【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 爐的電極位置控制，機(jī)器的運(yùn)行控制 等； 在運(yùn)輸行 業(yè)中 ，水 路 陸 路 空 中 三方 的運(yùn)輸工作也 都用到 了 伺服系統(tǒng)， 比如，飛機(jī)的駕駛，電 力 機(jī)車的調(diào)速，船舶的操舵等 ， 一定程度上 都 實(shí)現(xiàn)了“自動(dòng)化”控制 ；如今 ，軍事領(lǐng)域也 充分運(yùn)用到了伺服系統(tǒng) ，比如雷達(dá)天線的自動(dòng)瞄準(zhǔn)的跟蹤控制，導(dǎo)彈和魚(yú)雷的自動(dòng)控制等 等 。另外，隨著空調(diào)、洗衣機(jī)等各類家用電器在家庭中的普及，伺服系統(tǒng)的應(yīng)用也走入到了我們的日常生活中。 隨動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用 隨動(dòng)系統(tǒng)的控制對(duì)象 通常 為角度或機(jī)械位置，該 系統(tǒng)最初用于船舶的 操舵系統(tǒng) 、火炮控制 以及 指揮儀中，后來(lái) 慢慢 推廣到 眾多 領(lǐng)域， 尤其多見(jiàn)于 自動(dòng)車床、天線位置 的 控制 還有 導(dǎo)彈和飛船的制導(dǎo)等。 如今隨動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用幾乎擴(kuò)展到了民用、工業(yè)、軍事等各個(gè)領(lǐng) 域，隨著家用電器的普及和全自動(dòng)化， 它在 生活中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。 人們應(yīng)用隨動(dòng)控制 系統(tǒng)主要是為了達(dá)到下面幾個(gè)目的： ⒈用較 小 的 功率指令信號(hào) 來(lái) 控制 很 大功率 的 負(fù)載 ，比如 火炮控制 、 船舵控制 等 。 沒(méi)有 機(jī)械連接 的情況下 ， 利用 輸入軸控制遠(yuǎn)處的輸出軸， 從而 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距 離的同步傳動(dòng) 控制 。 河北師范大學(xué)本科生畢業(yè)論文 2 輸出機(jī)械位移 自動(dòng)、 精確地跟 隨 電 流 信號(hào)， 例 如記錄 儀 和指示儀表 等 。 隨動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展方向及特點(diǎn) 隨動(dòng)控制系統(tǒng)作為自動(dòng)化系統(tǒng)的一種，其研究和應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。從早期的模擬直流系統(tǒng)，到八十年代后期的數(shù)字交流系統(tǒng)，隨動(dòng)系統(tǒng)大量應(yīng) 用于工業(yè)和軍事領(lǐng)域。新的控制方式和技術(shù)不斷出現(xiàn)，同時(shí)各種新算法（如：最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、人工智能控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）也在不斷涌現(xiàn)。從實(shí)現(xiàn)手段上來(lái)看，它起初只是用一些硬件機(jī)械，直流電機(jī)等，后來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始由模擬信號(hào)控制轉(zhuǎn)為數(shù)字控制，由硬件機(jī)械轉(zhuǎn)為用單片機(jī)、 PLC 等實(shí)現(xiàn)?？偟膩?lái)說(shuō)，隨動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向可概括為以下這幾個(gè)方面： (1)全數(shù)字化 軟件隨動(dòng)控制逐漸取代原有的硬件隨動(dòng)控制，以模擬電子器件為主的控制單元將全部被新型的采用高速微處理器和專用數(shù)字信號(hào)處理機(jī)（ DSP）的隨動(dòng)控制單元全面代替這樣就使得應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)算法成為可能，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的全數(shù)字化的隨動(dòng)控制。 (2)專用化和多樣化 盡管 市場(chǎng)上 仍 存在 很多 通用化的伺服產(chǎn)品，但是專門為某 些 特定場(chǎng)合應(yīng)用 而 設(shè)計(jì)制造的伺服系統(tǒng) 已經(jīng)越來(lái)越多 。 隨著 不同形狀、不同粘接結(jié)構(gòu) 、 不同性能 的 磁性材料的出現(xiàn)以及 分割式鐵芯結(jié)構(gòu)工藝的使用 ，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 無(wú)刷永磁 式 伺服電機(jī)的 大批、高效、自動(dòng)化的 生產(chǎn) ，這加快了專業(yè)化與多樣化的進(jìn)程。 （ 3）高度集成化 以前的伺服系統(tǒng)是應(yīng)用多個(gè)伺服單元模塊構(gòu)成一個(gè)整體來(lái)使用，現(xiàn)在新的隨動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的是單一的、高度集成化的、多功能的控制 單元模塊，對(duì)于一個(gè)控制單元，應(yīng)用軟件設(shè)置不同的系統(tǒng)參數(shù)，就能夠得到不同性能的模塊，這種高度的集成化的設(shè)計(jì)很大程度的縮小了整個(gè)控制系統(tǒng)的體積，令系統(tǒng)的安裝工作以及調(diào)試都變得簡(jiǎn)單了很多。 (4) 采用新型的電力電子器件 河北師范大學(xué)本科生畢業(yè)論文 3 如今隨動(dòng)系統(tǒng)的輸出器件越來(lái)越多地采用開(kāi)關(guān)頻率很高的新型半導(dǎo)體器件，比如功率場(chǎng)效應(yīng)管 (MOSFET)、大功率的晶體管 (GTR)和絕緣門極晶體管 (IGPT)等。這些先進(jìn)晶體管等器件的應(yīng)用使得執(zhí)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)變得簡(jiǎn)單，大大降低了隨動(dòng)控制單元輸出回路的功率損耗，降低了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的噪聲，顯著提高了系統(tǒng)在 各種不同信號(hào)下的響應(yīng)速度。 (5)智能化 隨著新型數(shù)字化隨動(dòng)控制單元的使用與發(fā)展，智能型產(chǎn)品也越來(lái)越多的應(yīng)用于隨動(dòng)控制系統(tǒng)，這些智能型產(chǎn)品通常都具有記憶功能，系統(tǒng)的所有運(yùn)行參數(shù)都可以通過(guò)軟件設(shè)置，然后被保存在控制單元內(nèi)部，可供我們查閱與讀取，必要時(shí)在運(yùn)行途中也可以通過(guò)通信接口由上位計(jì)算機(jī)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行修改，另外這些新型元件都具有故障自診斷與分析功能，若系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，它們會(huì)將故障的類型以及引起故障的可能原因顯示出來(lái)，便于人們維修和調(diào)試。 河北師范大學(xué)本科生畢業(yè)論文 4 第二章雷達(dá)天線位置隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 位置隨動(dòng)系統(tǒng)概述 隨動(dòng)系統(tǒng)的共性就是輸出量快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定量。隨動(dòng)系統(tǒng)的另一個(gè)名稱“伺服系統(tǒng)”也很好的體現(xiàn)了這個(gè)共性，而位置隨動(dòng)系統(tǒng)的被控量是位置，一般用線位移或角位移表示。當(dāng)位置給定量作某種變化時(shí)，該系統(tǒng)的主要任務(wù)就是使輸出位移快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定量位移。在生產(chǎn)實(shí)踐中，位置隨動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。例如，船舵的自動(dòng)操縱控制，雷達(dá)天線的自動(dòng)跟蹤控制，宇航設(shè)備的自動(dòng)駕駛，火炮方位的自動(dòng)跟蹤，數(shù)控機(jī)床的定位控制和加工軌跡控制等等。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，位置隨動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)已成為工業(yè)、國(guó)防和高科技領(lǐng)域 中不可缺少的設(shè)備，是電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要分支。 隨動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)一樣都是反饋控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的輸出量和給定量進(jìn)行比較，組成閉環(huán)控制。位置隨動(dòng)系統(tǒng)不同于調(diào)速系統(tǒng)，其位置給定是經(jīng)常變化的，是一個(gè)隨機(jī)變量，它要求輸出量能夠準(zhǔn)確的跟隨給定量的變化，系統(tǒng)穩(wěn)定是前提，在保證穩(wěn)定性的情況下，輸出響應(yīng)的快速性、靈活性、準(zhǔn)確性是位置隨動(dòng)系統(tǒng)的主要特證，所以位置隨動(dòng)系統(tǒng)必定是一個(gè)位置反饋控制系統(tǒng)。本文我們以雷達(dá)天線位置跟隨系統(tǒng)為例，介紹系統(tǒng)的工作過(guò)程，設(shè)計(jì)原理，并對(duì)其進(jìn)行仿真。 雷達(dá)天線位置隨動(dòng)系統(tǒng)的工作 原理 系統(tǒng)的基本組成 圖 2— 1 為位置隨動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)物圖，用來(lái)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線的跟蹤控制。 