某旋压机电液伺服系统的设计与仿真课程设计说明书1

哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）Harbin Institute of Technology课程设计说明书课程名称： 自动控制原理 设计题目： 某旋压机电液伺服系统的设计与仿真哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名： 院 （系）：英才学院 专 业： 班 号： 任务起至日期： 2013年 2月 25日至 2013年 3月 20日 课程设计题目：某旋压机电液伺服系统的设计与仿真 系统固有传递函数为：G0(s)=0.2125s(s22502+20.51250s+1)设计性能指标要求：（1）超调量（2）调整时间 （3）速度信号V=0.5m/min时，误差e(t) 0.05mm 设计要求与步骤：（1）熟悉对系统的要求，查阅资料。（2）人工设计利用半对数坐标值手工绘制系统校正前后及校正装置的bode图，并确定出校正装置的传递函数。验算校正后系统是否满足性能指标要求。（3）计算机辅助设计利用MATLAB语言对系统进行辅助设计、仿真和调试（4）确定校正装置的电路形式及其参数（5）撰写设计报告。具体内容包括如下五个部分：1）设计任务书2）设计过程人工设计过程包括计算数据、系统校正前后及校正装置的bode图（在半对数坐标纸上）,校正装置传递函数、性能指标验算数据。计算机辅助设计过程包括Simulink仿真框图、bode图，阶跃响应曲线，性能指标要求的其他曲线。3）校正装置电路图4）设计结论5）设计后的心得体会 工作计划安排：审题，分析设计指标要求，查阅资料1天人工计算，计算机辅助设计3天修改并优化设计 3天完成课程设计说明书 2天 同组设计者及分工：无 指导教师签字_ 年 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字_ 年 月 日*注：此任务书由课程设计指导教师填写。目录一：题目要求与背景.1.1 题目要求1.2题目背景简介二：基于频率响应法的设计2.1 人工设计2.1.1设计满足稳态误差要求的未校正系统的开环频率特性2.1.2计算系统设计要求的相角裕度2.1.3计算系统设计要求的剪切频率wc2.1.4为系统设计校正环节2.2 计算机辅助设计2.2.1被控对象仿真2.2.2控制器的设计2.2.3对校正后开环系统仿真2.2.4对控制器的开环系统仿真2.2.5对校正后闭环系统仿真2.2.6 对校正系统评估2.3 校正装置电路图三：基于根轨迹法的设计3.1人工设计3.1.1 原系统根轨迹图3.1.2 期望主导极点3.1.3控制器的设计3.1.4 校正后系统仿真分析四：设计总结五：心得体会六：参考文献七：附录：一：题目要求与背景1.1 题目要求技术要求：p25%；;ts0.25s；速度信号V=0.5m/min时，误差e(t) 0.05mm;系统固有传递函数为：G0(s)=0.2125s(s22502+20.51250s+1) 1.2题目背景简介电液伺服控制起源于主要在军事工程领域发展起来的电液控制技术，而电液比例控制技术，是针对伺服控制存在的诸如功率损失大、对油液过滤要求苛刻、制造和维护费用高。而它提供的快速性在一般工业设备中又往往用不着的情况，在近30多年迅速发展起来的介于普通通断开关控制与伺服控制之间的新型电液控制技术分支。除了模拟式电液比例元件外，早在20世纪60年代人们就开始注意数字式或脉冲式比例元件的开发。这类元件的优点是对介质污染不敏感，工作可靠，重复精度高，成批产品的性能一致性好。其主要缺点是由于按载频原理实现控制，故控制信号的频宽较模拟器件低。数字式电液比例元件的电一机械转换器，主要是步进马达和按脉冲方式工作的动铁式或动圈式力马达。数字式电液比例系统实质上是一个电液数/模转换系统或载频调制系统。其控制分辨精度取决于每一脉冲的当量步长或调制精度。最近迅速发展起来的高速开关阀，为比例阀的先导控制提供了一种新型的方式。这种阀的重要特点是结构简单、响应快，目前正摆脱由于工作流量小而仅作为先导控制阀的局面，甚至更大的流量方向寻求优化结构。