哈爾濱工業(yè)大學課程設計說明書（論文）Harbin Institute of Technology課程設計說明書課程名稱： 自動控制原理 設計題目： 某旋壓機電液伺服系統(tǒng)的設計與仿真班級： 設計者： 學號： 指導老師：王述一 設計時間： 2013年2月-3月哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學課程設計任務書 姓 名： 院 （系）：英才學院 專 業(yè)： 班 號： 任務起至日期： 2013年 2月 25日至 2013年 3月 20日 課程設計題目：某旋壓機電液伺服系統(tǒng)的設計與仿真 系統(tǒng)固有傳遞函數(shù)為：G0(s)=0.2125s(s22502+20.51250s+1)設計性能指標要求：（1）超調(diào)量（2）調(diào)整時間 （3）速度信號V=0.5m/min時，誤差e(t) 0.05mm 設計要求與步驟：（1）熟悉對系統(tǒng)的要求，查閱資料。（2）人工設計利用半對數(shù)坐標值手工繪制系統(tǒng)校正前后及校正裝置的bode圖，并確定出校正裝置的傳遞函數(shù)。驗算校正后系統(tǒng)是否滿足性能指標要求。（3）計算機輔助設計利用MATLAB語言對系統(tǒng)進行輔助設計、仿真和調(diào)試（4）確定校正裝置的電路形式及其參數(shù)（5）撰寫設計報告。具體內(nèi)容包括如下五個部分：1）設計任務書2）設計過程人工設計過程包括計算數(shù)據(jù)、系統(tǒng)校正前后及校正裝置的bode圖（在半對數(shù)坐標紙上）,校正裝置傳遞函數(shù)、性能指標驗算數(shù)據(jù)。計算機輔助設計過程包括Simulink仿真框圖、bode圖，階躍響應曲線，性能指標要求的其他曲線。3）校正裝置電路圖4）設計結(jié)論5）設計后的心得體會 工作計劃安排：審題，分析設計指標要求，查閱資料1天人工計算，計算機輔助設計3天修改并優(yōu)化設計 3天完成課程設計說明書 2天 同組設計者及分工：無 指導教師簽字_ 年 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字_ 年 月 日*注：此任務書由課程設計指導教師填寫。目錄一：題目要求與背景.1.1 題目要求1.2題目背景簡介二：基于頻率響應法的設計2.1 人工設計2.1.1設計滿足穩(wěn)態(tài)誤差要求的未校正系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性2.1.2計算系統(tǒng)設計要求的相角裕度2.1.3計算系統(tǒng)設計要求的剪切頻率wc2.1.4為系統(tǒng)設計校正環(huán)節(jié)2.2 計算機輔助設計2.2.1被控對象仿真2.2.2控制器的設計2.2.3對校正后開環(huán)系統(tǒng)仿真2.2.4對控制器的開環(huán)系統(tǒng)仿真2.2.5對校正后閉環(huán)系統(tǒng)仿真2.2.6 對校正系統(tǒng)評估2.3 校正裝置電路圖三：基于根軌跡法的設計3.1人工設計3.1.1 原系統(tǒng)根軌跡圖3.1.2 期望主導極點3.1.3控制器的設計3.1.4 校正后系統(tǒng)仿真分析四：設計總結(jié)五：心得體會六：參考文獻七：附錄：一：題目要求與背景1.1 題目要求技術(shù)要求：p25%；;ts0.25s；速度信號V=0.5m/min時，誤差e(t) 0.05mm;系統(tǒng)固有傳遞函數(shù)為：G0(s)=0.2125s(s22502+20.51250s+1) 1.2題目背景簡介電液伺服控制起源于主要在軍事工程領(lǐng)域發(fā)展起來的電液控制技術(shù)，而電液比例控制技術(shù)，是針對伺服控制存在的諸如功率損失大、對油液過濾要求苛刻、制造和維護費用高。而它提供的快速性在一般工業(yè)設備中又往往用不著的情況，在近30多年迅速發(fā)展起來的介于普通通斷開關(guān)控制與伺服控制之間的新型電液控制技術(shù)分支。除了模擬式電液比例元件外，早在20世紀60年代人們就開始注意數(shù)字式或脈沖式比例元件的開發(fā)。這類元件的優(yōu)點是對介質(zhì)污染不敏感，工作可靠，重復精度高，成批產(chǎn)品的性能一致性好。其主要缺點是由于按載頻原理實現(xiàn)控制，故控制信號的頻寬較模擬器件低。數(shù)字式電液比例元件的電一機械轉(zhuǎn)換器，主要是步進馬達和按脈沖方式工作的動鐵式或動圈式力馬達。數(shù)字式電液比例系統(tǒng)實質(zhì)上是一個電液數(shù)/模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)或載頻調(diào)制系統(tǒng)。其控制分辨精度取決于每一脈沖的當量步長或調(diào)制精度。最近迅速發(fā)展起來的高速開關(guān)閥，為比例閥的先導控制提供了一種新型的方式。這種閥的重要特點是結(jié)構(gòu)簡單、響應快，目前正擺脫由于工作流量小而僅作為先導控制閥的局面，甚至更大的流量方向?qū)で髢?yōu)化結(jié)構(gòu)。第二次世界大戰(zhàn)后期，由于噴氣式飛機速度很高，因此對控制系統(tǒng)的快速性、動態(tài)精度和功率一重量比都提出了更高的要求。1940年底，在飛機上首先出現(xiàn)了電液伺服系統(tǒng)。