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1、目录1 雷达天线伺服控制系统简介 错误!未定义书签概 述 错误!未定义书签系统的组成错误!未定义书签工作原理错误!未定义书签2雷达天线伺服控制系统主要元部件 错误!未定义书签位置检测器错误!未定义书签电压比较放大器错误!未定义书签可逆功率放大器错误!未定义书签执行机构错误!未定义书签3系统的开环增益的选择和系统的静态计算 错误!未定义书签4系统的动态分析 错误!未定义书签5校正设计 错误!未定义书签6结 论 错误!未定义书签1 雷达天线伺服控制系统简介概述用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺 服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的
2、反馈控制系统， 其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结 构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。它是由若干元件和部件组成的并具 有功率放大作用的一种自动控制系统。位置随动系统的输入和输出信号都是位置量，且指 令位置是随机变化的，并要求输出位置能够朝着减小直至消除位置偏差的方向，及时准确 地跟随指令位置的变化。位置指令与被控量可以是直线位移或角位移。随着工程技术的发 展，出现了各种类型的位置随动系统。由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系 统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，并成功应用在雷达天线。 伺服系统的精度主要决定
3、于所用的测量元件的精度。此外，也可采取附加措施来提高系统 的精度，采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。通过减速器与转轴啮 合的测角线路称精读数通道，直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。因此可根据这个特 征将它划分为两个类型，一类是模拟式随动系统，另一类是数字式随动系统。本设计 雷达天线伺服控制系统实际上就是随动系统在雷达天线上的应用。系统的原理图如图 1-1 所示。u图 1-1 雷达天线伺服控制系统原理图a逆率大 可功放器d系统的组成从图 1-1可以看出本系统是一个电位器式位置随动系统，用来实现雷达天线的跟踪控 制，由以下几个部分组成：位置检测器、电压比较放大器、可逆功率放大器
4、、执行机构。 以上四部分是该系统的基本组成，在所采用的具体元件或装置上，可采用不同的位置检测 器，直流或交流伺服机构等等。现在对系统的组成进行分析：1、受控对象：工作机械（雷达天线）。2、被控量：角位置0。m3、干扰：主要是负载变化（ f 及 T ）。L4、给定值：指令转角 0 * 。m5、传感器：由电位器测量0、0 *，并转化为U、U*。mm6、比较计算：两电位器按电桥连接，完成减法运算U* -U二e （偏差）。7、控制器：放大器，比例控制。8、执行器：直流电动机及减速箱。工作原理现在来分析该系统的工作原理。由图1-1可以看出，当两个电位器RP和RP的转轴位12置一样时，给定角0*与反馈角0
5、相等，所以角差A0 =0* -0 = 0，电位器输出电压m m m m mU* = U，电压放大器的输出电压U = 0，可逆功率放大器的输出电压U = 0，电动机的转ct d速n = 0，系统处于静止状态。当转动手轮，使给定角0*增大，A0 0，则U*U ,U 0，m m ctU 0，电动机转速n 0，经减速器带动雷达天线转动，雷达天线通过机械机构带动电位 d器RP的转轴，使0也增大。只要0 0*，电动机就带动雷达天线超着缩小偏差的方向运2 m m m动，只有当0* =0 ，偏差角 A0 = 0 ， U = 0 ， U = 0，系统才会停止运动而处在新的稳m m m ct d定状态。如果给定角
6、0*减小，则系统运动方向将和上述情况相反m为误差角。因此，误差角为输入时，误差检测器的传递函数与单个电位器传递函数相同，雷达天线伺服控制系统主要元部件位置检测器位置检测器作为测量元件，由电位器RP和RP组成位置(角度)检测器。在控制系统12中,单个电位器用作为信号变换装置，一对电位器可以组成误差检测器，空载时，单个电位器的电刷角位移9 (t)与输出电压u(t)的关系曲线在进行理论分析时可以用直线近似，于是可得输出电压为u (t) = K 9 (t)0式中K二E9，是电刷单位角位移对应的输出电压，称为电位器传递系数，其中E是电0max位器电源电压，9 是电位器最大工作角。对上式求拉氏变换，并令U
7、(s) = Lu(t)，max9 (s) = L9 (t)，可求得电位器传递函数为U(s)9 ( s)可以看出电位器的传递函数是一个常值，它取决于电源电压E和电位器最大工作角度9max电位器可用图 2-1的方框图表示。c():图2-1电位器方框图其中输入X(s)就是9 (s)，输出C(s)就是U(s)，G(s)就是K。0用一对相同的电位器组成误差检测器时，其输出电压为u(t) = u (t) 一u (t) = K 9 (t) -9 (t) = K A9(t)1式中 K 是单个电位器的传递系数；0A9(t) =9 (t)-9 (t)是两个电位器电刷角位移之差。称12即为G (s)= KA9 (s
