经典控制系统
——随动控制系统设计
1，概述
控制技术的发展使随动系统广泛地应用于军事工业和民用工业，随动系统是一种带反馈控制的动态系统。在这种系统中输出量一般是机械量，例如：位移，速度或者加速度等等。反馈装置将输出量变换成与输入量相同的信号，然后进行比较得出偏差。系统是按照偏差的性质进行控制的，控制的结果是减少或消除偏差，使系统的输出量准确地跟踪或复现输入量的变化。系统中的给定量和被控制量一样都是位移（或代表位移的电量），可以是角位移，也可以是直线位移。根据位置给定信号和位置反馈反馈信号以及两个信号的综合比较来分类，可分成模拟式随动系统和数字式随动系统。
由于随动系统的输出量是一种机械量，故其输出常常以机械轴的运动形式表示出来。该机械轴称为输出轴。通常输出轴带动较大的机械负荷而运动，在随动系统中，如果被控量是机械位置或其导数时，这类系统称之为伺服系统。
位置随动系统的应用例子如:
(1)机械加工过程中机床的定位控制和加工轨迹控制是位置随动系统的典型实例
(2)冶金工业中轧刚机压下装置以及其它辅助设备的控制在轧制钢材的过程中，必须使上、下轧辊之间的距离能按工艺要求自动调整；焊接有缝钢管或钢板；要求焊机头能准确地对正焊缝的控制。
(3)仪表工业中各种记录仪的笔架控制，如温度记录仪、计算机外部设备中的x-y记录仪，各种绘图机以及计算机磁盘驱动器的磁头定位控制。
(4)制造大规模集成电路所需要的制图机、分布重复照相机和光刻机，机器人或机械手的动作控制等。
(5)火炮群跟踪雷达天线或电子望远镜瞄准目标的控制:舰船上的自动探舱装置使位于船体尾部的舱叶的偏角模仿复制位于驾驶室的操作手轮的偏转角,以便按照航向要求来操纵船舶的航向:陀螺仪惯性导航系统,各类飞行器的姿态控制等,也都是位置随动系统的具体应用。
2结构原理
位置随动系统是一种位置反馈控制系统,因此,一定具有位置指令和位置反馈的检测装置，通过位置指令装置将希望的位移转换成具有一定精度的电量，利用位置反馈装置随时检测得到的偏差信号放大以后，控制执行电机向消除偏差的方向旋转，直到达到一定的精度为止。这样被控制机械的实际位置就能跟随指令变化，构成一个位置随动系统。
原理框图可描述如图1所示。
因为控制存在惯性，当输入X(t)变化时，输出Y(t)难以立即复现，此时Y(t)≠X(t)，即：e(t)=
Y(t)-X(t)≠0，——测量元件将偏差e(t)转换成电压输出——经小信号放大器放大，功率放大器——执行电机转动——减速器——使被控对象朝着消极误差的方向转动，只要X(t)≠Y(t)，就有e(t)≠0，执行电机就会转动，一直到偏差e(t)=0，执行电机停止转动，此时系统实现了输出Y(t)对输入量X(t)的复现。当X(t)随时间变化时，Y(t)就跟着X(t)作同样变化，这种现象就称为随动。
图1 位置随动控制系统原理框图
随着机电产品及电子元件的不断发展与完善，图1中各个环节均可采用多种不同的元器件来实现。组成系统的元部件按职能分类主要有以下几种。
测量元件：是用来检测被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般要转换为电量，如电位器、旋转变压器或自整角机用于检测角度转换成电压；测速发电机用于检测电动机的速度转换为电压。而光电编码器作为位置与角度的检测元件应用在计算机位置控制系统及计算机速度控制系统中。
放大元件：其职能是将偏差信号进行放大，用来推动执行电机去控制被控对象。可用
晶体管、晶闸管、集成电路等组成的电压放大级和功率放大级将偏差信号放大。
执行元件：其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。用来作为执行元件的有电动机等。
减速器：其职能是实现执行元件与负载之间的匹配由于执行元件常为高转速、小转矩的电动机，而负载通常均为低转速、大转矩，所以在执行元件到负载之间需要引入减速器以达到两者之间的匹配，减速器通常为一齿轮组。
典型的随动系统框图如图2所示
图2 典型的随动系统框图
3 各部件结构与数学模型 一、测量元件
测量元件的种类：电位器、自整角机、旋转变压器、光栅、多极、感应同步器、光电码盘等。 (1)伺服电位器
最常用的伺服电位器是接触式电阻变换器， 或称为电阻式位移变换器，它是在输入位移 的作用下，改变接入电路中的固定电阻，即 改变其电阻值的大小。实际测量中通常将两个
电位器并联构成桥式电路，用以测量系统位移 图3 用电位器测量系统位移误差 误差的大小，如图3所示。电位器的滑动端固定
在转轴上，其中，和指令轴相联的称为接收电位器RPR 。两滑动端之间的电压Urp 与输入位移 输出位移之差成正比 供电电压Us 可为直流 也可以是交流 视具体情况确定 电位器用于测量角位移时是转动式的 当用于测量直线位移时则采用直线位移式。
伺服电位器作位置检测元件线路简单，惯性小，消耗功率小，所需电源简单，且价格便宜，使用方便。缺点是位移范围有限，测量精度不高，容易磨损而造成接触不良，且寿命短。所以，一般电位器只适用于测量精度要求不高、位移范围的系统中。
（1） 控制式自整角机
自整角机或旋转变压器作为随动系统的测量元件，通常是成对使用的。控制式自整角机工作原理如图4
图4 自整角机 图5 旋转变压器
图4中左边为自整角机发送机，右边为自整角机接收机。发送机的转子绕组接交流激磁电压U j
，称激磁绕组。接收机的转子绕组输出电压，称为输出绕组。发送机激磁绕组对定子D 1
相得夹角用表示，接收机输出绕组对定子D 1
’相得夹角用θ2
表示。)(21θθ-就是发送机、接收激磁绕组轴线的夹角差值。经指导后可得出绕组中产生的感应电势的有效值：
E 2
=E 2max cosδ 式中δ=)(21θθ-
通常把δ= 90°的位置作为协调位置，偏离此位置的角度为失调角γ，即δ=90°-γ，故：
E 2=E 2max cosδ= E 2max sin γ
当接收机输出绕组接上交流放大器时，可认为输出绕组电压
U 2=U 2max sin γ
在γ角很小时 sinγ=γ
U 2=U 2max γ
（3）旋转变压器
旋转变压器如图5所示。其原理和自整角机类似，一般来说角差的转换精度比自整角机高。 二、交流放大器
交流放大器是由基本运算放大器和反馈网络等组成，因由电容的隔离作用，可降低漂移及噪声。交流放大器的线路图如图6。其中的电容C 起隔直作用。稳压管21W W 、用来限制输出信号，主要目的是为了保护交放电路。
交流放大器的放大倍数为：1
31R R
K =
交流放大器的放大倍数是确定的，为使系统工作于线性区，应使输入电压较小。
图6 交流放大器 三、调解环节
在随动系统中，误差敏感元件的输出信号是交流信号，而我们以前分析研究的校正网络指在直流情况下进行的，所以在系统中必须引入一个交流信号变为直流信号的环节——解调环节。线路图如图7所示。晶体管21T T 、对接是为了减少残余电压：饱和时抵消饱和压降，截止时抵消反向电流。晶体管21T T 、作为开关截止时断开、饱和时导通。π型滤波电路用于减少输出的脉动成分。
工作原理：上正下负，1U V be 反偏，21T T 、截止，U sr 不能通过。U t 上负下正，V be 正偏，又因为U sr <
图7 解调环节
对输入信号和解调信号的要求：a)输入信号和解调信号同频率：b)相位差0°或180°。
