1、摘要位置隨動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)帶位置反饋的自動(dòng)控制系統(tǒng)。由于其給定量是隨機(jī)變化的，這就要求系統(tǒng)在保證穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，更加強(qiáng)調(diào)快速跟隨的性能。本文主要研究了位置隨動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和運(yùn)行原理。通過(guò)建立直流電機(jī)模型，采用pid控制方法，從內(nèi)向外依次設(shè)計(jì)電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)和位置環(huán)，形成系統(tǒng)仿真模型。并在matlab下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，考察控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，得到較好的控制結(jié)果。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；位置隨動(dòng)；pid；matlababstractposition follow-up system is an automatic control system with position feedback. because of

2、 its random changes to the quantity given, which not only requires the system to ensure stability, but also emphasizes the capability to follow quickly. this paper mainly researches the composition and operating principles of position follow-up system. through establishing mathematical model of dc m

3、otor and using pid control method, it designs current loop, speed loop and position loop from inside out, which forms system simulation model. additionally, the model is simulated by using the matlab software to visit the systems performance, which gets the desired control results.keywords: dc motor

4、; position follow-up; pid; matlab目 錄摘要iabstracti1 緒論11.1位置隨動(dòng)系統(tǒng)的概念及其特點(diǎn)11.2位置隨動(dòng)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用11.3位置隨動(dòng)系統(tǒng)的控制方法11.4 matlab軟件在仿真功能方面的介紹11.5本文所要完成的工作12 系統(tǒng)組成與工作原理12.1位置隨動(dòng)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)12.2組成系統(tǒng)的主要部件分析12.2.1光電編碼器12.2.2 pwm裝置12.2.3 m法測(cè)速13 系統(tǒng)仿真模型設(shè)計(jì)13.1電機(jī)仿真模型13.2電流環(huán)的仿真模型設(shè)計(jì)13.1.1 電流環(huán)及其特點(diǎn)13.1.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及其參數(shù)13.1.3檢驗(yàn)近似條件13.1.4計(jì)算調(diào)

5、節(jié)器電阻電容13.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型設(shè)計(jì)13.2.1 轉(zhuǎn)速環(huán)及其特點(diǎn)13.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及其參數(shù)13.2.3檢驗(yàn)近似條件13.2.4校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量13.3 位置環(huán)的仿真模型設(shè)計(jì)14 系統(tǒng)仿真14.1對(duì)位置隨動(dòng)系統(tǒng)電流環(huán)進(jìn)行仿真14.2對(duì)位置隨動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行仿真14.3對(duì)位置隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真1總結(jié)1參考文獻(xiàn)1致謝11 緒論1.1位置隨動(dòng)系統(tǒng)的概念及其特點(diǎn)隨動(dòng)系統(tǒng)也稱(chēng)之為伺服系統(tǒng)，是以位移、速度或力、力矩等作為被控量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。位置隨動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)帶位置反饋的自動(dòng)控制系統(tǒng)，是非常典型的隨動(dòng)系統(tǒng)1。位置隨動(dòng)系統(tǒng)的被控制量（輸出量）是負(fù)載機(jī)械空間位置的線(xiàn)位移或角位移，當(dāng)位置給定量（輸入量）

6、作任意變化時(shí)，該系統(tǒng)的主要任務(wù)就是使輸出量快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定量的變化，它主要解決有一定精度的位置跟隨問(wèn)題。位置隨動(dòng)系統(tǒng)中具有位置給定，位置檢測(cè)和位置反饋環(huán)節(jié)，這種系統(tǒng)的各種參數(shù)都是連續(xù)變化的模擬量，其位置檢測(cè)可用電位器、自整角機(jī)、感應(yīng)同步器、光電編碼器等。位置隨動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)一樣，都是反饋控制系統(tǒng)，即通過(guò)對(duì)輸出量和給定量的比較，組成閉環(huán)控制，兩者的控制原理是相同的。它們的主要區(qū)別在于，調(diào)速系統(tǒng)的給定量一經(jīng)設(shè)定，即保持恒值，系統(tǒng)的主要作用是保證穩(wěn)定和抵抗擾動(dòng)；而位置隨動(dòng)系統(tǒng)的給定量是隨機(jī)變化的，要求輸出量準(zhǔn)確跟隨給定量的變化，系統(tǒng)在保證穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，更突出需要快速響應(yīng)?？偲饋?lái)看，穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)

