位置随动系统的超前校正设计正式稿

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课 程 设 计

题 目 学 院 专 业 班 级 姓 名 指导教师

位置随动系统的超前校正设计

2016 年 1 月

日

摘要

随动系统是指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，并且输入量是随机的，不可预知的。控制技术的发展，使随动系统得到了广泛的应用。

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。

在控制系统的分析和设计中，首先要建立系统的数学模型。控制系统的数学模型是描述系统内部物理量（或变量）之间关系的数学表达式。在自动控制理论中，数学模型有多种形式。时域中常用的数学模型有微分方程、差分方程和状态方程；复数域中有传递函数、结构图；频域中有频率特性等。

本次课程设计研究的是位置随动系统的超前校正，并对其进行分析。

目录

1 位置随动系统及原理 ........................................................... 4

1.1位置随动系统概述 ........................................................ 4 1.2位置随动系统原理 ........................................................ 5 2 位置随动系统建模分析 ......................................................... 5

2.1 位置随动系统的基本组成环节 ............................................. 5

2.1.1 自整角机 .......................................................... 5 2.1.2 功率放大器 ........................................................ 6 2.1.3 电枢控制直流电动机 ................................................ 6 2.1.4 直流测速电动机 .................................................... 7 2.1.5 减速器 ............................................................ 7 2.1.6 减速器各部分元件传递函数 .......................................... 8 2.2 位置随动系统的结构框图 ................................................. 9 2.3 位置随动系统的信号流图 ................................................. 9 2.4 位置随动系统的闭环函数计算 ............................................. 9 2.5 位置随动系统的截止频率、相角裕度以及幅值裕度计算 ...................... 10 3. 位置随动系统的超前校正设计及仿真分析 ....................................... 11

3.1利用超前网络进行串联校正的基本原理 ..................................... 11 3.2位置随动系统的超前校正 ................................................. 12 3.3 对校正后的系统进行Matlab仿真 ......................................... 13 3.4 对校正前后装置进行比较 ................................................ 14 4. 总结体会 ................................................................... 15 参考文献 ...................................................................... 16

位置随动系统的超前校正设计

1 位置随动系统及原理

1.1位置随动系统概述

随动系统是指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，并且输入量是随机的，不可预知的。控制技术的发展，使随动系统得到了广泛的应用。

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。位置随动系统通常由测量元件、放大元件、伺服电动机、测速发电机、齿轮系以及绳轮等基本环节组成，它通常采用负反馈控制原理进行工作，其原理图如图1-1所示。

在下图图1-1中，测量元件为由电位器Rr 和Rc组成的桥式测量电路。负载就固定在电位器Rc的滑臂上，因此电位器Rc的输出电压Uc和输出位移成正比。当输入位移变化时，在电桥的两端得到偏差电压ΔU=Ur-Uc，经放大器放大后驱动伺服电机，并通

过齿轮系带动负载移动，使偏差减小。当偏差ΔU=0时，电动机停止转动，负载停止移动。此时δ=δL,表明输出位移与输入位移相对应。测速发电机反馈与电动机速度成正比，用以增加阻尼，改善系统性能。

图1-1位置随动系统原理框图

在控制系统的分析和设计中，首先要建立系统的数学模型。控制系统的数学模型是描述系统内部物理量（或变量）之间关系的数学表达式。在自动控制理论中，数学模型有多种形式。时域中常用的数学模型有微分方程、差分方程和状态方程；复数域中有传递函数、结构图；频域中有频率特性等。本次课程设计研究的是位置随动系统的超前校正，并对其进行分析。

1.2位置随动系统原理

工作原理：用一对电位器作为位置检测元件，并形成比较电路。两个电位器分别将系统的输入和输出位置信号转换成于志成比例的电压信号，并作出比较。当发送电位器的转角?r和接受电位器的转角?c相等时，对应的电压亦相等。因而电动机处于静止状态。假设是发送电位器的转角按逆时针方向增加一个角度，而接受电位器没有同时旋转这样一个角度，则两者之间将产生角度偏差??。相应地，产生一个偏差电压，经放大器放大后得到u，供给直流电动机，使其带动负载和接受电位器的动笔一起旋转，直到两角度相等为止，即完成反馈。

2 位置随动系统建模分析

2.1 位置随动系统的基本组成环节

2.1.1 自整角机

作为常用的位置检测装置， 自整角机将角位移或者直线位移转换成模拟电压信号

的幅值或相位。自整角机作为角位移传感器，在位置随动系统中是成对使用的。与指令轴相连的是发送机，与系统输出轴相连的是接收机。 u?k?(?r??c)?k??? (2-1)

在零初始条件下，拉式变换为

参考文献

[1] 胡寿宋. 自动控制原理(第四版). 北京：科学出版社，2001

[2] 何联毅，陈晓东.自动控制原理同步辅导及习题全解. 北京：中国矿业大学出版

社，2006

[3] 张爱民. 自动控制原理. 北京：清华大学出版社，2005 [4] 王广雄. 控制系统设计. 北京：清华大学出版社，2005

[5] 张静. MATLAB在控制系统中的应用. 北京：电子工业出版社，2007

G(s)?5*40*0.3*0.1 3212*0.006s?(12*0.2?6*0.006)s?(6*0.2?0.3*0.3?0.3*40*0.25)s6 320.072s?2.4360s?4.29s6G(s)?0.072s3?2.4360s2?4.29s?6G(s)?本科生课程设计成绩评定表

姓 名 专业、班级 课程设计题目： 课程设计答辩或质疑记录： 性 别 成绩评定依据： 评 定 项 目 1．选题合理、目的明确（10分） 2．设计方案正确、具有可行性、创新性（20分） 3．设计结果（20分） 4．态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分） 5．设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分） 6．答辩（25分） 总 分 评分成绩 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

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