自动控制原理课程设计火炮跟踪随动控制系统

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1、课程设计名称： 自动控制原理课程设计 题 目：火炮跟踪随动控制系统 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 课程设计任务书一、 设计题目：车载武器随动系统设计二、 设计任务：设计一个随动系统，使其发射端口在要求的精度和时间范围内跟踪目标.三、 设计计划：1.查阅相关资料 2.确定设计方案 3.进行设计并定稿四、 设计要求：要求设计的随动系统在跟踪过程有足够的稳定性与快速性 指 导 教师：徐建华教研室主任：徐建华时 间：2011年12月9 日 中国矿业大学银川学院课 程 设 计 成 绩 评 定 表学期20112012年度第一学期姓名 专业 班级 课程名称自动控制原理课程设计设计题目 评定标准评定

2、指标分值得分知识创新性20 理论正确性20内容难易性15结合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100评语：任课教师徐 建 华时间 年 月 日备 注摘 要随动控制系统又名伺服控制系统。其参考输入是变化规律未知的任意时间函数。随动控制系统的任务是使被控量按同样规律变化并与输入信号的误差保持在规定范围内。这种系统在军事上应用最为普遍.如导弹发射架控制系统，雷达天线控制系统等。其特点是输入为未知。 本文对一个随动系统进行研究，在准确把握研究的方向基础上，始终以系统的高运行性能为目标，在控制系统的稳定性，快速性，准确性这三者之间的固有矛盾中寻找最佳的平衡点。通过建立模型，元件确定，

3、参数分析，串联校正四大模块，整合自动控制理论的各个知识点，包含了经典控制理论的大部分内容，知识点相互穿插，紧密联系，并有机结合成一篇完整的论文。目 录一 系统设计的步骤 11.1 设计方案 11.1.1 控制系统的基本组成 11.1.2 系统的构造 11.2 系统的方框图及开环传函 52.1系统方框图52.2系统开环传函61.3 火炮系统的工作过程 61.4 性能指标的确定 6二 控制系统方案和主要元部件的选择 72.1 系统方案 72.2 元部件选择 7三 开环增益和静态误差计算 83.1 系统无测速反馈 83.2 系统加入测速反馈 83.2.1劳斯判据分析93.2.1 根轨迹分析 93.2

4、.3频域分析 103.3 静态误差的计算 11四 动态分析和校正装置的设计13五 结论15六 设计体会16七 参考文献17一 系统设计的步骤1.1设计方案1.1.1 控制系统的基本组成:(1)控制任务： 控制火炮跟踪目标，确定目标位置,适时开炮击中目标。(2)被控对象： 火炮。(3)被控量： 火炮轴转角q2,即自整角机接收机转子转角。(4)给定输入： 自整角机发送机转角q1。(5)干扰输入： 电源电压变化，电机激磁电流变化，电机负载转动力矩变化。(6)偏差量： q1-q2称为角差。(7)控制过程： 消除q1-q2的角差及上述干扰输入影响的过程就是对火炮方位角的控制过程。(8)执行元件： 控制动

5、作发出者,直流伺服电动机,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移(角速度)输出。(9)控制量： 直流伺服电动机的电枢电压ua（也是功率放大器的输出）。以上为本系统必须具备的框架,在这个框架的基础上进行下面的进一步分析。1.1.2 系统的构造:(1) 电位器 电位器是一种把线位移角位移变换成电压量的装置。本系统中,采用了一对电位器组成误差检测器,其中上边的电位器用作输入信号的接受装置,下边的电位器用作电动机驱动火炮引起的角度改变的检测装置,反馈到输入端,与输入电位器进行同相连接,得到的电压作为误差信号输人到前向通道中去 (如图1) 。图1-1 电位器由图可以得出输出电压为其中,是单位角位移对应