7、態(tài)穩(wěn)定性是兩種系統(tǒng)都必須具備的，但在動(dòng)態(tài)性能中，調(diào)速系統(tǒng)多強(qiáng)調(diào)抗擾性，而位置隨動(dòng)同則更強(qiáng)調(diào)快速跟隨性能。1.2位置隨動(dòng)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用位置隨動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。例如，軋鋼機(jī)軋輥壓下量的自動(dòng)控制，數(shù)控機(jī)床的刀具給進(jìn)和工作臺(tái)的定位控制，船舵的自動(dòng)操縱，工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作控制，車(chē)防上的雷達(dá)跟蹤，導(dǎo)彈制導(dǎo)，火炮瞄準(zhǔn)等。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，位置隨動(dòng)系統(tǒng)已成為現(xiàn)代工業(yè)、國(guó)防和高科技領(lǐng)域中不可缺少的設(shè)備，是電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要分支3?？刂萍夹g(shù)的發(fā)展，使隨動(dòng)系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于軍事工業(yè)和民用工業(yè)。尤其隨著國(guó)防技術(shù)的發(fā)展，要求隨動(dòng)系統(tǒng)有更高的跟蹤速度和跟蹤精度，并具有更高的可靠性。隨動(dòng)系統(tǒng)的

8、控制策略也由單一的pid控制方法發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)出現(xiàn)了大量新的算法，近年來(lái)受到控制界十分重視的智能控制，它能擺脫對(duì)控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的依賴(lài)，已成為眾所矚目的解決魯棒性問(wèn)題的重要方法。目前智能控制在交流伺服系統(tǒng)應(yīng)用中較為成熟的當(dāng)數(shù)模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，而且大多是在模型控制基礎(chǔ)上增加一定的智能控制手段，以消除參數(shù)變化和擾動(dòng)的影響。1.3位置隨動(dòng)系統(tǒng)的控制方法當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)pid控制5，原理圖如圖

9、1.1所示。pid控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用pid控制技術(shù)。pid控制，實(shí)際中也有pi和pd控制。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。圖1.1模擬pid控制系統(tǒng)原理圖隨動(dòng)控制中常用的方法是pid調(diào)節(jié)，盡管隨著現(xiàn)代交流

10、調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種新型控制算法，如自適應(yīng)控制、專(zhuān)家系統(tǒng)、智能控制等。從理論分析，許多控制策略都能實(shí)現(xiàn)良好的電機(jī)動(dòng)靜態(tài)特性，但由于算法本身的復(fù)雜性，而且對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模型辨識(shí)比較麻煩，因此，在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)時(shí)困難，對(duì)于傳統(tǒng)的pid調(diào)節(jié)器而言，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于算法簡(jiǎn)單，參數(shù)易于整定，具有較強(qiáng)的魯棒性，而且適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性高，這些特點(diǎn)使pid控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨動(dòng)系統(tǒng)中的控制對(duì)象并不是很復(fù)雜，用pid調(diào)節(jié)更易實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。1.4 matlab軟件在仿真功能方面的介紹matlab是mathworks公司開(kāi)發(fā)的一種集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)計(jì)算和圖形可視化三大基本功能于一體的功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)

11、單的優(yōu)秀工程計(jì)算應(yīng)用軟件。matlab不僅可以處理代數(shù)問(wèn)題和數(shù)值分析問(wèn)題，而且還具有強(qiáng)大的圖形處理及仿真模擬等功能,主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。從而能夠很好的幫助工程師及科學(xué)家解決實(shí)際的技術(shù)問(wèn)題。matlab最重要的特點(diǎn)是易于擴(kuò)展。它允許用戶(hù)自行建立完成指定功能的擴(kuò)展matlab函數(shù)（稱(chēng)為m文件），從而構(gòu)成適合于其它領(lǐng)域的工具箱，大大擴(kuò)展了matlab的應(yīng)用范圍。目前，matlab已成為國(guó)際控制界最流行的軟件，控制界很多學(xué)者將自己擅長(zhǎng)的cad方法用matlab加以實(shí)現(xiàn)，出現(xiàn)了大量的matlab配套工具箱，如控制系統(tǒng)工具箱（cont

