自控原理課程設(shè)計

1、 自 動 控 制 原 理 課 程 設(shè) 計用MATLAB語言分析和設(shè)計計算機磁盤驅(qū)動系統(tǒng)姓 名學(xué) 院信息與電氣工程學(xué)院專 業(yè)電氣工程及其自動化年 級2012學(xué) 號指導(dǎo)教師2014 年 12月21日課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目：用MATLAB語言分析和設(shè)計計算機磁盤驅(qū)動系統(tǒng)1設(shè)計目的（1）培養(yǎng)學(xué)生文獻檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻資料。（2）培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。（3）培養(yǎng)學(xué)生運用知識的能力和工程設(shè)計的能力。（4）提高學(xué)生課程設(shè)計報告撰寫水平。2性能指標要求（1）原始數(shù)據(jù)磁盤驅(qū)動讀取系統(tǒng)典型參數(shù)參數(shù)符號典型值臂與磁頭的轉(zhuǎn)動慣量1 (N·m&#

2、183;s2/rad)摩擦系數(shù)20( N·m·s/rad)放大器增益101000電樞電阻1()電機傳遞系數(shù)5(N·m/A)電樞電感1(mH)（2） 性能指標磁頭位置精度要求為1微米（對單位階躍輸入穩(wěn)態(tài)誤差為0），磁頭由磁道a移動到磁道b的時間小于50ms（調(diào)節(jié)時間ts),單位階躍響應(yīng)的超調(diào)量小于5%，。3.設(shè)計內(nèi)容未校正系統(tǒng)的要求：（1）了解計算機磁盤驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理并建立其數(shù)學(xué)模型。（2）編寫M文件作出系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，并得到性能指標。（3）用根軌跡法分析開環(huán)增益變化對系統(tǒng)性能的影響。（4）給出系統(tǒng)的開環(huán)傳函的bode圖，利用頻域方法分析系統(tǒng)的頻域性能指標（

3、相角裕度和幅值裕度）對校正系統(tǒng)的要求：根據(jù)系統(tǒng)性能指標的要求，對計算機磁盤驅(qū)動系統(tǒng)進行設(shè)計，選擇2種方法對系統(tǒng)進行校正，并比較這兩種方法有什么特點。（有一種方法達到性能指標即可）（1）確定需采用的校正方式，畫出校正裝置的結(jié)構(gòu)圖，分析所采用的校正類型的理由。（2）確定校正裝置傳遞函數(shù)的參數(shù)。（3）畫出校正后的系統(tǒng)bode圖，并求出截止角頻率、相角裕度和幅值裕度等性能指標。（4）做出系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，并求出其性能指標（超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間）。（5）在SIMULINK中建立系統(tǒng)的仿真模型，在前向通道中分別接入飽和非線性環(huán)節(jié)和回環(huán)非線性環(huán)節(jié)，觀察分析非線性環(huán)節(jié)對系統(tǒng)性能的影響。目 錄1 引言42 系

4、統(tǒng)原理52.1工作原理52.2結(jié)構(gòu)原理53 系統(tǒng)建模64 系統(tǒng)分析84 .1開環(huán)增益變化對系統(tǒng)性能的影響84 .2頻域性能指標105 校正分析115.1 PD校正分析115.2超前校正分析146 心得體會177 參考文獻18信息與電氣工程學(xué)院本科生課程設(shè)計論文（信息與電氣工程學(xué)院，電氣工程及其自動化專業(yè)，2012級1班4）摘 要：磁盤驅(qū)動器是計算機最重要的外部存儲設(shè)備，廣泛用于各類計算機中，本文對傳統(tǒng)的模型進行了理論仿真分析。提出磁盤驅(qū)動讀取系統(tǒng)的方案，是為了適應(yīng)硬盤驅(qū)動器空間狹小、功耗要求小以及保持軸承等需求設(shè)計，基于控制系統(tǒng)不僅對研究磁盤系統(tǒng)有意義，對其他系統(tǒng)的研究也有重要作用。用MATL