当同相时，输出电压为正半周，直流电压的极性为正，当反向时，输出电压为负半周，直流电压的极性为负。
从输入端看进去，解调环节的等效电路如图8所示。其中，R 2为后级电路的等效输入阻抗。由等效电路可得解调滤
波环节的传递函数为： s
T K V V s s
s +=
10 其中，1
22R R R K s +=
，221)//R (C R T s =
可见，它是一个一阶段性环节。解调滤波电路的形式很多，可以用类似的方法求出它们对应的传递函数。
图8 解调环节的等效电路
四、脉宽调制
脉宽调制（PWM ）变换器是一个电压一脉冲变换装置，其输出的PWM 波形信号经过功率放大便可以驱动直流电机，实现调速控制。线路图如图9。?U 为三角波发生器输出图如图10所示。
图9 脉宽调制
U s =0，U sc 的正负半波脉宽相等，输出平均电压为零，参见图10 (a)。此信号经功率放大后电机不会转。
U s >0，U sc 的正半波宽度>负半波宽度，参见图10(b)。此信号经功率放大后电机正转。 U s <0，U sc 的正半波宽度<负半波宽度，参见图10(c)。此信号经功率放大后电机反转。
U sc 的脉冲宽度正比于U s ，实现了电压—脉冲的转换。在三角波不包含直流成分时，输出的线性度非常高。 采用PWM 控制电机的速度的随动系统中，由于开关频率高，靠电枢的滤波作用，可消除脉冲交流对直流电
机的影响。其开频率f 关应高于调速系统的最高工作频率（通频带）f c ，一般希望f >10 f c ，同事还应当高于系统中所有回路的谐振频率，以防引起共振，供其上限受晶体管开关损耗和开关时间的限制，一般选2000Hz 左右。
图10 脉宽调制的波形
五、直流放大器和功率放大器
直流放大器是为了满足静态及动态的性能指标，需要改变系统增益系数K 而设定的。
直流放大器由基本运放电路和反馈网络组成，且增益系数可调，在线性工作区可将其看作一比例环节。 功率放大器在线性工作区同样是一比例环节。
六、执行电机
执行电机有很多种，应根据系统类型、功率、外形等要求进行合理选择。图11是直流电机的原理图。
L a 很小，可以忽略，电机的传递函数为：1
)()
(+=
Ωs T K s U s m m a
图11 控制电枢式直流电机
式中：Ω为电机转速，K m 是电机增益常数，T m 是电机时间常数。 若以角度θ为输出，电机方框图为：
图12 电机方框图
七、校正环节 （1）串联超前校正
超前校正，图13左边为无源校正网络，右边为有源校正网络。 图13 超前校正网络 对有源校正，其传递函数为：
)1(1+=s T K G p c 111C R T = 12/R R K p -= 对无源网络，其传递函数为：
1s a T 1s T a 1(s )G i
1
1i c
++=，其中12
2
1>+=
R R R a i
，111C R T = (2)串联滞后校正
滞后校正，图14左边为无源校正网络，右边为有源校正网络。 图14 超前校正网络 有源滞后网络的传递函数为： ???? ?
?+=???? ??+=+==
s T K s T T s s T s U s U s G p sr sc c 222211111)()()(ττ，其中 1
2
R R K p -
=，21C R =τ，222C R T = 无源滞后网络的传递函数为： 1
1
)()()()()(22
21++===
s T a s T s X s X s U s U s G j sr sc c ，其中，221R R R a j +=，222C R T = （2） 并联校正
a 、 速度校正
进行并联的速度校正，可以提高电机的响应速度，且不会影响闭环系统的极点。输入：转角)(t θ，输出：电压)(t U sc ，如图15所示。
图15 速度校正 图16 速度校正 传递函数： c sc c K s s U s G ==
)
()
()(θ，c K 为发电机系数。 为了使测速电机的输出电压可调，常常通常一个电位器进行分压再输出：
R
R
K s s U s G c sc c 1'
)()()(==θ
b 、速度—微分校正
如图16所示。传递函数：1
)(2
+=s T s T K s G c c c c 式中参数c K 、c T 由环节本身的结构参数所决定。
小功率随动系统设计
采用旋转电位器作为测量元件、直流电机作为执行元件、质量不大的飞轮作为负载，构成一个小功率的随动系统。根据性能执行要求，设计合理的校正网络，调试完成满足要求的随动系统。如图17为小功率随动系统实验装置，包括“Lab311控制系统试验箱”和“控制系统试验台”。
图17 小功率随动系统实验装置
一、 设计任务与要求
1、 根据给定的元、部件和有关装置，设计一套闭环控制的角度随动系统。
2、 对系统的有关参数进行测试。
3、 设计出合理的校正网络，在系统中加以实现，使得校正后的系统满足%20%≤σ，s t s 1≤,并具有较大的静
刚度和工作范围。
4、 写出详细的技术报告，包括以下内容：a 、主要任务;b 、设计构思，元、部件使用，电路、系统工作原理；
c 、参数测定与处理；
d 、开环传递函数的确定，校正方法及实现；
e 、校正前后系统性能的理论分析;
f 、心得体会及遗留问题。 二、 元、部件的技术性能与参数测定 1、 WDD35精密导电塑料电位器
WDD35系列电位器具备连续旋转功能，常在显示记录仪表中使用，其滑动端与导电塑料接触，实现角度—电压的交换。如图18为WDD35D —1型电位器外形。
图18 WDD35D-1型电位器
旋转电位器在随动系统中完成角度—电压变换，是一个比例环节，其系数r K 可由测得的旋转角度—输出电压拟合曲线的斜率求出。
表5-1 WDD35D-1型电位器主要技术指标
2、 直流力矩电机
执行部件为SYL-5永磁式直流电动机，连续堵转力矩m N M f ?=49.0,连续堵转电流1.8A ，连续堵转电压V U f 20=，空载转速max o n =500r/min,静摩擦力矩0.098N ·m 。
m T 确定方法：
用频率特性测试仪获得电机的副频曲线，进行直线拟合，转折频率即为1/m T 。
m K 的确定方法：
用转速表测得转速n 与sr U 的关系，则m K =n/sr U ,为测量准确，应选择不同的sr U 进行多次测量，取平均值。 关于实验台中的飞轮负载，可以与电机连接在一起，看成一个整体，进行上述参数的测量。 3、 测速电机
测速元件为CYD-1永磁式直流测速发电机，n U =0.1v/r ·min,Ω=23l r ,min /400max r n =。
测速电机作为测速元件工作在发电机状态，与电机输出轴进行机械相联，它的时间常数必须很小，这样其惯量对被测系统的影响可以忽略可以忽略不计，因此测速电机也可以看作一个比例环节。其比例系数'm K 可由测得的旋转速度一输出电压拟合曲线的斜率求出。
在计算过程中，需注意所有的参数和系数都有各自的单位。为了不发生错误，相关的参数应采用一致的度量。在这里，角位移用弧度表示，时间用秒表示，因而转速的单位“转/分”应化为“弧度/秒”。 三、 系统框图
小功率随动系统的结构框图如图19所示。
其中21r r K K 、分别是发送、接收电位器的比例系数。i K 为功率放大器的系数。)(s G c 为校正环节。 四、 几个注意问题