6、的输出电压,称电位器传递系数。K当雷达检测到外界目标的坐标位置时,把位置信号转换成电压信号,再输入到给定电位器中,就实现了信号的变换功能。图1-2 电位器结构图(2) 运算放大器 用做电压放大信号,由电位器得到的误差信号为微弱信号需要经过运算放大器的放大,才能得到有用信号。图1-3 运放由图可以得出输出电压为 其中为运放的放大倍数, 。K 图1-4 运放1结构图(3) 运算放大器 用作有源滤波装置,由于输入为随动信号,而执行元件为直流电机,电枢电压为直流信号,故需要在前向通道的前端加入有源滤波电路,滤除高频信号和干扰信号,保证系统的稳定性。图1-5 运放II由图可以得出输出与输入之间的关系为其

7、中为通带放大倍数,T=RC为时间常数。 图1-6 运放II结构图(4) 功率放大电路 本系统采用晶闸管整流装置,包括触发电路和晶闸管主电路。忽略晶闸管控制电路的时间滞后,其输入输出的方程为式中为比例系数。K 图1-7 功放结构图(5) 直流电动机 图1-8表示磁场固定不变(激磁电流If =常数)，用电枢电压来控制的直流电动机。设它的控制输入为电枢电压ua ，它的输出轴角位移q(用在位置随动系统时)或角速度w (用在转速控制系统时)为输出，负载转矩ML变化为主要扰动。现欲求输入与输出关系微分方程式。考虑一般电机补偿是良好的，在反应速度不是很快的场合，可以不计电枢反应、涡流效应和磁滞影响；当If为

8、常值时，磁场不变，并认为电机绕组温度在瞬变过程中是不变的。如此假设在工程上是允许的。 图1-8 电枢电压控制的直流电动机电枢电压控制的直流电动机微分方程式式中系数均为折算到电动机轴上的等效值,。则忽略负载的拉氏变换为 图1-9 直流电动机的结构图(6) 测速电机 图1-10为永磁式直流测速电机,在电枢两端输出与转子角速度成正比的直流电压,即为测速发电机的输出斜率。图1-10 直流测速电机从上图中得到sU图1-11 测速电机的结构图将以上基本元件按顺序依次组装连接,可以得到这个系统的连接实物原理图1-12图1-12 系统原理图1.2 系统的方框结构图及开环传递函数1.2.1 系统方框图由上一节得

9、到的原理图可以转换成系统方框图,如图1-13图1-13 系统方框图1.2.2 系统开环传递函数从系统方框图可以看出,本系统为闭环双反馈系统,其中内反馈为测速负反馈,外反馈为单位负反馈。运用有关定理,求得开环传递函数如下：1.3 火炮系统的工作过程自动控制过程分析（工作原理）:(1) 随动系统处于平衡状态，此时有q1=q2=0，偏差电压u=0，ua=0，执行电机不动，火炮也不动。此平衡状态下对应的偏差等于零。(2) 若自整角机发送机转子顺时针转过一角度，例如10度，此时角差=10度，u及ua不等于零，ua极性决定电机（接收机）旋转方向。电机将带动火炮转过10度，与电机轴相固联的接收机转子也转过1

10、0度，使角差再次等于零，则u=ua=0，则火返航炮停止转动。(3) 若自整角机发送机转子连续转动，则火炮也跟着发送机转子按相同方向连续转动。这样就可实现火炮的自动跟踪。此时角差、u、ua均不等于零。1.4 性能指标的确定火炮系统应具有良好的快速性及稳定性。稳定性决定能否实现跟踪目标，快速性决定跟踪目标的反应能力。性能指标确定如下：（1）调节时间：ts0.8秒；（2）超调量： %30%；（3）速度稳态误差：二 控制系统的方案和主要元部件的选择2.1 系统的方案 火炮系统的工作过程进行分析,建立数学模型,得到理论的传递函数。.在投入实际生产之前,还需要考虑各方面的因素,如元部件的选择,系统的稳定性

11、分析,动态性能的要求,及各项指标的确定。2.2 元部件的选择（1）电位器的选择 需要选择一对电位器,一个作为输入,一个作为反馈,由于火炮的转动方位要求全面,因此,电位器的最大偏转角度应接近于180度,才能有广阔的视野。电位器的传递系数应足够大,才能保证角度的转换精度。=30V/360度=0.083（2） 运算放大器的选择 运算放大器的放大倍数需配合电位器的输入的极值,避免非线性失真,导致跟踪不准确。并且要求运放的温漂低。运放I的参数用于调节开环放大倍数,运放II的K设定为1,时间常数T=RC=0.04秒。（3） 功率放大器的选择 功率放大器的直流放大倍数恒定,保证要使功放稳步驱动后级电动机,=

