自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)--紅外目標(biāo)背景仿真裝置中定向鏡俯仰系統(tǒng)的

1、精品文檔課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)論文課程名稱(chēng)：自動(dòng)控制原理設(shè)計(jì)題目：顯示臂小車(chē)垂直伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真院 系：航天學(xué)院班 級(jí)：設(shè) 計(jì) 者：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)時(shí)間：目錄紅外目標(biāo)背景仿真裝置中定向鏡俯仰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真51系統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)51.1電機(jī)系統(tǒng)模型的建立及仿真51.2.系統(tǒng)性能指標(biāo)61.3.期望頻率法校正函數(shù)71.4.校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的設(shè)計(jì)71.5.前饋環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)102.計(jì)算機(jī)仿真12建模12仿真153.校正裝置電路設(shè)計(jì)173.1系統(tǒng)的校正框圖173.2元器件參數(shù)173.3校正電路20自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)書(shū)設(shè)計(jì)題目：控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真A-21控制系統(tǒng)直流電機(jī)主要參數(shù)如下：紅外目標(biāo)背景仿真系統(tǒng)

2、中定向鏡系統(tǒng)中的俯仰系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jm=0.036gf.cm.s2 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jl=0.036gf.cm.s2電機(jī)轉(zhuǎn)矩靈敏度 Ke=454.5gf.cm/A 電磁時(shí)間常數(shù) Ts=0.052電機(jī)電樞電阻Ra=8.82 2性能指標(biāo)1開(kāi)環(huán)放大倍數(shù) 2剪切頻率 3相位裕度 4諧振峰值5超調(diào)量p20% 6過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts0.2s7角速度=2.62rad/s 8角加速度=10.5rad/s9穩(wěn)態(tài)誤差ess=0.5mrad3設(shè)計(jì)要求和步驟1設(shè)計(jì)系統(tǒng)，滿足性能指標(biāo)。2人工設(shè)計(jì)。繪制系統(tǒng)校正前后以及校正裝置bode圖，并確定校正裝置的傳遞函數(shù)。驗(yàn)算校正系統(tǒng)是否滿足指標(biāo)要求。3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)利用matla

3、b語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試。4確定校正裝置的電路形式、參數(shù)。5撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告。具體包括以下幾個(gè)方面：1設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)2設(shè)計(jì)過(guò)程人工設(shè)計(jì)包括計(jì)算數(shù)據(jù)、系統(tǒng)校正前后以及校正裝置bode圖、校正裝置傳遞函數(shù)、性能指標(biāo)驗(yàn)算數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)包括simulink仿真框圖，bode圖，階躍響應(yīng)曲線，性能指標(biāo)要求的其他曲線。3校正裝置電路圖。4設(shè)計(jì)結(jié)論。5設(shè)計(jì)后的心得體會(huì)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 姓 名：皮永江 院 系：航天學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)：自動(dòng)化 班 號(hào)：110410328 任務(wù)起至日期： 課程設(shè)計(jì)題目： 紅外目標(biāo)背景仿真裝置中定向鏡俯仰系統(tǒng) 編號(hào)：A-2技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求：1控制系統(tǒng)直流電機(jī)主要

4、參數(shù)如下：1電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jm=0.036gf.cm.s2 2負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jl=0.036gf.cm.s23電機(jī)轉(zhuǎn)矩靈敏度 Ke=454.5gf.cm/A 4電磁時(shí)間常數(shù) Ts=0.0525電機(jī)電樞電阻Ra=8.82 2性能指標(biāo)A1開(kāi)環(huán)放大倍數(shù) 2剪切頻率 3相位裕度 4諧振峰值5超調(diào)量20% 6過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts0.2s7角速度=2.62rad/s 8角加速度=10.5rad/s9穩(wěn)態(tài)誤差ess=0.5mrad 工作量：(1)根據(jù)電機(jī)參數(shù)建立傳遞函數(shù)模型；(2)人工設(shè)計(jì)利用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)值手工繪制系統(tǒng)校正前后及校正裝置的Bode圖，并確定出校正的裝置傳遞函數(shù)；(3)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)用MATLAB進(jìn)

