磁盤控制系統(tǒng)

要求和目標(biāo)為核心技術(shù)。磁盤驅(qū)動器讀寫系統(tǒng)的原理如圖1所示。1磁盤驅(qū)動器讀寫系統(tǒng)原理圖心位置，并能夠有效的抑制噪音干擾和機械擾動造成的磁頭偏離當(dāng)前磁道的問〔VCM〕的運行性能是打算磁頭準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵。此需要設(shè)計掌握器來改善其動態(tài)性能，本設(shè)計主要爭論PID掌握方法來設(shè)計硬盤驅(qū)動器的掌握器。2所示，磁盤驅(qū)動器由磁頭驅(qū)動機構(gòu)(包括音圈電機、懸架、磁頭、軸1μmab的50ms。磁頭磁頭臂的轉(zhuǎn)動磁道a磁道b驅(qū)動電機磁盤2磁盤驅(qū)動器構(gòu)造示意圖方案概述3給出了該系統(tǒng)的初步方案，其閉環(huán)系統(tǒng)利用電機驅(qū)動磁頭臂到達預(yù)期的位置。圖中的偏差信號是在磁頭讀取磁盤上預(yù)先錄制索引磁道時產(chǎn)生的。圖3 磁盤驅(qū)動讀寫系統(tǒng)初步方案直流電機模型來建模，如圖4所示。圖4建?？驁D電機的具體建模過程如下：電樞掌握直流電機的模型如以下圖5所示，電樞被RL相串聯(lián)，而電壓源Uf

表示電樞中產(chǎn)生的電壓。磁激用繞組用線性電阻Rf

Lf

表示，表示氣隙磁通〔以下我們均不考慮摩擦，風(fēng)損和鐵損，負(fù)載轉(zhuǎn)矩帶來的損耗等〕。圖5直流電機模型圖電流電動機的電壓平衡方程式為：為：式中t——線圈的磁鏈在旋轉(zhuǎn)的直流電機中，轉(zhuǎn)子上每一個閉合的導(dǎo)體通路中都有〔2-2〕給出的 (t)d( (t)電壓。d t 正比于氣隙磁通和角速度，即 dtdt d(t) dt

(t)

(23)所以電樞感應(yīng)電壓為：U (t)K(t)(t) (24)g磁磁通t為定值，式〔2-4〕可改寫為〔2-5〕其中——直流電動機電壓系數(shù)通保持常數(shù)，所以電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，即T(t)K

i(t) 〔2-6〕 式中Kt

——直流電動機轉(zhuǎn)矩系數(shù)Pg

(t)T(t)(t) 〔2-7〕的磁滯和渦流損耗，另一局部儲存于轉(zhuǎn)子功能，因而但是此處我們不考慮損耗，因而 T(t)Jd(t)dt

B(t)依據(jù)速度和位移的關(guān)系，我們可以得出tdtdtTf

(t)—摩擦損耗所需的轉(zhuǎn)矩，包括摩擦，風(fēng)損和鐵損T(t)—負(fù)載轉(zhuǎn)矩LBt—粘滯阻尼重量B—粘滯摩擦系數(shù)J—轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量組，從其中可以求出直流電動機在不同工作方式下的傳遞函數(shù)。對根本方程組進展拉普拉斯變換后可得到：U(s)U (s)(RLs)I(s)i g U g

(s) e

〔2-9〕T(s)K

I(s) t T(s)(BJs)(s) (s)ss 上述根本方程組的方塊圖如以下圖所示：所以依據(jù)上圖我們得到音圈電機的傳遞函數(shù)模型為：Gs Kt(LsR)(JsB)sJ1Nms2/radB20Kg/m/sR1L1mHKt

5Nm/A，得到電機傳函Gs Kt(LsR)(JsB)s

5000 ss20s1000Kt化簡得Gs BR 中

J50ms，L

1ms(

s1)(s1) l B RlKt

Gs

BR 5

〔無視〕l

s1) ss 20l因此，該系統(tǒng)的音圈電機的傳函為Gs

5ss20

，為二階系統(tǒng)。仿真設(shè)計一、模擬PID掌握來到達最優(yōu)的設(shè)計目標(biāo)。當(dāng)無視電機磁場影響時，具有PD掌握器的磁盤驅(qū)動系統(tǒng)如圖6〔在PID掌握器的選擇過程中，由于音圈電機的傳函模型中已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，PIDPD掌握就能到達目標(biāo)，積分環(huán)節(jié)根本上沒什么影響〕6PD掌握框圖PD掌握形成的零點因式sz對閉環(huán)動態(tài)性能的不利影響，系統(tǒng)配置了前置濾波器Gp