12、rol systemstoolbox），系統(tǒng)識(shí)別工具箱（system identification toolbox），魯棒控制工具箱（robustontrol toolbox），信號(hào)處理工具箱（signal processing toolbox）以及仿真環(huán)境simulink等6。目前，比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件是matlab。1980年美國(guó)的cleve moler博士研制的matlab環(huán)境（語(yǔ)言）對(duì)控制系統(tǒng)的理論及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)起到了巨大的推動(dòng)作用。由于matlab的使用極其容易，不要求使用者具備高深的數(shù)學(xué)與程序語(yǔ)言的知識(shí)，不需要使用者深刻了解算法與編程技巧，且提供了豐富的矩陣處理功能，因

13、此控制理論領(lǐng)域的研究人員很快注意到了這樣的特點(diǎn)。尤其matlab應(yīng)用在電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)仿真上，更體現(xiàn)出它巨大的優(yōu)越性和簡(jiǎn)易性。mtalab系統(tǒng)由五個(gè)主要部分組成:(1)matalb語(yǔ)言體系。matlab是高層次的矩陣/數(shù)組語(yǔ)言。具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z(yǔ)言特性。利用它既可以進(jìn)行小規(guī)模端程，完成算法設(shè)計(jì)和算法實(shí)驗(yàn)的基本任務(wù)，也可以進(jìn)行大規(guī)模編程，開(kāi)發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序。(2)matlab工作環(huán)境包括管理工作空間中的變量據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開(kāi)發(fā)、調(diào)試、管理m文件的各種工具。(3)圖形圖像系統(tǒng)。這是matlab圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成2d和3d數(shù)

14、據(jù)圖示、圖像處理、動(dòng)畫(huà)生成、圖形顯示等功能的高層matlab命令，也包括用戶(hù)對(duì)圖形圖像等對(duì)象進(jìn)行特征控制的低層matlab命令，以及開(kāi)發(fā)gui應(yīng)用程序的各種工具。(4)matlab數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)。這是對(duì)matlab使用的各種數(shù)學(xué)算法的總稱(chēng)。包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運(yùn)算、矩陣分析等高層次數(shù)學(xué)算法等。(5)matlab應(yīng)用程序接口。這是matlab為用戶(hù)提供的一個(gè)函數(shù)庫(kù)，使得用戶(hù)能夠在matlab環(huán)境中使用c程序或fortran程序，包括從matlab中調(diào)用程序(如動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))，讀寫(xiě)mat文件的功能。1.5本文所要完成的工作本文主要研究位置隨動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和運(yùn)行原理，通過(guò)建立直流電機(jī)模型，

15、采用pid控制方法，從內(nèi)向外依次設(shè)計(jì)電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)和位置環(huán)，形成系統(tǒng)仿真模型。并在matlab軟件下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，考察控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。位置隨動(dòng)系統(tǒng)中的給定量是經(jīng)常變動(dòng)的，是一個(gè)隨機(jī)量，并要求輸出量準(zhǔn)確跟隨給定量的變化，輸出響應(yīng)具有快速性、靈活性和準(zhǔn)確性。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并具有良好的動(dòng)態(tài)性能，必須設(shè)有校正裝置，如在正向通道中設(shè)置串聯(lián)校正或并聯(lián)校正裝置等，為了提高位置隨動(dòng)系統(tǒng)的控制精度，還需要增加系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)或在系統(tǒng)中增加積分環(huán)節(jié)等。2 系統(tǒng)組成與工作原理2.1位置隨動(dòng)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，外邊再設(shè)一個(gè)位置控制環(huán)，便形成三環(huán)控制的位置隨動(dòng)系統(tǒng)，如圖2.1所

16、示。其中位置調(diào)節(jié)器apr就是位置環(huán)的校正裝置，它的類(lèi)型和參數(shù)決定了位置隨動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和動(dòng)態(tài)跟隨性能，其輸出限幅值決定著電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速7。圖2.1位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)控制的位置隨動(dòng)系統(tǒng)2.2組成系統(tǒng)的主要部件分析2.2.1光電編碼器 位置隨動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度很大程度取決于位置檢測(cè)元件，本系統(tǒng)采用光電編碼器作為位置檢測(cè)元件。光電編碼器是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，可以高精度測(cè)量被測(cè)物的轉(zhuǎn)角或直線(xiàn)位移量8。光電編碼器是由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤(pán)是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同速旋

