光源自動跟蹤系統(tǒng)課程設(shè)計解答

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 指導(dǎo)教師評定成績： 審定成績： 重 慶 郵 電 大 學(xué)自 動 化 學(xué) 院自動控制原理課程設(shè)計報告 設(shè)計題目：光源自動跟蹤系統(tǒng)單位（二級學(xué)院）： 自 動 化 學(xué) 院 學(xué) 生 姓 名： * * * 專 業(yè)： * 班 級： * * * * 學(xué) 號： * 指 導(dǎo) 教 師： * * * 設(shè)計時間： 20* 年 *月重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院制目錄一.題目 3二.模型建立與求解 42.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 42.2光源檢測模型 42.3直流電機模型 5三.性能驗證和參數(shù)設(shè)計 6 3.1根軌跡設(shè)計及頻域分析 6 3.2時域檢驗與速度信號測試 7 3.3檢測電路設(shè)計 8一.課程設(shè)計題目已知一

2、光源自動跟蹤系統(tǒng)，利用帆板上一對光敏元件檢測光能，當(dāng)帆板偏離光源時，光敏元件產(chǎn)生電壓差并通過放大后驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，使太陽能帆板對準光源，如圖示,其中，電機表示轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電動勢電機產(chǎn)生的電磁力矩電機及負載的轉(zhuǎn)動慣量;阻力矩為其中.要求完成的主要任務(wù)：1、 分析系統(tǒng)工作過程，建立數(shù)學(xué)模型，并畫出結(jié)構(gòu)圖。2、 系統(tǒng)跟蹤階躍響應(yīng)的時間為0.5秒，超調(diào)量為小于5%，設(shè)計校正系統(tǒng)。3、 分析當(dāng)該系統(tǒng)跟蹤太陽轉(zhuǎn)動時的性能。4、 設(shè)計光源檢測放大裝置，畫出電路圖并確定主要元件參數(shù)。二、模型建立與求解2.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)依據(jù)檢測、放大、電機三個模塊，畫出相應(yīng)的控制結(jié)構(gòu)圖，如圖2. 圖 2 控制系統(tǒng)圖在這里,角度

3、的輸入和比較依靠物理的光線輸入和檢測以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局來實現(xiàn)的.2.2光源檢測系統(tǒng)模型該光源跟蹤系統(tǒng)主要由光線檢測電路，電機驅(qū)動放大器，直流伺服電機三個模塊組成。兩個完全相同的光敏傳感器分別安裝在帆板兩邊，用來檢測光線是否正對該跟蹤系統(tǒng)。當(dāng)光線滿足入射條件時，兩個光敏傳感器檢測到的光輻射強度幾乎相等，否則講表明帆板偏向受輻射少的一邊。兩個感光器受到的輻射強度只差可以反饋給電機驅(qū)動器中，用來作為電機的誤差信號，使帆板轉(zhuǎn)向正確的位置。 圖3. 光敏元件工作原理圖設(shè)光敏元件產(chǎn)生的電壓和光的正投射面積成正比,系數(shù)為k*,則:即:帆板與陽光的偏角將產(chǎn)生成正比的電壓差,經(jīng)過放大后驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動. 2.3直流伺

4、服電機模塊若他勵直流電動機工作在恒定勵磁狀態(tài)，通過改變電樞電壓進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。其工作原理圖如下： 圖 4. 直流伺服電動機工作原理圖設(shè)輸入信號為電樞電壓，輸出信號是電動機轉(zhuǎn)角,根據(jù)基爾霍夫電路定律，電動機電樞回路的運動方程式為： （5） （6）式中，電樞繞組的電感和電阻； 電動機的反電動勢； 反電動勢系數(shù)； 電動機轉(zhuǎn)速。由題目已知，電動機電磁轉(zhuǎn)矩為 （7） 式中，為電動機的力矩系數(shù)。當(dāng)電機空轉(zhuǎn)時，其轉(zhuǎn)矩平衡方程為 （8） 式中，J電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量； B阻尼系數(shù)。將式（1）（4）聯(lián)立，消去中間變量，得到： （9）將（5）式作拉氏變換，且令初始條件為0，得到： （10）所以電動機的傳遞函數(shù)如下：

5、= （11）代入題目已知參數(shù)后，得到： （12）（4）開環(huán)傳遞函數(shù)根據(jù)圖2.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，可以算出系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)如下： （13） 三、模型檢驗3.1 繪制根軌跡圖和波得圖根據(jù)其開環(huán)傳遞函數(shù)用matlab仿真，作出其閉環(huán)階躍響應(yīng)圖，如圖8.圖5 開環(huán)根軌跡圖圖6 開環(huán)波德圖可見,可以調(diào)整增益達到系統(tǒng)要求,由調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量計算公式,當(dāng)K取20時,可滿足要求.驗證:圖7 單位階躍響應(yīng)圖對于最后一問,當(dāng)太陽移動時,角度為勻速度變化,輸入為斜坡信號,因此,用速度信號激勵系統(tǒng),得:圖7 單位速度信號的響應(yīng)圖可見,系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差,可由公式計算得, ess=1/k0=/=0.0083.3.2檢測電路模

6、塊(參考)檢測電路部分，采用半橋差動結(jié)構(gòu)，如圖3。將兩個完全相同的光敏傳感器分別安裝在帆板兩邊，當(dāng)光線在一定范圍變化時，兩個光敏傳感器檢測到的光輻射強度會不相同，且帆板偏向受輻射少的一邊。差動結(jié)構(gòu)用來作為電機的誤差信號，使帆板轉(zhuǎn)向正確的位置。 圖3. 光敏檢測電路圖 可見，該電橋的輸出電壓為 （1）試中，為光敏電阻，為光敏電阻變化量。 取,為便于表達和計算，將光敏電阻變化量看成電阻阻值變化量。，則得到： （2）而且于呈線性關(guān)系，且電壓靈敏度比單臂高了一倍，能有效減少誤差。 根據(jù)光敏電阻伏安特性，如圖4 圖4.光敏電阻伏安特性圖可見，（為輸入光源與帆板夾角）代入（2）式得到 （3）根據(jù)光敏電阻伏安特性曲線，作光敏電阻阻值與偏轉(zhuǎn)角度（）對應(yīng)關(guān)系圖，如下： 圖5.光敏電阻阻值與偏轉(zhuǎn)角關(guān)系根據(jù)圖形可以看出當(dāng)偏角為0度時，即光敏電阻沒有接受到光源時，電阻R=2； 當(dāng)偏角為60度，即光源垂直照射該系統(tǒng)時，電阻R=1。所以公式（3）中，。取電源電壓E=30V