自动控制原理课程设计-雷达天线伺服控制系统

自动控制原理课程设计1摘要：雷达天线的性能主要取决于其伺服系统的设计水平。伺服系统的设计包括结构设计和控制设计两部分，这两部分是相互影响紧密耦合的。一般所采用的设计方法是对结构系统和控制系统先分别设计，然后再根据要求进行调校，这往往会导致产品研制的周期长、成本高、性能差、结构笨重，不能保证伺服系统总体的综合性能最优。针对雷达天线伺服系统设计中存在的结构设计与控制设计相分离的问题，通过对系统的分析然后对戏系统进行校正，以达到预期目的。关键词：雷达系统分析校正自动控制1概述1.1系统简介用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。它是由若干元件和部件组成的并具有功率放大作用的一种自动控制系统。位置随动系统的输入和输出信号都是位置量，且指令位置是随机变化的，并要求输出位置能够朝着减小直至消除位置偏差的方向，及时准确地跟随指令位置的变化。位置指令与被控量可以是直线位移或角位移。随着工程技术的发展，出现了各种类型的位置随动系统。由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，并成功应用在雷达天线。伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。此外，也可采取附加措施来提高系统的精度，采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道，直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。因此可根据这个特征将它划分为两个类型，一类是模拟式随动系统，另一类是数字式随动系统。本设计——雷达天线伺服控制系统实际上就是随动系统在雷达天线上的应用。系统的原理图如图1-1所示。自动控制原理课程设计2图1-1雷达天线伺服控制系统原理图1.2系统的组成从图1-1可以看出本系统是一个电位器式位置随动系统，用来实现雷达天线的跟踪控制，由以下几个部分组成：位置检测器、电压比较放大器、可逆功率放大器、执行机构。以上四部分是该系统的基本组成，在所采用的具体元件或装置上，可采用不同的位置检测器，直流或交流伺服机构等等。现在对系统的组成进行分析：1、受控对象：工作机械（雷达天线）。2、被控量：角位置m。3、干扰：主要是负载变化（f及LT）。4、给定值：指令转角*m。5、传感器：由电位器测量m、*m，并转化为U、*U。6、比较计算：两电位器按电桥连接，完成减法运算*UUe（偏差）。7、控制器：放大器，比例控制。8、执行器：直流电动机及减速箱。1.3工作原理现在来分析该系统的工作原理。由图1-1可以看出，当两个电位器1RP和2RP的转轴位自动控制原理课程设计3置一样时，给定角*m与反馈角m相等，所以角差*mmm0，电位器输出电压*UU，电压放大器的输出电压ctU0，可逆功率放大器的输出电压dU0，电动机的转速n0，系统处于静止状态。当转动手轮，使给定角*m增大，m0，则*UU，ctU0，dU0，电动机转速n0，经减速器带动雷达天线转动，雷达天线通过机械机构带动电位器2RP的转轴，使m也增大。只要*mm，电动机就带动雷达天线超着缩小偏差的方向运动，只有当*mm，偏差角m0，ctU0，dU0，系统才会停止运动而处在新的稳定状态。如果给定角*m减小，则系统运动方向将和上述情况相反。2建立数学模型2.1位置检测器位置检测器作为测量元件，由电位器1RP和2RP组成位置（角度）检测器，其中电位器1RP的转轴和手轮相连，作为转角给定，电位器2RP的转轴通过机械机构与负载部件相连接，作为转角反馈，两个电位器均由同一个直流电源SU供电，这样可将位置直接转换成电量输出。