s。當(dāng)不考慮Gp

s時，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為5K KsGsGc

sG1

s

s s20相應(yīng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為Gs

5K

3Ks3s

G

s

11205K 3

s5K11可知，二階最小節(jié)拍響應(yīng)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化閉環(huán)傳遞函數(shù)為表1 最小節(jié)拍系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化傳遞函數(shù)的典型系數(shù)和響應(yīng)性能指標(biāo)系系統(tǒng)階數(shù)系數(shù)超調(diào)閉環(huán)傳遞函數(shù)αβγδε量調(diào)節(jié)時間21.820.10%4.8231.90 2.201.65%4.0442.20 3.502.800.89%4.8152.70 4.905.403.401.29%5.4363.15 6.508.707.554.051.63%6.04表中標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)整時間應(yīng)為tns

4.82依據(jù)設(shè)計指標(biāo)要求，ts

50ms應(yīng)有n

96.4，于是可取n

130，其對應(yīng)的調(diào)整時間ts

4.82 37.08ms50ms2%可以滿足設(shè)計要求。n這樣，二階最小節(jié)拍系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化閉環(huán)傳遞函數(shù)為s 16900s2236.6s16900令實際閉環(huán)傳遞函數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化閉環(huán)傳遞函數(shù)分母相等，有236.6 205K3

， 16900 K51K1

3380，K3

43.32PD掌握器為GsK Ks338043.32s43.32s78.024c 1 3PD掌握器增閉環(huán)零點s78.024的不利影響，將前置濾波器取為G s 78.024p s78.024系統(tǒng)的仿真框圖為然后，對所設(shè)計的系統(tǒng)進展仿真測試。升系統(tǒng)的上升時間，但惡化了系統(tǒng)的超調(diào)量；K1=3380;K3=43.32;Gc=tf([K3,K1],1);G1=tf(5,[1,20,0]);G2=series(Gc,G1);G=feedback(G2,1);figure(1);step(G)grides=1-y;ess=es(length(es))ess=-0.0017無濾波器的仿真圖形：39.3ms0.17%0.101%ts37ms50ms2%要求。程序：K1=3380;K3=43.32;Gc=tf([K3,K1],1);G1=tf(5,[1,20,0]);Gp=tf(78.024,[1,78.024]);G2=series(Gc,G1);G3=feedback(G2,1);G=series(G3,Gp);figure(1);step(G)grides=1-y;ess=es(length(es))ess= -0.0017仿真圖形：在上述調(diào)試結(jié)果的根底上，再進展反復(fù)調(diào)試，得到結(jié)果如下程序：K1=1152;K3=58;Gc=tf([K3,K1],1);G1=tf(5,[1,20,0]);G2=series(Gc,G1);G=feedback(G2,1);figure(1);step(G)grid仿真圖形：可以滿足我們的設(shè)計要求。二、數(shù)字PID掌握的被控對象的閉環(huán)掌握系統(tǒng)。其典型原理圖如圖7所示：7數(shù)字PID掌握原理圖由數(shù)字計算機構(gòu)成的數(shù)字校正裝置，效果比連續(xù)式校正裝置好，且由軟件實現(xiàn)的掌握規(guī)律易于轉(zhuǎn)變，掌握敏捷。〔2〕采樣信號，特別市數(shù)字信號的傳遞可以有效 制噪聲，從而提高系統(tǒng)的抗擾力量。〔3〕允許承受高靈敏度的控制元件，來提高系統(tǒng)的掌握精度?！?〕對于具有傳輸延遲，特別市大延遲的掌握系 可以引入采樣的方式穩(wěn)定。1、采樣周期在系統(tǒng)中的相互傳遞，采樣器和保持器是數(shù)字掌握系統(tǒng)中的兩個特別環(huán)節(jié)。TT為采樣周期。采樣定理〔香農(nóng)定理〕2fm〕即