經(jīng)過20余年的發(fā)展，到了20世紀60年代，各種結(jié)構(gòu)的電液伺服閥相繼問世，電液伺服技術(shù)日臻成熟。60年代后期，各類民用工程對電液控制技術(shù)的需求顯得更加迫切與廣泛。但是，由于傳統(tǒng)的電液伺服閥對流體介質(zhì)的清潔度要求十分苛刻，制造成本和維護費用比較高昂，系統(tǒng)能耗比較大，難以為各工業(yè)用戶接受。而傳統(tǒng)的電液開關(guān)控制(斷通控制)又不能滿足高質(zhì)量控制系統(tǒng)的要求。電液比例控制技術(shù)就是為適應開發(fā)一種可靠、價廉、控制精度和響應特性均能滿足工程技術(shù)實際需要的電液控制技術(shù)的要求，從1%0年代末以來迅速發(fā)展起來的。與此同時，還發(fā)展了工業(yè)伺服控制技術(shù)。工業(yè)伺服控制技術(shù)的主要特點是:在高性能伺服閥基礎上，增大電機械轉(zhuǎn)換器的輸出功率和適當簡化伺服閥結(jié)構(gòu)，著重改善閥的抗污染性能，并降低制造成本。比例閥則是以傳統(tǒng)的工業(yè)用液壓閥為基礎，采用可靠、價廉的模擬電機械轉(zhuǎn)換器(比例電磁鐵等)和與之相應的閥內(nèi)設計，從而獲得對油質(zhì)要求與一般工業(yè)閥相同、閥內(nèi)壓力損失低、性能又能滿足大部分工業(yè)控制要求的比例控制元件。20世紀90年代中后期，一方面隨著一般工程系統(tǒng)對閉環(huán)控制要求的升溫，另一方面，客觀上整體機械加工水平的提高，系統(tǒng)抗污染能力的增強，而對系統(tǒng)能耗采取了區(qū)別對待的措施，以及工業(yè)伺服閥對實際系統(tǒng)適應能力差等，在這樣的背景下，在一般比例技術(shù)與伺服技術(shù)之間，出現(xiàn)了在新的層面上吸收兩者優(yōu)勢而形成的所謂“伺服比例閥”，也稱“高頻響比例閥”(其頻響比一般比例閥高)、“閉環(huán)比例閥”(由于無零位死區(qū)，可更方便地用于任何閉環(huán)系統(tǒng))。伺服比例閥的出現(xiàn)，很快地填補了本來企圖用工業(yè)伺服閥發(fā)揮作用的中間地帶。這一方面使電液控制系統(tǒng)在不同的三個層面上，都有相應的實用技術(shù);另一方面使得不同層面的電液控制技術(shù)，在技術(shù)的交融、整合上跨出了一大步。二：基于頻率響應法的設計2.1 人工設計2.1.1設計滿足穩(wěn)態(tài)誤差要求的未校正系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性已知數(shù)據(jù)V=0.5m/mine(t)0.05mm經(jīng)過變換，成為國際單位制V=1120m/se(t)0.0510-3m若要求e=Vkv=1120kv0.0510-3m,則需要滿足kv112012010-3=166.67按性能指標要求試取kv=200則：G0(s)=200s(s22502+20.51250s+1)由計算得知，原系統(tǒng)剪切頻率wc0=217 rads相角裕度0=15.42.1.2計算系統(tǒng)設計要求的相角裕度已知系統(tǒng)要求超調(diào)量p25%由經(jīng)驗公式可知： p=0.16+0.4(1sin 1) ;可求得Mr=1sin=1.25即=53.13。2.1.3計算系統(tǒng)設計要求的剪切頻率wc由于1Mr1.8，可以使用下述經(jīng)驗公式： wc=ts2+1.5Mr-1+2.5Mr-12=31.81rad/s求得： wc=31.81rads；2.1.4為系統(tǒng)設計校正環(huán)節(jié)對比原系統(tǒng)參數(shù)及預定要求的參數(shù)結(jié)果如下：未經(jīng)校正的系統(tǒng)wc0=217 rads0=15.4系統(tǒng)設計要求即校正后系統(tǒng)wc=31.81rad/s=53.13對比分析得知，此時的系統(tǒng)是在原系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)誤差的設計要求后，相角裕度不滿足設計要求，并且剪切頻率wc遠大于設計要求，因此采用串聯(lián)遲后校正。進行校正系統(tǒng)的設計：1.在G0jw的相頻特性找出如下頻率：G0jw=-180+=-180+53.13+10=-116.87這一點所對應的頻率將作為校正后的剪切頻率。2.在G0jw的幅頻特性上找到wc所對應的幅值20lg|G0jw|。在Bode圖上找到G0jw=-116.87處，有wc1=35rads3.為使校正后在wc的幅頻特性為0dB,應有20log=20lg|G0jc|20log=15.2求出校正環(huán)節(jié)=5.75444.為了減小串聯(lián)遲后校正對系統(tǒng)相角裕度的影響，要求校正環(huán)節(jié)wc處的遲后相移在5-10以下。確定校正環(huán)節(jié)參數(shù)和T=10wc1=0.2857T=1.6445.確定串聯(lián)遲后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：2.2 計算機輔助設計2.2.1被控對象仿真2.2.4對控制器的開環(huán)系統(tǒng)仿真2.2.3對校正后開環(huán)系統(tǒng)仿真2.2.5對校正后閉環(huán)系統(tǒng)仿真2.2.6 對校正系統(tǒng)評估階躍響應曲線：調(diào)整時間超調(diào)量：穩(wěn)態(tài)誤差：2.3 校正裝置電路圖