17、轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖2.2所示；通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤(pán)還可提供相位相差的兩路脈沖信號(hào)，根據(jù)超前與滯后的關(guān)系可以確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向。按照輸出脈沖與對(duì)應(yīng)位置關(guān)系的不同，光電編碼器有增量式和絕對(duì)式兩種，也有將兩者結(jié)合為一體的混合式編碼器。圖2.2光電編碼器原理圖1）增量式編碼器9。增量式光電編碼器是碼盤(pán)隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號(hào)，然后根據(jù)位置變化的方向用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行加/減計(jì)數(shù)，以此達(dá)到位置檢測(cè)的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤(pán)、鑒向盤(pán)、光敏元件和電子線(xiàn)路組成。增量式光電

18、編碼器的工作原理是是由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)，在主光柵碼盤(pán)的上面有與其平行的鑒向盤(pán)，在鑒向盤(pán)上有兩條彼此錯(cuò)開(kāi)相位的窄縫，并分別有光敏二極管接收主光柵碼盤(pán)透過(guò)來(lái)的信號(hào)。工作時(shí)，鑒向盤(pán)不動(dòng)，主光柵碼盤(pán)隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤(pán)，通過(guò)主光柵碼盤(pán)和鑒向盤(pán)后由光敏二極管接收相位差的近似正弦信號(hào)，再由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。為了獲得絕對(duì)位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉(zhuǎn)一周，輸出一個(gè)零位脈沖，使位置角清零。利用增量式光電編碼器可以檢測(cè)電機(jī)的位置和速度。2）絕對(duì)式編碼器10。絕對(duì)編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤(pán)上沿徑向有若干同

19、心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤(pán)上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤(pán)的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤(pán)處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有n位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤(pán)必須有n條碼道。3）混合式絕對(duì)值編碼器?；旌鲜浇^對(duì)值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測(cè)磁極位置，帶有絕對(duì)信息功能；另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。2.2.2 pwm裝置脈沖調(diào)寬

20、功率放大器的開(kāi)關(guān)頻率高，可以使系統(tǒng)獲得較快響應(yīng)，并僅靠電樞電感濾波就可以得到脈動(dòng)很小的電流11。pwm電路為橋式電路，雙極性工作制。它由三部分組成：三角波發(fā)生器、電壓比較器、功率放大器。工作原理為由三角波發(fā)生器產(chǎn)生幅度和頻率都固定的三角波，將此波與輸入控制電壓相加，再通過(guò)零比較，就可以得到占空比與控制電壓成線(xiàn)性關(guān)系的脈寬調(diào)制波，此波加在pwm功率放大器上，經(jīng)放大加在力矩電機(jī)兩端。在一般的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，pwm控制與變換器可以看成是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成 式中：pwm裝置的放大系數(shù)；pwm裝置的延遲時(shí)間。實(shí)際上延時(shí)時(shí)間是很小的，所以這種滯后環(huán)節(jié)可以看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，因此

21、2.2.3 m法測(cè)速利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器配合光電編碼器的輸出脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，具體有3種測(cè)速方法：m法、t法和m/t法，本文采用了m法測(cè)速1。圖2.3 m法測(cè)速原理圖在一定的時(shí)間內(nèi)測(cè)取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)，用以計(jì)算這段時(shí)間倍的平均轉(zhuǎn)速，稱(chēng)作法測(cè)速。把除以就可得到旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖的頻率，所以又稱(chēng)頻率法。電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈共產(chǎn)生個(gè)脈沖（=倍頻系數(shù)編碼器光柵數(shù)），把除以就得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在習(xí)慣上，時(shí)間以秒為單位，而轉(zhuǎn)速是以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)為單位，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為 在上式中，和均為常值，因此轉(zhuǎn)速正比于脈沖個(gè)數(shù)。高速時(shí)大，量化誤差較小，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)將小于1，測(cè)速裝置便不能正常