8、)0电压比较放大器电压比较放大器由1A、2A组成，其中放大器1A仅仅起倒相的作用，2A则起电压比 较和放大作用，其输出信号作为下一级功率放大器的控制信号，并具备鉴别电压极性(正 反相位)的能力。电压比较放大器实际上是比较元件和一部分放大元件的组合，其职能是把测量元件检 测到的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差，并经过电 压型集成运算放大器的放大作用，将偏差信号放大。具体说来就是：U = K (U * - U)ct ct其中K =-R/R，又因U * - U二e (偏差)，所以上式可以写成U = K e，对该式两边同 ct10CtCt时进行拉氏变换，可得电压比较运算放
9、大器的传递函数为G(s)二丽=KCt从式子可以知道电压比较放大器的传递函数也是一个常值。电压比较放大器可以用图 2-2所示的方框图表示图 2-2 电压比较器方框图其中 G(s)二 K。CtE(s) G(s)Uct(s)可逆功率放大器本设计用到的功率放大器由晶闸管或大功率晶体管组成功放电路，由它输出一个足以驱动电动机SM的电压和电流。分析可知，对该环节做近似处理，可得U 二 K Ud d Ct对式子两边同时做拉氏变换，得可逆功率放大器的传递函数为G (s) = KU ( s )dCt 用图 2-3所示的方框图表示。图 2-3 可逆功率放大器方框图其中 G(s)二 K。d执行机构直流伺服电动机是专
10、门为控制系统特别是伺服系统设计和制造的一种电机。直流伺服 电动机在控制系统中广泛用作执行机构，用来对被控对象的机械运动实现快速控制，通过 简化处理后的直流伺服电动机的微分方程为d (t)T m + (t) = Ku (t)-KM(t)m dtm1 d2式中M(t)可视为负载扰动转矩。根据线性系统的叠加原理，可分别求u (t)到(t)和M(t)dm到(t)的传递函数，以便研究在u (t)和M(t)分别作用下电动机转速 (t)的性能，将他mdm们叠加后，便是电动机转速的响应特性。所以在不考虑负载扰动转矩的条件下，即M(t)二0时和在零初始条件下， 即 (0)= (0)=0 时， 对上式各项求拉氏变
11、换， 并令 mm0 (s)二 L (t)，U (s)二 Lu (t)，则得 s 的代数方程为 mmd(T s +1)0 (s)二 KU (s)mm1 d由传递函数的定义，于是有0 (s) KG (s) = m =1G(s)便是电枢电压u (t)到dU (s) T s +1 dm(t)的传递函数，T是系统的机电常数。m这可以用图 2-4所示的方框图来表示图 2-4 直流伺服电动机方框图其中 G(s) = -K。T s +1 m设减速器的速比为i，减速器的输入转速为n，而输出转速为n ，则减速器的传递函数为其中 K =1/ i。 g3 系统的开环增益的选择和系统的静态计算系统的原理框图可简化成如图
12、 3-1 所示图 3-1 雷达天线伺服控制系统原理框图给定角0 *经电位器变成给定信号U*，被控量经电位器变成反馈信号U，给定信号与 m反馈信号产生偏差信号 e ；偏差信号经放大器(电压比较放大器和可逆功率放大器)得到U , U通过执行机构(直流伺服电动机)作用到雷达天线上，减小偏差，最终实现0* =0。 d d m m这就是控制的整个过程。前面已经将各部件的传递函数分别用方框图表示了出来，用信号线将个方框图按信号 流向依次连接，在不考虑干扰力矩的条件下，并适当的变换，就会得到雷达天线伺服控制控制系统的结构图，如图 3-2 所示图 3-2 雷达天线伺服控制系统结构图其中 R( s)就是 0 *
13、( s)，C (s)就是 0 (s)，K = 1/ i。m m g将方框图进行化简处理，可得系统的开环传递函数G( s)=需=0mKs (T s +1)m其中 K = K K K K K 。简化后的系统方框图如图 3-3 所示0 ct d 1 gR3kCCv)光机tm+d图3-3系统简化方框图从实际考虑，我们知道雷达天线伺服控制系统的性能应该是响应速度尽可能快，即调节时间尽可能小，超调量尽可能小。本系统的设计要求是系统的单位阶跃响应无超调，且调节时间t 0.5s。因系统的开s环传递函数为Ks (T s +1)m其中K为开环增益，T为直流伺服电动机的时间常数。选取T二0.1s的直流伺服电动机作m
14、m为执行机构。由开环传递函数求得系统的闭环传递函数G(s)K/T由上式可以得到闭环特征方程为这是一个二阶系统，在没有校正设计前，取系统的阻尼比为:=0.5，代入T = 0.1，由二 m阶系统的标准形式有23 = = 10 nTmO 2 = = 10 K n Tm计算得到 = 10rad/s。系统的开环增益为nK = 10(rad /s)2系统的开环传递函数为s(T s +1)s(0.1s +1)m这可以用系统的参数方框图表示，如图3-4所示图3-4系统参数方框图可以看出= 1，是一型系统。静态位置误差系数K 二 lim G(s)H (s) = gP stOess得到系统在阶跃输入作用下的稳态误差1 + lim G ( s) H ( s)st04系统的动态分析对本系统而言，在没有校正设计时，:=0.5 ,可知系统是欠阻尼二阶系统。现用MATLAB软件进行系统的性能指标分析。1时域分析：程序代码：num=10;den= 1 10;G=tf(num,den);step(G)1Stop Rosp onso1.41.28 600odutilpmA4 2000.20.40.60.81Timo
