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1、哈爾濱工業(yè)大學課程設(shè)計說明書（論文） Harbin Institute of Technology 課程設(shè)計說明書 課程名稱： 自動控制原理 設(shè)計題目： 某旋壓機電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 哈爾濱工業(yè)大學課程設(shè)計任務(wù)書 姓 名： 院 （系）：英才學院 專 業(yè)： 班 號： 任務(wù)起至日期： 2013年 2月 25日至 2013年 3月 20日 課程設(shè)計題目：某旋壓機電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

2、 系統(tǒng)固有傳遞函數(shù)為： G0(s)=0.2125s(s22502+20.51250s+1) 設(shè)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(shè)計要求與步驟： （1）熟悉對系統(tǒng)的要求，查閱資料。 （2）人工設(shè)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(shè)計 利用MATLAB語言對系統(tǒng)進行輔助設(shè)計、仿真和調(diào)試 （4）

3、確定校正裝置的電路形式及其參數(shù) （5）撰寫設(shè)計報告。具體內(nèi)容包括如下五個部分： 1）設(shè)計任務(wù)書 2）設(shè)計過程 人工設(shè)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(shè)計過程包括Simulink仿真框圖、bode圖，階躍響應(yīng)曲線，性能指標要求的其他曲線。 3）校正裝置電路圖 4）設(shè)計結(jié)論 5）設(shè)計后的心得體會 工作計劃安排： 審題，分析設(shè)計指標要求，查閱資料 1天 人工計算，計算機輔助設(shè)計 3天 修改并優(yōu)化設(shè)計 3天 完成課程設(shè)計說明書

4、 2天 同組設(shè)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

5、：此任務(wù)書由課程設(shè)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(yīng)法的設(shè)計 2.1 人工設(shè)計 2.1.1設(shè)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(shè)計要求的相角裕度γ 2.1.3計算系統(tǒng)設(shè)計要求的剪切頻率wc 2.1.4為系統(tǒng)設(shè)計校正環(huán)節(jié) 2.2 計算機輔助設(shè)計 2.2.1被控對象仿真 2.2.2控制器的設(shè)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

6、 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(shè)計 3.1人工設(shè)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(shè)計 3.1.4 校正后系統(tǒng)仿真分析 四：設(shè)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：σp≤25%；;ts≤0.25s；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

7、 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(shè)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

8、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(yīng)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

9、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(yīng)開發(fā)一種可靠、價廉、控制精度和響應(yīng)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(chǔ)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(chǔ)，采用可靠、

10、價廉的模擬電—機械轉(zhuǎn)換器(比例電磁鐵等)和與之相應(yīng)的閥內(nèi)設(shè)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(yīng)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

11、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(yīng)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(yīng)法的設(shè)計 2.1 人工設(shè)計 2.1.1設(shè)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=1120kv≤0.0510-3m, 則需要滿足 kv≥112012010-3=166.67 按性能指標要求試取kv=200 則： G0(s)=2

12、00s(s22502+20.51250s+1) 由計算得知，原系統(tǒng)剪切頻率wc0=217 rad∕s 相角裕度γ0=15.4° 2.1.2計算系統(tǒng)設(shè)計要求的相角裕度γ 已知系統(tǒng)要求超調(diào)量σp≤25% 由經(jīng)驗公式可知： σp=0.16+0.4(1sinγ– 1) ; 可求得Mr=1sinγ=1.25 即γ=53.13。 2.1.3計算系統(tǒng)設(shè)計要求的剪切頻率wc 由于1≤Mr≤1.8， 可以使用下述經(jīng)驗公式： wc=πts2+1.5Mr-1+2.5Mr-12=31.81rad/s 求得： wc=31.

13、81rads； 2.1.4為系統(tǒng)設(shè)計校正環(huán)節(jié) 對比原系統(tǒng)參數(shù)及預(yù)定要求的參數(shù)結(jié)果如下： 未經(jīng)校正的系統(tǒng) wc0=217 rad∕sγ0=15.4° 系統(tǒng)設(shè)計要求即校正后系統(tǒng) wc=31.81rad/sγ=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(shè)計要求后，相角裕度γ不滿足設(shè)計要求，并且剪切頻率wc遠大于設(shè)計要求，因此采用串聯(lián)遲后校正。 進行校正系統(tǒng)的設(shè)計： 1.在G0jw的相頻特性找出如下頻率： ∠G0jw=-180+γ+Δ=-180+53.13+10=-116.87 這一點所對應(yīng)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

14、應(yīng)的幅值20lg|G0jw|。 在Bode圖上找到∠G0jw=-116.87處，有 wc1=35rad∕s 3.為使校正后在wc的幅頻特性為0dB,應(yīng)有 20logβ=20lg|G0jωc| 20logβ=15.2 求出校正環(huán)節(jié) β=5.7544 4.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)τ和T τ=10wc1=0.2857 T=1.644 5.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(shè)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(yīng)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