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1、 設計任務書 引言：《自動控制原理》課程設計是該課程的一個重要教學環(huán)節(jié)，既有別于畢業(yè)設計，更不同于課堂教學。它主要是培養(yǎng)學生統(tǒng)籌運用自動控制原理課程中所學的理論知識，掌握反饋控制系統(tǒng)的基本理論和基本方法，對工程實際系統(tǒng)進行完整的全面分析和綜合。 一． 設計題目：位置隨動系統(tǒng)的分析與設計 二． 系統(tǒng)說明： 該系統(tǒng)結構如下圖所示 其中：放大器增益為Ka=15，電橋增益,測速電機增益，Ra=7Ω,La=10mH,J=0.005kg.m/s2,JL=0.03kg.m/s2,fL=0.08,Ce=1,Cm=3,f=0.1,Kb＝0.2,i=0.02 三．系統(tǒng)參量 系統(tǒng)輸入信號： 系

2、統(tǒng)輸出信號： 四．設計指標 設定：輸入為r(t)=a+bt（其中：a=10， b=5） 在保證靜態(tài)指標（ess≤0.3）的前提下， 要求動態(tài)期望指標：σp﹪≤15﹪；ts≤5sec； 五． 基本要求： 1. 建立系統(tǒng)數學模型——傳遞函數； 2. 利用根軌跡方法分析系統(tǒng)： （1） 作原系統(tǒng)的根軌跡草圖； （2） 分析原系統(tǒng)的性能，當原系統(tǒng)的性能不滿足設計要求時，則進行系統(tǒng)校正。 3. 利用根軌跡方法綜合系統(tǒng)： （1） 畫出串聯校正結構圖，分析并選擇串聯校正的類型（微分、積分和微分-積分校正）； （2） 確定校正裝置傳遞函數的參數； （3） 畫出校正后

3、的系統(tǒng)的根軌跡圖，并校驗系統(tǒng)性能；若不滿足，則重新確定校正裝置的參數。 4. 完成系統(tǒng)綜合前后的有源物理模擬電路； 六． 課程設計報告： 1. 課程設計計算說明書一份； 2. 原系統(tǒng)組成結構原理圖一張（自繪）； 3. 系統(tǒng)分析，綜合用根軌跡圖一張； 4. 系統(tǒng)綜合前后的模擬圖各一張； 5.總結（包括課程設計過程中的學習體會與收獲、對本次課程設計的認識等內容）； 6.提供參考資料及文獻； 7.排版格式完整、報告語句通順、封面裝幀成冊 一.系統(tǒng)說明 1. 設計目的 本次設計是利用我們在《自動控制原理》中所學的知識，結合課外學習的知識，由一個特定要求的位置隨動系統(tǒng)，

4、建立系統(tǒng)模型，并計算分析其相關特性。當原系統(tǒng)不滿足要求時，要對其進行校正。 2. 系統(tǒng)原理（簡介） 位置隨動系統(tǒng)是反饋控制系統(tǒng)。被控制量是負載機械的線位移或角位移，當位置給定量任意變化時，要求輸出量快速而準確的復現給定量的變化。隨動系統(tǒng)又稱“伺服系統(tǒng)”。這種控制系統(tǒng)的任務是首先要保持輸出量的變化能夠緊緊的隨其輸入的變化，并要求具有一定的跟隨精度。特別要指出的是，在這種系統(tǒng)中，輸入量的變化往往是任意的，是不能預先知道的。 在輸入量給定一個角度時，同位移監(jiān)測裝置發(fā)出一個誤差信號，放大裝置便有一個相應的輸入信號，與此同時，反饋裝置又把齒輪系轉動的角度送入同位移檢測裝置，如此直至反

5、饋角度的信號與輸入角度的信號相等時，電動機停止轉動，由于此輪系的角度是可以隨時改變的，位置也就隨時改變。 Position servo system is feedback control system. Be control volume is loading machine line displacement or angular displacement, when the position to quantitative any changes, request output quickly and accurately to the repetition of quantitati

6、ve change. Servo system and say \"servo system\". This control system task is first to keep output change can tightly with its input changes, and has certain requirements with precision. Particularly want to point out is, in this system, the input amount of change is often arbitrary, is cant know in

7、 advance. In the input of a given an Angle, with displacement monitoring device sends a error signal, amplification device will have a corresponding input signal, at the same time, feedback device and put the gear rotating Angle of displacement detection device with into, so until the input signal

8、 and the feedback Angle Angle of the signal equals motor stop turning, due to the point of view of the gear is can always change, position will change from time to time. 3. 各環(huán)節(jié)的性能，功能特性說明 （1）電橋：電橋作為角位移傳感器，在位置隨動系統(tǒng)中是成對使用的。作為常用的位置檢測裝置，它的作用是將角位移或者直線位移轉換成模擬電壓信號的幅值或相位。 (2)放大器：放大器的作用是將微弱的電流信號或者電壓信號放大. (

