位置随动系统设计与仿真

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1、-中文摘要：随 动 系 统 ， 通 常 也 被 称 为 伺 服 系 统 ， 是 一 种 反 馈 控 制 系 统 。 它 是 用 来 控制 被 控 对 象 的 某 种 状 态 ， 使 被 控 对 象 的 输 出 能 自 动 、 连 续 、 精 确 地 复 现 输 入 信 号 变化 规 律 的 一 种 控 制 系 统 ,随 动 系 统 的 控 制 对 象 通 常 为 角 度 或 机 械 位 置 ， 该 系 统 最 初 用于 船 舶 的 操 舵 系 统 、 火 炮 控 制 以 及 指 挥 仪 中 ， 后 来 慢 慢 推 广 到 众 多 领 域 ， 尤 其 多 见于 自 动 车 床 、 天 线 位 置

2、 的 控 制 还 有 导 弹 和 飞 船 的 制 导 等 。 如 今 随 动 系 统 的 应 用 几 乎扩 展 到 了 民 用 、 工 业 、 军 事 等 各 个 领 域 ， 随 着 家 用 电 器 的 普 及 和 全 自 动 化 ， 它 在 生活 中 的 应 用 也 越 来 越 广 泛 。 而 位 置 随 动 系 统 的 被 控 量 是 位 置 ， 一 般 用 线 位 移 或 角 位 移表 示 。 当 位 置 给 定 量 作 某 种 变 化 时 ， 该 系 统 的 主 要 任 务 就 是 使 输 出 位 移 快 速 而 准 确地 复 现 给 定 量 位 移 。-第一章绪论1.1 课 题 研

3、究 背 景1.1.1 随动系统现状及历史随 动 系 统 ， 通 常 也 被 称 为 伺 服 系 统 ， 是 一 种 反 馈 控 制 系 统 。 它 是 用 来 控 制 被 控 对象 的 某 种 状 态 ， 使 被 控 对 象 的 输 出 能 自 动 、 连 续 、 精 确 地 复 现 输 入 信 号 变 化 规 律 的一 种 控 制 系 统 ， 其 衡 量 指 标 主 要 有 超 调 量 、 稳 态 误 差 、 峰 值 时 间 等 时 域 指 标 以 及 相 角域 度 、 幅 值 域 度 、 频 带 宽 度 等 频 域 指 标 ， 其 输 入 是 一 种 变 化 规 律 未 知 的 时 间 函

4、 数 。随 动 系 统 中 的 驱 动 电 机 应 该 具 有 响 应 速 度 快 、 定 位 准 确 、 转 动 惯 量 大 等 特 点 ， 这 类 专用 的 电 机 称 为 伺 服 电 机 。 早 在 二 十 世 纪 三 十 年 代 ， 伺 服 机 构 这 个 词 便 进 入 人 们 的 视 线了 。 到 二 十 世 纪 中 期 ， 在 自 动 控 制 理 论 的 发 展 下 随 动 系 统 也 得 到 了 极 大 的 发 展 ， 其 应用 领 域 进 一 步 扩 大 。 近 几 十 年 ， 伺 服 技 术 更 是 取 得 飞 跃 发 展 ， 其 应 用 也 迅 速 扩 展 到 民用 、

5、工 业 和 军 事 领 域 中 。 在 冶 金 行 业 ， 它 用 于 多 种 冶 金 炉 的 电 极 位 置 控 制 ， 机 器 的 运行 控 制 等 ； 在 运 输 行 业 中 ， 水 路 陆 路 空 中 三 方 的 运 输 工 作 也 都 用 到 了 伺 服 系 统 ， 比如 ， 飞 机 的 驾 驶 ， 电 力 机 车 的 调 速 ， 船 舶 的 操 舵 等 ， 一 定 程 度 上 都 实 现 了 “自 动 化 ”控 制 ； 如 今 ， 军 事 领 域 也 充 分 运 用 到 了 伺 服 系 统 ， 比 如 雷 达 天 线 的 自 动 瞄 准 的 跟 踪 控制 ， 导 弹 和 鱼 雷 的

