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1、自动控制原理课程专业火炮跟踪随动控制系统设计和实现摘要随动控制系统又名伺服控制系统。其参考输入是变化规律未知的任意时间函数。随动控制系统的任务是使被控量按同样规律变化并与输入信号的误差保持在规定范围内。这种系统在军事上应用最为普遍.如导弹发射架控制系统，雷达天线控制系统等。其特点是输入为未知。本文对一个随动系统进行研究，在准确把握研究的方向基础上，始终以系统的高运行性能为目标，在控制系统的稳定性，快速性，准确性这三者之间的固有矛盾中寻找最佳的平衡点。通过建立模型，元件确定，参数分析，串联校正四大模块，整合自动控制理论的各个知识点，包含了经典控制理论的大部分内容，知识点相互穿插，紧密联系，并有机
2、结合成一篇完整的论文。目录一系统设计的步骤11.1 设计方案11.1.1 控制系统的基本组成11.1.2 系统的构造11.2 系统的方框图及开环传函52.1 系统方框图52.2 系统开环传函61.3 火炮系统的工作过程61.4 性能指标的确定6二控制系统方案和主要元部件的选择72.1 系统方案72.2 元部件选择7三开环增益和静态误差计算83.1 系统无测速反馈83.2 系统加入测速反馈83.2.1 劳斯判据分析93.2.2 根轨迹分析93.2.3 频域分析103.3 静态误差的计算11四动态分析和校正装置的设计13五结论15六设计体会16七参考文献17-系统设计的步骤11设计方案1.1.1控
3、制系统的基本组成：(1)控制任务：控制火炮跟踪目标，确定目标位置,适时开炮击中目标。(2)被控对象：火炮。(3)被控量：火炮轴转角2,即自整角机接收机转子转角。(4)给定输入：自整角机发送机转角l。(5)干扰输入：电源电压变化，电机激磁电流变化，电机负载转动力矩变化。(6)偏差量：01-02称为角差。(7)控制过程：消除0b2的角差及上述干扰输入影响的过程就是对火炮方位角的控制过程。(8)执行元件：控制动作发出者,直流伺服电动机,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移(角速度)输出。(9)控制量：直流伺服电动机的电枢电压Ua(也是功率放大器的输出)。以上为本系统必须具备的框架,在这个框架的基
4、础上进行下面的进一步分析。1.1.2系统的构造：(1)电位器电位器是一种把线位移角位移变换成电压量的装置。本系统中，采用了一对电位器组成误差检测器,其中上边的电位器用作输入信号的接受装置,下边的电位器用作电动机驱动火炮引起的角度改变的检测装置，反馈到输入端，与输入电位器进行同相连接,得到的电压作为误差信号输人到前向通道中去(如图DO图1-1电位器给定电位器-J5反馈也仅由图可以得出输出电压为u(t)=%u2(t)=KaK1%Q)=KN其中Kl=E/ma,是单位角位移对应的输出电压,称电位器传递系数。当雷达检测到外界目标的坐标位置时,把位置信号转换成电压信号，再输入到给定电位器中,就实现了信号的
5、变换功%K1图1-2电位器结构图(2)运算放大器I用做电压放大信号,由电位器得到的误差信号为微弱信号需要经过运算放大器的放大,才能得到有用信号。图1-3运放I由图可以得出输出电压为u3(t)=K2u(t)其中K2为运放I的放大倍数，K2=RfZRioUU,222图1-4运放1结构图(3)运算放大器II用作有源滤波装置，由于输入为随动信号，而执行元件为直流电机，电枢电压为直流信号,故需要在前向通道的前端加入有源滤波电路,滤除高频信号和干扰信号,保证系统的稳定性。图1-5运放IIRf KltfRT 1 + Ts由图可以得出输出与输入之间的关系为K旦二-“/?+1JKHsC其中KL（1+与为通带放大
6、倍数,T=RC为时间常数。Rl1+7X图1-6运放II结构图（4）功率放大电路本系统采用晶闸管整流装置，包括触发电路和晶闸管主电路。忽略晶闸管控制电路的时间滞后,其输入输出的方程为Ua=K34式中（为比例系数。3U(I图1-7功放结构图（5）直流电动机图1-8表示磁场固定不变（激磁电流=常数），用电枢电压来控制的直流电动机。设它的控制输入为电枢电压板，它的输出轴角位移6（用在位置随动系统时）或角速度G（用在转速控制系统时）为输出，负载转矩Ml变化为主要扰动。现欲求输入与输出关系微分方程式。考虑一般电机补偿是良好的，在反应速度不是很快的场合，可以不计电枢反应、涡流效应和磁滞影响；当为常值时，磁场
7、不变，并认为电机绕组温度在瞬变过程中是不变的。如此假设在工程上是允许的。图1-8电枢电压控制的直流电动机电枢电压控制的直流电动机微分方程式+W=Kmua-KcMcat式中系数均为折算到电动机轴上的等效值，Tm=RaJm(Rafm-CmCe)。则忽略负载的拉氏变换为0(三)=a&(s)1.S(G+1)八)，(Sa+1)图1-9直流电动机的结构图(6)测速电机图ITO为永磁式直流测速电机,在电枢两端输出与转子角速度成正比的直流电压,即小N孙)u(t)=K1dtK,为测速发电机的输出斜率。图1-10直流测速电机从上图中得到U图ITl测速电机的结构图将以上基本元件按顺序依次组装连接,可以得到这个系统的