22、工作。所以法測(cè)速只適用于高速段。在實(shí)際的測(cè)量中，時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)不一定正好是整數(shù)。如果要求測(cè)量的誤差小于規(guī)定的范圍，比如說(shuō)是小于百分之一，那么就應(yīng)該大于50。在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢測(cè)脈沖數(shù)以減小誤差，可以增大檢測(cè)時(shí)間單考慮到實(shí)際的應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間很短，隨動(dòng)系統(tǒng)中的測(cè)量速度用于反饋控制，一般應(yīng)在0.01秒以下。由此可見(jiàn)，減小測(cè)量誤差的方法是采用高線(xiàn)數(shù)的光電編碼器。3 系統(tǒng)仿真模型設(shè)計(jì)為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋、電流負(fù)反饋和位置負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)中設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器acr、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr和位置調(diào)節(jié)器apr。要獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，acr一般都采用pi調(diào)節(jié)器，asr一般采用pi調(diào)節(jié)器。apr位置環(huán)一般也采用

23、pi調(diào)節(jié)器，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)要求達(dá)到足夠高的位置控制精度、位置跟蹤精度和足夠快的跟蹤速度。要想得到調(diào)節(jié)器的仿真模型表達(dá)式，首先要計(jì)算得到電機(jī)的模型參數(shù)。3.1電機(jī)仿真模型電動(dòng)機(jī)參數(shù)12：額定電壓，額定電流，額定轉(zhuǎn)速，電樞電阻，總電阻，電感,整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)，機(jī)電時(shí)間常數(shù)，濾波時(shí)間常數(shù)，過(guò)載倍數(shù),電流反饋系數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。其特點(diǎn)是能經(jīng)常工作在堵轉(zhuǎn)和低速狀態(tài)，故適用于在位置或低速隨動(dòng)系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。通過(guò)改變加在電樞兩端的電壓來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)行，其等效結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。圖3.1直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖直流電機(jī)中，電樞電流與磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，與電樞電流成正比： 式中是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，是電樞電流

24、產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程： 式中：電動(dòng)機(jī)和負(fù)載折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。：電動(dòng)機(jī)和負(fù)載折算到電動(dòng)機(jī)軸上的粘性摩擦系數(shù)。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的反電勢(shì)，其大小與激磁磁通及轉(zhuǎn)速成正比，方向與電樞電壓相反，即 電樞回路電壓平衡方程： 在零初始條件下對(duì)上式進(jìn)行拉式變換得： 整理后，可得到傳遞函數(shù)： 式中，為電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)。由式式中消去中間變量、及便可以得到以為輸出量，以為輸入量的直流電動(dòng)機(jī)微分方程為： 式經(jīng)拉氏變換得直流電機(jī)的傳遞函數(shù)為： 由于電樞電路電感較小，通常忽略不計(jì)，因此，式可簡(jiǎn)化為： 式中是電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，為電動(dòng)機(jī)的傳遞系數(shù)。，可以求得，。在matlab軟件中建立

25、電機(jī)仿真模型：圖3.2電機(jī)的數(shù)學(xué)模型至此，已經(jīng)得到了伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，得到了傳遞函數(shù)的基本形式。3.2電流環(huán)的仿真模型設(shè)計(jì)3.1.1電流環(huán)及其特點(diǎn)在高精度隨動(dòng)控制中，高精度、快速響應(yīng)的電流環(huán)成為核心問(wèn)題。只有良好的電流環(huán)特性才能為良好的速度控制和位置控制奠定基礎(chǔ)。電流環(huán)的作用包括以下方面：(1)對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用；(2)啟動(dòng)時(shí)，保證電機(jī)獲得最大啟動(dòng)電流；(3)正常運(yùn)行時(shí)，使電流跟隨速度環(huán)輸出的變化；(4)堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制最大輸出電流，防止燒毀電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器；(5)由于增加了電流環(huán)，改變了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，加快了電流調(diào)節(jié)能力，使控制性能得到了改善。在工程設(shè)計(jì)中,控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法一般原則:“先內(nèi)