6、 自 动 控 制 等 等 。 另 外 ， 随 着 空 调 、 洗 衣 机 等 各 类 家 用 电 器 在 家 庭中 的 普 及 ， 伺 服 系 统 的 应 用 也 走 入 到 了 我 们 的 日 常 生 活 中 。1.1.2 随动系统的应用随 动 系 统 的 控 制 对 象 通 常 为 角 度 或 机 械 位 置 ， 该 系 统 最 初 用 于 船 舶 的 操 舵 系 统 、火 炮 控 制 以 及 指 挥 仪 中 ， 后 来 慢 慢 推 广 到 众 多 领 域 ， 尤 其 多 见 于 自 动 车 床 、 天 线 位置 的 控 制 还 有 导 弹 和 飞 船 的 制 导 等 。 如 今 随 动

7、系 统 的 应 用 几 乎 扩 展 到 了 民 用 、 工 业 、军 事 等 各 个 领 域 ， 随 着 家 用 电 器 的 普 及 和 全 自 动 化 ， 它 在 生 活 中 的 应 用 也 越 来 越 广泛 。人 们 应 用 随 动 控 制 系 统 主 要 是 为 了 达 到 下 面 几 个 目 的 ： 用 较 小 的 功 率 指 令 信 号 来 控 制 很 大 功 率 的 负 载 ， 比 如 火 炮 控 制 、 船 舵 控 制 等 。2.在 没 有 机 械 连 接 的 情 况 下 ， 利 用 输 入 轴 控 制 远 处 的 输 出 轴 ， 从 而 实 现 远 距 离 的 同-步 传 动

8、控 制 。3.令 输 出 机 械 位 移 自 动 、 精 确 地 跟 随 电 流 信 号 ， 例 如 记 录 仪 和 指 示 仪 表 等 。 1.2 随 动 系 统 发 展 方 向 及 特 点随 动 控 制 系 统 作 为 自 动 化 系 统 的 一 种 ， 其 研 究 和 应 用 领 域 非 常 广 泛 。 从 早 期 的 模拟 直 流 系 统 ， 到 八 十 年 代 后 期 的 数 字 交 流 系 统 ， 随 动 系 统 大 量 应 用 于 工 业 和 军 事 领 域 。新 的 控 制 方 式 和 技 术 不 断 出 现 ， 同 时 各 种 新 算 法 （ 如 ： 最 优 控 制 、 自

9、适 应 控 制 、 模糊 控 制 、 人 工 智 能 控 制 、 神 经 网 络 等 ） 也 在 不 断 涌 现 。 从 实 现 手 段 上 来 看 ， 它 起 初只 是 用 一 些 硬 件 机 械 ， 直 流 电 机 等 ， 后 来 随 着 计 算 机 技 术 的 发 展 ， 人 们 开 始 由 模 拟 信号 控 制 转 为 数 字 控 制 ， 由 硬 件 机 械 转 为 用 单 片 机 、 PLC 等 实 现 。 总 的 来 说 ， 随 动 系 统的 发 展 方 向 可 概 括 为 以 下 这 几 个 方 面 ：(1)全数字化软 件 随 动 控 制 逐 渐 取 代 原 有 的 硬 件 随

10、动 控 制 ， 以 模 拟 电 子 器 件 为 主 的 控 制 单 元将 全 部 被 新 型 的 采 用 高 速 微 处 理 器 和 专 用 数 字 信 号 处 理 机 （ DSP） 的 随 动 控 制 单 元 全面 代 替 这 样 就 使 得 应 用 现 代 控 制 理 论 的 先 进 算 法 成 为 可 能 ， 同 时 也 实 现 了 系 统 的 全数 字 化 的 随 动 控 制 。(2)专用化和多样化尽 管 市 场 上 仍 存 在 很 多 通 用 化 的 伺 服 产 品 ， 但 是 专 门 为 某 些 特 定 场合应 用而设计 制 造 的 伺服系统已经越来越多。随着不同形状、不同粘接结构

11、、不同性能的磁性材料的出现以及分割式铁芯结构工艺的使用，已经实现了无刷永磁式伺服电机的大批、高效、自动化的生产，这加快了专业化与多样化的进程。（3）高度集成化以前的伺服系统是应用多个伺服单元模块构成一个整体来使用，现在新的随动系统应用的是单一的、高度集成化的、多功能的控制单元模块，对于一个控制单元，应用软件设置不同的系统参数，就能够得到不同性能的模块，这种高度的集成化的设计很大程度的缩小了整个控制系统的体积，令系统的安装工作以及调试都变得简单了很多。(4) 采用新型的电力电子器件-如今随动系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型半导体器件，比如功率场效应管(MOSFET)、大功率的晶体管