1、 实验调试过程中，需注意反馈的极性，尤其对于非电信号的环节，判断起来比较困难，当系统出现震荡现象
时，首先应检查是否接成了正反馈。 2、 注意运放必须工作在线性区，防止输入信号过大出现饱和。
3、 旋转电位器虽然能连续旋转，但电旋转角只有
340左右，其余20
左右的区域滑动端无信号输出。 4、 实验过程中，应充分利用三用表是或示波器等仪器来检查、测量和调整控制信号，以及检查控制元件是否正
常。 5、 调试完成的系统的实测性和理论值有偏差，这主要是由于设计过程中没有考虑到的非线性因素、元器件精度
等原因
摘要 随动系统是指系统的输出以一定的精度和速度跟踪输入的自动控制系统，并且输入量是随机的，不可预知的，主要解决有一定精度的位置跟随问题，如数控机床的刀具给进和工作台的定位控制，工业机器人的工作动作，导弹制导、火炮瞄准等。在现代计算机集成制造系统（CIMC）、柔性制造系统（FMS）等领域，位置随动系统得到越来越广泛的应用。 位置随动系统要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性和准确性为位置随动系统的主要特征。 本次课程设计研究的是位置随动系统的超前校正，并对其进行分析。 关键词：随动系统超前校正相角裕度
目录 1 位置随动系统原理 (1) 1.1 位置随动系统原理图 (1) 1.2 各部分传递函数 (1) 1.3 位置随动系统结构框图 (4) 1.4 位置随动系统的信号流图 (4) 1.5 相关函数的计算 (4) 1.6 对系统进行MATLAB仿真 (5) 2 系统超前校正 (6) 2.1 校正网络设计 (6) 2.2 对校正后的系统进行Matlab仿真 (8) 3 对校正前后装置进行比较 (9) 3.1 频域分析 (9) 3.2 时域分析 (9) 4 总结及体会 (10) 参考文献 (12)
位置随动系统的超前校正 1 位置随动系统原理 1.1 位置随动系统原理图 图1-1 位置随动系统原理图 系统工作原理： 位置随动系统通常由测量元件、放大元件、伺服电动机、测速发电机、齿轮系及绳轮等组成，采用负反馈控制原理工作，其原理图如图1-1所示。 在图1-1中测量元件为由电位器Rr 和Rc 组成的桥式测量电路。负载固定在电位器Rc 的滑臂上，因此电位器Rc 的输出电压Uc 和输出位移成正比。当输入位移变化时，在电桥的两端得到偏差电压ΔU=Ur-Uc ，经放大器放大后驱动伺服电机，并通过齿轮系带动负载移动，使偏差减小。当偏差ΔU=0时，电动机停止转动，负载停止移动。此时δ=δL ,表明输出位移与输入位移相对应。测速发电机反馈与电动机速度成正比，用以增加阻尼，改善系统性能。 1.2 各部分传递函数 (1)自整角机： 作为常用的位置检测装置，将角位移或者直线位移转换成模拟电压信号的幅值或相位。自整角机作为角位移传感器，在位置随动系统中是成对使用的。与指令轴相连的是发送机，与系统输出轴相连的是接收机。 12()(()())()u t K t t K t εεθθθ=-=? (1-1) 零初始条件下，对上式求拉普拉斯变换，可求得电位器的传递函数为
位置随动控制系统设计与实现 王桂霞, 李 媛 (中国船舶重工集团公司第704研究所,上海 200031) 摘 要:计算机控制系统是保证位置随动系统功能和性能的重要部分,文中结合船用仿真 转台阐述了多机集散控制结构形式的位置随动转台的计算机控制系统方案,并以某位置随动转台为背景,对系统工程实现中的接口电路设计、电机、伺服放大器以及采样频率选取、程序设计等一系列问题进行了讨论,设计结果在位置随动试验样机中应用取得了良好效果. 关键词:位置随动;控制系统;采样频率;设计 中图分类号:T M571,TP273 文献标识码:A 文章编号:100528354(2007)1220029204 Desi gn and reali zati on of control syste m of rando m positi on WANG Gui 2Xia,L I Yuan (No .704Research I nstitute,CSI C,Shanghai 20031,China ) Abstract :The co m puter control syste m is an i m portant part of guaranteeing perfor m ance of control syste m of rando m position .Co m bining the m arine si m ulation turntable,this paper set forth the co m puter control syste m sche m e on the rando m position turntable w ith m ulti 2co m puter distributes control structure .Then taking a certain turntable of rando m position as background,it respectively discussed such key proble m s of syste m engineering re 2alization as the interface circuit design,choice of m otor ,servo am plifier and sam ple frequency and the program design .The design sche m e is applied in a rando m position proto type and gets a good result . Key words :rando m position;control syste m;sam ple frequency;design 收稿日期:2007211219 作者简介:王桂霞(19772),女,工程师,主要从事自动控制的工作位置随动控制系统设计与实现 0 引言 位置随动转台系统由机械台体和计算机控制系统两个重要部分组成,前者是实现仿真功能的基础,而后者是保证转台系统功能和性能的核心部分.转台既要满足一定的动态、静态指标要求,也要为试验提供方便的操作界面和数据采集、处理手段,计算机控制系统不仅要具有实时控制功能,而且应具备监控管理功能,因此,计算机控制系统设计就成为仿真转台设计和工程实现的重要内容. 当前在各种控制系统中计算机已得到非常广泛的应用,根据不同的情况,控制系统的结构形式各不相同,一般分为操作指示系统、直接数字控制系统(DDC )和集散控制系统(DCS )等类型,在下文中将讨论集散控制结构形式的计算机控制系统的设计问题,其中主 要包括结构设计、系统工程实现中的接口线路设计、采样频率选择、程序设计等内容,并给出设计结果. 1 结构设计 本仿真转台采用多机集散控制形式,即采用上下位机的两级式结构.图1 为集散控制系统应用于本转 图1 原理框图