26、環(huán)后外環(huán)”,從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，逐個(gè)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器。對(duì)于三環(huán)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)首先設(shè)計(jì)電流環(huán)的調(diào)節(jié)器，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，最后是位置調(diào)節(jié)器。電流環(huán)是三環(huán)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，它的一個(gè)重要作用就是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，突加控制作用時(shí)超調(diào)量越小越好。電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，兩個(gè)慣性時(shí)間為一常數(shù)比，根據(jù)自動(dòng)控制的理論，一般情況下，多按典型i型系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)電流環(huán)，這樣的電流環(huán)既具有i型穩(wěn)態(tài)精度，在動(dòng)態(tài)跟隨性能上超調(diào)也很小，以保持電樞電流恒定，抗擾動(dòng)的恢復(fù)時(shí)間也較短。由于電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的，所以采用pi調(diào)節(jié)器，下面使用pi算法實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)控制系統(tǒng)電流環(huán)的控制。3.1.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及其參數(shù)電流調(diào)節(jié)器的

27、傳遞函數(shù)為，其中電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇，電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益要求，取，故有，于是acr的比列系數(shù)。3.1.3檢驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率，晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件（滿(mǎn)足近似條件），忽略反電動(dòng)式變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響條件（滿(mǎn)足近似條件），電流環(huán)小慣性群的近似條件（滿(mǎn)足近似條件）。3.1.4計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻電容在調(diào)節(jié)器中，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值為，,取，取，按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性指標(biāo)為，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)求。通過(guò)以上計(jì)算可以得到電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 3.2轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型設(shè)計(jì)3.2.1

28、轉(zhuǎn)速環(huán)及其特點(diǎn)速度調(diào)節(jié)器是影響pwm直流脈寬伺服系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。速度環(huán)的作用主要包括在以下方面：(1)對(duì)負(fù)載波動(dòng)起抗擾作用；(2)速度pi調(diào)節(jié)器的輸出決定最大電流；(3)正常運(yùn)行時(shí)，使速度跟隨給定變化。對(duì)于一般無(wú)位置環(huán)的轉(zhuǎn)速電流雙環(huán)系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)速環(huán)大都按典型二階系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但是對(duì)于位置轉(zhuǎn)速電流的三環(huán)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速環(huán)外還有位置環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)按典型i型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，此時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用比例積分調(diào)節(jié)器。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr中。按照工程經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)速超調(diào)量，下面使用pi算法實(shí)現(xiàn)位置隨動(dòng)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)的控制。3.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及其參數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的

29、傳遞函數(shù)。首先要確定電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)，在電流環(huán)設(shè)計(jì)中已取，根據(jù)所用電機(jī)紋波情況，轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)，轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)，按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。按跟隨和抗干擾性能都較好的原則，取中頻寬，則asr的超前時(shí)間常數(shù)為，這樣可以得到轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益，于是，可得到asr的比例系數(shù)為。3.2.3檢驗(yàn)近似條件因?yàn)檗D(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為：，電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為：，滿(mǎn)足簡(jiǎn)化條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：，滿(mǎn)足近似條件。3.2.4校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量時(shí)，1，不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，實(shí)際上，由于是按線(xiàn)性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，asr飽和，不符合線(xiàn)性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按asr退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。由得，當(dāng)空載啟動(dòng)時(shí)

30、，負(fù)載系數(shù)，由此可得，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 通過(guò)以上計(jì)算可以得到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 3.3位置環(huán)的仿真模型設(shè)計(jì)按照傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出隨動(dòng)控制系統(tǒng)的電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，位置環(huán)為系統(tǒng)三閉環(huán)控制的最外環(huán)，下面嘗試把轉(zhuǎn)速環(huán)化簡(jiǎn)，從而再對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行pi串聯(lián)校正，得到的校正函數(shù)就是位置環(huán)的傳遞函數(shù)。為了方便表示，轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的傳遞函數(shù)分別用、代替，電機(jī)的電勢(shì)系數(shù)，電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的反饋系數(shù)分別用、代替。依據(jù)方框圖一步一步化簡(jiǎn)。圖3.3轉(zhuǎn)速環(huán)方框圖圖3.4轉(zhuǎn)速環(huán)簡(jiǎn)化方框圖從轉(zhuǎn)速環(huán)簡(jiǎn)化方框圖中可以看出，化簡(jiǎn)的表達(dá)式會(huì)越來(lái)越繁瑣，在進(jìn)行pi串聯(lián)校正時(shí)所得出的位置調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)表達(dá)式不一定是正確的。三環(huán)控制的位置隨動(dòng)系

