基于MATLAB的电压—转角机电伺服控制系统设计与仿真.docx

1、基于MATLAB的电压转角机电伺服控制系统设计与仿真摘要：以机电伺服控制理论为基础，在对电压-转角伺服系统工作原理进行分析的基础上，考虑系统的各项性能指标，确定系统的各项参数，建立一种相对较准确和实用的数学模型，在MATLAB软件的Simulink模块下进行系统仿真，通过对仿真结果的图形曲线的分析与比较，对系统特性进行分析，根据分析结果对选定的各个参数进行修改，进而确定系统参数的最佳值，改进系统的精确性与稳定性，已达到设计要求。关键词：伺服系统，Simulink，建模与仿真，分析The design and simulation of voltage Angle of mechanical a

2、nd electrical servo control system based on MATLAB abstract：Based on the mechanical and electrical servo control theory, the analysis of voltage - Angle servo system working principle, on the basis of considering various performance indicators in the system, I determine the various parameters of the

3、 system, and establish a relatively accurate and practical mathematical model of system simulation is carried out under the Simulink module of MATLAB software, based on the simulation results of graphics curve comparison and analysis of characteristics of the system were analyzed, according to the a

4、nalysis results for the selected counties parameters are modified, and determine the optimal values of system parameters, improve the system accuracy and stability, has reached the design requirements.Keyword：the servo syste m ,Simulink ,modeling and simulation , analysis目 录1绪 论11.1选题背景11.2设计研究目的及意义

5、12伺服控制系统简介22.1伺服控制系统的组成22.2伺服控制系统概述23 MATLAB应用分析43.1 MATLAB简介43.2 Simulink模块仿真简介44电压转角伺服系统工作原理65系统的数学模型76控制系统性能分析116.1控制系统的性能要求116.2基于MATLAB的性能分析127伺服控制系统的校正157.1校正方法概述157.2校正方法选择167.2.1局部反馈校正167.2.2校正类型确定217.2.3 校正装置的分析247.2.4 校正装置的参数258基于MATLAB/Simulink的系统仿真30参考文献34致 谢3611绪 论1.1选题背景加入世界贸易组织以后,经济全球

6、化的发展趋势促使我国必须加快现代化的步伐,提高国内企业生产自动化的水平,以增加自身的竞争能力,在国际市场中谋得应有的一席之地。这就要求国内企业一方面要增加自身的科技创新能力;另一方面也要将有价值的科技成果迅速落实到生产领域中,创造实际的经济效益。控制理论的发展,为推广现代先进控制理论的应用起到抛砖引玉的作用。随着各项高新技术的不断发展,在一些工程的施工或其他一些行业中也逐渐的实现了设备的半智能化、智能化等。机电控制系统主要是综合运用机械、计算机、信息处理和自动控制技术等于一体的新兴综合技术。近年来,各行各业也竞相借助机电控制系统,从而大大的提高了行业的生产效率,节约了大量的成本,减少了能源与材

7、料的消耗量。由于生产制造需要大量的机电设备配合才能完成,因此,机电控制系统在各个行业也得到了快速的发展。1.2设计研究目的及意义电压-转角机电伺服控制系统是小功率位置随动实验装置，利用该装置可以完成位置伺服控制、直流电机调速、运算放大器性能测试、PID 校正和功率放大器控制等实验。同时通过对该系统的分析与研究可以提取控制系统的有关信息和性能参数，为实际应用奠定一定的理论基础和实践经验。通过对该系统的仿真可以使复杂繁琐的实际试验在实验室借助计算机等实验装置进行模拟，获得一定的实用信息。机电伺服系统主要用于小功率伺服控制。它的主要缺点是驱动能力小、响应速度慢，但在信号检测、信号传递、信号处理等方面

8、，具有很好的灵活性和准确性。仿真的基本思想是利用物理或数学模型来类比模仿显示过程或真实系统，通过对模型的分析和实验来研究系统的行为，寻求过程和规律。仿真过程按照“建模实验分析”的步骤进行。首先在建模阶段将实际系统抽象成为数学模型或方块流程图；然后，在计算机系统中对建立的模型进行仿真实验，从而得到有关数据或图形；在此基础上进行数据分析和理论论证，最终得到实验结果。2伺服控制系统简介2.1伺服控制系统的组成机电一体化的伺服控制系统的结构,类型繁多,但从自动控制理论的角度来分析,伺服控制系统一般包括控制器,被控对象,执行环节,检测环节,比较环节等五部分： 比较环节比较环节是将输入的指令信号与系统的反