12、220/7=31.5。（4） 直流电动机的选择 直流伺服电动机选择合适的额定电压U=220V,充分考虑带负载能力,选择电动机,使得=1, =10。（5）测速发电机的选择 与直流电动机配对使用,参数的范围略大于电动机的配置,留有一定的裕量。（6）有关电阻电容的选择 由于火炮需要一定的控制精度.因此电阻电容的参数精确度要高,并且稳定性好,温漂小。三 开环增益选择和静态误差计算 在选定好系统的基本元件,确定不变的参数后,需要运用控制理论对系统的传递函数进行系统的分析。代入相关的参数值,得到代数式:3.1 系统无测速反馈当测速反馈为零时,即=0,此时系统的开环传函变为令,可以得到开环根轨迹传递函数为此

13、时系统包含三个特征根，系统的第二个特征根过于靠近虚轴，当改变开环传函放大倍数时，容易引起系统的不稳定。因此，需要引入测速反馈改变根的分布位置。由于该系数只影响两根的距离，两根之和始终保持不变，选择合适的根位置，可以得到良好的动态性能。3.2 系统加入测速反馈系统的开环传函为：经过试探，可以得知，当增大的取值时，系统的两个复数极点的实部保持不变，因此，系统的调节时间较大，而虚部随之增大，阻尼角度变大，阻尼比变小，系统的超调量呈现增大的趋势。 现在取，此时160，0.017运用MATLAB软件，进行模拟。代入0.017，得到系统的开环传递函数为 （1）其中，分子分母同除以160，把上式化成开环放大

14、倍数为参数的传递函数表达式为： （2）3.2.1 劳斯判据分析对（1）式求出特征方程为：运用劳斯判据： 表3-1稳定性判别126026416000得到系统稳定的开环根轨迹增益的范围： 3.2.2 根轨迹分析运行MATLAB软件，建立文件，编写程序如下num=1;den=1 26 160 0;rlocus(num,den)图31 根轨迹曲线从图中结合表达式可以看出：(1) 系统包含三个极点，无零点。(2) 当，系统处于过阻尼情况，无超调，稳定。(3) 当288时，系统处于临界阻尼情况，无超调，稳定。(4) 当，系统处于欠阻尼情况，振荡且稳定。(5) 当4160时，系统处于无阻尼情况，临界振荡，不

15、稳定。(6) 当4160时，系统振荡发散。3.2.3 频域分析由式2取500，编写对数频率特性的程序如下：num=1;den=1 26 160 0;bode(num,den)margin(num,den)得到系统在500（0.763，系统稳定）的频率特性图为图32 测速反馈开环频率特性曲线图从图中可以读出相角裕度Pm63.1deg,幅值裕度Gm18.4dB，。从上述分析中可以看出，的稳定范围为0,4160, 当500时，不能满足系统的性能指标要求，因此需要加入校正环节，改善性能。3.3 静态误差系数的计算由于，因此 此时系统的，远大于4160，系统处于不稳定状态，因此需要加入校正环节，使系统稳

16、定，同时获得良好的性能指标。此时系统的幅频及相频特性如图3-3所示。图3-3 未校正系统的频率特性曲线从图中看出，系统不稳定。四 动态分析和校正装置的设计 从第三章的分析可以看出，要使系统稳定，必须串入校正环节，经过综合考虑，决定采用滞后超前校正装置。性能指标要求为：（1）调节时间：ts0.8秒；（2）超调量： %30%；（3）速度稳态误差：系统的校正：（1） K100，画出待校正系统的对数幅频特性，得到22.9rad/s。（2） 绘制期望对数幅频特性中频段：将%， 转换成相应得频域指标，取1.35=122.830.8取3，24此时H=/8。在中频段与过3的横轴垂线与中频段的交点上，作斜率为4

