高精度五轴转台方位系统设计与仿真 1Word文档格式.doc

高精度五轴转台方位系统设计与仿真 1Word文档格式.doc

《高精度五轴转台方位系统设计与仿真 1Word文档格式.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高精度五轴转台方位系统设计与仿真 1Word文档格式.doc（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

专业：

探测制导与控制技术班号：

1104201

任务起至日期：

2014年2月17日至2014年3月20日

课程设计题目：

高精度五轴仿真转台方位系统设计与仿真

对于高精度五轴仿真转台方位系统，已知其固有传递函数为

要求完成的主要任务：

设计控制器满足以下要求：

最大角速度；

最大角加速度；

动态误差小于5角秒；

剪切频率高于501/s；

相角裕度大于45度

工作量：

（1）画出原系统的Bode图，分析其是否满足性能指标。

（2）人工设计

利用半对数坐标纸手工绘制系统校正前后及校正装置的Bode图，并确定出校正装置的传递函数。

验证校正后系统是否满足性能指标要求。

（3）计算机辅助设计

利用MATLAB语言对系统进行辅助设计、仿真和调试。

（4）撰写设计报告。

具体内容包括以下五个部分。

1）设计任务书

2）设计过程

人工设计过程包括计算数据、系统校正前后及校正装置的Bode图（在半对数坐标纸上）、校正装置的传递函数、性能指标验算数据。

计算机辅助设计过程包括Simulink仿真框图、Bode图、阶跃相应曲线、性能指标要求的其他曲线。

3）校正装置电路图

4）设计结论

5）设计后的心得体会

工作计划安排：

审题，查阅资料2天

人工计算，计算机辅助设计5天

修改，优化设计5天

完成课程设计说明书2天

同组设计者及分工：

无同组设计者，全部自己完成

指导教师签字___________________

年月日

教研室主任意见：

教研室主任签字___________________

年月日

目录

1、题目要求与分析 5

1.1题目要求 5

1.2题目分析 5

2、人工设计 6

2.1校正方法的选择 6

2.2串联迟后校正 7

2.2.1串联迟后校正计算 7

2.2.2验算 8

2.3局部反馈校正.................................................................................................9

2.3.1局部反馈校正计算 9

2.3.2验算....................................................................................................11

2.4校正结果的检验及修正...............................................................................11

3、计算机辅助设计 12

3.1校正前的开环simulink模型图 12

3.2校正前的开环Bode图 13

3.3校正后的开环simulink模型图 14

3.4校正后的开环Bode图 14

3.5校正后的闭环simulink模型图 15

3.6校正后的闭环单位阶跃响应仿真曲线 15

3.7校正后的闭环正弦响应仿真曲线………………………………………...16

4、校正装置电路图 17

4.1串联装置原理图 18

4.2串联迟后校正环节装置电路 18

4.2局部反馈校正环节装置电路……………………………………………...18

5、设计总结 19

6、心得体会 20

1、题目要求与分析

1.1题目要求

（1）、对于高精度五轴仿真转台方位系统，已知其固有传递函数为

（2）、性能指标要求：

a.最大角速度；

b.最大角加速度；

c.动态误差小于5角秒；

d.剪切频率高于501/s；

e.相角裕度大于45度

1.2题目分析

根据题目所给原系统传递函数如下：

可画出原控制系统的方框图如下

令

可求得

代入G（s）得

校正前的Bode图如附录一所示。

可知剪切频率1901/s远远小于设计要求，相角裕度-45度远远小于设计要求，故原系统不满足要求的指标。

2、人工设计

2.1校正方法的选择

为增大带宽可以先增大开环放大倍数，且增大开环放大倍数可以减小动态误差，取增加的开环放大倍数为100.