31、統(tǒng)的電流環(huán)的控制對(duì)象就是雙慣性環(huán)節(jié)，而電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)里，通過(guò)pi調(diào)節(jié)器串聯(lián)校正可等效為一階慣性環(huán)節(jié)，而轉(zhuǎn)速環(huán)在位置環(huán)里通過(guò)pi調(diào)節(jié)器串聯(lián)校正可等效為雙慣性環(huán)節(jié)?？梢岳斫鉃殡p慣性環(huán)節(jié)的被控對(duì)象經(jīng)兩次校正后還可等效為雙慣性環(huán)節(jié)。由工程計(jì)算法得到系統(tǒng)的位置對(duì)象12正好是一個(gè)一階積分環(huán)節(jié)，位置環(huán)的被控對(duì)象就是積分雙慣性環(huán)節(jié)。因此可以根據(jù)工程計(jì)算法得到的位置調(diào)節(jié)器的模型為 4 系統(tǒng)仿真4.1對(duì)位置隨動(dòng)系統(tǒng)電流環(huán)進(jìn)行仿真前面已經(jīng)得到了電機(jī)模型的傳遞函數(shù)，pwm裝置的傳遞函數(shù)和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，電流環(huán)的反饋系數(shù)可以由工程經(jīng)驗(yàn)所得。在matlab軟件中的simulink模塊中搭建電流環(huán)的模型，如圖4.1所

32、示。圖4.1電流環(huán)模型對(duì)電流環(huán)進(jìn)行時(shí)域仿真，可以得到階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，如圖4.2所示。圖4.2電流環(huán)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)從圖4.2可以求得時(shí)域響應(yīng)性能指標(biāo)：超調(diào)量；峰值時(shí)間；調(diào)節(jié)時(shí)間。在階躍響應(yīng)測(cè)試中，達(dá)到了滿(mǎn)意的響應(yīng)。輸出響應(yīng)曲線(xiàn)有一個(gè)小的超調(diào)，隨后都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定無(wú)差。4.2對(duì)位置隨動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行仿真前面已經(jīng)對(duì)電流環(huán)進(jìn)行仿真，轉(zhuǎn)速環(huán)是在電流環(huán)外面的一個(gè)環(huán)，在控制算法設(shè)計(jì)中得到了轉(zhuǎn)速環(huán)的傳遞函數(shù)。同電流環(huán)一樣，轉(zhuǎn)速環(huán)的反饋系數(shù)可以由工程經(jīng)驗(yàn)所得。在matlab軟件中的simulink模塊中搭建電流環(huán)的模型，如圖4.3所示。圖4.3轉(zhuǎn)速環(huán)模型對(duì)電流環(huán)進(jìn)行時(shí)域仿真，可以得到階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，如圖4.4所示。圖4

33、.4轉(zhuǎn)速環(huán)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)從圖4.4可以求得時(shí)域響應(yīng)性能指標(biāo)：超調(diào)量；峰值時(shí)間；調(diào)節(jié)時(shí)間。在階躍響應(yīng)測(cè)試中，達(dá)到了滿(mǎn)意的響應(yīng)。輸出響應(yīng)曲線(xiàn)有短時(shí)間的超調(diào)，隨后都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定無(wú)差。4.3對(duì)位置隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真前面已經(jīng)對(duì)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行了仿真，轉(zhuǎn)速環(huán)是在電流環(huán)外面的一個(gè)環(huán)，而位置環(huán)又是轉(zhuǎn)速環(huán)外面的一個(gè)環(huán)，在控制算法設(shè)計(jì)中得到了位置環(huán)的傳遞函數(shù)。同電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)一樣，位置環(huán)的反饋系數(shù)可以由工程經(jīng)驗(yàn)所得。在matlab軟件中的simulink模塊中搭建整個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)的模型，如圖4.5所示。圖4.5三環(huán)位置隨動(dòng)系統(tǒng)模型對(duì)位置隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域仿真，可以得到階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，如圖4.6所示。圖4.6位置隨動(dòng)系統(tǒng)