9、馈信号进行比较,以获得输出与输入间的偏差信号的环节,通常由专门的电路或计算机来实现。 控制器控制器通常是计算机或PID控制电路,其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理,以控制执行元件按要求动作。 执行环节执行环节的作用是按控制信号的要求,将输入的各种形式的能量转化成机械能,驱动被控对象工作.机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压,气动伺服机构等。 被控对象机械参数量包括位移，速度，加速度，力，和力矩为被控对象。 检测环节检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置,一般包括传感器和转换电路。2.2伺服控制系统概述随着材料技术、电力电子技术、控制理论技术、计

10、算机技术、微电子技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，同时伴随着制造业的不断升级和“柔性制造技术”的快速发展，为“柔性加工和制造技术”的核心技术之一的“伺服驱动技术”迎来又一大好的发展时机。 因而，机电伺服系统的发展也正变得愈来愈有发展的生机和活力。近年来，我国伺服市场总体呈现出良好的发展势头，机电伺服市场同样出现了非常不错的发展势头。机电伺服控制技术已经广泛应用于工业机械各部分的控制，特别在无级变速控制领域的应用吸引着人们的注意力。与此同时，机电伺服控制理论也必将伴随着国内外市场的需要而不断有所突破和创新。 电压转角机电伺服控制系统是一种典型的位置随动系统，是由输入量跟踪给定量的位置

11、控制系统。通常，位置随动系统一定具有指令位置和位置检测反馈装置。位置指令将希望的位移量转换成具有一定精度的电信号，位置反馈检测装置随时检测出受控机械的实际位置，并转为一定精度的电信号。位置指令信号和位置反馈信号比较后，产生一个偏差控制信号，经过放大器放大后控制执行电动机向着消除误差的方向旋转，直到达到一定的位置精度为止。这样受控机械的实际位置始终跟踪指令位置的变化。总的来说，控制系统包括开环系统和闭环系统及半开半闭系统。电压转角机电伺服控制系统是一种将执行电动机的输出转角转化为与输入相同的电压信号的闭环控制系统，闭环系统的控制部分一般应包括测量反馈元件，比较元件，放大元件，执行元件等。通常，按

12、控制对象的功率要求和所须能源形式以及控制对象的工作条件来选择执行元件，例如伺服电动机，液压/气动马达等；根据被控量的形式选择测量元件，例如电位器，热电偶，测速发电机以及各类传感器等；然后按输入信号和反馈信号的形式选择给定元件和比较元件，例如电位计，旋转变压器，机械式差动装置等；根据控制精度和驱动元件的要求在比较元件和之间配置一个或几个增益可调的放大器，例如电压放大器（或电流放大器），功率放大器等。以上各类元件在选择之前都必须根据已知条件和系统要求进行综合考虑和计算。考虑的因素应包括性能，尺寸，质量，环境适应性和经济性等方面。选择不到的元件，则要自行设计和制造。选择和设计出的上述这些元件与控制对

13、象一起构成了系统的基本组成部分，通常称为系统的固有部分（或称不变部分），固有部分除系统增益可调外，其余结构和参数一般不能任意改变。显然，由固定部分组成的系统往往不能同时满足各项性能指标的要求，有的甚至还不稳定。为了使控制系统能满足性能指标所提出的各项要求，一般先调整系统的增益值。但是，在大多数实际情况中，只调整增益并不能使系统的性能得到充分改变，以满足给定的性能指标。通常情况是随着增益值的增大，系统的稳态性能得到改善，但稳定性却随之变差，甚至有可能造成系统的不稳定。因此，需要对系统进行再设计（通过改变系统结构，或在系统中加入附加装置或元件），以改善系统的总体性能，使其满足要求。这种再设计，称为

14、系统的校正。为了满足年指标而往系统中加进的适当装置，称为校正装置。校正装置补偿原系统的性能缺陷。3 MATLAB应用分析3.1 MATLAB简介14MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序

15、等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 图3.1 Matlab操作界面MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持（如图3.1）。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。3.2 Simulink模块仿真简介14Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字