第一章伺服系统概述 伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化，因此又称之为随动系统或自动跟踪系统。机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。 近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统。 目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。 1.1伺服系统的基本概念 1.1.1伺服系统的定义 “伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行停止。 伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。
1.1.2伺服系统的组成 伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由检测部分、误差放大部分、部分及被控对象组成。 1.1.3伺服系统性能的基本要求 1）精度高。伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。 2）稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。 3）快速响应。响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。 4）调速范围宽。调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。 5）低速大转矩。在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。 6）能够频繁的启动、制动以及正反转切换。 1.1.4 伺服系统的种类 伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；按照功能的不同可分为计量伺服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位置
1．单轴位置控制系统设计 1.1. 基本控制要求 该单元有电机带动轴运动,气泵产生气体带动气缸（用气缸模拟机械手）上下运动和吸附物块组成。电机带动轴的左移Y0和右移Y1。轨道有三个接近开关(1、2、 3)定位三个工位, 气缸由电磁阀控制进气和出气，实现气缸的上升和下降(Y2)， 吸附开关X3控制吸附物块(Y3),设计有手动和自动控制部分,可以通过开关X14选择控制方式。 1.1.1.手动控制要求 通过X14开关选择手动控制方式，通过控制面板来控制，手柄控制气缸向左X16、向右X17移动，气缸的上X4和X5下通过面板旋钮控制，物块的吸附通过面板旋钮 X3控制，来完成物块在三个工位上的移动。 1.1. 2.自动控制要求 通过X14开关选择自动控制方式，按复位按钮，气缸回到工位1，按启动按钮后，气缸下降吸附物块，然后上升，再从工位1移动到工位2，再下降，释放物块回升气缸，4秒过后气缸下降吸附物块从工位2移动到工位3，再下降释放物块回升气缸，4秒后再下降吸附物块从工位3移动到工位1，下降释放物块回升气缸，工作全部完成，气缸停止在工位1。
1.2.硬件设计 1.2.1 I/O地址分配表 根据对单轴运动控制系统的分析，分配对应的I/O口，I/O地址分配表如表XO 急停按钮X11 停止按钮X1 位置1 X12 右移 X2 位置2 X13 手动 X3 位置3 X14 吸附 X5 吸附/松开X15 上移 X6 上位X16 下移 X7 下位X17 左移 X10 启动按钮 表1.2.1.1 PLC输入设备 Y4 吸附控制 Y10 上升控制 Y11 下降控制 Y2 左移控制 Y3 右移控制 Y6 启动控制 Y5 停止控制 Y7 复位控制 表1.2.2.2PLC输出设备
课程设计任务书 学生姓名: 专业班级：_____________________ 指导教师：____________ 工作单位：________________ 题目：位置随动系统的超前校正 初始条件: & = 0.12 V.s， 2 Ra=8O, La=15mH J=0.0055kg.m , C e=Cm=0.38N.m/A,f=0.22N.m.s,减速比i=0.4 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、求出系统各部分传递函数，画出系统结构图、信号流图，并求出闭环传递函数； 2、求出开环系统的截至频率、相角裕度和幅值裕度，并设计超前校正装置，使得系统的相角裕 度增加10度。 3、用Matlab对校正前后的系统进行仿真分析，比较其时域相应曲线有何区别，并说明原因。 时间安排: 任务时间（天） 审题、查阅相关资料 1 分析、计算 1.5
指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 位置随动系统的超前校正 1位置随动系统原理分析 1.1系统原理分析 工作原理：输入一定的角度弓，如果输出角度礼等于输入角度齐，则电动机不转动，系统处于平衡状态；如果兀不等于4，则电动机拖动工作机械朝所要求的方向快速偏转，直到电动机停止转动，此时系统处于与指令同步的平衡工作状态，即完成跟随。 电枢控制直流电动机的工作实质：是将输入的电能转换为机械能，也就是有输入的电枢电压u a t在电枢回路中产生电枢电流i a t，再由电流i a t与励磁磁通相互作用产生电磁转矩M m t，从而拖动负载运动。 工作过程：该系统输入量为角度信号，输出信号也为角度信号。系统的输入角度信号片与反馈来的输出角度信号入通过桥式电位器形成电压信号u；,电压信号u ；与测速电机的端电压ut相减形成误差信号u，误差信号u再经过放大器驱动伺服电机转到，经过减速器拖动负载转动。 1.2系统框图 由题目可得系统框图如图1.1所示：
自动控制原理课程设计题目：机器人抓取装置位置控制系统校正装置设计 专业：电气工程及其自动化 姓名： 班级：学号： 指导老师：职称：
初始条件： 一个机器人抓取装置的位置控制系统为一单位负反馈控制系统，其传递函数为()()() 15.013 0++=s s s s G ，设计一个滞后校正装置，使系统的相 角裕度?=45γ。 设计内容： 1.先手绘系统校正前的bode 图，然后再用MATLAB 做出校正前系统的bode 图，根据MATLAB 做出的bode 图求出系统的相角裕量。 2.求出校正装置的传递函数 3. 用MATLAB 做出校正后的系统的bode 图，并求出系统的相角裕量。 4.在matlab 下，用simulink 进行动态仿真，在计算机上对人工设计系统进行仿真调试，确使满足技术要求。 5.对系统的稳定性及校正后的性能说明 6.心得体会。
1频率法的串联滞后校正特性及方法 1.1特性：当一个系统的动态特性是满足要求的，为改善稳态性能，而又不影响其动态响应时，可采用此方法。具体就是增加一对靠的很近并且靠近坐标原点的零、极点，使系统的开环放大倍数提高β倍，而不影响开环对数频率特性的中、高频段特性。 1.2该方法的步骤主要有： ()1绘制出未校正系统的bode 图，求出相角裕量0γ，幅值裕量g K 。 ()2在bode 图上求出未校正系统的相角裕量εγγ+=期望处的频率 2c ω,2c ω作为校正后系统的剪切频率，ε用来补偿滞后校正网络2c ω处的 相角滞后，通常取??=15~5ε。 ()3令未校正系统在2c ω的幅值为βlg 20，由此确定滞后网络的β值。 ()4为保证滞后校正网络对系统在2c ω处的相频特性基本不受影响，可 按10 ~ 2 1 2 2 2c c ωωτ ω= =求得第二个转折频率。 ()5校正装置的传递函数为()1 1 ++= s s s G C βττ ()6画出校正后系统的bode 图，并校验性能指标 2确定未校正前系统的相角裕度 2.1先绘制系统的bode 图如下：