17、0dB/dec直线，交待校正系统的于0.36，因此，得到的校正装置的函数为此时，校正后系统的开环传递函数为将，的对数幅频特性画在一张图上，得到校正的三条幅频特性曲线。图41 校正曲线从图中可以看出，系统的截止频率下降到了=9.87rad/s,相角裕度Pm21.2deg,幅值裕度Gm=7.65dB, ts，%均符合性能指标的要求，系统可以在以上确定的参数下良好运行。五 结 论：本次课程设计，对一个现实问题提出期望的要求，通过对所需元件参数的性能分析，建立恰当的数学模型，确定合适的元件参数，得到单一待定参数的传递函数，对这个传递函数运用理论课中所学到的各种分析方法进行研究，其中，分为以下几步：第一

18、步是确定系统的基本构造，选择设计系统所需的各种元件，并对这些元件的特性逐一分析，画出它们的方框结构图。第二步就需要确定元件的参数范围，按照参数的确定原则，就是后一级的参数范围要尽量包括前一级的工作范围，这样避免非线性的产生，也防止元件超过工作范围时发生损坏。第三步确定系统的传递函数并进行初步分析，把选定的参数代入元件的数学结构式中，写出系统的传递函数。对这个传函进行单一参数的分析，即只改变其中的一个参数加以观察方程的特征，这样，才能得到明显的变化趋势。第四步就是按照系统的性能指标设定系统的参数，这种情况设定的参数一般不能满足系统的要求，有时还可能导致不稳定，因此需要对系统进行必要的校正，校正又

19、包含串联和反馈校正以及复合校正，串联校正中又分为超前校正，滞后校正，滞后超前校正三种，因此，需要根据实际情况来选择恰当的校正方法。本设计中所运用的式串联校正中的滞后超前校正方法。第五步则是收尾式的工作，对校正后的系统进行检验，以得到期望的系统特性。以上五个基本步骤，是设计一个系统一般遵循的方法，这次设计，对我以后的学习研究甚至生活都有很强的指导作用。六 设计体会：这次课程设计，通过对一个随动系统的原理进行深入分析，建立出系统的数学模型，再对模型进行理论研究，运用各种科学手段，不断修改参数，一步步逼近要求的目标，最后得到理想的结果，使我的学术能力有了大大的提高。在课程设计刚开始的前两天，首先认真

20、审题，确定题目和大致方向，同时初步选定了随动控制系统中的火炮自动跟踪系统。接下来就在网上，图书馆，课本上查找大量相关资料，同时把学过的知识仔细的温习了一遍，形成一个粗略的思想框架，也对自动控制有了更全面的了解。然后在吸收所有找到的资料基础上，拟定了一个论文的大致提纲，按照这个纲要开始成文，论文中用到了以下几个方面的知识点。（1）用到了劳斯判据，以确定特征方程根的正负性，以从时域上判别系统是否稳定；（2）用到了根轨迹的分析方法，从根轨迹的走势图中确定合适的放大倍数，保证系统稳定；（3） 用到了乃规斯特判据，从频域上分析改变系统的参数时系统的各项指标的变化情况；（4） 用到了系统的校正设计方法，针

21、对系统的特殊情况，采用了比较具有一般性的滞后超前校正，既不影响系统的快速性，防止火炮跟踪目标的反应过于迟钝，又不影响系统的稳定性，同时，降低了超调量，减小了稳态误差，使火炮跟踪准确。综合性的运用了自动控制理论的大部分内容，将主要知识框架重新构建一遍，将理论还原到实际应用中来，具有极大的互动效应。七 参考文献：【1】 胡寿松主编.自动控制原理.北京：科学出版社.2001【2】 杜继宏等编.自动控制原理例题习题集.北京：清华大学出版社.2002【3】 吴麟主编.自动控制原理.北京：清华大学出版社.1992【4】 李友善主编.自动控制原理.北京：国防工业出版社.1989【5】 胡寿松主编.自动控制原理习题集.北京：国防工业出版社.1990