在控制系统中,单个电位器用作为信号变换装置，一对电位器可以组成误差检测器，空载时，单个电位器的电刷角位移()t与输出电压()ut的关系曲线在进行理论分析时可以用直线近似，于是可得输出电压为0()()utKt式中0maxKE，是电刷单位角位移对应的输出电压，称为电位器传递系数，其中E是电位器电源电压，max是电位器最大工作角。对上式求拉氏变换，并令()[()]UsLut，()[()]sLt，可求得电位器传递函数为0()()()UsGsKs可以看出电位器的传递函数是一个常值，它取决于电源电压E和电位器最大工作角度max。自动控制原理课程设计4电位器可用图2-1的方框图表示。图2-1电位器方框图其中输入()Xs就是()s，输出()Cs就是()Us，()Gs就是0K。用一对相同的电位器组成误差检测器时，其输出电压为120120()()()[()()]()utututKttKt式中0K是单个电位器的传递系数；12()()()ttt是两个电位器电刷角位移之差。称为误差角。因此，误差角为输入时，误差检测器的传递函数与单个电位器传递函数相同，即为0()()()UsGsKs在使用电位器时要注意负载效应。所谓负载效应就是指在电位器输出端接有负载时所产生的影响。当电位器接负载时，一般负载阻抗比较大，所以可以将电位器视为线性元件，其输出电压与电刷角位移之间成线性关系。2.2电压比较放大器电压比较放大器由1A、2A组成，其中放大器1A仅仅起倒相的作用，2A则起电压比较和放大作用，其输出信号作为下一级功率放大器的控制信号，并具备鉴别电压极性（正反相位）的能力。电压比较放大器实际上是比较元件和一部分放大元件的组合，其职能是把测量元件检测到的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差，并经过电压型集成运算放大器的放大作用，将偏差信号放大。具体说来就是：*ctct()UKUU其中ct10KRR，又因*UUe（偏差），所以上式可以写成ctctUKe，对该式两边同时进行拉氏变换，可得电压比较运算放大器的传递函数为ctct()()()UsGsKEs自动控制原理课程设计5从式子可以知道电压比较放大器的传递函数也是一个常值。电压比较放大器可以用图2-2所示的方框图表示E(s)Uct(s)G(s)图2-2电压比较器方框图其中ct()GsK。2.3可逆功率放大器为了推动随动系统的执行机构，即执行电动机，只有电压放大是不够的，还必须有功率放大，这样才能驱动电动机SM。可逆功率放大器也是放大元件。由于在控制系统中，控制信号不能提供驱动执行元件的功率，所以必须进行功率放大。只有这样，才能使电动机（执行元件）按着期望的方向和速度运行。可以说，功率放大元件把具有固定电压的电源变成了由信号控制的能源，即电压或电流随控制信号而变化的电源。根据所要驱动的电动机的不同，功率放大元件分为直流伺服功率放大器和交流伺服功率放大器两种。前者驱动直流电动机，后者驱动交流电动机。控制系统中目前应用最广的功率放大元件是直流功率放大器。系统对直流功率放大器一般有下述基本要求：1、能够输出足够高的电压和足够大的电流，能输出足够大的电功率。2、线性度好。3、可靠的限流装置。4、能够吸收电动机的回输能量。5、应具备电流负反馈线路。常用的直流功率放大器有三种：线性（比例式）功率放大器、开关式功率放大器和晶闸管功率放大器。本设计用到的功率放大器由晶闸管或大功率晶体管组成功放电路，由它输出一个足以驱动电动机SM的电压和电流。分析可知，对该环节做近似处理，可得ddctUKU对式子两边同时做拉氏变换，得可逆功率放大器的传递函数为ddct()()()UsGsKUs自动控制原理课程设计6用图2-3所示的方框图表示。G(s)U(s)ctUd(s)图2-3可逆功率放大器方框图其中d()GsK。2.4执行机构执行机构即执行元件，它的只能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。