太陽(yáng)光源跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)題

1、一、設(shè)計(jì)題目及要求太陽(yáng)光源跟蹤系統(tǒng)利用伺服系統(tǒng)控制太陽(yáng)電池帆板的移動(dòng)，使其跟蹤并始終垂直于太陽(yáng)光線，最大程度地接受太陽(yáng)能。太陽(yáng)光源跟蹤系統(tǒng)由感光器與檢測(cè)線路和電機(jī)的功率放大器（可以簡(jiǎn)化視為一個(gè)增益放大環(huán)節(jié)），太陽(yáng)帆板（作為直流力矩電機(jī)的負(fù)載，可以近似看作常值轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加到電機(jī)軸上），電機(jī)位置傳感器（其輸出與電機(jī)轉(zhuǎn)角成正比的電壓信號(hào)）和直流力矩電機(jī)組成。太陽(yáng)光源跟蹤系統(tǒng)如題圖a所示。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方塊圖如題圖b所示。試用連續(xù)域-離散化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器，滿足如下指標(biāo)要求：（1）超調(diào)量（2）上升時(shí)間；（3）調(diào)節(jié)時(shí)間。（4）靜態(tài)速度誤差系數(shù)。(a)E(z)TD(z)TZOH (b)圖 太陽(yáng)光源跟蹤

2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)要求：（1）計(jì)算未加控制器時(shí)的性能指標(biāo)，并繪出仿真曲線；（2）設(shè)計(jì)連續(xù)域控制器D(s)，寫出設(shè)計(jì)步驟，驗(yàn)算加控制器后的性能指標(biāo)，并繪出仿真曲線；（3）選用兩種合適的離散化方法，將D(s)離散為D(z)。并繪制采樣周期T分別為0.01s，0.05s，0.1s時(shí)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)仿真曲線，記錄時(shí)域指標(biāo)，計(jì)算。比較兩種離散化方法的性能，并說(shuō)明連續(xù)域-離散化設(shè)計(jì)與采樣周期T的關(guān)系。比較離散化前后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，分析離散化后系統(tǒng)性能變化的原因。（4）最終選定你認(rèn)為最合適的一種離散化方法和采樣周期。說(shuō)明：所有的仿真都需有程序清單或simulink模型2、 設(shè)計(jì)過(guò)程1、

3、在未加控制器時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行檢測(cè)編程如下：a=1 20 1231.82;b=0 0 1231.82;step(b,a,0:0.01:2)輸出曲線如下圖所示：由輸出曲線可知%=39%，=0.0554s，=0.446s，計(jì)算得Kv=61,可知超調(diào)量無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，即需要加控制器D(s)進(jìn)行控制，它的主要作用是降低超調(diào)量。2、 設(shè)計(jì)符合要求的連續(xù)域控制器擬定超調(diào)量為8.6%，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.2s，設(shè)計(jì)出【555s29s555s1ss2ee+=+=F）（）（）（GG,F（）為加入控制器后有的閉環(huán)系統(tǒng)。編程檢驗(yàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)性能：a=1 29 555;b=0 0 555;step(b,a,0:0.01:2

4、)輸出曲線如下圖所示：由輸出曲線可知=9%，上升時(shí)間0.12s,及調(diào)節(jié)時(shí)間0.29s均遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足要求，并通過(guò)計(jì)算得=19。故經(jīng)控制器校正后的連續(xù)系統(tǒng)，其性能是符合要求的。3、 將G（s）離散化為G（z）（1）T=0.01s時(shí)，編程如下：num=1231.82;den=1, 20,0; c,d=c2dm(num,den,0.01, 'zoh')輸出結(jié)果為：c =0 0.0577 0.0540d =1.0000 -1.8187 0.8187則（2）T=0.05s時(shí)，編程如下：num=1231.82;den=1, 20,0; c,d=c2dm(num,den,0.05, 'zo

5、h')輸出結(jié)果為：c =0 1.1329 0.8137d =1.0000 -1.3679 0.3679則（3）T=0.1s時(shí)，編程如下：num=1231.82;den=1, 20,0; c,d=c2dm(num,den,0.1, 'zoh')輸出結(jié)果為：c =0 3.4963 1.8292d =1.0000 -1.1353 0.1353則4、 對(duì)D（s）進(jìn)行離散化（1）使用階躍響應(yīng)不變法離散D（s）T=0.01s時(shí)，離散過(guò)程如下：num=0.4505, 0.4505*20;den=1, 29; c,d=c2dm(num,den,0.01, 'zoh')輸

