位置隨動系統(tǒng)設(shè)計與仿真

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1、中文摘要：隨動系統(tǒng)，通常也被稱為伺服系統(tǒng)，是一種反饋控制系統(tǒng)。它是用來控制被控對象的某種狀態(tài)，使被控對象的輸出能自動、連續(xù)、精確地復(fù)現(xiàn)輸入信號變化規(guī)律的一種控制系統(tǒng),隨動系統(tǒng)的控制對象通常為角度或機械位置，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，后來慢慢推廣到眾多領(lǐng)域，尤其多見于自動車床、天線位置的控制還有導(dǎo)彈和飛船的制導(dǎo)等。如今隨動系統(tǒng)的應(yīng)用幾乎擴展到了民用、工業(yè)、軍事等各個領(lǐng)域，隨著家用電器的普及和全自動化，它在生活中的應(yīng)用也越來越廣泛。而位置隨動系統(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

2、變化時，該系統(tǒng)的主要任務(wù)就是使輸出位移快速而準確地復(fù)現(xiàn)給定量位移。第一章緒論1.1課題研究背景1.1.1隨動系統(tǒng)現(xiàn)狀及歷史隨動系統(tǒng)，通常也被稱為伺服系統(tǒng)，是一種反饋控制系統(tǒng)。它是用來控制被控對象的某種狀態(tài)，使被控對象的輸出能自動、連續(xù)、精確地復(fù)現(xiàn)輸入信號變化規(guī)律的一種控制系統(tǒng)，其衡量指標主要有超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差、峰值時間等時域指標以及相角域度、幅值域度、頻帶寬度等頻域指標，其輸入是一種變化規(guī)律未知的時間函數(shù)。隨動系統(tǒng)中的驅(qū)動電機應(yīng)該具有響應(yīng)速度快、定位準確、轉(zhuǎn)動慣量大等特點，這類專用的電機稱為伺服電機。早在二十世紀三十年代，伺服

3、機構(gòu)這個詞便進入人們的視線了。到二十世紀中期，在自動控制理論的發(fā)展下隨動系統(tǒng)也得到了極大的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。近幾十年，伺服技術(shù)更是取得飛躍發(fā)展，其應(yīng)用也迅速擴展到民用、工業(yè)和軍事領(lǐng)域中。在冶金行業(yè)，它用于多種冶金爐的電極位置控制，機器的運行控制等；在運輸行業(yè)中，水路陸路空中三方的運輸工作也都用到了伺服系統(tǒng)，比如，飛機的駕駛，電力機車的調(diào)速，船舶的操舵等，一定程度上都實現(xiàn)了“自動化”控制；如今，軍事領(lǐng)域也充分運用到了伺服系統(tǒng)，比如雷達天線的自動瞄準的跟蹤控制，導(dǎo)彈和魚雷的自動控制等等。另外，隨著空調(diào)、洗衣機等各類家用電

4、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。1.1.2隨動系統(tǒng)的應(yīng)用　隨動系統(tǒng)的控制對象通常為角度或機械位置，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，后來慢慢推廣到眾多領(lǐng)域，尤其多見于自動車床、天線位置的控制還有導(dǎo)彈和飛船的制導(dǎo)等。如今隨動系統(tǒng)的應(yīng)用幾乎擴展到了民用、工業(yè)、軍事等各個領(lǐng)域，隨著家用電器的普及和全自動化，它在生活中的應(yīng)用也越來越廣泛。人們應(yīng)用隨動控制系統(tǒng)主要是為了達到下面幾個目的：⒈用較小的功率指令信號來控制很大功率的負載，比如火炮控制、船舵控制等。2.在沒有機械連接的情況下，利用輸入

5、軸控制遠處的輸出軸，從而實現(xiàn)遠距離的同步傳動控制。3.令輸出機械位移自動、精確地跟隨電流信號，例如記錄儀和指示儀表等。1.2隨動系統(tǒng)發(fā)展方向及特點隨動控制系統(tǒng)作為自動化系統(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)。從實現(xiàn)手段上來看，它起初只是用一些硬件機械，直流電機等，后來隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人們開始由模擬信號控制轉(zhuǎn)為數(shù)字控制，由

6、硬件機械轉(zhuǎn)為用單片機、PLC等實現(xiàn)。總的來說，隨動系統(tǒng)的發(fā)展方向可概括為以下這幾個方面：(1)全數(shù)字化軟件隨動控制逐漸取代原有的硬件隨動控制，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)字信號處理機（DSP）的隨動控制單元全面代替這樣就使得應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進算法成為可能，同時也實現(xiàn)了系統(tǒng)的全數(shù)字化的隨動控制。(2)專用化和多樣化盡管市場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合應(yīng)用而設(shè)計制造的伺服系統(tǒng)已經(jīng)越來越多。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

7、用，已經(jīng)實現(xiàn)了無刷永磁式伺服電機的大批、高效、自動化的生產(chǎn)，這加快了專業(yè)化與多樣化的進程。（3）高度集成化以前的伺服系統(tǒng)是應(yīng)用多個伺服單元模塊構(gòu)成一個整體來使用，現(xiàn)在新的隨動系統(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，對于一個控制單元，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)計很大程度的縮小了整個控制系統(tǒng)的體積，令系統(tǒng)的安裝工作以及調(diào)試都變得簡單了很多。(4)采用新型的電力電子器件如今隨動系統(tǒng)的輸出器件越來越多地采用開關(guān)頻率很高的新型半導(dǎo)體器件，比如功率場效應(yīng)管(MOSFET)、大

8、功率的晶體管(GTR)和絕緣門極晶體管(IGPT)等。這些先進晶體管等器件的應(yīng)用使得執(zhí)行電機的驅(qū)動變得簡單，大大降低了隨動控制單元輸出回路的功率損耗，降低了系統(tǒng)運行過程中的噪聲，顯著提高了系統(tǒng)在各種不同信號下的響應(yīng)速度。(5)智能化隨著新型數(shù)字化隨動控制單元的使用與發(fā)展，智能