得到控制系统的开环传递函数为

画出当前系统的BODE图

增大开环放大倍数后广义被控对象的BODE图

由当前系统的bode图可以得出：

剪切频率为相角裕度为°

相角裕度远远小于系统设计要求的°

，而带宽并未得到提高。

故不应该增大开环放大倍数。

先采用串联迟后校正来设计。

2.2串联迟后校正

2.2.1串联迟后校正计算

在上述系统中找到处的剪切频率，计算得，再将带入

解得

取其为1.7

取

得

求得串联迟后环节为：

将其并入原系统，

得串联迟后校正后的系统开环bode图如附录二。

2.2.2验算

串联迟后校正以后系统的剪切频率为

将代入有

相角裕度为，满足设计要求。

下面对系统的动态误差进行检验：

假正弦输入信号为，由题得，。

解得，

当正弦输入信号为时，满足设计要求。

做完迟后校正的方框图如下

2.3局部反馈校正

开环Bode图中有一个不希望折点，导致开环Bode图两次穿过幅值为零的点，该点处阻尼过小，易导致系统不稳定。

故还需要做局部反馈校正以消除不希望折点。

2.3.1局部反馈校正计算

振荡环节的阻尼比为

不希望折点处的频率即振荡环节的转折频率为

做反馈校正如下

校正后的时间常数和阻尼比分别为

时间常数

阻尼比

为了将不希望折点移到高频区，并且不出现高频谐振现象。

应有：

为方便计算，取

=685rad/s

则可得

解之得

代入

加了局部反馈校正的部分传递函数为

局部校正后系统的开环传递函数为

2.3.2验算

局部反馈校正后的转折频率和阻尼比分别为

满足了设计要求。

2.4校正结果的检验及修正

经过两次校正后系统的开环传递函数为

做出串联迟后校正及局部反馈校正后开环传递函数的Bode图如附录三。

发现剪切频率过小，故应再加一个放大环节。

取

修正后的系统开环传递函数为

得出最终校正后的系统开环Bode图如附录四所示。

算出剪切频率

相角裕度

满足设计要求。

再验证动态误差。

校正后系统的误差传递函数

将输入信号代入

得

具体见3.7计算机设计部分。

3、计算机辅助设计

3.1校正前的开环simulink模型图

3.2校正前的开环Bode图

3.3校正后的开环simulink模型图

3.4校正后的开环Bode图

3.5校正后的闭环simulink模型图

3.6校正后的闭环单位阶跃响应仿真曲线

Simulink模型图

单位阶跃响应仿真曲线

3.7校正后的闭环正弦响应仿真曲线

Simulink模型图

有图形求得误差约为4.02角秒，符合题目小于5角秒的要求。

4、校正装置电路图

4.1串联装置原理图

采用运算放大器和ＲＣ网络构成的串联校正装置，下图是一个串联迟后装置的电路原理图。

4.2串联迟后校正环节装置电路

迟后反馈校正装置的传递函数

可将放大环节K=20计入串联迟后环节，得

对于串联迟后环节且

所以取

4.3局部反馈校正环节装置电路

则

即

所以可取

5、设计总结

（1）当系统的剪切频率大于要求指标，而相角裕度有小于要求值时，可以先考虑串联迟后校正，当只用串联迟后校正仍不能满足设计指标时（多是剪切频率过小），可在迟后校正的基础上串联超前校正，以使剪切频率适当提高。

（2）反馈校正：

若在剪切频率附近出现振荡较为强烈的点，即该点处阻尼较小，对系统的稳定性影响较大，所以应该消除该点，或将该点移动到高频段，使其约为剪切频率的5~10倍。

取振荡环节的转折频率为十倍的剪切频率，计算出反馈环节的参数。

（3）迟后校正：

原理：

利用迟后网络的高频幅值衰减特性，改善系统的稳态性能。

效果：

1）系统的增益剪切频率下降，闭环带宽减小。

2）对于给定的开环放大系数，由于附近幅值衰减，使、

及谐振峰值均得到改善。

缺点：

频带变窄，使动态响应时间变大。

应用范围：

1）附近，原系统的响应变化急剧，以致难于采用串联超前校正。

2）适于频宽与瞬态响应要求不高的情况。

3）对于高频抗干扰有一定的要求。