位置随动系统设计与仿真
《位置随动系统》课件2
影响因素
提高方法
提高定位精度的常见方法包括优化机 械结构设计、选用高性能的电机和传 感器、采用先进的控制算法等。
定位精度受到多种因素的影响，如系 统机械结构的精度、驱动电机的性能 、控制算法的优化等。
重复定位精度
重复定位精度
重复定位精度是指位置随动系统 在多次重复执行同一动作时，到
达目标位置的一致性。
总结词
新控制算法的应用将提高位置随动系统 的响应速度和定位精度。
VS
详细描述
随着人工智能和机器学习技术的发展，越 来越多的新控制算法被应用于位置随动系 统中。这些算法能够通过学习系统的历史 数据，自动调整系统的参数，提高系统的 响应速度和定位精度。同时，新控制算法 的应用还能够降低能耗，延长系统使用寿 命。
应用领域
应用领域
位置随动系统广泛应用于数控机床、 机器人、雷达、导弹、卫星等高精度 、高速度控制领域。
具体应用举例
数控机床的伺服系统、工业机器人的 关节驱动系统、雷达天线的跟踪系统 等。
02
CATALOGUE
位置随动系统的组成
驱动部分
驱动方式
介绍位置随动系统的驱动方式，如步进电机、伺服电机等。
系统集成化与模块化
总结词
系统集成化与模块化将简化位置随动系统的 设计和制造过程。
详细描述
未来位置随动系统将更加注重集成化和模块 化设计。通过将多个功能模块集成到一个系 统中，可以大大简化系统的设计和制造过程 ，提高系统的可靠性和可维护性。同时，模 块化设计还方便对系统进行升级和扩展，满 足不同应用场景的需求。
闭环控制特点
闭环控制系统具有较高的控制精度和抗干扰能力，但系统复杂度较高，实现难度较大。
闭环控制应用场景
位置随动系统的分析与设计
位置随动系统的分析与设计1.系统需求分析-实时追踪目标位置：系统需要能够实时获取目标的位置信息，可以通过各种传感器如GPS、惯性测量单元等进行实现。
-实时控制移动对象：系统需要能够根据目标位置进行实时控制移动对象，例如调整机器人的航向、调整无人驾驶汽车的速度等。
-高精度定位：系统需要能够实现高精度的目标定位，以保证位置随动控制的准确性。
-快速响应：系统需要能够快速响应目标位置的变化，并及时调整移动对象的控制策略，以保持目标与移动对象之间的距离恒定。
-可靠性与鲁棒性：系统需要具备高可靠性和鲁棒性，能够应对传感器误差、环境变化等因素的影响。
2.系统设计-目标追踪模块：该模块用于实时获取目标的位置信息。
可以采用多种传感器，如GPS、激光测距仪等。
目标追踪模块需要具备高精度定位和高响应速度的特点，以确保位置信息的准确性和实时性。
-控制算法模块：该模块根据目标位置信息计算出移动对象的控制策略。
控制算法可以根据实际需求选择不同的模型，例如PID控制、模糊控制、最优控制等。
控制算法需要具备良好的控制性能和鲁棒性，以保证位置随动控制的稳定性和可靠性。
-控制器模块：该模块负责将控制策略转化为实际的控制指令，并对移动对象进行实时控制。
控制器可以采用硬件控制器或软件控制器的方式实现，也可以使用现有的控制器模块或定制开发控制器模块。
-反馈系统：该系统用于实时获取移动对象的状态信息，如位置、速度、加速度等。
反馈系统可以采用传感器进行实现，例如编码器、惯性测量单元等。
反馈系统可以为控制算法提供实时的状态反馈信息，以便对控制指令进行调整和优化。
3.系统实现位置随动系统的实现需要进行系统建模、算法设计和软硬件集成等工作。
在系统建模过程中，可以使用系统分析和系统设计方法，如UML建模、数据流图、状态转换图等，对系统进行建模和分析。
在算法设计过程中，可以根据系统需求和设计目标选择合适的算法，并进行仿真验证和优化调整。
在软硬件集成过程中，可以使用现有的软硬件平台，如嵌入式系统、机器人操作系统等，将设计好的算法和控制器模块集成到实际的系统中，并进行测试和调试。
自动控制原理课程设计位置随动系统
，从而拖动负载运动。
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重庆邮电大学自动化学院自动控制原理课程设计
直流电动机：微分方程式为 ：
Tm
d M dt
m K mua K c M c
式中 Tm ， K m ， K c 及 M c 是考虑减速器和负载后，折算到电动机轴上的等效值。
测速发电机
是用于测量角速度并且将角速度转换成电压量的装置， 本设计中是永磁式直流测速 发电机。测速发电机的转子与带测量的轴相连接，在点电枢两端输出与转子角速度成正 比的直流电压，即 U T KT ， 式中 K T 是测速发电机的比例系数。是测速发电机的输 出斜率，表示单位角速度的输出电压。
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目录
一、设计题目 ....................................................................................................................... 2 1.1 设计目的 ............................................................................................................ 2 1.2 设计内容与任务 ............................................................................................... 2 二、报告正文 ....................................................................................................................... 3 2.1 任务一的分析与求解 ........................................................................................ 4 2.1.1 系统原理图 ..................................................................................................... 4 2.1.2 系统工作原理 ................................................................................................. 