基于MATLAB的太阳光源随动系统.doc

计算机控制技术课程设计 说明书 姓名： 学号： 指导老师： 1.计算机控制系统课程设计题目 内容： 太阳光源跟踪系统如图 1(a)所示。计算机控制系统方框图如图1(b)所示。试设计计算机控制 系统，满足如下指标要求： （1） 设计计算机控制系统的硬件系统：包括控制器、输入输出接口、功率元件、执行机 构、检测元件等。 （2） 设计数字控制器， 满足如下要求： （3） 利用MATLAB 仿真验证； 图1  1. 建立系统模型 该系统由电位器，运算放大器，功率放大器，电枢控制直流伺服电动机，测速发电机五个部分组成。 2. 建立数学模型 分析题名可知，该系统是一个利用伺服系统来控制电机的转动，以控制太阳帆板的移动，是太阳光线始终垂直于帆板最大程度的接受太阳光。可以采用典型的反馈式控制系统，组成成分如图1-1 图1-1 控制系统方框原理图 加上零阶保持器，将上图转化为控制系统方框图如图1-2 图1-2 控制系统方框图 其中ZOH=，被控对象G(s)=。 2.1 检测装置---电机位置传感器 测速发电机是用于测量角速度并将它转换成电压量的装置。在本控制系统中用的是永磁式直流测速发电机。如下图： 测速发电机的转子与待测量的轴相连接，在电枢两端输出与转子角速度成正比的支流电压，即 u(t)=Kt*w(t)=Kt （式一） 式中，是转子角位移；w(t)= /dt是转子角速度；Kt是测速发电机输出斜率，表示单位角速度的输出电压。在零初始条件，对（式一）求拉氏变换可得支流测速发电机的传递函数为 G(S)==Kt 或 G(S)==Kt*s 方框图如下： 2.2 执行机构---电枢控制直流伺服电动机： 电枢控制的直流侍服电动机在控制系统中被用作执行机构，用来对被控对象的机械运动实现快速控制。电枢控制直流电动机的工作实质是将输入的电能转换为机械能，也就是由输入的电枢电压Ua(t)在电枢回路中产生电枢电流Ia(t),再由电流Ia(t)与激磁磁通相互作用产生电磁转矩Mm(t)，从而拖动负载运动。其方框图如下： 2.3 功率放大器： 本系统采用晶闸管整流装置，它包括触发电路和晶闸管主回路。忽略晶闸管控制电路的时间滞后，其输入输出方程为： 式中K3为比例系数 2.4 运算放大器： 本系统中的运算放大器如下： 2.5 电位器 电位器是一种把线形位移或角位移转换为电压量的装置。本系统电位器如下图所示： 电位器的传递函数为, 式中,是电刷单位角位移对应的输出电压，称电位器传递函数，其中E电位器电源电压，是电位器最大工作角。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 V/rad。 3. 太阳光源跟踪系统的硬件系统选择 控制器：工业控制机（IPC） 输入输出接口：A/D模块、D/A模块 功率元件：电机功率放大器，运算放大器 执行机构：电枢控制直流伺服电动机 被控对象：电池帆板 检测元件：永磁式直流测速发电机 4. 系统结构图，信号流图 4.1系统结构图 4.2 信号流图 5. 数字控制器设计 含保持器的系统连续部分的开环传递函数为： 对开环函数Z变换得 将a=29.6869;K=;T=0.1s带入上式化简得 根据数字控制器的要求，超调量；上升时间；调节时间；设定数字控制器: 开环传递函数 静态速度误差系数 得k0.1613 根据开环传递函数可以得到其根轨迹方程为 ； 利用MATLAB绘制出根轨迹图有： num=[1,0.3941]; den=[1,-0.73,-0.27]; axis(square) zgrid(new) rlocus(num,den) 利用MATLAB的提供的函数: [k,p]=rlocfind(num,den) 寻找主极点，并求出该点上的根轨迹增益K和极点P。求得改点上的根轨迹增益K。如下图所示： k=0.25140.1512满足要求。 所求数字控制器为 6. 数字控制器验证 闭环z传递函数 进行双线性变换求得s域闭环传递函数得 利用MATLAB求出单位阶跃响应曲线如下图： num=[-1.2118,-31.528,1115.28]; den=[2.7912,19.272,98.08]; g=tf(num,den); step(g) 根据图形可得设计的控制器满足题目要求，方案可行。 7. 课程设计感想 通过一个多星期的课程设计，让我发现了自己的许多不足，发现了自己书面知识的贫乏，终于明白的“书到用时方恨少”这句话。不过通过这次课程设计使自己对计算机控制系统这门课程有了更进一步的了解，尤其是位置随动这部分极为深刻，对这个系统的工作原理，系统组成有了更深一步的认识。还有检测元件及反馈元件的工作原理及结构，以前不甚了解，通过设计，对它的内部结构以及其他方面