精确位置，可以减小参数变化和外部振动对磁头定位造成的影响。作用于磁盘驱动器的扰动包括物理振动、磁盘转轴轴承的磨损和摆动，以及元件老化引起的参数变化等。武汉理工大学《自动控制系统》课程设计说明书22原系统性能分析2.1磁头控制系统结构图图2-1磁头控制系统结构图2.2校正前系统开环传递函数由初始条件可得：其开环传递函数为：G(s)=𝐾𝑎4⁄𝑠(𝑠1000+1)(𝑠20+1)此时可得𝐾=𝐾𝑎4⁄2.3校正前系统闭环传递函数闭环传递函数为：∅(s)=𝐾𝑎4⁄𝑠(𝑠1000+1)(𝑠20+1)+𝐾𝑎4⁄2.4校正前系统稳定性能分析该闭环函数的特征方程为:D(s)=𝑠3+1020𝑠2+20000𝑠+5000𝐾𝑎列出相应的劳斯表：𝑠3120000𝑠210205000𝐾𝑎𝑠1𝑏1𝑠05000𝐾𝑎表2-1系统劳斯表R(s)-线圈负载N(s)-aK武汉理工大学《自动控制系统》课程设计说明书3其中𝑏1=1020∗20000−5000𝐾𝑎1020当𝐾𝑎=4080时，𝑏1=0，出现临界稳定情况。有劳伦斯可得辅助方程1020𝑠2+5000*4080=0解其方程得系统的一对纯虚根为𝑠1,2=±141.4𝑗。显然，此时使系统稳定的𝐾𝑎值范围应取0𝐾𝑎4080稳态误差为：𝑒𝑠𝑠=lim𝑠→∞𝑠𝐸(𝑠)=4(4+𝑘𝑎)⁄根轨迹如下图：图2-2K=20时的系统根轨迹此时开环传递函数有0个零点，三个极点，分别为0，-20，-1000。武汉理工大学《自动控制系统》课程设计说明书43设计系统3.1设计系统思路为了使磁头控制系统的性能满足要求，需要进行在不同𝐾𝑎值下用MATLAB对超调量的计算。3.2设计步骤3.2.1系统动态性能的分析思路在控制工程中，几乎所有的控制系统都是高阶系统，即用高阶微分方程描述的系统。对于不能用一、二阶系统近似的高阶系统来说，其动态性能指标的确定是比较复杂的。工程上常采用闭环主导极点的概念对高阶系统进行近似分析，或直接应用MATLAB软件进行高阶系统性能分析。通过计算及绘制根轨迹图得出系统闭环根轨迹特性，通过其阶跃响应可知其稳定性。3.2.2分析N(s)与R(s)的不同情况1）当N(s)=0,R(s)=1/s时误差信号𝐸(𝑠)=11+𝐾𝑎𝐺1(𝑠)𝐺2(𝑠)𝑅𝑠于是lim𝑡→∞𝑒(𝑡)=lim𝑠→0𝑠[11+𝐾𝑎𝐺1(𝑠)𝐺2(𝑠)]1𝑠=0上式表明系统在单位阶跃输入作用下的稳态跟踪误差为零。这一结论与𝐾𝑎取值无关。当N(s)=0时闭环传递函数为：∅(𝑠)=𝐶(𝑠)𝑅(𝑠)=𝐾𝑎𝐺1(𝑠)𝐺2(𝑠)1+𝐾𝑎𝐺1(𝑠)𝐺2(𝑠)=5000𝐾𝑎𝑠(𝑠+20)(𝑠+1000)+5000𝐾𝑎=5000𝐾𝑎𝑠3+1020𝑠2+20000𝑠+5000𝐾𝑎此时分别取𝐾𝑎=10、𝐾𝑎=30和𝐾𝑎=60利用MATLAB文本绘制响应曲线图3、图4和图5当𝐾𝑎=10时此时的程序文本和图形如下：武汉理工大学《自动控制系统》课程设计说明书5num=[50000]；den=[1,1020,20000,50000]；step(num,den)图3-1𝐾𝑎=10时的阶跃响应曲线由图形可得此时的超调量小于4.3%。当𝐾𝑎=30时，此时的程序文本和图形为：num=[150000]；den=[1,1020,20000,150000]；step(num,den)图3-2𝐾𝑎=30时的阶跃响应曲线武汉理工大学《自动控制系统》课程设计说明书6当𝐾𝑎=60时，此时的程序文本和图形为：num=[300000]；den=[1,1020,20000,300000]；step(num,den)图3-3𝐾𝑎=60时的阶跃响应曲线C(