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1、课程设计名称： 自动控制原理课程设计 题 目： 随动系统的设计 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 课程设计任务书一、设计题目: 随动系统的设计二、设计任务1学习随动系统的理论和知识2控制性能指标的确定3控制系统方案和主要部件的选择4控制系统开环增益的选择和系统的静态计算5系统的动态分析和校正设计 三、设计计划: 第一天选择课程设计题目,确定课程设计任务 第二天根据课程设计任务进行查阅资料 第三天进行整理资料及进行设计 第四天进行可行性分析并进行校正分析 第五天进行电脑录入输出四、设计要求:通过对随动系统的设计，更好的掌握和应用经典控制理论,并进行可行性分析和相应的设计,得出设计结论.指
2、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2006-2007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 要随动系统是应用领域非常广泛的一类系统,遍及国民经济的各个部门。本随动系统主要研究舰船上用来复现或跟踪来自导航稳定平台输出的反映船体运动姿态的摇摆信号，并把这些信号分别输送至火炮、雷达等武器系统中去的随动系统
3、。本文从系统的性能指标的确定，控制系统的方案和主要元部件的选择，控制系统开环增益的选取和系统的静态计算，系统的动态分析与校正等方面考虑来设计此系统，并对系统的可行性予以讨论校正。把系统所要实现的功能分配给若干个单元电路并给出各单元的功能的原理线路图并对各单元电路的可行性进行分析，单元电路的形式一旦确定后，就可选择执行元器件，然后根据某种原则或依据先确定好单元电路中部分元件的参数再去计算其余的元件参数和电路参数。最后画出总的原理线路图和方框图，按照设计结果进行组装调试，对于理论设计，只需进行仿真调试。关键词：随动系统，原理图，方框图 目录一控制系统的设计步骤1二控制性能指标的确定22.1确定系统
4、的最大跟踪角速度和角加速度22.2确定跟踪精度22.3确定负载力矩32.4确定动态性能要求32.5确定运行环境指标3三控制系统方案和主要部件的选择43.1测量元件的选择43.2执行元件和减速器的选择43.3放大元件的选择5四控制系统开环增益的选择和系统的静态计算64.1确定开环增益和计算静态误差64.2系统静态误差的计算94.2.1电极死区误差94.2.2直流放大器和线性组件的零点漂移误差9五系统的动态分析和校正设计115.1 系统的稳态分析115.2系统的动态分析和校正环节的综合115.3串联校正环节的实现11六 实验结论17七 设计体会18八 参考文献19一 控制系统的设计步骤设计一个系统
5、，从设计任务的提出到完成，往往需要经过理论和实践的多次反复，才能得到比较合理的结构形式和满意的性能整个设计过程大体可以分成如下步骤初步设计从调查研究分析设计任务开始，根据对系统提出的包括用途、性能指标等项要求，初步系统的设计方案；选择系统的主要元部件；拟出比较合理的原理线路；确定系统的开环传递步骤，进行初步的稳态分析和动态分析，选择合理的矫正装置，以满足型指标的要求在初步设计中，常常应用试探法，进行反复的比较和充分的论证，不断改进初步的设计方案，使其逐渐完善原理试验根据初步设计确定的原理线路建立实验模型（实物模型或数学模拟模型），进行原理试验，根据实验结果，对原定的方案进行局部的甚至全部的修改
6、，调整系统的结构和参数，使其进一步完善样机设计在原理试验的基础上，考虑到实际的安装、使用、维修等条件，进行样机设计通过对样机的实验调整，在确认其以满足性能指标和使用要求的前提下，进行实际运行和环境条件考验试验，并根据运行和考验的结果进一步进行改进设计，在完全达到设计要求情况下，即可设计定型并交付生产由此可见，一个完整的设计要经过多次反复试验修改才逐步完善的至于他的结构和方案也并不是唯一的，涉及的完美性和合理性在很大程度下去决设计人员的经验二 系统性能指标的确定本系统要求设计一个随动系统，其用途是在舰船上用来复现来自导航稳定平台输出的反映船体运动姿态的摇摆信号，并把这些信号分别输送至火炮，雷达等