5、行仿真調(diào)試。確定校正裝置的電路形式及參數(shù)，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 工作方案安排：1、根據(jù)所給動(dòng)態(tài)參數(shù)參數(shù)確定靜態(tài)參數(shù)，求出傳遞函數(shù)，求出相應(yīng)指標(biāo)，確定矯正方法。 2、逐步校正，最終到達(dá)設(shè)計(jì)要求。 3、設(shè)計(jì)電路圖。 4、撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。同組設(shè)計(jì)者及分工：無(wú) 指導(dǎo)教師簽字_ 年 月 日 教研室主任意見(jiàn)： 教研室主任簽字_ 年 月 日*注：此任務(wù)書(shū)由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師填寫(xiě)歡迎下載精品文檔紅外目標(biāo)背景仿真裝置中定向鏡俯仰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真編號(hào)：A-21系統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)1.1電機(jī)系統(tǒng)模型的建立及仿真對(duì)于直流電機(jī)的簡(jiǎn)化模型有如下動(dòng)態(tài)關(guān)系式：表格 1直流電機(jī)動(dòng)態(tài)關(guān)系式表Tem=KtIa(t)s=1JS(Tems-Tc(s)

6、Eat=Ke(t)Tems=KtIa(s)Tem=Jd(t)dt+Tc(t)Ias=1Ls+Ra(Uas-Ea(s)Uat=LadIa(t)dt+RaIat+Ea(t)Eas=Kes假設(shè)系統(tǒng)的阻力矩為0，那么直流電機(jī)的傳遞函數(shù)為：(s)Ua(s)=1Keems2+ms+1e=LRa=0.052s m=RaJKeKt=0.4423s 1Ke=22ANm綜上所述，電機(jī)系統(tǒng)控制模型為：(s)Ua(s)=1s220.023s2+0.4423s+1電機(jī)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的bode圖如下：由電機(jī)系統(tǒng)的bode圖可以知道，系統(tǒng)的剪切頻率c7.5rad/s，那么相角裕度=180。-tan0.4423*7.51-0.

7、023*7.52-90。5。1.2.系統(tǒng)性能指標(biāo)性能指標(biāo)A給定的技術(shù)參數(shù)如下：1. 超調(diào)量：p20% 2. 過(guò)渡過(guò)程時(shí)間：ts0.2s 3. 角速度：=2.62rad/s 4. 角加速度：=10.5rad/s 5. 穩(wěn)態(tài)誤差：ess=0.5mrad 經(jīng)過(guò)分析顯示紅外目標(biāo)背景仿真裝置中定向鏡俯仰系統(tǒng)為高階系統(tǒng)，所以對(duì)于參數(shù)的計(jì)算采用高階系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算。初步的想法是通過(guò)規(guī)定的靜態(tài)指標(biāo)超調(diào)量p和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts，將系統(tǒng)要求的剪切頻率以及相位裕度計(jì)算出來(lái)：采用高階系統(tǒng)運(yùn)算的經(jīng)驗(yàn)公式。經(jīng)驗(yàn)公式一：經(jīng)驗(yàn)公式二：由經(jīng)驗(yàn)公式一得到：相位裕度：>65.3。 將相位裕度帶入經(jīng)驗(yàn)公式二得到：剪切頻率：c35ra

8、d/s 1.3.期望頻率法校正函數(shù)A：sin=h-1h+1=sin70。h=33B：2=ch=9033=15.9rads 3=ch=9033=509radsC：假設(shè)開(kāi)環(huán)增益為1000；確定低頻轉(zhuǎn)折頻率1=4.67radsD：假設(shè)高頻轉(zhuǎn)折頻率4=1000rads那么得到校正之后的函數(shù)：Gs=1000(115.9s+1)s(14.67s+1)(1509s+1)(11000s+1)那么得到校正之后的函數(shù)bode圖如下列圖：1.4.校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的原函數(shù)：G0=220.023s3+0.4423s2+sUa校正之后的函數(shù)：Gs=1000(115.9s+1)s(14.67s+1)(1509s+