河北師范大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 圖 21 雷達(dá)天線位置隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物圖 這個(gè)系統(tǒng)由位置檢測(cè)器 、電壓比較放大器 、可逆功率放大器 、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等幾個(gè)部分組成，其原理圖如圖 22 所示： 圖 22 雷達(dá)天線位置隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖 該隨動(dòng)系統(tǒng)中各部分的元件選擇及其功能介紹： 測(cè)量元件：其只能是檢測(cè)被控制對(duì)象的物理量，如果這個(gè)物理量是非電量，一般要轉(zhuǎn)換為電量。如電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器或自整角機(jī)用于檢測(cè)角度轉(zhuǎn)換成電壓；熱電偶用于檢測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成電壓；測(cè)速發(fā)電機(jī) 用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的速度轉(zhuǎn)換成電壓等。 位置隨動(dòng)系統(tǒng)要控制的量一般是直線位移或角位移 , 組成位置環(huán)時(shí)必須通過(guò)檢河北師范大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 測(cè)裝置將它們轉(zhuǎn)換成一定形式的電量，這就需要位移檢測(cè)裝置。這里的位移檢測(cè)裝置我們選用電位器，由電位器 RP1 和 RP2 組成角度檢測(cè)器，其中電位器 RP1 的轉(zhuǎn)軸與手輪相連，作為轉(zhuǎn)角給定，電位器 RP2 的轉(zhuǎn)軸通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)與負(fù)載部件相連接，作為轉(zhuǎn)角反饋，兩個(gè)電位器均由同一個(gè)直流電源供電，這樣便實(shí)現(xiàn)了將位置直接轉(zhuǎn)換成電量輸出。 （ 2）放大元件：其職能是將偏差信號(hào)進(jìn)行放大，用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象?？捎镁w管、晶閘管 等組成的電壓放大級(jí)和功率放大級(jí)將偏差信號(hào)放大。 該系統(tǒng)中我們應(yīng)用電壓比較放大器 和可逆功率放大器，電壓比較放大器由放大器 1A、 2A 組成，其中放大器 1A 僅起倒相作用， 2A 則起電壓比較和放大作用，其輸出信號(hào)作為下一級(jí)功率放大器的控制信號(hào)，并具備鑒別電壓極性的能力。為了推動(dòng)隨動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，只有電壓放大是不夠的，還必須有功率放大，功率放大由晶閘管或大功率晶體管組成整流電路，由它輸出一個(gè)足以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) SM 的電壓。 （ 3）執(zhí)行元件：其職能是直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。用來(lái)作為執(zhí)行元件的有閥、電動(dòng)機(jī)等。 這個(gè)系統(tǒng)中選用永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī) SM 作為帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 直流伺服電動(dòng)機(jī) SM 實(shí)物圖如圖 23 所示 圖 23 直流伺服電動(dòng)機(jī) SM 實(shí)物圖 河北師范大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 （ 4）減速器：其職能是實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件與負(fù)載之間的匹配。由于執(zhí)行元件為高轉(zhuǎn)速、小轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)，而負(fù)載雷達(dá)天線是低轉(zhuǎn)速的，所以在電機(jī)和負(fù)載之間需要引入減速器，以達(dá)到兩者之間的平衡。減速器常用一個(gè)齒輪組。 該位置隨動(dòng)系統(tǒng)的工作原理 如 果兩個(gè)電位器 RPl 和 RP2 的轉(zhuǎn)軸位置相同，即給定角θ 1 與反饋角θ 2 相等，此時(shí)角差 Δθ =θ 1－θ 2=0,兩個(gè)電位器的輸出電壓 U*=U，所以電壓比較放大器的輸出電壓 Uct=0，可逆功率放大器的輸出電壓 Ud=0， SM電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n=0，系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)。 