第一章位置随动系统的概述 1.1 位置随动系统的概念 位置随动系统也称伺服系统，是输出量对于给定输入量的跟踪系统，它实现的是执行机构对于位置指令的准确跟踪。位置随动系统的被控量(输出量)是负载机械空间位置的线位移和角位移，当位置给定量(输入量)作任意变化时，该系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化，所以位置随动系统必定是一个反馈控制系统。 位置随动系统是应用非常广泛的一类工程控制系统。它属于自动控制系统中的一类反馈闭环控制系统。随着科学技术的发展，在实际中位置随动系统的应用领域非常广泛。例如，数控机床的定位控制和加工轨迹控制，船舵的自动操纵，火炮方位的自动跟踪，宇航设备的自动驾驶，机器人的动作控制等等。随着机电一体化技术的发展，位置随动系统已成为现代工业、国防和高科技领域中不可缺少的设备，是电力拖动自动控制系统的一个重要分支。 1.2 位置随动系统的特点及品质指标 位置随动系统与拖动控制系统相比都是闭环反馈控制系统，即通过对输出量和给定量的比较，组成闭环控制，这两个系统的控制原理是相同的。对于拖动调速系统而言，给定量是恒值，要求系统维持输出量恒定，所以抗扰动性能成为主要技术指标。对于随动系统而言，给定量即位置指令是经常变化的，是一个随机变量，要求输出量准确跟随给定量的变化，因而跟随性能指标即系统输出响应的快速性、灵敏性与准确性成为它的主要性能指标。位置随动系统需要实现位置反馈，所以系统结构上必定要有位置环。位置环是随动系统重要的组成部分，位置随动系统的基本特征体现在位置环上。根据给定信号与位置检测反馈信号综合比较的不同原理，位置随动系统分为模拟与数字式两类。总结后可得位置随动系统的主要特征如下： 1．位置随动系统的主要功能是使输出位移快速而准确地复现给定位移。 2．必须具备一定精度的位置传感器，能准确地给出反映位移误差的电信号。 3．电压和功率放大器以及拖动系统都必须是可逆的。 4．控制系统应能满足稳态精度和动态快速响应的要求，其中快速响应中，更强调快速跟随性能。 1.3 位置随动系统的基本组成
学生学号 课程设计 题目步进电机定位控制系统设计 学院信息工程学院 专业 班级 姓名 指导老师
2013~2014学年6月20日
课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目:步进电机定位控制系统设计 初始条件： 1. 具备电子电路的基础知识及查阅资料和手册的能力； 2. 熟悉ISE 仿真软件的操作与运用； 3. 掌握步进电机的工作原理。 要求完成的主要任务: 1. 设计一个基于FPGA 的4 相步进电机定位控制系统，包括步进电机方向设定 电路模块、步进电机步进移动与定位控制模块和编码输出模块。 2.撰写符合学校要求的课程设计说明书。 时间安排： 1、2014 年06月11日，布置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。 2、2014 年06月12日至2014年06月17日，设计说明书撰写。 3、2014年06月18日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。 指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 摘要........................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................. II 1 设计目标及简介 (1) 1.1设计目标 (1) 1.2 步进电机简介 (1) 2 VHDL语言介绍 (2) 3 Quartus Ⅱ介绍 (3) 4 系统组成 (4) 4.1 四相步进电机工作原理 (4) 4.2 系统组成 (6) 5 模块设计 (7) 5.1 FPGA模块图及信号说明 (7) 5.2 系统模块构成 (7) 5.3 各模块间整体共享的电路内部传递信号 (7) 5.4 电机方向设定电路模块 (8) 5.5 步进电机步进移动与定位控制模块 (9) 5.6 编码输出模块 (9) 6 程序设计与仿真 (10) 7 仿真结果 (16) 8 实验总结 (18) 参考文献 (19)
《计算机控制》课程设计报告 题目: 超前滞后矫正控制器设计 姓名: 学号: 10级自动化 2013年12月2日
《计算机控制》课程设计任务书 指导教师签字：系（教研室）主任签字： 2013年11 月25 日
1.控制系统分析和设计 1.1实验要求 设单位反馈系统的开环传递函数为) 101.0)(11.0(100 )(++= s s s s G ，采用模拟设 计法设计数字控制器，使校正后的系统满足：速度误差系数不小于100，相角裕度不小于40度，截止角频率不小于20。 1.2系统分析 （1）使系统满足速度误差系数的要求: ()() s 0 s 0100 lim ()lim 100 0.1s 10.011V K s G s s →→=?==++ (2)用MATLAB 画出100 ()(0.11)(0.011) G s s s s = ++的Bode 图为： -150-100-50050 100M a g n i t u d e (d B )10 -1 10 10 1 10 2 10 3 10 4 P h a s e (d e g ) Bode Diagram Gm = 0.828 dB (at 31.6 rad/s) , P m = 1.58 deg (at 30.1 rad/s) Frequency (rad/s) 由图可以得到未校正系统的性能参数为： 相角裕度0 1.58γ=?， 幅值裕度00.828g K dB dB =, 剪切频率为：030.1/c rad s ω=， 截止频率为031.6/g rad s ω=
（3）未校正系统的阶跃响应曲线 024******** 0.20.40.60.811.2 1.41.61.8 2Step Response Time (seconds) A m p l i t u d e 可以看出系统产生衰减震荡。 （4）性能分析及方法选择 系统的幅值裕度和相角裕度都很小，很容易不稳定。在剪切频率处对数幅值特性以-40dB/dec 穿过0dB 线。如果只加入一个超前校正网络来校正其相角，超前量不足以满足相位裕度的要求，可以先缴入滞后，使中频段衰减，再用超前校正发挥作用，则有可能满足要求。故使用超前滞后校正。 1.3模拟控制器设计 （1）确定剪切频率c ω c ω过大会增加超前校正的负担，过小会使带宽过窄，影响响应的快速性。 首先求出幅值裕度为零时对应的频率，约为30/g ra d s ω=，令 30/c g rad s ωω==。 （2）确定滞后校正的参数 2211 3/10 c ra d s T ωω= ==, 20.33T s =,并且取得10β=
