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1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計說明書(論文)
Harbin Institute of Technology
課程設(shè)計說明書
課程名稱: 自動控制原理
設(shè)計題目: 某旋壓機(jī)電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計與仿真
哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書
姓 名: 院 (系):英才學(xué)院
專 業(yè): 班 號:
任務(wù)起至日期: 2013年 2月 25日至 2013年 3月 20日
課程設(shè)計題目:某旋壓機(jī)電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計與仿真
2、
系統(tǒng)固有傳遞函數(shù)為:
G0(s)=0.2125s(s22502+20.51250s+1)
設(shè)計性能指標(biāo)要求:
(1)超調(diào)量
(2)調(diào)整時間
(3)速度信號V=0.5m/min時,誤差e(t) ≤0.05mm
設(shè)計要求與步驟:
(1)熟悉對系統(tǒng)的要求,查閱資料。
(2)人工設(shè)計
利用半對數(shù)坐標(biāo)值手工繪制系統(tǒng)校正前后及校正裝置的bode圖,并確定出校正裝置的傳遞函數(shù)。驗算校正后系統(tǒng)是否滿足性能指標(biāo)要求。
(3)計算機(jī)輔助設(shè)計
利用MATLAB語言對系統(tǒng)進(jìn)行輔助設(shè)計、仿真和調(diào)試
(4)
3、確定校正裝置的電路形式及其參數(shù)
(5)撰寫設(shè)計報告。具體內(nèi)容包括如下五個部分:
1)設(shè)計任務(wù)書
2)設(shè)計過程
人工設(shè)計過程包括計算數(shù)據(jù)、系統(tǒng)校正前后及校正裝置的bode圖(在半對數(shù)坐標(biāo)紙上),校正裝置傳遞函數(shù)、性能指標(biāo)驗算數(shù)據(jù)。
計算機(jī)輔助設(shè)計過程包括Simulink仿真框圖、bode圖,階躍響應(yīng)曲線,性能指標(biāo)要求的其他曲線。
3)校正裝置電路圖
4)設(shè)計結(jié)論
5)設(shè)計后的心得體會
工作計劃安排:
審題,分析設(shè)計指標(biāo)要求,查閱資料 1天
人工計算,計算機(jī)輔助設(shè)計 3天
修改并優(yōu)化設(shè)計 3天
完成課程設(shè)計說明書
4、 2天
同組設(shè)計者及分工:無
指導(dǎo)教師簽字___________________
年 月 日
教研室主任意見:
教研室主任簽字___________________
年 月 日
*注
5、:此任務(wù)書由課程設(shè)計指導(dǎo)教師填寫。
目錄
一:題目要求與背景………………………………………………………………….
1.1 題目要求
1.2題目背景簡介
二:基于頻率響應(yīng)法的設(shè)計
2.1 人工設(shè)計
2.1.1設(shè)計滿足穩(wěn)態(tài)誤差要求的未校正系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性
2.1.2計算系統(tǒng)設(shè)計要求的相角裕度γ
2.1.3計算系統(tǒng)設(shè)計要求的剪切頻率wc
2.1.4為系統(tǒng)設(shè)計校正環(huán)節(jié)
2.2 計算機(jī)輔助設(shè)計
2.2.1被控對象仿真
2.2.2控制器的設(shè)計
2.2.3對校正后開環(huán)系統(tǒng)仿真
2.2.4對控制器的開環(huán)系統(tǒng)仿真
2.2.5對校正后閉環(huán)系統(tǒng)仿真
6、
2.2.6 對校正系統(tǒng)評估
2.3 校正裝置電路圖
三:基于根軌跡法的設(shè)計
3.1人工設(shè)計
3.1.1 原系統(tǒng)根軌跡圖
3.1.2 期望主導(dǎo)極點
3.1.3控制器的設(shè)計
3.1.4 校正后系統(tǒng)仿真分析
四:設(shè)計總結(jié)