4 2.1.3 系统结构框图 ................................................................................................. 4 2.1.4 系统各环节传递函数..................................................................................... 5 2.2 任务二的分析与求解 ........................................................................................ 7 2.2.1 时域分析 ......................................................................................................... 7 2.2.2 频域分析 ....................................................................................................... 10 2.3 任务三的分析及求解 ...................................................................................... 11 2.3.1 校正要求 ...................................................................................................... 11 2.3.2 校正系统的函数的求解 ............................................................................... 12 2.3.3 通过 Matlab 仿真得到校正后传递函数的频域曲线特性 ............................ 12 三、设计总结及体会 .......................................................................................................... 15 3.1 总结 ................................................................................................................ 15 3.2 体会 ................................................................................................................. 15 四、参考文献： ................................................................................................................. 16 五、附录 ............................................................................................................................. 17 MATLAB 仿真函数 ............................................................................................... 17
位置随动系统课程设计概要
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。
位置随动系统的分析与设计_自动控制原理课程设计
《自动控制原理》课程设计（简明）任务书——供09级电气工程与自动化专业学生用引言：《自动控制原理》课程设计是该课程地一个重要教案环节，既有别于毕业设计，更不同于课堂教案.它主要是培养学生统筹运用自动控制原理课程中所学地理论知识，掌握反馈控制系统地基本理论和基本方法，对工程实际系统进行完整地全面分析和综合. 一、设计题目：位置随动系统地分析与设计 二、系统说明：该系统结构如下图所示其中：放大器增益为Ka=15，电桥增益6K ε=,测速电机增益2t k =，Ra=7Ω,La=10mH,J=0.005kg.m/s2,JL=0.03kg.m/s2,fL=0.08,Ce=1,Cm=3,f=0.1,Kb ＝0.2,i=0.02三、系统参量： 系统输入信号：）（t 1θ 系统输出信号：）（t 2θ 四、设计指标：设定：输入为r(t)=a+bt （其中：a=10， b=5） 在保证静态指标（ess≤0.3）地前提下， 要求动态期望指标：σ p ﹪≤15﹪；ts≤5sec ；五、基本要求：1. 建立系统数学模型——传递函数；2. 利用根轨迹方法分析系统：（1）作原系统地根轨迹草图；（2）分析原系统地性能，当原系统地性能不满足设计要求时，则进行系统校正.3.利用根轨迹方法综合系统：（1）画出串联校正结构图，分析并选择串联校正地类型（微分、积分和微分-积分校正）；（2）确定校正装置传递函数地参数；（3）画出校正后地系统地根轨迹图，并校验系统性能；若不满足，则重新确定校正装置地参数.4.完成系统综合前后地有源物理模拟电路；六、课程设计报告：1、课程设计计算说明书一份；2、原系统组成结构原理图一张（自绘）；3、系统分析，综合用根轨迹图一张；4、系统综合前后地模拟图各一张；5、总结（包括课程设计过程中地学习体会与收获、对本次课程设计地认识等内容）；6、提供参考资料及文献；7、排版格式完整、报告语句通顺、封面装帧成册摘要随动系统是指系统地输出以一定地精度和速度跟踪输入地自动控制系统，并且输入量是随机地，不可预知地.在很多情况下，随动系统特制被控量是机械位移地比还控制系统 .控制技术地发展，使随动系统得到了广泛地应用.位置随动系统是反馈控制系统，是闭环控制，调速系统地给定量是恒值，希望输出量能稳定，因此系统地抗干扰能力往往显得十分重要.