8、连接实物原理图1-12给定电位器-15反馈电位器运放I OOt )0F07n运放H功放级00f TOrOK3)功率放大力矩也机图1-12系统原理图1.2系统的方框结构图及开环传递函数1. 2.1系统方框图由上一节得到的原理图可以转换成系统方框图，如图1-13图1-13系统方框图1.1 .2系统开环传递函数从系统方框图可以看出，本系统为闭环双反馈系统,其中内反馈为测速负反馈，外反馈为单位负反馈。运用有关定理,求得开环传递函数如下：K23,nS(Q+1)(7+1)+KK3K及1.3 火炮系统的工作过程自动控制过程分析(工作原理)：(1)随动系统处于平衡状态，此时有01=02=0,偏差电压u=0,u
9、a=O,执行电机不动，火炮也不动。此平衡状态下对应的偏差等于零。(2)若自整角机发送机转子顺时针转过一角度，例如10度，此时角差=10度，U及Ua不等于零，Ua极性决定电机(接收机)旋转方向。电机将带动火炮转过10度,与电机轴相固联的接收机转子也转过10度,使角差再次等于零,则u=ua=O,则火返航炮停止转动。(3)若自整角机发送机转子连续转动，则火炮也跟着发送机转子按相同方向连续转动。这样就可实现火炮的自动跟踪。此时角差、u、Ua均不等于零。1.4 性能指标的确定火炮系统应具有良好的快速性及稳定性。稳定性决定能否实现跟踪目标，快速性决定跟踪目标的反应能力。性能指标确定如下：(1)调节时间：t
10、s0.8秒；(2)超调量：o%W30%;(3)速度稳态误差：exn,0.01二控制系统的方案和主要元部件的选择1.5 系统的方案火炮系统的工作过程进行分析,建立数学模型,得到理论的传递函数。.在投入实际生产之前,还需要考虑各方面的因素,如元部件的选择,系统的稳定性分析,动态性能的要求,及各项指标的确定。2. 2元部件的选择(1)电位器的选择需要选择一对电位器,一个作为输入,一个作为反馈，由于火炮的转动方位要求全面,因此，电位器的最大偏转角度应接近于180度,才能有广阔的视野。电位器的传递系数应足够大,才能保证角度的转换精度。K=30V360度=0.083(2)运算放大器的选择运算放大器的放大倍
11、数需配合电位器的输入的极值，避免非线性失真,导致跟踪不准确。并且要求运放的温漂低。运放I的参数用于调节开环放大倍数,运放口的K设定为1,时间常数T=RC=O.04秒。(3)功率放大器的选择功率放大器的直流放大倍数恒定,保证要使功放稳步驱动后级电动机，AT3=220/7=31.5o(4)直流电动机的选择直流伺服电动机选择合适的额定电压U=220V,充分考虑带负载能力,选择电动机,使得图=1,(“=10。(5)测速发电机的选择与直流电动机配对使用，参数的范围略大于电动机的配置,留有一定的裕量。(6)有关电阻电容的选择由于火炮需要一定的控制精度.因此电阻电容的参数精确度要高,并且稳定性好,温漂小。三
12、开环增益选择和静态误差计算在选定好系统的基本元件,确定不变的参数后,需要运用控制理论对系统的传递函数进行系统的分析。代入相关的参数值,得到代数式：2.1 系统无测速反馈当测速反馈为零时,即,=o,此时系统的开环传函变为G(G=KK2KK3K:26.15as(sl)(v+l)+KK3KftlKc2S(S+1)(0.045+1)令*=655K2,可以得到开环根轨迹传递函数为/、K*G(三)=S(S+I)(S+25)此时系统包含三个特征根，51=0,52=-l,53=-25,系统的第二个特征根过于靠近虚轴，当改变开环传函放大倍数时，容易引起系统的不稳定。因此，需要引入测速反馈改变根的分布位置。由于该
13、系数只影响两根的距离，两根之和始终保持不变，选择合适的根位置，可以得到良好的动态性能。2.2 系统加入测速反馈系统的开环传函为：K*(三)=5八)心2+26s+25(1+315()经过试探，可以得知，当增大,的取值时，系统的两个复数极点的实部保持不变，因此，系统的调节时间较大，而虚部随之增大，阻尼角度变大，阻尼比变小，系统的超调量呈现增大的趋势。现在取电=-10,S3=T6,此时25(315K,+1)=16O,KC=O.017运用MATLAB软件，进行模拟。代入=0.017,得到系统的开环传递函数为K*GG)s(d+26s+160)其中K*=655K2,分子分母同除以I60,把上式化成开环放大
14、倍数为参数的传递函数表达式为：z.ri6o八-s(so+i)(si6+l)2.2.1 劳斯判据分析对(1)式求出特征方程为：+2652+2605+f*=0运用劳斯判据：表3-1稳定性判别12602S26K*Si4160-r05。K*0得到系统稳定的开环根轨迹增益的范围：OVK*41603. 2.2根轨迹分析运行MATLAB软件，建立文件，编写程序如下num=l;den=1261600;rlocus(num,den)RootLocus403O2O1OO-1O-2O-3O0-27w6b-K* =0K*=4160JF2*二（T=K*=288-50-40-30-20-1001020RealAxis图31根轨迹曲线从图中结合表达式可以看出：(1)系统包含三个极点，无零点。(2) 当0K288,系统处于过阻尼情况，无超调，稳定。(3) 当K=288时，系统处于临界阻尼情况，无超调，稳定。(4) 当2884160时，系统振荡发散。3. 2.3频域分析由式2取K=500,编写对数频率特性的程序如下：
