位置随动控制系统的校正设计

第一章 位置随动控制系统与系统校正简述

1.1 位置（随动系统）伺服控制系统简述

位置随动系统又称伺服系统，主要用于解决位置跟随的控制问题，其根本任务就是通过执行机构实现被控量(输出位置)对给定量(指令位置)的及时和准确跟踪，并要具有足够的控制精度位置伺服系统应用很广，例如数控机床中的饿两个进给轴(y轴和z轴)的驱动，机器人的 关节驱动；x-y记录仪中笔的平面位置控制；摄、录像机的磁鼓驱动系统；至于低速控制或对 瞬时转速有要求时，也必须采用位置伺服控制，显然，步进电动机跟适合应用于位置控制，但是在高频响。高精度和低噪声三方面，直流电动机更具有明显的优越性，并且在位置伺服系统中，对驱动电动机最主要的要求，是良好的调速性能和起、制动性能，直流电动机容易满足这一要求，能方便地、经济地在大范围内平滑地调速，所以在工业自动化装置中，直流位置伺服系统占相当的位置。

1.2线性系统的校正设计

所谓控制系统的校正或综合是在已选定系统不可变部分的基础上，加入一些装置（称校正装置），使系统满足要求的各项性能指标。校正装置可以串联在前向通道之中，形成串联校正，也可接在系统的局部反馈通道之中，形成并联校正或反馈校正。

第二章 位置随动系统

2.1位置随动控制系统的电路图

图 2-1 位置控制系统原理图

2.2位置随动控制系统的结构图

图 2-2 位置控制系统结构图

2.3位置随动控制系统的传递函数

e(t)r(t)c(t)

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Us(t)kse(t)

Us(s)KsQe(s) Ua(t)kaus(t)

Ua(s)KaUs(s)

LadIa(t)La(t)RaUa(t)Eb(t)dt

Md(t)KmIa(t)

Md(s)KmIa(s)

d2m(t)d(t)JBmMd(t)ML(t)dtdt

Eb(t)ke

dm(t)dt

c(t)m(t)

1i

d3G(t)d2G(t)dG(t)JLa(LafRaJ)(RafCmKb)KsKaCm/idtdtdt

Gs

KsKACm/is[(LasRa)(Jsf)CmKb]

2.4等效结构图与对应的传递函数

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图 2-3 系统等效结构图

开环传递函数：

G(s)G1(s)G2(s)G3(s)1G

c(s)第三章 校正装置设计

由实际的测定 得：G1(s)=K1=200 G102(s)=(0.01s1)(0.1s1)

G0.13(S)=

S 未校正系统开环传递函数

GK10(S)=G1(s)G2(s)G3(S)=

s(0.1s1)(0.01s1)

3.1静态误差系数的确定

Kv=lims0sG0(S)=K1200

取 K1=200 G0(S)=

200s(0.1s1)(0.01s1)

未校正开环传递函数对数幅频特性曲线为L0

3.2期望对数幅频特性

将时域指标转换为频域指标： 其中 δ=0.16+0.4（Mr-1）0.2 取 δ=0.2

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则 Mr=1.1= =arcsin

1 sinr1=65.380 Mr K0=2+1.5(Mr-1)+2.5(Mr-1)2=2.175 tsK0c2

取 ts=2

ck02.1753.416 5ts2 c'=5

为了使校正装置简单化，故在c'=5点做-20dB/dec直线，取3100,21.。 中频段宽度 H= arcsin3100100 21H199arcsin78.60 H1101延长-20dB/dec直线与L0高频段相交，得交点频率4200。

底频段：过21作-40dB/dec直线与L0底频段相交，得交点频率10.05 。 高频段：在4范围内，取L/与L0一致。 据此得出对数幅频特性：

G(s)200(s1)

ssss(1)(1)(1)0.05100200由此做出的波特图，其对应的曲线为L/。

G2(s)Gc(s)特性

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sss1)(1)(1)G0(s)0.05100200 G2(s)Gc(s)= sG(s)(s1)(1)10(为能使Gc(s)特性简单化，故可取

G2(s)Gc(s)=

20sss(s1)(1)(1)10100

小闭环的稳定性验证

在4200处，G2(s)Gc(s)的相角裕度 (4)1800900arctg200arctg 所以小闭环稳定。 小闭环在c'=5时的幅值： L2c20lg126.2dB 0.05200200arctg29.70 10100可以看出满足︱G2(jc)Gc(jc)︱1的要求。

3.3 反馈系统校正装置的传递函数Gc(s)

Gc(s)=

Gc(s)G2(s)2s G2(s)s1由此传递函数可以确定校正装置属于无源校正网络

其电路图如下： 传递函数： G(s)T2s T1s1 T1=（R1R2）C T2R2C 对数幅频渐进特性曲线为：

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图 3-1 对数幅频特性曲线

3.4验算指标

由于满足近似条件，可以直接使用期望特性验算： Kv200 ，c'=53.4165

1800arctg

=74.97065.380

0.160.4(Mr1)17.42%20%

K=2+1.5（Mr—1）+2.5（Mr—1）2=2.064

tsK2.0641.32 5555900arctg5arctgarctg 0.05100200c有此可确定 所确定的反馈系统满足要求

3.5位置随动系统波特图：

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图 3-2 系统校正前后波特图

结论

校正系统设计的目的就是将够成系统控制器的各元件与被控对象适当结合起来，使之满足表征控制精度，阻尼程度和响应速度的性能指标要求。本次设计中，当被控对象给定后，按照被控对象的工作条件，被控信号应具有的最大速度和加速度要求等，可以初步选定执行元件的型式、特征和参数。然后根据测量精度、抗扰能力、被测信号的物理性质、测量过程中的惯性及非线性度等因素，选择合适的测量变送元件。如果通过调整放大器增益后仍然不能全面满足设计要求的性能指标，就需要在系统中增加一些参数及特性可按需要改变的校正，使系统性能全面满足设计要求。

体会

通过本次设计，补充了实际学习中的实践性的不足，将书本中的理论知识落实在实践中。增强了实践动手能力，通过对现实生活中各种实际控制系统的观察、模拟分析来确定其工作原理，将所学的知识具体形象化。对所掌握的知识有进一步的了解和掌握，通过不断的实践发现学习中的不足，发现问题并能及时的解决问题这是我们学习的真正目的。在以后的学习生活中应大胆的参与实践活动，在实践中去领悟所掌握的知识积累实践经验，发展自我。

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参考文献

[1]李友善编著.《自动控制原理》.北京：国防工业出版社，1981

[2]梅晓榕主编.《自动控制元件及线路》.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001 [3] [美]Katsuhiko Ogata著《现代控制工程》.北京：电子工业出版社，2003 [4]李友善主编.《自动控制原理360题》.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002 [5]薛定宇主编.反馈控制系统设计与分析.北京:清华大学出版社,2000

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