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课程设计说明书 NO. 1 基于自整角机的位置随动系统设计与分析引言随着现代科学技术的迅速发展，自动控制技术在实际中的应用日趋广泛。所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行【1】。例如：生产过程中对压力、温度、频率等物理量的控制；雷达和计算机组成的导弹发射和制导系统，自动地将导弹引导到敌方目标；雷达跟踪系统和指挥仪控制火炮射击的高低和方位等等。由于专业的需要，学校在本学期为我们开设了《自动控制系统》这门课程。所谓的自动控制系统是指实现某些特定目标的方法中包含能够实现特定控制策略的控制系统【2】。在老师的引导下，我们系统学习了《自动控制系统》这门课程。通过一学期的学习使我们受益匪浅，在期末为了巩固学习成果同时增强大家的动手与分析能力，老师布置了题目为“基于自整角机的位置随动系统设计与分析”的课程设计。本次课程设计的主要任务有：①了解位置随动系统的原理。②了解自整角机的结构图、工作原理和具体应用。③知道自整角机位置随动系统的系统组成，结构图及数学模型。④能够对自整角机的随动系统进行定性的稳态误差分析和动态校正。沈 阳 大 学课程设计说明书 NO. 2 1、 位置随动系统的简介1.1 随动系统的结构原理位置随动系统是一种位置反馈控制系统，因此，一定具有位置指令和位置反馈的检测装置，通过位置指令装置将希望的位移转换成具有一定精度的电量，利用位置反馈装置随时检测出被控机械的实际位移，也把它转换成具有一定精度的电量，与指令进行比较，把比较得到的偏差信号放大以后，控制执行电机向消除偏差的方向旋转，直到达到一定的精度为止。这样，被控制机械的实际位置就能跟随指令变化，构成一个位置随动系统【3】。下面我们结合实际，介绍一个位置随动系统的一般工作过程。原理图如图1所示。图1 位置随动系统原理框图工作过程：因为系统存在惯性，当输入X(t)变化时，输出Y(t)难以立即复现，此时Y(t)≠X(t)，即：e(t)= Y(t)―X(t)≠0，——测量元件将偏差e(t)转换成电压输出——经小信号放大器放大，功率放大器——执行电机转动——减速器——使被控对象朝着消除误差的方向运动，只要X(t)≠Y(t)，就有e(t)≠0，执行电机就会转动，一直到偏差e(t)=0，执行电机停止转动，此时系统实现了输出量Y(t)对输入量X(t)的复现。当X(t)随时间变化时，Y(t) 就跟着X(t)作同样变化，这种现象就称为随动【3】。1.2 位置随动系统的分类随着科学技术的发展，出现了各种类型的随动系统。由于位置随动系统的基本特征体现在位置环上，体现在位置给定信号和位置反馈信号及两个信号的综合比较方面，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【4】。模拟式随动系统的各种参量都是连续变化的模拟量，其位置检测器可用电位器，自沈 阳 大 学课程设计说明书 NO. 3 整角机，旋转变压器，感应同步器等。负载是雷达天线的模拟式位置随动系统的原理图见图2，一般是在调速系统的基础上外加一个位置环组成，它是最常见的。图2 模拟式随动系统原理框图由于模拟式检测装置的精度收到制造上的限制，不可能做的很高，从而影响了整个模拟式随动系统的精度。若生产机械要求进一步提高控制精度，则必须采用数字式随动系统。这类系统中，一般仍可采用模拟的电流环和速度环以保证系统的快速响应，但位置环是数字式的。数字式随动系统的基本类型有以下三种：首先介绍数字式相位控制随动系统，如图3所示。这是数控机床上广泛采用的一种随动系统，实质上是一个相位闭环（又称锁相环）的反馈控制系统。其位置环由数字相位给定，数字相位反馈和数字相位比较三个部分组成，即图3中的数字给定、位置检测和鉴相器三个部件。图3中为给定信号，为反馈信号。图3 数字式相位控制随动系统原理框图沈 阳 大 学课程设计说明书 NO. 4 第二种为数字式脉冲控制随动系统，其原理图见图4。在数字式脉冲控制随动系统中，数字式给定信号是指令脉冲数，作为检测用的光栅则发出位置反馈脉冲数D，他们分别进入可逆计数器的加法端和减法端。经运算后得到脉冲的误差量 ,其中的是为了克服后级模拟放大器零漂影响而在计数器中预置的常数值。此误差信号经数模转换后，作为速度控制器的给定信号，再经功率放大，便使电机和机床工作台向消除偏差的方向运动。由于数字光栅的精度可以做得很高，从而能保证这种系统获得很高的控制精度。图4 数字式脉冲控制随动系统原理框图最后介绍一种数字式编码控制随动系统，这种系统的原理图见图5。在这种系统中，给定往往是二进制数字码信号。检测元件一般是光电编码盘或其他数字反馈发生器，借助于转换电路得