12、(GTR)和绝缘门极晶体管(IGPT)等。这些先进晶体管等器件的应用使得执行电机的驱动变得简单，大大降低了随动控制单元输出回路的功率损耗，降低了系统运行过程中的噪声，显著提高了系统在各种不同信号下的响应速度。(5)智能化随着新型数字化随动控制单元的使用与发展，智能型产品也越来越多的应用于随动控制系统，这些智能型产品通常都具有记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过软件设置，然后被保存在控制单元内部，可供我们查阅与读取，必要时在运行途中也可以通过通信接口由上位计算机对这些参数进行修改，另外这些新型元件都具有故障自诊断与分析功能，若系统出现了故障，它们会将故障的类型以及引起故障的可能原因显示出来，便

13、于人们维修和调试。-第 二 章 雷 达 天 线 位 置 随 动 系 统 的 设 计2.1 位 置 随 动 系 统 概 述随 动 系 统 的 共 性 就 是 输 出 量 快 速 而 准 确 地 复 现 给 定 量 。 随 动 系 统 的 另 一 个 名 称“伺 服 系 统 ”也 很 好 的 体 现 了 这 个 共 性 ， 而 位 置 随 动 系 统 的 被 控 量 是 位 置 ， 一 般 用线 位 移 或 角 位 移 表 示 。 当 位 置 给 定 量 作 某 种 变 化 时 ， 该 系 统 的 主 要 任 务 就 是 使 输 出位 移 快 速 而 准 确 地 复 现 给 定 量 位 移 。 在

14、 生 产 实 践 中 ， 位 置 随 动 系 统 的 应 用 领 域 非 常 广泛 。 例 如 ， 船 舵 的 自 动 操 纵 控 制 ， 雷 达 天 线 的 自 动 跟 踪 控 制 ， 宇 航 设 备 的 自 动 驾 驶 ，火 炮 方 位 的 自 动 跟 踪 ， 数 控 机 床 的 定 位 控 制 和 加 工 轨 迹 控 制 等 等 。 随 着 机 电 一 体 化 技术 的 发 展 ， 位 置 随 动 系 统 现 已 成 为 工 业 、 国 防 和 高 科 技 领 域 中 不 可 缺 少 的 设 备 ， 是 电力 拖 动 自 动 控 制 系 统 的 一 个 重 要 分 支 。随 动 系 统

15、和 调 速 系 统 一 样 都 是 反 馈 控 制 系 统 ， 通 过 对 系 统 的 输 出 量 和 给 定 量 进 行比 较 ， 组 成 闭 环 控 制 。 位 置 随 动 系 统 不 同 于 调 速 系 统 ， 其 位 置 给 定 是 经 常 变 化 的 ， 是一 个 随 机 变 量 ， 它 要 求 输 出 量 能 够 准 确 的 跟 随 给 定 量 的 变 化 ， 系 统 稳 定 是 前 提 ， 在保 证 稳 定 性 的 情 况 下 ， 输 出 响 应 的 快 速 性 、 灵 活 性 、 准 确 性 是 位 置 随 动 系 统 的 主 要 特证 ， 所 以 位 置 随 动 系 统 必

16、定 是 一 个 位 置 反 馈 控 制 系 统 。 本 文 我 们 以 雷 达 天 线 位 置 跟随 系 统 为 例 ， 介 绍 系 统 的 工 作 过 程 ， 设 计 原 理 ， 并 对 其 进 行 仿 真 。2.2 雷 达 天 线 位 置 随 动 系 统 的 工 作 原 理2.2.1 系统的基本组成图 21 为 位 置 随 动 系 统 的 实 物 图 ， 用 来 实 现 雷 达 天 线 的 跟 踪 控 制 。-图 2-1 雷达天线位置随动系统实物图这 个 系 统 由 位 置 检 测 器 、 电 压 比 较 放 大 器 、 可 逆 功 率 放 大 器 、 执 行 机 构 等 几个 部 分 组 成 ， 其 原 理 图 如 图 2-2 所 示 ：图 2-2 雷达天线位置随动系统原理图该 随 动 系 统 中 各 部 分 的 元 件 选 择 及 其 功 能 介 绍 ：1、 测 量 元 件 ： 其 只 能 是 检 测 被 控 制 对 象 的 物 理 量 ， 如 果 这 个 物 理 量