5、AB軟件設(shè)計線性控制系統(tǒng)的設(shè)計，使系統(tǒng)的設(shè)計簡潔，并可以根據(jù)仿真結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)存在的問題，確定系統(tǒng)參數(shù)，以便于快速做出對系統(tǒng)方案的修改。使我們在科研生產(chǎn)領(lǐng)域獲得更可靠的研究設(shè)計，節(jié)約了設(shè)計科研的成本。關(guān)鍵詞：磁盤驅(qū)動器；線性控制系統(tǒng)；控制器1 引言磁盤驅(qū)動器作為一種存儲數(shù)據(jù)信息的設(shè)備，在目前的計算機系統(tǒng)中起著不可替代的作用?，F(xiàn)如今，硬盤技術(shù)發(fā)展日趨成熟，讀寫磁頭的定位控制又是核心技術(shù)。磁盤可以方便有效的儲存信息。磁盤驅(qū)動器則廣泛用于從便攜式計算機到大型計算機等各類計算機中。磁盤驅(qū)動器讀取裝置的目標是要將磁頭準確定位，以便正確讀取磁盤磁道上的信息。要精確控制的變量是磁頭（安裝在一個滑動簧片

6、上）的位置。磁盤旋轉(zhuǎn)速度在1800-7200r/min之間，磁頭在磁盤上方不到100nm的地方“飛行”，位置精度指標初步定為；如有可能，我們還要進一步做到使磁頭由磁道a移動到磁道b的時間小于50ms，該閉環(huán)系統(tǒng)利用電機驅(qū)動磁頭臂到達預(yù)期的位置。2 系統(tǒng)原理2.1工作原理磁盤驅(qū)動器的工作原理：硬盤可以讀取和寫入保存數(shù)據(jù)，寫入數(shù)據(jù)實際上是通過磁頭對硬盤片表面的可磁化單元進行磁化，硬盤是將二進制的數(shù)字信號以環(huán)狀同心圓軌跡的形式，一圈一圈地記錄涂有磁介質(zhì)的高速旋轉(zhuǎn)的盤面上。讀取數(shù)據(jù)時，只需要把磁頭移到相應(yīng)的位置讀取此處的磁化編碼狀態(tài)即可。2.2結(jié)構(gòu)原理內(nèi)部結(jié)構(gòu)由磁頭、盤片、主軸、電機、接口及其他附件組

7、成，其中磁頭、盤片組件是構(gòu)成硬盤的核心，它封裝在硬盤的凈化腔體內(nèi)，包括有浮動磁頭組件、磁頭驅(qū)動機構(gòu)、盤片、主軸驅(qū)動裝置及前置讀寫控制電路這幾部分。圖2.1磁盤驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2.1磁盤驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖。磁盤驅(qū)動讀取系統(tǒng)采用永磁直流電機驅(qū)動讀取手臂的轉(zhuǎn)動。磁頭安裝在一個與手臂相連的簧片上，它讀取磁盤上各點處不同的磁通量并將信號提供給放大器，簧片（彈性金屬制成）保證磁頭以小于100nm的間隙懸浮于磁盤之上。圖2.2 磁頭安裝結(jié)構(gòu)圖。圖2.2 磁頭安裝結(jié)構(gòu)圖。3 系統(tǒng)建模圖3.1控制系統(tǒng)設(shè)計過程1.磁盤驅(qū)動系統(tǒng)的基本設(shè)計目標：是盡可能將磁頭準確定位在指定的磁道上，并且使磁頭從磁道a轉(zhuǎn)移到磁道b所

8、花的時間不超過50ms?，F(xiàn)在，我們將完成設(shè)計流程（圖3.1）的第4、5步。首先應(yīng)選定執(zhí)行機構(gòu)、傳感器和控制器，然后建立控制對象和傳感器等元部件的模型。圖3.2 磁盤驅(qū)動器讀取系統(tǒng)初步方案。圖3.2 磁盤驅(qū)動器讀取系統(tǒng)初步方案2.偏差信號是在磁頭讀取磁盤上預(yù)先錄制的索引磁道時產(chǎn)生的。我們假定磁頭足夠精確，傳感器環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為；作為足夠精確的近似，我們用電樞控制直流電機模型（）來對永磁直流電機建模；此外，圖中也給出了線性放大器的模型；在此假定簧片是完全剛性的，不會出現(xiàn)明顯的彎曲。圖3.3 磁盤驅(qū)動讀取系統(tǒng)系統(tǒng)框圖圖3.4電樞控制直流電機框圖3.由磁盤驅(qū)動讀取系統(tǒng)典型參數(shù)表，可以得出：其中，。由于

