自动控制系统课程设计-自整角机检测位移量设计.docVIP

引 言 图1 典型位置随动系统原理框图 （1）位置检测器。位置检测器的作用是将位置量参数转换为电信号，由仪表转换为数据指示，形成反馈通道给控制器提供决策的依据。位置检测器可用光电编码器、旋转变压器、感应同步器等。 （2）位置调节器。根据位置偏差信号实现位置的精确控制。 （3）速度控制器。 （4）可逆功率放大器。 （5）执行机构。永磁式直流伺服电机SM作为带动负载的执行机构[1]。 1.1.3位置控制系统的分类 采用不同的分类方法，可以得到不同类型的位置随动系统： （1）按控制原理（或方式）不同，表示的方式有开环、闭环和半闭环三种形式。 （2）按被控制量性质不同，有位移、速度、力和力矩等随动系统形式。 （3）按驱动方式不同，有电气、液压和气压等随动驱动形式。 （4）按执行元件不同，分为步进电机随动、直流电机随动和交流电机随动形式[2]。 1.2 位置随动系统的发展历史、发展状况和发展趋势 位置随动系统最初应用于船舶驾驶和火炮控制，后来逐渐推广到很多领域，如天线位置控制、制导和导航、数控机床和机器人等。 1.2.1位置随动系统的发展历史 直流的发展经历了由液压到电气的过程。电气根据所驱动的电机类型分为直流和交流。50年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。70年代则是直流电机的应用最为广泛的时代。 交流 从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流技术—交流电机和交流控制系统逐渐成为主导产品。 从驱动产品当前的应用来看，直流产品正逐渐减少，交流产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流产品已经成为主流产品。交流驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流。 图4 自整角机位置随动系统 为了根据的正负值来控制执行电机朝着消除角差的方向运动，自整角机输出电压首先要经过相敏整流放大器签别角差的极性，再经过功率放大环节将信号功率增强，以推进执行电机运转。此外，为了使系统稳定并保证所需的动态品质，在相敏放大器与功率放大器之间还应增设各种形式的串并联校正装置。在执行电机与负载之间还应有减速器，这样就得到较完整的自整角机位置随动系统。 3.2 位置随动系统各个环节的数学模型 3.2.1自整角机环 自整角机的的输入量是失调角δ，输入量是。虽然是随时间的变化的量，但是由于后续环节接有相敏整流器，交流电被整流成直流电，随时间变化的因素对后续电路未产生影响，所以可以将自整角机的输入量看成是。一般地，当δ10°时，可近似认为,即，则自整角机环节的传递函数为 3.2.2相敏整流环节 相敏整流环节的输入量为自整角机的输入量，输出量为相敏整流电压。该环节的滤波电路不仅对时间变量引起的电压波动有滤波作用，对由失调角δ的改变引起的电压波动也能够滤波。由于滤波环节只有一个储能元件，由引起的变化是一阶惯性环节的响应，所以相敏整流环节的传递函数可由一阶惯性环节来描述，即 式中，为相敏整流放大环节的放大系数，为阻容滤波时间常数。 图5 二极管相敏整流器 3.2.3可逆功率放大器环节 PWM可逆功率放大器的输入量是PWM控制电路的控制电压,输入量是电动机的端电压。由于控制信号改变时，功率器件需经过一点延时才能体现出来，因而功率放大环节可以近似为一个小惯性环节，传递函数为 式中，为功率放大环节的放大系数，为延迟时间常数。 3.2.4执行电动机环节 采用直流伺服电动机作为执行电动机时，该环节的传递函数为 3.2.5减速机构环节 减速机构的输入量是电动机的转速n（单位是r/min），输入量是拖动负载转速的角度θ(单位是度“°”)。输入输出关系满足 取零初始条件下的拉普拉斯变换，得到减速机构的传递函数为 式中，为减速机构环节的放大系数。可见，减速机构将转速变换为转角，是个积分环节[5]。 采用串联校正时，校正装置可串接于相敏整流放大器与PWM控制电路之间。系统的动态结构图如图6所示。图中，为校正装置的传递函数。 图6 自整角机位置随动系统的结构框图 4 自整角机位置随动系统的稳态分析 位置随动控制系统稳态运行时，希望输出量能够准确地跟踪输入量，稳态误差越小越好。例如，自动火炮雷达天线随动控制系统要求跟踪精度小于2密位（1密位=0.06°），薄板轧钢机压下控制系统的稳态控制精度要求小于0.01mm等。否则，高炮将不能准确命中目标，贻误战机，轧钢机轧制出来的薄板将成废品。所以，对随动系统进行稳态误差分析就显得十分重要。 4.1 检测误差分析 检测误差是由检测元件产生的，