《计算机控制系统》设计性实验 一、通过设计性实验达到培养学生实际动手能力方法及步骤： 对系统设计方法可以从“拿到题目”到“进行分析”再到“确定解决方案”最后到“具体系统的设计的实现”的整个过程进行全方位的启发。让学生掌握对不同的控制系统设计方法和基本思想，从工程角度对待设计题目，尽量做到全面认识理解工程实际与实验室环境的区别，逐步引入工程思想，提高学生设计技巧和解决实际问题的能力。 1、了解和掌握被控制对象的特性； 2、选择合理的传感器（量程、精度等）； 3、计算机控制系统及接口的设计（存储器、键盘、显示）； 4、制定先进的、合理的控制算法； 5、结合控制系统的硬件系统对软件进行设计； 6、画出系统硬件、软件框图； 7、系统调试。 二、具体完成成品要求： 1、对传感器、A/D、D/A、中央处理器、显示、键盘、存储器的选型大小等； 2、实现系统硬件原理图用Protel或Proteus、MATLAB软件（框图）仿真设计； 3、达到课题要求的各项功能指标； 4、系统设计文字说明书； 5、按照学号循环向下作以下5个题目。 三、系统控制框图： 控制系统硬件框图
四、设计题目： 1、瓦斯气体浓度控制系统： 要求：准确测量和显示瓦斯的浓度，其主要成分是甲烷、一氧化碳、氢气等瓦斯浓度在4﹪以下是安全的，大于4﹪就会引发爆炸很危险。控制算法对气体浓度有预判性，控制通风系统工作，保证环境安全稳定。 a、对信号调理电路中采用的具体元器件应有器件选型依据； b、电路的设计应当考虑可靠性和抗干扰设计内容； c、电路的基本工作原理应有一定说明； d、电路应当在相应的仿真软件上进行仿真以验证电路可行性。 2、酒精浓度自动控制系统： 要求：测量范围10-1000PPM、精度为5PPM。设计传感器的信号调理电路。实现以下要求： 设计信号调理将传感器输出0.2-1.4 V的信号转换为0-5V直流电压信号； a、对信号调理电路中采用的具体元器件应有器件选型依据； b、电路的设计应当考虑可靠性和抗干扰设计内容； c、电路的基本工作原理应有一定说明； d、电路应当在相应的仿真软件上进行仿真以验证电路可行性。 3、恒温箱控制系统： 要求：恒温箱温度控制在70℃-80℃之间，精度0.5℃，有越线报警。并具有断电保护、报警等功能。 a、对信号调理电路中采用的具体元器件应有器件选型依据； b、电路的设计应当考虑可靠性和抗干扰设计内容； c、电路的基本工作原理应有一定说明； d、电路应当在相应的仿真软件上进行仿真以验证电路可行性。
中文摘要：随动系统，通常也被称为伺服系统，是一种反馈控制系统。它是用来控制被控对象的某种状态，使被控对象的输出能自动、连续、精确地复现输入信号变化规律的一种控制系统,随动系统的控制对象通常为角度或机械位置，该系统最初用于船舶的操舵系统、火炮控制以及指挥仪中，后来慢慢推广到众多领域，尤其多见于自动车床、天线位置的控制还有导弹和飞船的制导等。如今随动系统的应用几乎扩展到了民用、工业、军事等各个领域，随着家用电器的普及和全自动化，它在生活中的应用也越来越广泛。而位置随动系统的被控量是位置，一般用线位移或角位移表示。当位置给定量作某种变化时，该系统的主要任务就是使输出位移快速而准确地复现给定量位移。
第一章绪论 1.1课题研究背景 1.1.1随动系统现状及历史 随动系统，通常也被称为伺服系统，是一种反馈控制系统。它是用来控制被控对象的某种状态，使被控对象的输出能自动、连续、精确地复现输入信号变化规律的一种控制系统，其衡量指标主要有超调量、稳态误差、峰值时间等时域指标以及相角域度、幅值域度、频带宽度等频域指标，其输入是一种变化规律未知的时间函数。随动系统中的驱动电机应该具有响应速度快、定位准确、转动惯量大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。早在二十世纪三十年代，伺服机构这个词便进入人们的视线了。到二十世纪中期，在自动控制理论的发展下随动系统也得到了极大的发展，其应用领域进一步扩大。近几十年，伺服技术更是取得飞跃发展，其应用也迅速扩展到民用、工业和军事领域中。在冶金行业，它用于多种冶金炉的电极位置控制，机器的运行控制等；在运输行业中，水路陆路空中三方的运输工作也都用到了伺服系统，比如，飞机的驾驶，电力机车的调速，船舶的操舵等，一定程度上都实现了“自动化”控制；如今，军事领域也充分运用到了伺服系统，比如雷达天线的自动瞄准的跟踪控制，导弹和鱼雷的自动控制等等。另外，随着空调、洗衣机等各类家用电器在家庭中的普及，伺服系统的应用也走入到了我们的日常生活中。 1.1.2随动系统的应用 随动系统的控制对象通常为角度或机械位置，该系统最初用于船舶的操舵系统、火炮控制以及指挥仪中，后来慢慢推广到众多领域，尤其多见于自动车床、天线位置的控制还有导弹和飞船的制导等。如今随动系统的应用几乎扩展到了民用、工业、军事等各个领域，随着家用电器的普及和全自动化，它在生活中的应用也越来越广泛。 人们应用随动控制系统主要是为了达到下面几个目的： ⒈用较小的功率指令信号来控制很大功率的负载，比如火炮控制、船舵控制等。 2.在没有机械连接的情况下，利用输入轴控制远处的输出轴，从而实现远距离的同步传动控制。
目录 全自动洗衣机PLC控制 一、引言 (4) 二、系统总体方案设计 (4) 2.1 PLC控制电路设计 2.2选择PLC型号 2.3定义系统变量及输入、输出信号的I/O地址分配表 2.4 系统接线图 三、 PLC控制程序设计 (6) 3.1程序软硬件设计。 3.2 系统动静态调试 3.3控制程序流程图 3.4画出系统梯形图 四、简述系统工作过程 (9) 五、系统调试及结果分析 (9) 六、结束语 (9) 七、参考文献 (9)
圆盘转速、位置控制系统程序设计 一、引言 (10) 1.1 课题设计的目的 1.2 设计内容 1.3 要实现的目标 二、系统总体方案设计 (10) 2.1 PLC控制电路设计 2.2 定义系统变量及输入、输出信号的I/O地址分配表 2.4 系统接线图设计 三、 PLC控制程序设计 (11) 3.1. 程序设计 3.2. 控制程序设计思路 3.3系统动态调试及运行 3.4画出系统梯形图 四、系统调试工作过程 (14) 五、结束语 (14) 六、参考文献 (15)
全自动洗衣机PLC控制 一、引言 1．课题设计的目的： （1）达到熟练使用可编程控制器实现简单控制系统的控制要求，熟练地进行系统外围电路设计、接线、编程、下载、调试等工作； (2)培养独立解决实际问题和从事科学研究的初步能力; (3)将来从事电气控制方面的设计、维护等工作打下良好的基础； 2. 设计内容：实现全自动洗衣机的控制，达到控制要求。 3. 要实现的目标： 1）按下启动按扭及水位选择开关，开始进水直到高（中、低）水位，关水； 2）2秒后开始洗涤； 3）洗涤时，正转30秒，停2秒，然后反转30秒，停2秒； 4）如此循环5次，总共320秒后开始排水，排空后脱水30秒； 5）开始清洗，重复（1）～（4），清洗两遍； 6）清洗完成，报警3秒并自动停机。 7）若按下停车扭，可手动排水（不脱水）和手动脱水（不计数）; 二、系统总体方案设计： 洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀来执行。 @1进水时，通过电控系统使进水阀打开，经进水管将水注入到外桶。 @2排水时，通过电控系统使排水阀打开，将水由外桶排到机外。 洗涤正转、反转由洗涤电机驱动波盘正、反转来实现，此时脱水同并不旋转。脱水时，由洗涤电机带动内桶正转进行甩干。高、低水位开关分别用来检测高、低水位。启动按钮用来启动洗衣机工作。停止按钮用来实现手动停止进水、排水、脱水及报警。排水按钮用来实现手动排水。 洗衣机的工作过程大致上分为两部分: (1) 进水和排水控制。 (2) 正转反转控制,其中脱水为正转。 要实现全自动,我们必须保证接通电源和水源按下开始按纽和设计按纽,洗衣机就能够一直工作到衣服洗完并发出报警信号。 洗衣机上装有六个按纽,分别为启动,停止,手动排水和水位设计按纽.这