一般用来作为执行元件的有控制阀、电动机、液压马达等。虽然随着科技的发展，近些年来，交流电动机在控制系统特别是调速系统中应用越来越广，使直流电动机的地位受到了严重的挑战。但目前直流电动机在控制系统中仍占主要地位。对于调速范围不大，动态响应要求不高的系统，可以使用普通直流电动机。对于调速范围大，动态响应要求快的系统，特别是伺服系统（随动系统），则应采用直流伺服电动机。直流伺服电动机是专门为控制系统特别是伺服系统设计和制造的一种电机。它的转子的机械运动受输入电信号控制作快速反应。直流伺服电动机的工作原理、结构和基本特征与普通直流电动机没有原则区别，但为了满足控制系统的要求，在结构和性能上做了一些改进，具有如下特点：1、采用细长的电枢以便降低转动惯量，其惯量大约是普通直流电动机的1/31/2。2、具有优良的换向性能，在大的峰值电流冲击下仍能保持良好的换向条件。3、机械强度高，能够承受住巨大的加速度造成的冲击力作用。4、电刷一般都安排在几何中性面上，以确保正、反转特性对称。本系统就是采用直流伺服电动机SM作为带动负载运动的执行机构，系统中的雷达天线即为负载，电动机到负载之间通过减速器匹配。直流伺服电动机在控制系统中广泛用作执行机构，用来对被控对象的机械运动实现快速控制，通过简化处理后的直流伺服电动机的微分方程为mmm1d2()()()()dtTtKutKMtdt式中()Mt可视为负载扰动转矩。根据线性系统的叠加原理，可分别求d()ut到m()t和()Mt到m()t的传递函数，以便研究在d()ut和()Mt分别作用下电动机转速m()t的性能，将他自动控制原理课程设计7们叠加后，便是电动机转速的响应特性。所以在不考虑负载扰动转矩的条件下，即()0Mt时和在零初始条件下，即'mm(0)(0)0时，对上式各项求拉氏变换，并令mm()[()]sLt，dd()[()]UsLut，则得s的代数方程为mm1d(1)()()TssKUs由传递函数的定义，于是有m1dm()()()1sKGsUsTs()Gs便是电枢电压d()ut到m()t的传递函数，mT是系统的机电常数。这可以用图2-4所示的方框图来表示图2-4直流伺服电动机方框图其中1m()1KGsTs。设减速器的速比为i，减速器的输入转速为n，而输出转速为'n，则减速器的传递函数为'()()()gNsGsKNs其中g1/Ki。3系统的开环增益的选择和系统的静态计算系统的原理框图可简化成如图3-1所示自动控制原理课程设计8图3-1雷达天线伺服控制系统原理框图给定角*m经电位器变成给定信号*U，被控量经电位器变成反馈信号U，给定信号与反馈信号产生偏差信号e；偏差信号经放大器（电压比较放大器和可逆功率放大器）得到dU，dU通过执行机构（直流伺服电动机）作用到雷达天线上，减小偏差，最终实现*mm。这就是控制的整个过程。第二章中已经将各部件的传递函数分别用方框图表示了出来，用信号线将个方框图按信号流向依次连接，在不考虑干扰力矩的条件下，并适当的变换，就会得到雷达天线伺服控制控制系统的结构图，如图3-2所示图3-2雷达天线伺服控制系统结构图其中()Rs就是*m()s，()Cs就是m()s，g1/Ki。将方框图进行化简处理，可得系统的开环传递函数m*mm()()()()()(1)sCsKGsRsssTs其中0ctd1gKKKKKK。简化后的系统方框图如图3-3所示自动控制原理课程设计9图3-3系统简化方框图从实际考虑，我们知道雷达天线伺服控制系统的性能应该是响应速度尽可能快，即调节时间尽可能小，超调量尽可能小。本系统的设计要求是系统通过校正设计后的单位阶跃响应无超调，且调节时间s0.5ts。因系统的开环传递函数为m()(1)KGssTs其中K为开环增益，mT为直流伺服电动机的时间常数。选取m0.1Ts的直流伺服电动机作为执行机构。由开环传递函数求得系统的闭环传递函数2/()()11()mmmKTGssKGsssTT由上式可以得到