2ωm 2s m經(jīng)采樣得到的脈沖序列能無失真的再恢復(fù)到原連續(xù)信號。采樣周期的選取采樣周期T選的越小，即采樣角頻率選的越高，對掌握過程的信息便獲得越多，掌握效果也會越好。但是，采樣周期T選的過小，將增加不必要的計算負(fù)擔(dān)，造成實現(xiàn)較簡單掌握規(guī)律的困難。反之，采樣周期T選的過大，又系統(tǒng)失去穩(wěn)定。因此，選擇采樣周期應(yīng)綜合考慮各種因素：給定值的變化頻率。加到被控對象上的給定值變化頻率越高，采樣頻大的時延。被控對象的特性。考慮對象變化的緩急，假設(shè)對象是慢速的熱工或化工使用的算式和執(zhí)行機構(gòu)的類型。采樣周期太小，會使積分作用、微分采樣周期的選擇要與之適應(yīng)，否則執(zhí)行機構(gòu)來不及反映數(shù)字掌握器輸出值的變化。每個回路的調(diào)整算法都有足夠的時間來完成。在本設(shè)計中，最終采樣周期定為0.001s。轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器可以TD/A轉(zhuǎn)換器可以用保持器取代。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)打算測量的區(qū)分率，過低的區(qū)分率還會影響測量精度。D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)打算掌握輸出的區(qū)分率，過低的區(qū)分率會影響掌握精度。因此，在本系統(tǒng)的閉環(huán)掌握中，二者應(yīng)取一樣的區(qū)分率，即一樣的采樣周期。3、差分方法的選擇PID算法。面積，具體做法如下。DsUs1

dutetEs程兩邊在k1T和kT區(qū)間積分得

skTk1T

dt

kT1T

dt

kT

dt所以 ukTuk1T

kTk1T

etdt上式右邊的積分kTk1T

etdt即為k1T與kT區(qū)間內(nèi)曲線et用ekT*T的矩形面積來近似替代〔后向矩形積分，于是得ukTuk1TekT*T4PID算法t假設(shè)有模擬信號et

detekTek1T，det所謂后向差分變換就是令 dt

dt Tek 1 T對上式兩邊取拉普拉斯變換〔z〕變換得

1z1 sE s E zT假設(shè)數(shù)字信號和模擬信號具有一樣特性，則

1z1sT

或z

11Ts模擬PID掌握器的算法為 utKp

et1Ti

tetdtT0

detdt utetKpTiTd為微分時間常數(shù)。傳遞函數(shù)形式的模擬PID掌握器為 Ds

UsEsK

11p Tsi

Tsd

T

代入上式，推導(dǎo)出位置型數(shù)字PID掌握器

T

T d

1 為D

EzK

Ti

K K Kpp i1z1 p

1z1因此搭建數(shù)字PID掌握器，如圖然后將電機傳遞函數(shù)G1

s 5 進展離散化：ss20ts=0.001;sys=tf(5,[1,20,0]);dsys=c2d(sys,ts,”z”)Transferfunction:2.483e-006z+2.467e-006z^2-1.98z+0.9802最終構(gòu)建數(shù)字PID閉環(huán)掌握系統(tǒng)為：PID掌握器的參數(shù)整定數(shù)字PID參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響K

對系統(tǒng)性能的影響pK進而提高掌握精度。

增加，穩(wěn)態(tài)誤差減小，pK

增加，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快；假設(shè)Kp

偏大，系統(tǒng)pK

過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。p積分時間常數(shù)Ti

對系統(tǒng)性能的影響對系統(tǒng)靜態(tài)性能的影響：積分掌握能消退系統(tǒng)靜差，但假設(shè)Ti太弱，以致不能消退靜差。

對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響：假設(shè)Ti性能影響減小。

太小，系統(tǒng)將不穩(wěn)定；假設(shè)Ti

太大，對系統(tǒng)動態(tài)微分時間常數(shù)Td

對系統(tǒng)性能的影響Td

短，允許加大比例掌握；但假設(shè)Td

過大或過小都會適得其反。PID參數(shù)整定先比例、后積分、再微分的步驟進展整定。具體步驟如下：只整定比例參數(shù)。將比例系數(shù)K到反響快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。

p假設(shè)上述只承受比例掌握器的系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計要求，則應(yīng)參加PI掌握器。整定時，首先把第〔1〕步整定的比例系數(shù)適當(dāng)減小，Ti

的初始值要取較大些，然后減小積分時間常數(shù)，使系統(tǒng)在保持良好動態(tài)性改K 和Tp

，以期得到滿足的響應(yīng)過程。假設(shè)經(jīng)過上述參數(shù)試湊系統(tǒng)的動態(tài)性能仍舊不滿足設(shè)計要求〔主要是超調(diào)量過大或系統(tǒng)響應(yīng)速度不夠快Td

0漸漸K

和T，不斷試湊，直到獲得滿足的掌握效果。p i在本系統(tǒng)中，經(jīng)過反復(fù)試湊，最終得到