经典控制系统 ——随动控制系统设计 1，概述 控制技术的发展使随动系统广泛地应用于军事工业和民用工业，随动系统是一种带反馈控制的动态系统。在这种系统中输出量一般是机械量，例如：位移，速度或者加速度等等。反馈装置将输出量变换成与输入量相同的信号，然后进行比较得出偏差。系统是按照偏差的性质进行控制的，控制的结果是减少或消除偏差，使系统的输出量准确地跟踪或复现输入量的变化。系统中的给定量和被控制量一样都是位移（或代表位移的电量），可以是角位移，也可以是直线位移。根据位置给定信号和位置反馈反馈信号以及两个信号的综合比较来分类，可分成模拟式随动系统和数字式随动系统。 由于随动系统的输出量是一种机械量，故其输出常常以机械轴的运动形式表示出来。该机械轴称为输出轴。通常输出轴带动较大的机械负荷而运动，在随动系统中，如果被控量是机械位置或其导数时，这类系统称之为伺服系统。 位置随动系统的应用例子如: (1)机械加工过程中机床的定位控制和加工轨迹控制是位置随动系统的典型实例 (2)冶金工业中轧刚机压下装置以及其它辅助设备的控制在轧制钢材的过程中，必须使上、下轧辊之间的距离能按工艺要求自动调整；焊接有缝钢管或钢板；要求焊机头能准确地对正焊缝的控制。 (3)仪表工业中各种记录仪的笔架控制，如温度记录仪、计算机外部设备中的x-y记录仪，各种绘图机以及计算机磁盘驱动器的磁头定位控制。 (4)制造大规模集成电路所需要的制图机、分布重复照相机和光刻机，机器人或机械手的动作控制等。 (5)火炮群跟踪雷达天线或电子望远镜瞄准目标的控制:舰船上的自动探舱装置使位于船体尾部的舱叶的偏角模仿复制位于驾驶室的操作手轮的偏转角,以便按照航向要求来操纵船舶的航向:陀螺仪惯性导航系统,各类飞行器的姿态控制等,也都是位置随动系统的具体应用。 2结构原理 位置随动系统是一种位置反馈控制系统,因此,一定具有位置指令和位置反馈的检测装置，通过位置指令装置将希望的位移转换成具有一定精度的电量，利用位置反馈装置随时检测得到的偏差信号放大以后，控制执行电机向消除偏差的方向旋转，直到达到一定的精度为止。这样被控制机械的实际位置就能跟随指令变化，构成一个位置随动系统。 原理框图可描述如图1所示。 因为控制存在惯性，当输入X(t)变化时，输出Y(t)难以立即复现，此时Y(t)≠X(t)，即：e(t)= Y(t)-X(t)≠0，——测量元件将偏差e(t)转换成电压输出——经小信号放大器放大，功率放大器——执行电机转动——减速器——使被控对象朝着消极误差的方向转动，只要X(t)≠Y(t)，就有e(t)≠0，执行电机就会转动，一直到偏差e(t)=0，执行电机停止转动，此时系统实现了输出Y(t)对输入量X(t)的复现。当X(t)随时间变化时，Y(t)就跟着X(t)作同样变化，这种现象就称为随动。 图1 位置随动控制系统原理框图 随着机电产品及电子元件的不断发展与完善，图1中各个环节均可采用多种不同的元器件来实现。组成系统的元部件按职能分类主要有以下几种。 测量元件：是用来检测被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般要转换为电量，如电位器、旋转变压器或自整角机用于检测角度转换成电压；测速发电机用于检测电动机的速度转换为电压。而光电编码器作为位置与角度的检测元件应用在计算机位置控制系统及计算机速度控制系统中。 放大元件：其职能是将偏差信号进行放大，用来推动执行电机去控制被控对象。可用 晶体管、晶闸管、集成电路等组成的电压放大级和功率放大级将偏差信号放大。 执行元件：其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。用来作为执行元件的有电动机等。 减速器：其职能是实现执行元件与负载之间的匹配由于执行元件常为高转速、小转矩的电动机，而负载通常均为低转速、大转矩，所以在执行元件到负载之间需要引入减速器以达到两者之间的匹配，减速器通常为一齿轮组。 典型的随动系统框图如图2所示
双轴位置控制系统的设计 1、设计任务及目的 1。1了解系统的机械结构，控制要求; 1.2掌握气动控制技术的要求； 1。3熟练掌握step7micro/win中PTO指令。 2、设计要求 2.1 根据实验要求画出电气原理图 通过读电气控制原理图，了解电气控制过程，明白电气回路的工作原理,经过实际操作,提高电气故障分析及检修能力。 （1）控制回路原理图 控制回路原理图
主回路原理图 2.2 查找所使用的电器元件型号、功能和使用方法 本实验设备由机械运动、电气控制回路、气动控制回路及铝型材板四部分组成，将机械、电气及气动有机组合在一起，实现点位控制的系 统. 2。2.1机械运动部分 主要由X轴、Y轴的滚珠丝杠机构及Z轴的升降（气 缸)及工件抓取机构所组成。 1)滚珠丝杠机构
滚珠丝杠副 滚珠丝杠副电动执行机构，主要由前后支撑块、电机及支架、联轴器、导柱、滑座、滚珠丝杠副等器件构成。如图1、图2所示。 图1滚珠丝杠副后俯视图 图2滚珠丝杠副后正视及局部剖视图 滚珠丝杠副机构的运动原理是电机转动时，电机转动轴及滚珠丝杠通过弹性联轴器连接，因此，滚珠丝杠及电机同步转动，而滚珠丝杠副的位置是固定的，装在滚珠丝杠副上的螺母块及滑块也是固定在一起的，那么随着滚珠丝杠副的转动，螺母块拖着滑块沿着两根导柱做直线运动，并随着电机的正反转，滑块做左右直线运动。（丝杆的螺距为5mm） 另外滚珠丝杠副机构的极限位置皆设置了限位开关，可以有效保护由于故障等原因,使滚珠丝杠副机构的运动装置超程而造成的机械或电气设备的损坏,造成不必要的损失。
Z轴通过工厂自动化常用的气动双作用气缸和气动真空吸 盘来控制取放工件。Z轴方向的运动通过一个双作用气缸来实现。真空吸盘安装在双作用气缸的前端,通过电磁阀来控制气路 通断，从来控制Z轴的升降和真空吸盘来吸取释放工件。 2.2。2电气部分 双轴位置控制设备的电气部分主要由小型断路器、开关电源、继电器、直流电机、控制盒及接线端子等器件所组成. 1）空气开关 外接电源接入设备由总电源开关控制总电源的通断。 2）开关电源 由总电源开关另外一路接入交流220V电源供给开关电源。 空气开关开关电源 3）控制箱 控制立体库运动的操作控制盒 START——开始（启动) MANUAL——自动/手动切换 Z—AXIS—-—Z轴升降 STOP-—停止 FUNCION——功能键 HAND——吸盘吸取/放开