6、出結(jié)果為：c = 0.4505 -0.3723d = 1.0000 -0.7483則所以仿真分析其階躍響應(yīng)特性：num=0,0.0268,0.0029,-0.0207;den=1,-2.5402,2.1825,-0.6333;r=ones(1,101);k=0:100;c=filter(num,den,r);plot(k,c,'r-'); 輸出的單位階躍響應(yīng)仿真曲線如下：過(guò)輸出曲線可以觀察到=12.2%，上升時(shí)間及調(diào)節(jié)時(shí)間均明顯滿足要求。T=0.05s時(shí)，離散過(guò)程如下：num=0.4505, 0.4505*20;den=1, 29; c,d=c2dm(num,den,0.05,

7、 'zoh')輸出結(jié)果為：c = 0.4505 -0.2127d =1.0000 -0.2346所以在T=0.05s時(shí)，所以仿真分析其階躍響應(yīng)特性：num=0,0.5104,0.1256,-0.17307;den=1,-0.8575,0.8144,-0.25938;r=ones(1,101);k=0:100;c=filter(num,den,r);plot(k,c,'r-');通過(guò)輸出曲線可以觀察到=7.4%，能滿足設(shè)計(jì)要求，但上升時(shí)間及調(diào)節(jié)時(shí)間均明顯不滿足要求，.)()(1)1(lim11+-=®zGzDzTKzv也不滿足要求。T=0.1s時(shí)，離散過(guò)

8、程如下：num=0.4505, 0.4505*20;den=1, 29; c,d=c2dm(num,den,0.1, 'zoh')輸出結(jié)果為：c =0.4505 -0.1569d = 1.0000 -0.0550所以在T=0.1s時(shí)，仿真分析其階躍響應(yīng)特性：num=0, 0.575,0.27549,-0.2870;den=1,-0.3847,0.4732,-0.29444;r=ones(1,101);k=0:100;c=filter(num,den,r);plot(k,c,'r-'); 有圖可以看出是不滿足要求的。（2） 使用零極點(diǎn)匹配法離散D（s）T=0.01

9、s時(shí)，離散過(guò)程如下：num=0.4505, 0.4505*20;den=1, 29; sysc=tf(num,den);sysd=c2d(sysc,0.01,'matched')輸出結(jié)果為：Transfer function:0.4315 z - 0.3533- z - 0.7483 Sampling time: 0.01即11z483.701z533.30315.40483.70z533.30z315.40z-=-=）（DT=0.01s時(shí)，所以， 3213216317.01826.25421.2101908.0003.00249.0)()(1)()z(z-+-+=+=Fzzz

10、zzzzDzGzDG）（仿真分析其階躍響應(yīng)特性：num=0,0.0249,0.003,-0.01908;den=1,-2.5421,2.1826,-0.6317;r=ones(1,101);k=0:100;c=filter(num,den,r);plot(k,c,'r-');輸出曲線如下圖所示： 通過(guò)輸出曲線可以觀察到=12.9%，上升時(shí)間及調(diào)節(jié)時(shí)間均明顯滿足要求。T=0.05s時(shí)，離散過(guò)程如下：num=0.4505, 0.4505*20;den=1, 29; sysc=tf(num,den);sysd=c2d(sysc,0.05,'matched')Trans

11、fer function:0.3762 z - 0.1384- z - 0.2346 Sampling time: 0.05>>即11z346.201z384.10762.30346.20z.13840z.37620z-=-=）（DT=0.05s時(shí)，所以， 3213211989.08381.01763.111126.01493.04262.0)()(1)()z(z-+-+=+=FzzzzzzzDzGzDG）（仿真分析其階躍響應(yīng)特性：num=0,0.4262,0.1493,-0.1126;den=1,-1.1763,0.8381,-0.1989;r=ones(1,101);k=0:1

12、00;c=filter(num,den,r);plot(k,c,'r-');輸出曲線如下圖所示： 通過(guò)輸出曲線可以觀察到=37.2%不能滿足設(shè)計(jì)要求，上升時(shí)間及調(diào)節(jié)時(shí)間均明顯滿足要求。T=0.1s時(shí)，離散過(guò)程如下：num=0.4505, 0.4505*20;den=1, 29; sysc=tf(num,den);sysd=c2d(sysc,0.1,'matched')Transfer function:0.3395 z - 0.04595- z - 0.05502 Sampling time: 0.111z5502.001z4595.00395.305502.00z.045950z.33950z-=-=）（D切有T=0.1s時(shí)，所以， 3213210915.06582.00033.0108405.04604.0187.1)()(1)()z(z-+-+=+=FzzzzzzzDzGzDG）（仿真分析其階躍響應(yīng)特性：num