某旋壓機(jī)電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真--自控課設(shè)--哈工大

1、Harbin Institute of Technology課程設(shè)計(jì)說明書課程名稱：自動(dòng)控制原理設(shè)計(jì)題目：某旋壓機(jī)電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真班級(jí)：設(shè)計(jì)者：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：王述一設(shè)計(jì)時(shí)間：2013 年 2 月3 月哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書姓 名： 院 （系）：英才學(xué)院專 業(yè)： 班 號(hào)：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(jì)題目：某旋壓機(jī)電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)固有傳遞函數(shù)為：（s）=設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求：（1）超調(diào)量 p 25%（2）調(diào)整時(shí)間 t s 0.25s（3）速度信號(hào) V=min 時(shí)，誤差 e（t）設(shè)計(jì)要求與步驟：（1）熟悉對(duì)系統(tǒng)

2、的要求，查閱資料。（2）人工設(shè)計(jì)利用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)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(yàn)算校正后系統(tǒng)是否滿足性能指標(biāo)要求。（3）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)利用 MATLAB語言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)報(bào)告。具體內(nèi)容包括如下五個(gè)部分：1）設(shè)計(jì)任務(wù)書2）設(shè)計(jì)過程 人工設(shè)計(jì)過程包括計(jì)算數(shù)據(jù)、系統(tǒng)校正前后及校正裝置的 bode 圖（在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上） ,校正裝置傳遞函數(shù)、性能指標(biāo)驗(yàn)算數(shù)據(jù)。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程包括 Simulink 仿真框圖、 bode 圖，階躍響應(yīng)曲線， 性能指標(biāo)要求的其他曲線。3）校正裝置電路圖4）

3、設(shè)計(jì)結(jié)論5）設(shè)計(jì)后的心得體會(huì)工作計(jì)劃安排：審題，分析設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，查閱資料1天人工計(jì)算，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)3天修改并優(yōu)化設(shè)計(jì)3天完成課程設(shè)計(jì)說明書2天同組設(shè)計(jì)者及分工：無指導(dǎo)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(wù)書由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師填寫。目錄：題目要求與背景題目要求題目背景簡介 二：基于頻率響應(yīng)法的設(shè)計(jì)人工設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)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 計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的相角裕度 計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的剪切頻率 為系統(tǒng)設(shè)計(jì)校正環(huán)節(jié)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)被控對(duì)象仿真控制器的設(shè)計(jì) 對(duì)校正后開環(huán)系統(tǒng)仿真 對(duì)控制器的開環(huán)系統(tǒng)仿真 對(duì)校正后閉環(huán)系統(tǒng)仿真對(duì)校正系統(tǒng)評(píng)估校正裝置電路圖 三

4、：基于根軌跡法的設(shè)計(jì) 人工設(shè)計(jì)原系統(tǒng)根軌跡圖期望主導(dǎo)極點(diǎn)控制器的設(shè)計(jì)校正后系統(tǒng)仿真分析四：設(shè)計(jì)總結(jié)五：心得體會(huì) 六：參考文獻(xiàn)七：附錄：題目要求與背景題目要求技術(shù)要求： ；; ；速度信號(hào) V=min 時(shí)，誤差 e(t) 系統(tǒng)固有傳遞函數(shù)為：(s)=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(duì)伺服控制存在的諸如功率損失大、 對(duì)油液過濾要求苛刻、制造和維護(hù)費(fèi)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

5、世紀(jì) 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(diǎn)是對(duì)介質(zhì)污染不敏感，工作可靠，重復(fù)精度高，成批產(chǎn)品的性能一致性好。 其主要缺點(diǎn)是由于按 載頻原理實(shí)現(xiàn)控制， 故控制信號(hào)的頻寬較模擬器件低。 數(shù)字式電液比例元件的電一機(jī)械轉(zhuǎn)換 器，主要是步進(jìn)馬達(dá)和按脈沖方式工作的動(dòng)鐵式或動(dòng)圈式力馬達(dá)。 數(shù)字式電液比例系統(tǒng)實(shí)質(zhì) 上是一個(gè)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(dāng)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(dǎo)控制提供了一種新型的方式。這種閥的重要特點(diǎn)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(dǎo)控制閥的 局面，甚至

6、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(jī)速度很高， 因此對(duì)控制系統(tǒng)的快速性、 動(dòng)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(jī)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(jì) 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(duì)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(duì)流體介質(zhì)的清潔度要求十分苛刻，制造成本和維護(hù)費(fèi)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

7、應(yīng)開發(fā)一種可靠、 價(jià)廉、 控制精度和響應(yīng) 特性均能滿足工程技術(shù)實(shí)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(shí)，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(diǎn)是:在高性能伺服閥基礎(chǔ)上， 增大電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出功率和適當(dāng)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、價(jià)廉的模擬 電機(jī)械轉(zhuǎn)換器 （比例電磁鐵等 ）和與之相應(yīng)的閥內(nèi)設(shè)計(jì)，從而獲得對(duì)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(jì) 90 年代中后期，一方面隨著一般工程系統(tǒng)對(duì)閉環(huán)控制要求的升

8、溫，另一方面， 客觀上整體機(jī)械加工水平的提高， 系統(tǒng)抗污染能力的增強(qiáng)， 而對(duì)系統(tǒng)能耗采取了區(qū)別對(duì)待的 措施， 以及工業(yè)伺服閥對(duì)實(shí)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)， 很快地填補(bǔ)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(gè)層面上，都有相應(yīng)的實(shí)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

9、應(yīng)法的設(shè)計(jì)人工設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)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)經(jīng)過變換，成為國際單位制 若要求則需要滿足按性能指標(biāo)要求試取 則：(s)=由計(jì)算得知，原系統(tǒng)剪切頻率相角裕度計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的相角裕度已知系統(tǒng)要求超調(diào)量 由經(jīng)驗(yàn)公式可知： 1) ; 可求得 = = 即。計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的剪切頻率由于 ， 可以使用下述經(jīng)驗(yàn)公式：s求得： 為系統(tǒng)設(shè)計(jì)校正環(huán)節(jié) 對(duì)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)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求即校正后系統(tǒng)對(duì)比分析得知， 此時(shí)的系統(tǒng)是在原系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)誤差的設(shè)計(jì)要求后， 相角裕 度 不滿足設(shè)計(jì)要求， 并且剪切頻率 遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求， 因此采用串聯(lián)遲后校正。 進(jìn)行校正系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：1. 在的相頻特性找出如下頻率：這一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率將作為校正后的剪切頻率。2. 在的幅頻特性上找到 所對(duì)應(yīng)的幅值 20lg| | 。在 Bode 圖上找到處，有3. 為使校正后在 的幅頻特性為 0dB,應(yīng)有求出校正環(huán)節(jié).75444. 為了減小串聯(lián)遲后校正對(duì)系統(tǒng)相角裕度的影響， 要求校正環(huán)節(jié) 處的遲后相移在 校正環(huán)節(jié)參數(shù) 和5. 確定串