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1、磁盘驱动读取系统这个设计实例将在本教材的各章中循序渐进的加以讨论。按照图 1所示的设 计流程，各章都将讨论该章所能完成的设计步骤。例如在第一章中，我们将完成 设计步骤 1、2、3、4，即：（1）确立控制目标，（2）确定控制变量，（3）初步 确定各变量的初始设计指标，（4）初步确定系统结构。若性能不能 满足规范要 求，则重新 确定系统结 构和选择执 行机构图1 控制系统设计过程磁盘可以方便有效的储存信息。磁盘驱动器则广泛用于从便携式计算机到大 型计算机等各类计算机中。考察图 2 所示的磁盘驱动器结构示意图可以发现，磁 盘驱动器读取装置的目标是要将磁头准确定位，以便正确读取磁盘磁道上的信息 （第一
2、步）。要精确控制的变量是磁头（安装在一个滑动簧片上）的位置（第 2 步）。磁盘旋转速度在 1800 转/分和 7200 转/分之间，磁头在磁盘上方不到 100nm 的地方“飞行”，位置精度指标初步定为1 m （第 3 步）；如有可能，我们还要进该闭环系统利用电机驱动磁头臂到达预期的位置。一步做到使磁头由磁道a移动到磁道b的时间小于50ms。至此，我们可以给出 图3 所示的初步的系统结构，图 2 磁盘驱动器结构示意图图 3 磁盘驱动器磁头的闭环控制系统 在上述内容中，我们指出了磁盘驱动系统的基本设计目标：尽可能将磁头准 确定位在指定的磁道上，并且使磁头从 1 个磁道转移到另一个磁道所花的时间不
3、超过10ms。现在，我们将完成设计流程（图1）的第4、5步。首先应选定执行 机构、传感器和控制器（第 4 步），然后建立控制对象和传感器等元部件的模型。 磁盘驱动读取系统采用永磁直流电机驱动读取手臂的转动（见图 2）。磁头安装 在一个与手臂相连的簧片上，它读取磁盘上各点处不同的磁通量并将信号提供给 放大器，簧片（弹性金属制成）保证磁头以小于 100nm 的间隙悬浮于磁盘之上（见图4）。图5a中的偏差信号是在磁头读取磁盘上预先录制的索引磁道时产生 的。如图5b所示，我们假定磁头足够精确，传感器环节的传递函数为H（s） = 1 ； 作为足够精确的近似，我们用图6给出的电枢控制直流电机模型（K =0
4、 ）来对b永磁直流电机建模；此外，图中也给出了线性放大器的模型；而且我们还假定簧 片是完全刚性的，不会出现明显的弯曲。V ( s) a扰动T电枢Km - R + L saaT mA -(人i& (s)1Js+bs速度位置*0 (s)反向感应电压图 6 电枢控制直流电机框图预期磁头位置+放大器直流由机和手臂1i.传感器磁头和索引磁道0的响应会出现不能接受的振荡。后续内容我们将给出K的最佳设a计值，以使系统响应能够满足既快速又不振荡的要求。MATLAB 文本 2：Ka=80;% 选择Kanf=5000;df=l 1000;ng=l;dg=l 20 0;num,den=feedback(ng,dg,
5、Ka*nf,df);num=-num ; %干扰信号取负值t=0:0.01:2;y=step(num,den,t);plot(t,y),grid;ylabel(y(t),xlabel(Time(sec)图 12 K 80 时系统对阶跃干扰的响应曲线a下面进一步讨论图 11给出的系统。图 13 重新给出了控制系统的设计流程， 以下仍然按该设计流程展开讨论。正如第 3 步所要求的，我们先确定预期的系统 性能，然后调整放大器增益 K ，以便获得尽可能好的性能。a若性能不能满足 设计要求，重新选定结构和执行器图 13 控制系统的设计流程我们的目标是使系统对阶跃输入 r（t） 有最快的响应，同时（1）限
6、制超调量 和响应的固有振荡；（2）减小干扰对磁头输出位置的影响。这些指标要求在表2 中给出。表 2 瞬态响应的性能要求性能指标预期值超调量小于5%调节时间小于250ms对单位阶跃干扰的最大响应值小于5x10-3考虑电机和机械臂的 2 阶模型，忽略线圈感应的影响，于是可得到如图 14 所示的闭环系统。图 14 具有电机和负载的 2 阶模型的控制系统当D(s) = 0时，系统的输出为：Y(s)二(20$ 5R(s)二2R(s)二磐R(s)aan n于是o 2二5K , 23二20。我们可用MATLAB来计算系统的响应，如图15所nan示。表3则给出了K取不同值时系统性能指标的计算结果。aMATLA
7、B 文本 3:Ka=30;% 选择Kat=0:0.01:1;nc=Ka*5;dc=1;ng=l;dg=l 20 0;n,d=series(nc,dc,ng,dg);num,den=cloop(n,d);y=step(num,den,t);plot(t,y),grid;ylabel(y(t),xlabel(Time(sec)图15 K分别为30和60。系统对单位阶跃输入的响应，r(t) = 1, t 0 a表3 2 阶系统的单位阶跃响应Ka超调量调节时间阻尼比对单位阶跃干扰的响应最大值203000.551.2%0.400.824050604.3%0.400.70710.8%0.400.5816.3%0.400.50-10X10-3-6.6 X 10-3-5.2X10-3-3.7X10-3-2.9X10-3从表3可以看出，当K增加到60时，干扰作用的影响已减小了一半。此外,a我们还能用图示方式显示在单位阶跃干扰输入作用下的输出 y(t) ，如图16所示。显示，要想达到设计目的，就必须选择一个合适的增益。这里折中选择了 K二40 ,a注意，它并不能满足所有的性能指