9、1)(11000s+1)G0s=220.023s3+0.4423s2+sPD反饋G1s=1(14.67s+1)(1509S+1)sG1s=1(14.67s+1)(1509S+1)s串聯(lián)校正G2s=(115.9s+1)s(14.67s+1)(1509s+1)(11000s+1)G2s=(115.9s+1)s(14.67s+1)(1509s+1)(11000s+1)開(kāi)環(huán)增益Gs=1000(115.9s+1)s(14.67s+1)(1509s+1)(11000s+1)第一步：PD反應(yīng)校正參數(shù)計(jì)算：G0s=220.023s2+0.4423s1+1s=956.5s2+19.23s+43.4sG1s=1(

10、s4.67+1)(s509+1)s設(shè)PD反應(yīng)校正局部為Kps+1=as+ba=513.67-19.23956.5=0.52b=2377.03-43.4956.5=2.44Kp=2.44=0.21K=4.67*509956.5=2.5第二部：串聯(lián)校正G1s=1(14.67s+1)(1509S+1)sG2s=(115.9s+1)s(14.67s+1)(1509s+1)(11000s+1)Gc1s=(115.9s+1)(11000s+1)Bode(Gc1):系統(tǒng)函數(shù)校正前后bode圖：1.5.前饋環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)在任務(wù)書(shū)中給出了相應(yīng)的計(jì)算指標(biāo)， 從給出的指標(biāo)可以判斷輸入信號(hào)為正弦信號(hào)。其指標(biāo)需滿足要求：1

11、. 角速度：=2.62rad/s 2. 角加速度：=10.5rad/s 3. 穩(wěn)態(tài)誤差：ess=0.5mrad通過(guò)前兩個(gè)指標(biāo)角速度與角加速度可以很容易的得出：輸入信號(hào)的幅值與角頻率的數(shù)值。據(jù)公式：=A*，= A*2經(jīng)過(guò)計(jì)算得出：輸入信號(hào)幅值=0.665rad，角速度=4.0rad/s所以，不難得出輸入信號(hào)為：R(t)=0.655*sin(4t)rads沒(méi)有參加前饋環(huán)節(jié)時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差如下列圖所示：由圖像可以得到，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差ess4mrad>0.5mrad，所以不滿足要求。根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差的定義有如下公式：E(s)R(s)=1-Gc(s)G1(s)1+G(s)H(s)s=j4Ei4=|Rj4

12、|1-Gcj4G1j4|1+Gj4Hj4|0.5mrad|1+G2j4Hj4|恒定1-GcsG1s=0.0004207s3+0.2161s2+s-Gcs0.0004207s3+0.2161s2+s消去低次系數(shù)較大項(xiàng)Gcs=0.2161s2+s為了方便實(shí)現(xiàn)Gcs=0.2s2+s(0.001s+1)2參加前饋環(huán)節(jié)時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差如下列圖所示：由圖像可以得到，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差ess0.25mrad<0.5mrad，滿足要求。2.計(jì)算機(jī)仿真2.1.matlab建模建模程序：sys_0=tf(22,0.023,0.4423,1,0)；gc_1=tf(1/15.9,1,0.001,1);bode(gc_

13、1);grid /校正環(huán)節(jié)bode圖num=850*1/15.9,1;>> den=conv(1/4.67,1,conv(1/509,1,0,1/1000,1);>> sys_1=tf(num,den)； /校正之后函數(shù)bode圖bode(sys_1)step(feedback(sys_1,1,-1);grid /校正之后傳遞函數(shù)階躍響應(yīng)t=0:0.001:10;u=0.665*sin(4*t);E_s=1/(1+sys_1); lism(E_s,u,t);grid /校正之后穩(wěn)態(tài)誤差校正環(huán)節(jié)bode圖：G1s的階躍響應(yīng)圖像如下：由上圖可以知道，系統(tǒng)超調(diào)量不符合要求，那