五:心得體會
六:參考文獻(xiàn)
七:附錄:
一:題目要求與背景
1.1 題目要求
技術(shù)要求:σp≤25%;;ts≤0.25s;速度信號V=0.5m/min時,誤差e(t) ≤0.05mm;
系統(tǒng)固有傳遞函數(shù)為:
G0(s)=0.2125s(s22502+20.51250s+1)
1.2題目背景簡介
7、
電液伺服控制起源于主要在軍事工程領(lǐng)域發(fā)展起來的電液控制技術(shù),而電液比例控制技術(shù),是針對伺服控制存在的諸如功率損失大、對油液過濾要求苛刻、制造和維護(hù)費用高。而它提供的快速性在一般工業(yè)設(shè)備中又往往用不著的情況,在近30多年迅速發(fā)展起來的介于普通通斷開關(guān)控制與伺服控制之間的新型電液控制技術(shù)分支。除了模擬式電液比例元件外,早在20世紀(jì)60年代人們就開始注意數(shù)字式或脈沖式比例元件的開發(fā)。這類元件的優(yōu)點是對介質(zhì)污染不敏感,工作可靠,重復(fù)精度高,成批產(chǎn)品的性能一致性好。其主要缺點是由于按載頻原理實現(xiàn)控制,故控制信號的頻寬較模擬器件低。數(shù)字式電液比例元件的電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器,主要是步進(jìn)馬達(dá)和按脈沖方式工作的動
8、鐵式或動圈式力馬達(dá)。數(shù)字式電液比例系統(tǒng)實質(zhì)上是一個電液數(shù)/模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)或載頻調(diào)制系統(tǒng)。其控制分辨精度取決于每一脈沖的當(dāng)量步長或調(diào)制精度。最近迅速發(fā)展起來的高速開關(guān)閥,為比例閥的先導(dǎo)控制提供了一種新型的方式。這種閥的重要特點是結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快,目前正擺脫由于工作流量小而僅作為先導(dǎo)控制閥的局面,甚至更大的流量方向?qū)で髢?yōu)化結(jié)構(gòu)。
第二次世界大戰(zhàn)后期,由于噴氣式飛機(jī)速度很高,因此對控制系統(tǒng)的快速性、動態(tài)精度和功率一重量比都提出了更高的要求。1940年底,在飛機(jī)上首先出現(xiàn)了電液伺服系統(tǒng)。經(jīng)過20余年的發(fā)展,到了20世紀(jì)60年代,各種結(jié)構(gòu)的電液伺服閥相繼問世,電液伺服技術(shù)日臻成熟。60年代后期,各類民用工
9、程對電液控制技術(shù)的需求顯得更加迫切與廣泛。但是,由于傳統(tǒng)的電液伺服閥對流體介質(zhì)的清潔度要求十分苛刻,制造成本和維護(hù)費用比較高昂,系統(tǒng)能耗比較大,難以為各工業(yè)用戶接受。而傳統(tǒng)的電液開關(guān)控制(斷通控制)又不能滿足高質(zhì)量控制系統(tǒng)的要求。電液比例控制技術(shù)就是為適應(yīng)開發(fā)一種可靠、價廉、控制精度和響應(yīng)特性均能滿足工程技術(shù)實際需要的電液控制技術(shù)的要求,從1%0年代末以來迅速發(fā)展起來的。與此同時,還發(fā)展了工業(yè)伺服控制技術(shù)。工業(yè)伺服控制技術(shù)的主要特點是:在高性能伺服閥基礎(chǔ)上,增大電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出功率和適當(dāng)簡化伺服閥結(jié)構(gòu),著重改善閥的抗污染性能,并降低制造成本。比例閥則是以傳統(tǒng)的工業(yè)用液壓閥為基礎(chǔ),采用可靠、
10、價廉的模擬電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器(比例電磁鐵等)和與之相應(yīng)的閥內(nèi)設(shè)計,從而獲得對油質(zhì)要求與一般工業(yè)閥相同、閥內(nèi)壓力損失低、性能又能滿足大部分工業(yè)控制要求的比例控制元件。