9、3)直流電機：直流電機是一個轉動裝置，在差壓u的作用下帶動負載和接收電位器的動筆一起旋轉。 (4)測速電機：使用測速機在整個系統(tǒng)中構成PD控制器，反映的變化趨勢，產生有效的早期修正信號，改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (5)減速器：減速器將直流電機的速度降下來以加在接收電位器上，其中i為元件總減速比。 4. 設計基本要求 1.建立系統(tǒng)數學模型——傳遞函數； 2.利用根軌跡方法分析系統(tǒng)： （3） 作原系統(tǒng)的根軌跡草圖； （4） 分析原系統(tǒng)的性能，當原系統(tǒng)的性能不滿足設計要求時，則進行系統(tǒng)校正。 3.利用根軌跡方法綜合系統(tǒng)： （1）畫出串聯校正結構圖，分析并選擇串聯校正的類型（微分、積分

10、和微分-積分校正）； (2)確定校正裝置傳遞函數的參數； (3)畫出校正后的系統(tǒng)的根軌跡圖，并校驗系統(tǒng)性能；若不滿足，則重新確定校正裝置的參數。 4.完成系統(tǒng)綜合前后的有源物理模擬電路； 5. 設計指標 其中：放大器增益為Ka=15，電橋增益,測速電機增益，Ra=7Ω,La=10mH,J=0.005kg.m/s2,JL=0.03kg.m/s2,fL=0.08,Ce=1,Cm=3,f=0.1,Kb＝0.2,i=0.02 設定：輸入為r(t)=a+bt（其中：a=10， b=5）在保證靜態(tài)指標（ess≤0.3）的前提下， 要求動態(tài)期望指標：σp﹪≤15﹪；ts≤5sec；

11、 二.系統(tǒng)建模 1.各個環(huán)節(jié)模型 （1） 環(huán)節(jié)結構圖（電路原理圖） （2） 寫出輸入輸出關系 電橋：微分方程 )；拉氏變換：U 放大器： 微分方程 ;拉氏變換：U 電樞直流電機：; 測速電機：微分方程 U 拉氏變換：; 減速器：;拉氏變換： （3） 寫出傳遞函數G(s),畫出結構方框圖 u 電橋：傳遞函數：G(S)=K K 放大器： Ka U(s) Ua(s) 直流測速電機： (s) Ut(s) KtS 電樞直流電動機： G(S)= Km/s(1+Tms)s

12、 減速器： G(S)= 2.系統(tǒng)模型:系統(tǒng)的框圖結構 —— 3.簡化框圖 （1） 化簡為單位負反饋 —— （2） 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數 三.系統(tǒng)分析 1.原系統(tǒng)的根軌跡 2. 穩(wěn)定性分析 = D(S)==0 S１=-20+71j s２=-20-71j 所以，原系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 3. 穩(wěn)態(tài)精度分析ess ess=esp+es

13、v += 所以，該系統(tǒng)滿足靜態(tài)要求。 5. 動態(tài)性能分析 Wn==74.2 MP= =41%>15% 不滿足要求 ts==0.15<5 滿足要求 四.系統(tǒng)綜合（設計） 1.利用期望指標繪制根軌跡 2. 設計校正規(guī)律和校正裝置（電路圖、裝置參數） 采用串聯矯正類型中的微分積分校正

14、 取 (2)確定期望點：滿足動態(tài)性能的閉環(huán)主導極點 因此有 = (3) 令求出不定點 所以由得到 (4)計算根軌跡過希望點的根軌跡增益 Kg=64 串聯校正裝置為 3.系統(tǒng)綜合過程表達（Bode圖上或根軌跡圖上） 五.系統(tǒng)物理模擬圖 1.原系統(tǒng)模擬圖 2.綜合后系統(tǒng)模

15、擬圖 六.設計小節(jié)（結論） 1.設計體會（心得） 經過一周的努力，我終于完成了本次課程設計的設計任務。在設計的過程中,遇到了許多理論上和實際上的問題，發(fā)現平時的理論課學習還不夠充分和扎實，理論和實際脫節(jié)，經過本次設計，在實際應用問題上充分運用了理論知識做知道，而這次設計也為理論做了廣泛的延伸和深化。 感謝這次課程設計過程中給予我?guī)椭耐瑢W和老師，這次課程設計提高了我自己的實踐能力，讓我感到什么事情都不應該輕易放棄，只要努力就會有結果。 2.對設計的建議 3.參考文獻 [1] 胡壽松主編，1994，自動控制原理，第三版，北京：國防工業(yè)出版社 [2] 劉植禎等編，1981，計算機控制，北京：清華大學出版社 [3] 有本卓等編（熊昭琳譯），1983，線性系統(tǒng)理論例題練習，北京，國防工業(yè)出版社 [4] 吳麒主編，1990，自動控制原理，北京：清華大學出版社