但系統(tǒng)存在慣性，若輸入θ 1（ t）變化，輸出θ 2(t)難以立即復(fù)現(xiàn)，此時(shí)θ 2(t)≠θ 1（ t），如當(dāng)給定角θ 1 增大，Δθ 0，則 U1U2， Uk0， Udo，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n 0，經(jīng)減速器帶動(dòng)雷達(dá)天線轉(zhuǎn)動(dòng)，雷達(dá)天線通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電位器 RP2 的轉(zhuǎn)軸，使θ 2相 應(yīng)增大。只要θ 2θ 1， SM 電動(dòng)機(jī)就一直帶動(dòng)雷達(dá)天線朝著縮小偏差的方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到θ 1=θ 2，偏差角Δθ =0， Uk=0， Ud=0 時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，在新的狀態(tài)重新穩(wěn)定下來(lái)。當(dāng)給定角θ 1 減小，則系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向?qū)⒑蜕鲜銮闆r相反。顯而易見(jiàn)，這個(gè)系統(tǒng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)被控制量θ 2 準(zhǔn)確跟蹤給定量θ 1 的變化，這種現(xiàn)象就稱為隨動(dòng)。 河北師范大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 第三章系統(tǒng)的建模與仿真 MATLAB 語(yǔ)言簡(jiǎn)介 丁 LAB 語(yǔ)言概述 MATLAB 是由 MATrix LABoratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）兩詞的前三個(gè)字母組合而成，是美國(guó) MathWorks 公司出品的大型數(shù)學(xué)計(jì)算軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境?，F(xiàn)在 MATLAB 己經(jīng)成為應(yīng)用最廣的電子仿真計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的軟件工具，它不僅僅是一個(gè)“矩陣實(shí)驗(yàn)室’，更是一種全新的計(jì)算機(jī)高級(jí)程序語(yǔ)言。它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種控制系統(tǒng)的仿真，仿真結(jié)果可以直觀的反應(yīng)控制的效果，因此用 Matlab 對(duì)雷達(dá)天線隨動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真可以檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和實(shí)用性。 Simulink 是 MATLAB 軟件的擴(kuò)展，是一個(gè)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模與仿真的軟件包，內(nèi)部安裝有多種基本的系統(tǒng)模 塊，它們都是按功能分類，存在不同文件夾下，我們只要知道模塊的功能及輸入輸出，將它們按順序連接起來(lái)構(gòu)成所需系統(tǒng)模型，從而進(jìn)行仿真，再對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析就可以了。也是仿真很方便實(shí)用的一個(gè)軟件。 本文我們的分析與仿真主要是在 COMMAND 窗口輸入程序命令，從而得到所要的數(shù)據(jù)結(jié)果及仿真圖形，因?yàn)檫@樣得到的響應(yīng)圖形與 Simulink 得到的仿真圖一致，所以本文不再重復(fù)使用此軟件仿真。 語(yǔ)言的特點(diǎn) MATLAB 語(yǔ)言的主要特點(diǎn)有 : (l)功能強(qiáng)大，應(yīng)用范圍廣。幾乎各個(gè)領(lǐng)域科學(xué)研究與工程技術(shù)應(yīng)用需要的計(jì)算，均可通過(guò) MATLAB 軟件來(lái)解決 。 (2) 語(yǔ)言簡(jiǎn)單，內(nèi)涵豐富，編程效率高。 (3)界面簡(jiǎn)單，用戶使用方便。可以把編輯、編譯、連接、執(zhí)行、調(diào)試等多個(gè)步驟融為一體 。 (4)具有強(qiáng)大的圖形功能。提供了許多高級(jí)圖形函數(shù)和繪圖命令，可以繪制出多種圖形 。 河北師范大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 (5) 擴(kuò)充能力強(qiáng) . 系統(tǒng)數(shù)學(xué)傳函的建模 簡(jiǎn)化的系統(tǒng)框圖 如圖 31所示 圖 31 簡(jiǎn)化的系統(tǒng)框圖 測(cè)量元件的傳函 電位器作為角位移傳感器，將角位移轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)的幅值。電位器輸出的是給定角度與反饋角度的差值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)： ( t ) ( )*12()u tKK? ? ? ? ?? ? ? ? 式 (11) 這里 ( ) ( ) ( )12t t t? ? ?? ? ? 。在零初始條件