第二次世界大战后期，由于喷气式飞机速度很高，因此对控制系统的快速性、动态精度和功率一重量比都提出了更高的要求。1940年底，在飞机上首先出现了电液伺服系统。经过20余年的发展，到了20世纪60年代，各种结构的电液伺服阀相继问世，电液伺服技术日臻成熟。60年代后期，各类民用工程对电液控制技术的需求显得更加迫切与广泛。但是，由于传统的电液伺服阀对流体介质的清洁度要求十分苛刻，制造成本和维护费用比较高昂，系统能耗比较大，难以为各工业用户接受。而传统的电液开关控制(断通控制)又不能满足高质量控制系统的要求。电液比例控制技术就是为适应开发一种可靠、价廉、控制精度和响应特性均能满足工程技术实际需要的电液控制技术的要求，从1%0年代末以来迅速发展起来的。与此同时，还发展了工业伺服控制技术。工业伺服控制技术的主要特点是:在高性能伺服阀基础上，增大电机械转换器的输出功率和适当简化伺服阀结构，着重改善阀的抗污染性能，并降低制造成本。比例阀则是以传统的工业用液压阀为基础，采用可靠、价廉的模拟电机械转换器(比例电磁铁等)和与之相应的阀内设计，从而获得对油质要求与一般工业阀相同、阀内压力损失低、性能又能满足大部分工业控制要求的比例控制元件。20世纪90年代中后期，一方面随着一般工程系统对闭环控制要求的升温，另一方面，客观上整体机械加工水平的提高，系统抗污染能力的增强，而对系统能耗采取了区别对待的措施，以及工业伺服阀对实际系统适应能力差等，在这样的背景下，在一般比例技术与伺服技术之间，出现了在新的层面上吸收两者优势而形成的所谓“伺服比例阀”，也称“高频响比例阀”(其频响比一般比例阀高)、“闭环比例阀”(由于无零位死区，可更方便地用于任何闭环系统)。伺服比例阀的出现，很快地填补了本来企图用工业伺服阀发挥作用的中间地带。这一方面使电液控制系统在不同的三个层面上，都有相应的实用技术;另一方面使得不同层面的电液控制技术，在技术的交融、整合上跨出了一大步。二：基于频率响应法的设计2.1 人工设计2.1.1设计满足稳态误差要求的未校正系统的开环频率特性已知数据V=0.5m/mine(t)0.05mm经过变换，成为国际单位制V=1120m/se(t)0.0510-3m若要求e=Vkv=1120kv0.0510-3m,则需要满足kv112012010-3=166.67按性能指标要求试取kv=200则：G0(s)=200s(s22502+20.51250s+1)由计算得知，原系统剪切频率wc0=217 rads相角裕度0=15.42.1.2计算系统设计要求的相角裕度已知系统要求超调量p25%由经验公式可知： p=0.16+0.4(1sin 1) ;可求得Mr=1sin=1.25即=53.13。2.1.3计算系统设计要求的剪切频率wc由于1Mr1.8，可以使用下述经验公式： wc=ts2+1.5Mr-1+2.5Mr-12=31.81rad/s求得： wc=31.81rads；2.1.4为系统设计校正环节对比原系统参数及预定要求的参数结果如下：未经校正的系统wc0=217 rads0=15.4系统设计要求即校正后系统wc=31.81rad/s=53.13对比分析得知，此时的系统是在原系统满足稳态误差的设计要求后，相角裕度不满足设计要求，并且剪切频率wc远大于设计要求，因此采用串联迟后校正。进行校正系统的设计：1.在G0jw的相频特性找出如下频率：G0jw=-180+=-180+53.13+10=-116.87这一点所对应的频率将作为校正后的剪切频率。2.在G0jw的幅频特性上找到wc所对应的幅值20lg|G0jw|。在Bode图上找到G0jw=-116.87处，有wc1=35rads3.为使校正后在wc的幅频特性为0dB,应有20log=20lg|G0jc|20log=15.2求出校正环节=5.75444.为了减小串联迟后校正对系统相角裕度的影响，要求校正环节wc处的迟后相移在5-10以下。确定校正环节参数和T=10wc1=0.2857T=1.6445.确定串联迟后环节的传递函数为：2.2 计算机辅助设计2.2.1被控对象仿真2.2.4对控制器的开环系统仿真2.2.3对校正后开环系统仿真2.2.5对校正后闭环系统仿真2.2.6 对校正系统评估阶跃响应曲线：调整时间超调量：稳态误差：2.3 校正装置电路图