20世紀(jì)90年代中后期,一方面隨著一般工程系統(tǒng)對閉環(huán)控制要求的升溫,另一方面,客觀上整體機(jī)械加工水平的提高,系統(tǒng)抗污染能力的增強(qiáng),而對系統(tǒng)能耗采取了區(qū)別對待的措施,以及工業(yè)伺服閥對實際系統(tǒng)適應(yīng)能力差等,在這樣的背景下,在一般比例技術(shù)與伺服技術(shù)之間,出現(xiàn)了在新的層面上吸收兩者優(yōu)勢而形成的所謂“伺服比例閥”,也稱“高頻響比例閥”(其頻響比一般比例閥高)、“閉環(huán)比例閥”(由于無零位死區(qū),可更方便地用于任何閉環(huán)系統(tǒng))。伺服比例閥的出現(xiàn),很快
11、地填補了本來企圖用工業(yè)伺服閥發(fā)揮作用的中間地帶。這一方面使電液控制系統(tǒng)在不同的三個層面上,都有相應(yīng)的實用技術(shù);另一方面使得不同層面的電液控制技術(shù),在技術(shù)的交融、整合上跨出了一大步。
二:基于頻率響應(yīng)法的設(shè)計
2.1 人工設(shè)計
2.1.1設(shè)計滿足穩(wěn)態(tài)誤差要求的未校正系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性
已知數(shù)據(jù)V=0.5m/mine(t)≤0.05mm
經(jīng)過變換,成為國際單位制V=1120m/se(t)≤0.0510-3m
若要求
e=Vkv=1120kv≤0.0510-3m,
則需要滿足
kv≥112012010-3=166.67
按性能指標(biāo)要求試取kv=200
則:
G0(s)=2
12、00s(s22502+20.51250s+1)
由計算得知,原系統(tǒng)剪切頻率wc0=217 rad∕s
相角裕度γ0=15.4°
2.1.2計算系統(tǒng)設(shè)計要求的相角裕度γ
已知系統(tǒng)要求超調(diào)量σp≤25%
由經(jīng)驗公式可知:
σp=0.16+0.4(1sinγ– 1) ;
可求得Mr=1sinγ=1.25
即γ=53.13。
2.1.3計算系統(tǒng)設(shè)計要求的剪切頻率wc
由于1≤Mr≤1.8,
可以使用下述經(jīng)驗公式:
wc=πts2+1.5Mr-1+2.5Mr-12=31.81rad/s
求得: wc=31.
13、81rads;
2.1.4為系統(tǒng)設(shè)計校正環(huán)節(jié)
對比原系統(tǒng)參數(shù)及預(yù)定要求的參數(shù)結(jié)果如下:
未經(jīng)校正的系統(tǒng)
wc0=217 rad∕sγ0=15.4°
系統(tǒng)設(shè)計要求即校正后系統(tǒng)
wc=31.81rad/sγ=53.13
對比分析得知,此時的系統(tǒng)是在原系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)誤差的設(shè)計要求后,相角裕度γ不滿足設(shè)計要求,并且剪切頻率wc遠(yuǎn)大于設(shè)計要求,因此采用串聯(lián)遲后校正。
進(jìn)行校正系統(tǒng)的設(shè)計:
1.在G0jw的相頻特性找出如下頻率:
∠G0jw=-180+γ+Δ=-180+53.13+10=-116.87
這一點所對應(yīng)的頻率將作為校正后的剪切頻率。
2.在G0jw的幅頻特性上找到wc所對
14、應(yīng)的幅值20lg|G0jw|。
在Bode圖上找到∠G0jw=-116.87處,有
wc1=35rad∕s
3.為使校正后在wc的幅頻特性為0dB,應(yīng)有
20logβ=20lg|G0jωc|
20logβ=15.2
求出校正環(huán)節(jié)
β=5.7544
4.為了減小串聯(lián)遲后校正對系統(tǒng)相角裕度的影響,要求校正環(huán)節(jié)wc處的遲后相移在5-10以下。確定校正環(huán)節(jié)參數(shù)τ和T
τ=10wc1=0.2857
T=1.644
5.確定串聯(lián)遲后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為:
2.2 計算機(jī)輔助設(shè)計
2.2.1被控對象仿真
2.2.4對控制器的開環(huán)系統(tǒng)仿真
2.2.3對校正后開環(huán)系統(tǒng)仿真
2.2.5對校正后閉環(huán)系統(tǒng)仿真
2.2.6 對校正系統(tǒng)評估
階躍響應(yīng)曲線:
調(diào)整時間
超調(diào)量:
穩(wěn)態(tài)誤差:
2.3 校正裝置電路圖