9、，因此常被略去不計，因此有：，或4.利用框圖變換化簡規(guī)則，可以得出5.利用的二階近似表示，可以得出，當時，最后可得：使用matlab的函數(shù)step， 時，可以得到系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)。G=zpk(,0 -20 -1000,5000);Ka=40;sys=feedback(Ka*G,1);t=0:0.001:1.2;step(sys,t);grid;axis(0,1.2,0,1.2)圖3.5 系統(tǒng)階躍響應(yīng)4 系統(tǒng)分析4 .1開環(huán)增益變化對系統(tǒng)性能的影響磁盤驅(qū)動器必須保證磁頭的精確位置，并減小參數(shù)變化和外部振動對磁頭定位造成的影響。機械臂和支撐簧片將在外部振動的頻率點上產(chǎn)生共振。對驅(qū)動器產(chǎn)生的干擾包

10、括物理振動、磁盤轉(zhuǎn)軸軸承的磨損和擺動，以及元器件老化引起的參數(shù)變化等。磁盤驅(qū)動器對干擾和參數(shù)變化的響應(yīng)特性，調(diào)整放大器增益時，系統(tǒng)對階躍指令的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。圖4.1 磁盤驅(qū)動器磁頭控制系統(tǒng)圖4.2 典型參數(shù)的磁盤驅(qū)動器磁頭控制系統(tǒng)當輸入為單位階躍信號，干擾為時，系統(tǒng)內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)誤差。當時，可以得出：，于是。即系統(tǒng)對單位階躍輸入的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差為零，這個結(jié)論不會隨著系統(tǒng)參數(shù)的改變而改變。當D(s)=0,R(s)=1時，有 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為圖4.3開環(huán)傳遞函數(shù)的根軌跡圖sys=zpk(,0 -20 -1000,500);rlocus(sys)由圖4.3可知，部分根軌跡位于s右半平面，系統(tǒng)必然

11、存在不穩(wěn)定的閉環(huán)根，系統(tǒng)不穩(wěn)定。4 .2頻域性能指標已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為圖3.31開環(huán)傳遞函數(shù)的bode圖由上圖可知，增益裕度Gm=92.2dB，相角裕度Pm=89.9dB，而增益裕度的定義是伯德圖中的相位圖到達-180°時此時的頻率增益分貝值，當此值小于0時系統(tǒng)穩(wěn)定，所以該系統(tǒng)不穩(wěn)定。sys=zpk(,0 -20 -1000,500);bode(sys)5 校正分析5.1 PD校正分析現(xiàn)在為磁盤驅(qū)動讀取系統(tǒng)設(shè)計一個合適的PD控制器，使得系統(tǒng)能夠滿足對單位階躍響應(yīng)的設(shè)計要求，閉環(huán)系統(tǒng)的框圖模型如圖5.1所示。，前置濾波，的目的在于消除零點因式對閉環(huán)傳遞系數(shù)的不利影響。為了得到具有

12、最小節(jié)拍響應(yīng)的系統(tǒng)，針對圖5.1給出的2階模型，將預(yù)期的閉環(huán)傳遞函數(shù)取為：圖5.1 帶有PD控制器的磁盤驅(qū)動器控制系統(tǒng)（2階系統(tǒng)模型）由表5.2可知，對應(yīng)的標準化傳遞函數(shù)的系數(shù)應(yīng)為：標準化調(diào)節(jié)時間應(yīng)為：。嗎，實際系統(tǒng)對調(diào)節(jié)時間的設(shè)計要求為，于是可取。在這種情況下，調(diào)節(jié)時間的預(yù)期值為，滿足了設(shè)計要求。這樣的分母則為：。由此可得到圖5.1所示閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為：比較和的系數(shù)，有，可解得，。至此，便得到了所需要的PD控制器為。然后，將前置濾波器取為，就能進一步對消引入PD控制器新增的閉環(huán)零點。表5.1 磁盤驅(qū)動器控制系統(tǒng)的設(shè)計要求與實際性能性能指標預(yù)期值實際值超調(diào)量小于5%0.1%調(diào)節(jié)時間小于50