34、的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)從圖4.6可以求得時(shí)域響應(yīng)性能指標(biāo)：超調(diào)量；峰值時(shí)間；調(diào)節(jié)時(shí)間。在階躍響應(yīng)測(cè)試中，系統(tǒng)達(dá)到了滿(mǎn)意的響應(yīng)。輸出響應(yīng)曲線(xiàn)有一個(gè)小的超調(diào)，隨后都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且無(wú)差。一般來(lái)說(shuō)，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)則以跟隨性能為主，位置隨動(dòng)系統(tǒng)需要很強(qiáng)的跟隨性能，下面將對(duì)本次設(shè)計(jì)的三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行驗(yàn)證。把輸入信號(hào)改為鋸齒波，可以得到下面的響應(yīng)曲線(xiàn)。跟隨曲線(xiàn)鋸齒波圖4.7位置隨動(dòng)系統(tǒng)跟隨性能響應(yīng)曲線(xiàn)從圖4.7可以看到，在鋸齒波輸入測(cè)試中可以看出，位置調(diào)節(jié)到指定點(diǎn)作了一次較明顯的波動(dòng)，但其他時(shí)間給定與響應(yīng)基本吻合，說(shuō)明系統(tǒng)具有較好的跟隨性能，因此能實(shí)現(xiàn)快速和高精度

35、的位置控制?？偨Y(jié)本文主要研究了位置隨動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和運(yùn)行原理。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋、電流負(fù)反饋和位置負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了電流調(diào)節(jié)器acr、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr和位置調(diào)節(jié)器apr。在控制方面采用的是傳統(tǒng)的pid控制。為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，acr采用pi調(diào)節(jié)器，asr采用pi調(diào)節(jié)器。apr位置環(huán)也采用pi調(diào)節(jié)器，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)要求達(dá)到足夠高的位置控制精度、位置跟蹤精度和足夠快的跟蹤速度。通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，使用matlab軟件對(duì)這一控制方法進(jìn)行仿真，考察控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，并得到了滿(mǎn)意的控制結(jié)果。通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程，培養(yǎng)了分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，文獻(xiàn)檢索和自學(xué)能力，撰寫(xiě)論文的能力，提高外語(yǔ)閱讀和

36、翻譯水平。在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了許多難題，其中最突出的部分就是一些參數(shù)的設(shè)定需要工程經(jīng)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)條件和時(shí)間的限制，本文并沒(méi)有在硬件方面開(kāi)展工作，沒(méi)有做出位置隨動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)物模型。另外本文只采用了傳統(tǒng)的pid控制，沒(méi)有考慮其他的智能控制方法，如模糊自適應(yīng)pid控制，自適應(yīng)控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，從實(shí)時(shí)性和模型的精確性的角度來(lái)分析這些復(fù)雜控制器實(shí)現(xiàn)的可行性，這還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。參考文獻(xiàn)1陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)m.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.2王海英.控制系統(tǒng)的matlab仿真與設(shè)計(jì)m.北京:高等教育出版社,2009.3張崇巍,李漢強(qiáng).運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)m.武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2002.4秦亮亮.

37、綜合數(shù)字隨動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)d.哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文.2008.5胡壽松.自動(dòng)控制原理m.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1994.6黃忠霖.控制系統(tǒng)matlab計(jì)算及仿真m.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2004.7劉玉倩,劉春生.基于arm微處理器的隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)d.南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文.2008.8爾桂花,竇曰軒.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)m.北京:清華大學(xué)出版社,2002.9阮毅,陳維均.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)m.北京:北京清華大學(xué)出版社,2006.10叢爽,李澤湘.實(shí)用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)m.北京:電子工業(yè)出版社,2006.11吳紅星.電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制集成電路及應(yīng)用m.北京:中國(guó)電力出版社,2006.12劉啟新.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)m.北京:中國(guó)電力出版社,2005.13劉煜,張科,李言俊.一種位置隨動(dòng)控制系統(tǒng)的建模與仿真研究j.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào).2005,18(2):42-46.14周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與matlab仿真m.北京:中國(guó)電力出版社,2003.15王永蘭,胡琳靜,席東民.位置隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真研究j.儀器儀表學(xué)報(bào).2009