1位置随动系统的结构与工作原理 位置随动系统的结构组成 位置随动系统的原理图如图1-1。该系统的作用是使负载J(工作机械)的角位移随给定角度的变化而变化，即要求被控量复现控制量。系统的控制任务是使工作机械随指令机构同步转动即实现：Q(c)=Q(r) 图1-1 位置随动系统原理图Z1—电动机，Z2—减速器，J—工作机械 系统系统主要由以下部件组成：系统中手柄是给定元件，手柄角位移Qr是给定值（参考输入量），工作机械是被控对象，工作机械的角位移Qc是被控量（系统输出量），电桥电路是测量和比较元件，它测量出系统输入量和系统输出量的跟踪偏差（Qr –Qc）并转换为电压信号Us，该信号经可控硅装置放大后驱动电动机，而电动机和减速器组成执行机构。 系统的工作原理 控制系统的任务是控制工作机械的角位移Qc跟踪输入手柄的角位移Qr。如图1-1，当工作机械的转角Qc与手柄的转角Qr一致时，两个环形电位器组成的桥式电路处于平衡状态。其输出电压Us=0，电动机不动，系统处于平衡状态。当手柄转角Qr发生变化时，若工作机械仍处于原来的位置不变，则电桥输出电压Us不等于0，此电压信号经放大后驱动电动机转动，并经减速器带动工作机械使角位移Qc向Qr变化的方向转动，并逐渐使Qr 和Qc的偏差减小。当Qc=Qr时，电桥的输出电压为0，电机停转，系统达到新的平衡状态。当Qr任意变化时，控制系统均能保证Qc跟随Qr任意变化，从而实现角位移的跟踪目的。 该系统的特点：1、无论是由干扰造成的，还是由结构参数的变化引起的，只要被控
量出现偏差，系统则自动纠偏。精度高。 2 、结构简单，稳定性较高，实现较容易。 2系统的分析与设计 位置随动系统方块图 根据系统的结构组成和工作原理可以画出系统的原理方块图，如图2-1。可以看出，系统是一个具有负反馈的闭环控制系统。 图2-1位置随动控制系统方块图 系统数学模型的建立 该系统各部分微分方程经拉氏变换后的关系式如(2-1)： (2-1)(a) (2-1)(b) (2-1)(c) (2-1)(d) (2-1)(e) (2-1)(f) (2-1)(g) (2-1)(h) 根据各个环节结构图及其传函写出整个系统的结构图，如图2-2所示。 θr(s) θe(s) U(s) U a (s) I a (s) M d (s) θm θc θc(s) _ E b (s) _ 给定电位 放大器 电动机 减速器 负载 反馈电位 — R C K s K a 1/(L a S +R a ) K m 1/(Js 2 +Bs 1/K e s
单轴位置控制系统设计 一、单轴位置控制装置简介 单轴位置控制装置实际上是一个一维机械手装置，它以工业自动化生产系统中的一维机械手为参考对象，完全展现了实际一维机械手的运行状态，装置将机械、气动、电气控制、传感器等技术合理的融合在一起。 图1 单轴位置控制装置外形图 1、机械部分 单轴位置控制实训装置的机械部分主要由直线滑块模组机构、升降气缸、吸盘、接近传感器、磁感应开光及限位开关等构成。
1)直线滑块模组机构：由一个电机通过联轴器主同步带轮驱动，并通过同步带将滑块与从同步带轮配合成直线驱动机构，在型材上实现直线移动。在自动状态下将不同属性的工件放入对应的物品容器中，滑块上的气动抓手的位置判断是根据与工位对应的接近开关开关来判断滑块与工位见关系，在直线模组终端均设置行程开关，来保护模组的滑块在允许范围内运动。 X向的运动机构均设定有保护开关，为超小型基本开关。安装于各自机构的两头极限位置。一旦行走超出范围时，立即切断机构电气硬件回路。从而避免程序的误动作组成设备损坏。并将超程信号开放到IO面板。 2)接近传感器：是代替限位开关等接触式检测方式，以无需接触检测对象进行检测为目的的传感器的总称。能检测对象的移动信息和存在信息转换为电气信号。在换为电气信号的检测方式中，包括利用电磁感应引起的检测对象的金属体中产生的涡电流的方式、捕测体的接近引起的电气信号的容量变化的方式、
利石和引导开关的方式。 本装置采用LJ8A3-2-Z/BX系列接近传感器。 产地：上海 特点： 1）非屏蔽式 2）直流型NPN常开（NO） 3）三线制 工作电压：DC10-36V 检测距离：2mm 按装开孔：螺丝固定安装 3) 升降气缸及吸盘 升降气缸和吸盘皆为气动执行器件，在本实训装置上的主要功能是实现工件的吸取、提升、下降及释放。提升、下降位置由装在气缸上的两个磁感应开关通过检测装在活塞上的磁环位置来判断，吸盘利用真空发生器产生的负压将工件吸住，负压消失工件在其自身重力作用下自然与吸盘分离。此过程是磁感应开关把升降气缸缸位检测信号反馈给控制器（PLC，自动控制时有效），再通过控制器控制电磁阀，使升降气缸与真空发生器实现气源换向，
计算机控制系统课程设 计 文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）
课程设计报告学生姓名:学号： 学院:自动化工程学院 班级: 题目:计算机控制系统
1 题目背景与意义 设计背景 在自动控制系统的实际工程中，经常需要检测被测对象的一些物理参数，如温度、流量、压力、速度等，这些参数都是模拟信号的形式。它们要由传感器转换成电压信号，再经A/D转换器变换成计算机能够处理的信号。同样，计算机控制外设，如电动调节阀、模拟调速系统时，就需要将计算机输出的数字信号经过D/A转换器变换成外设能接受的模拟信号。本次《计算机控制系统》课程设计的目的就是让同学们在理论学习的基础上，通过完成一个涉及单片机A/D和D/A多种资源应用并具有综合功能的小系统目标板的设计与编程应用，使我们不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来，而且能够对电子电路、电子元器件、等方面的知识进一步加深认识，同时在系统设计、软件编程、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。帮助同学们增进对单片机的感性认识，加深对单片机理论方面的理解，从而更好的掌握单片机的内部功能模块的应用以及A/D和D/A功能的实现。使学生了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后设计和实现单片机应用系统打下良好基础。 设计意义 通过设计此测控装置，加深对控制系统的理解，达到活学活用的目的。理论结合实践，锻炼综合运用能力。 2 设计题目介绍
设计题目 设计一个基于单片机的具有A/D和D/A功能的信号测控装置。要求该信号测控装置能够接入典型传感器、变送器信号，同时可输出标准电压/电流信号。并满足抗干扰、通用性、安全性、性价比等原则性要求。标准电压/电流信号此处定为：0～5V/4～20mA 设计要求 基本要求 设计一个基于单片机的具有A/D和D/A功能的信号测控装置。要求该信号测控装置能够接入典型传感器、变送器信号，同时可输出标准电压/电流信号。并满足抗干扰、通用性、安全性、性价比等原则性要求。 1. 基本要求： 1) 充分理解题目要求，确定方案。 2) 合理选择器件型号。 3) 用1号图纸1张或者采用Protel软件画出电原理图。 4) 用1号图纸1张画出软件结构框图。 5) 写出设计报告，对课程设计成品的功能进行介绍及主要部分进行分析与说明。 6) 每天写出工作日记。 2. 发挥部分： 1) 可将系统扩展为多路。可在此系统中扩展键盘、显示（LCD/LED）、