13、ms40ms單位擾動的最大響應(yīng)小于5×10-36.9×10-5表5.2 最小節(jié)拍系統(tǒng)的標準化傳遞函數(shù)的典型系數(shù)和響應(yīng)性能指標系統(tǒng)階數(shù)系數(shù)超調(diào)量欠調(diào)量90%上升時間100%上升時間調(diào)節(jié)時間21.820.10%0.00%3.476.594.8231.902.201.65%1.36%3.484.324.0442.203.502.800.89%0.95%4.165.294.8151.704.905.403.401.29%0.37%4.845.735.4363.156.508.707.554.051.63%0.94%5.496.316.04未加上前置濾波器時系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：圖5.2

14、未加上前置濾波器時系統(tǒng)的階躍響應(yīng) 由圖5.2可知，未加上前置濾波器時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)的調(diào)節(jié)時間，基本滿足要求，超調(diào)量10.6%，而所要求單位階躍響應(yīng)的超調(diào)量要小于5%，不滿足要求。num=198.4,14000den=1,218.4,14000step=(num,den)加上前置濾波器時系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：圖5.3加上前置濾波器時系統(tǒng)的階躍響應(yīng) 由圖5.3可得，加入前置濾波器取為后，進一步對消引入PD控制器新增的閉環(huán)零點，使得系統(tǒng)階躍響應(yīng)的調(diào)節(jié)時間0.0402s，超調(diào)量0，滿足要求。num=14399.872,1016120den=1,290.98,29851.472,1016120step(nu

15、m,den)5.2超前校正分析1. 控制系統(tǒng)的方塊圖： )圖5.4控制系統(tǒng)方塊圖2.（1）、首先根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差的要求確定系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)增益由系統(tǒng)的方框圖可知，系統(tǒng)是一型系統(tǒng)，因此在單位階躍作用下的穩(wěn)態(tài)誤差為0。而在干擾作用下的系統(tǒng)的等效方框圖為： 圖5.5在干擾作用下的系統(tǒng)的等效方框圖輸出象函數(shù)：穩(wěn)態(tài)誤差要求小于1m即：（2）、原系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：則加上增益 （3）、求校正后系統(tǒng)的截止頻率，并根據(jù)校正后系統(tǒng)的截止頻率的要求，計算超前校正網(wǎng)絡(luò)的參數(shù),T。 由及可得，又由可得通過時域指標轉(zhuǎn)換成頻域指標,于是可得校正后系統(tǒng)的截止頻率，相角欲量。取,通過計算可得在處原系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)數(shù)為-21.3。如

16、圖4.5。即可得 于是由公式：得T=0.0034s?？傻眯Ｕb置的傳遞函數(shù)：校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)在matlab中編程作出校正后的頻率特性為：n=0.4586 1;d=5.2156e-009 1.0269e-005 0.0060 1 0;s=tf(n,d);figure(1)margin(s);圖5.6校正后的頻率特性通過matlab編程可得系統(tǒng)在單位階躍信號作用下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線：t=0:0.01:10;n=0.4586 1;d=5.2156e-009 1.0269e-005 0.0060 1 0;s=tf(n,d)sys=feedback(s,1)step(sys,t)grid;axis(

17、0,14,0,1)圖5.7單位階躍信號作用下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線6 心得體會對于超前校正，主要用于對系統(tǒng)動態(tài)性能的改善。通過提高系統(tǒng)的截止頻率和相角裕量，以減小階躍響應(yīng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間，從而達到改善系統(tǒng)動態(tài)性能的目的。 這部分通過串聯(lián)超前校正裝置對原系統(tǒng)進行校正，使我認識到了超前校正在對系統(tǒng)進行校正的重要作用。并通過設(shè)計超前校正裝置，熟悉了其一般的設(shè)計方法和步驟。具體步驟如下： （1）、通過穩(wěn)態(tài)誤差的要求先確定系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)增益K。 （2）、利用已經(jīng)確定的K值，計算未校正系統(tǒng)的相角裕量。 （3）、通過時域指標轉(zhuǎn)換成截止頻率。 自動控制原理中各種校正裝置的作用及用法，學(xué)會根據(jù)不同的系統(tǒng)性能指標要求進行合理的系統(tǒng)設(shè)計，并調(diào)試滿足系統(tǒng)的指標；對于串聯(lián)超前校正，通過校正前后系統(tǒng)Bode圖的比較，我知道校正提高了系統(tǒng)相角裕度，降低了截止頻率，并且引入了開環(huán)零極點。進一步加深對MATLAB軟件的認識和理解，學(xué)會了使用MATLAB語言來進行基本的數(shù)學(xué)運算，這讓我感覺到MATLAB這個