7、武器装备中已知船体在一个方向上运动的最大摇摆角是15，摇摆周期为4s。系统在正常运行时需带动10余个旋转变压器，测速电机灯信号发送器。系统的最大扰动力矩等于19.61N.m。要求系统在跟踪过程中的最大误差不超过1.5mil；系统必须有足够的稳定性与快速性；系统还必须适应还上运行的环境条件，做到防水，防锈，防盐雾。系统工作的环境温度范围是-10+50。旋转变压器实际上是一种特制的两相旋电机，它有定子和转子两部分，在定子和转子上各有两套在空间上完全正交的绕组。当旋转时，定、转子绕组间的相对位置之变化，使输出电压与转子角呈一定的函数关系。在不同的自动控制系统中，旋转变压器有多种类型和用途，在随动系统
8、中主要用作角度传感器。系统性能指标是设计控制系统的依据。性能指标主要是根据控制控制系统所需完成的任务，同时考虑实现条件的经济效益来确定。根据以上设计要求，可按以下步骤确定系统的性能指标。2.1确定系统的最大跟踪角速度和角加速度由于船体摇摆信号近似正弦信号，故可将系统的输入信号看作局如下形式的正弦函数，即 摇摆角信号 最大摇摆角摇摆角频率 =，为摇摆周期。已知 =，所以 = 可求得输入信号的角速度和角加速度，他们分别为可求得系统输入信号的最大角速度和最大角加速度，即2.2确定跟踪精度因为要求系统在跟踪过程中的最大误差不超过1.5mil，所以系统在正常运行时的跟踪精度便可定位1.5mil。2.3确
9、定负载力矩由于系统在正常运行过程中的负载力矩较小，但要求最大抗扰动力矩较大，因此在谁系统时，最大负载力矩可根据扰动力矩来计算。因为最大扰动力矩一般作用时间是短暂的，所以要求系统在最大扰动力矩作用瞬间能保持正常工作即可，可无精度要求。2.4确定动态性能要求由于要求系统在运行过程中有足够的稳定性和快速性，故动态性能指标可初步确定为：超调量；调整时间；振荡次数。2.5确定运行环境指标系统运行环境温度要求选定为-10+50上列各项便是初步确定的用于设计系统的主要性能指标。三控制方案和主要元部件的选择选择空置方案的目的是为了为控制系统选择一个合理的结构形式，大体上决定组成系统的主要元部件3.1测量元件的
10、选择图 3-1 旋转变压器测角线路测量元件是控制系统的敏感元件。一般要求测量元件本身的精度很高，即固有误差要小；要求在工作范围内线性度要好；灵敏度要高；摩擦力矩和惯性要小。对于交流测量元件还要求其谐波分量要小。 本设计采用的测量线路是两个旋转变压器测角的原理线路如图。旋转变压器测角电路，由于其剩余电压小，精度高，重量轻，摩擦力矩小，可以远距离传送而被广泛应用于控制系统中。根据据国家标准，其精度等级可以分为三级。旋转变压器测角线路的输出电压为一交流载波信号式中本社既考虑到稳定平台输出发送七位旋转变压器为旋转变压器，因此系统也采用同类型旋转变压器与其对接组成测角线路。由于系统的精度要求高，故在本系
11、统选用0.5级精度的45XZ-10-5型旋转变压器的技术参数为：激磁频率 400 激磁电压 115变比 0.565 空载阻抗1000电气误差 线性工作区与上述一对旋转变压器组成的测角线路，经实验测得，当激磁电压为110，激磁频率500时，工作小信号下，其传递系数为 其中XZ1叫做发送器，它的转子轴和系统输入轴相连；XZ2叫做接收器，它的转子轴和系统的输出轴相固联。系统的被控对象为两相伺服电动机，由可控硅功率放大器的输出电压控制，其输出轴经减速器带动负载。3.2执行元件和减速器的选择执行电机是随动系统的重要组成部件，因为系统的控制任务是执行电机通过减速器驱动被控对象完成的。选择执行电机的原则一般
12、是根据被控对象要求输出的最大力矩，最大角速度和最大角加速度来考虑的。本系统所带的正常负载只有10余个旋转变压器等信号发送器，负载力矩不大，因此选用两相交流伺服电机作为执行电机。它具有惯性小，摩擦力矩小，控制性能好，无电刷整流子，运行可靠等优点。由已知数据知以最大扰动力矩作为负载力矩等于19.61N.m，由 其中k=4。因此选两相交流伺服电机。由于减速器与执行电机的选择存在相互依赖关系，因此一般选择执行电机与减速器同时进行。在一般情况下，如果执行电机未选定，减速器的速比就无法确定，对于小功率随动系统，由于负载力矩较小，故主要根据输出最大角速度的原则选择速比，即这里由已知数据及求得取为使减速器折算到电机轴上的转动惯量尽量小，该减速器采用五级齿轮带动，其各级速比分配为2，3，4，4，10。为提高减速器的效率，一般选用正齿轮，由于系统的齿隙主要由后级齿轮造成，因此在装配时最后一级齿轮应装的紧些。3.3放大元件的选择本系统选用晶闸管放大器方案，因此在放大元件中同时采用了脉冲触发电路和直流放大电路。根据以上各部分的方案选择，便可以得出整个控制系统的精测通道工作时的方框图。图