14、么適當(dāng)較低開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)可以適當(dāng)減少超調(diào)量，將開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)設(shè)為850。Gs=850(115.9s+1)s(14.67s+1)(1509s+1)(11000s+1)此時(shí)G1s的階躍響應(yīng)圖像如下：由圖像可知，系統(tǒng)的超調(diào)量p20% ，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts0.2s，滿足要求。系統(tǒng)校正前后bode圖：2.2.simulink仿真用simulink做出系統(tǒng)框圖：系統(tǒng)未參加前饋時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差如下圖：系統(tǒng)參加前饋時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差如下圖：綜上所述，校正后的系統(tǒng)滿足要求。3.校正裝置電路設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)的校正框圖3.2元器件參數(shù)PD環(huán)節(jié)：Kps+1Kp=2.44=R7+R8R6=0.21=R7R8C3R7+R8可以取R6=2.

15、8KR7=14KR8=14KC3=30F串聯(lián)環(huán)節(jié)：T1s+1T2s+1 T1=115.9=R4R5C2R4+R5T2=11000=R2C1可以取R1=1KR2=1KR3=10KR4=20KR5=20KC1=1FC2=6F放大環(huán)節(jié)：K1=R2R4R1R3=850, K2=R2'R4'R1'R3'=2.5K1=R2R4R1R3=850K2=R2'R4'R1'R3'=2.5可以取R1=R3=1KR2=10K,R4=8.5K R1'=5K,R3'=1KR2'=2K,R4'=1K前饋環(huán)節(jié)：1s+1s2s+13

16、s+1 1=0.2=R4R5C2R4+R52=0.001= R2C13=0.01=(R6+R7)C3 可以取R1=R2=1KC1=1FR3=10KR4=R5=20KC2=20F R6=5KR7=5KC3=1F3.3校正電路4.設(shè)計(jì)結(jié)論1通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，給了實(shí)際的工程背景，我學(xué)會(huì)了更好的應(yīng)用已學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，雖然只是在仿真上得到解決，但我覺(jué)得非常自豪和欣慰。2本系統(tǒng)采用了比例+微分控制的方法改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能?？梢杂梅糯笃骱碗娮?、電容網(wǎng)絡(luò)，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。3通過(guò)對(duì)于內(nèi)環(huán)bode圖的特性的調(diào)節(jié)，我發(fā)現(xiàn)加微分負(fù)反應(yīng)對(duì)于減小系統(tǒng)的剪切頻率有很大的幫助，雖然這次這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于矯正產(chǎn)生了很大的

17、影響，但我相信在以后的學(xué)習(xí)過(guò)程中，這個(gè)特點(diǎn)會(huì)起到一些幫助。4對(duì)于一個(gè)輸入為正弦信號(hào)的閉環(huán)系統(tǒng)，其響應(yīng)輸出一般很難和輸入信號(hào)復(fù)制相同，這時(shí)可以在系統(tǒng)閉環(huán)之前增加一個(gè)增益，調(diào)整輸出信號(hào)的幅值。5在實(shí)際設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)時(shí)，希望頻率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)盡量取到整數(shù)，這次設(shè)計(jì)就是沒(méi)有注意這個(gè)問(wèn)題，這對(duì)后來(lái)的實(shí)際電路的原件的選取造成的巨大的麻煩。6. 在實(shí)際設(shè)計(jì)校正電路的時(shí)候，應(yīng)該選取實(shí)際存在的電阻值，從而對(duì)于實(shí)際購(gòu)置元件有很大的幫助。相反，假設(shè)主觀臆造任意電阻和電感值，不僅無(wú)形的增加的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)對(duì)于系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也產(chǎn)生了影響。5.設(shè)計(jì)心得體會(huì)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步理解了上學(xué)期自動(dòng)控制原理課程中的一些根本概念，比方剪切頻率、相角裕度、穩(wěn)態(tài)誤差、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間、超調(diào)量；熟練掌握了各種校正，對(duì)在何種情況應(yīng)用哪種校正，以及不同校正的區(qū)別也都有了一定的了解。此題目?jī)H僅給了剪切頻率、相角裕度、穩(wěn)態(tài)誤差、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間、超調(diào)量五個(gè)參數(shù)指標(biāo)和相應(yīng)的系統(tǒng)框圖，在對(duì)不同校正的