而位置随动系统中地位置指令是经常变化地，要求输出量准确跟随给定量地变化，输出响应地快速性、灵活性和准确性成了位置随动系统地主要特征.简言之，调速系统地动态指标以抗干扰性能为主，随动系统地动态指标以跟随性能为主.在控制系统地分析和设计中，首先要建立系统地数学模型.控制系统地数学模型是描述系统内部物理量（或变量）之间关系地数学表达式.在自动控制理论中，数学模型有多种形式.时域中常用地数学模型有微分方程、差分方程和状态方程；复数域中有传递函数、结构图；频域中有频率特.本次课程设计研究地是位置随动系统地滞后校正，并对其进行分析.关键字：随动系统性能分析digestServo system is to point to the output of the system with a certain the precision and speed of tracking input of the automatic control system, and is the input of random, unpredictable. In many cases, servo system special was charged with volume is mechanical displacement control system than also. Control the development of technology, make servo systems have been widely used.Position servo system is feedback control system, is the closed-loop control and speed regulation system for the quantitative value is constant, want to output quantity can stable, so the anti-interference ability of the system often become very important. And with the position of the position servo system instructions are often changes, requirement output accurate quantitative change to follow, the response of the output, flexibility and accuracy position servo system became the main features. In short, speed regulation system in dynamic index to anti-jamming performance is given priority to, servo system dynamic index to follow performance primarily.In the control system of the analysis and design, the first to establish the mathematical model of the system. The mathematical model of the control system is to describe the system internal parameters (or variables) of the relationship between the mathematical expressions. In automatic control theory, the mathematical model has a variety of forms. Commonly used in time domain of mathematical model of the ordinary differential equations, difference equation and state equation。
天线方位角位置随动系统的建模与分析
天线方位角位置随动系统建摸系统的原理图如图2-7所示，其方块图如图2-8所示。
系统的任务是使输出的天线方位角θ0(t)跟踪输入方位角θi (t)的变化，试建立该系统的数学模型。
系统的参数值如下：电源电压V=10v ；功率放大器的增益和时间常数K 1=1，T 1=0.01s ；伺服电动机的电枢回路电阻R d =8Ω，转动惯量J a =0.02Kg ∙m 2， 粘性摩擦系数f a =0.01N ∙m ∙s/rad ， 反电势系数C e =0.5V ∙s/rad ，转矩 系数C m =0.5N ∙m/A ；减速器各齿 轮的齿数为Z 1=25， Z 2= Z 3=250；负载端的转动惯量J L =1 Kg ∙m 2粘性摩擦系数f L =1N ∙m ∙s/rad 。
采用组合系统建摸法，根据原理图2-7可以将系统划分为六个环节：输入电位器，差分放大器，功率放大器，电动机，减速器和输出电位器。
首先建立各个环节的数学模型，然后将它们组合起来则可得系统的数学摸型。
1环节的数学模型(1) 输入电位器与输出电位器由于输入电位器与输出电位器的线路和电位器的结构均相同，故这两个环节的传递函数是一样的。
对电位器环节的输出电压与输入角位移的特性进行线性化处理则可视其为一比例环节。
由图2-7可知；当动触头位于电位器中心时其输出电压为零；朝前或朝后转动5圈其输出电压变化均为10V 。
于是可得它们的传递函数为00()()100.318/()52()i pot i u s u s k v rad s s θπθ====⨯(2) 差分放大器与功率放大器放大器通常工作在放大状态，可不考虑饱和的影响。
差分放大器的时间常数比起功率放大器以及系统的其他环节的时间常数要小得多，可以忽视不计。
故这两个环节的输入输出传递函数分别为差分放大器c e C K s U s U =)()(功率放大器 1()1()10.011do c i u s k u s T s s ==++(3) 电动机在小功率伺服系统中直流电动机的结构图中，由于电动机的电枢回路电感很小，可以忽略不计。
位置随动控制系统的降维观测器设计与仿真
Ｋｅ ｒ ｓ： ｎｔｏ ｙ ｔｍ ｆａ Ｒａ ｄ ｍ ｓｔ ｎ；Ｓ ａｅ Ｆｅ ｄ ｃ ｙ ｗｏ ｄ Ｃｏ ｒ ｌＳ ｓｅ ｏ ｎ ｏ Ｐｏ ｉ ｏ ｉ ｔ ｔ ｅ ｂａ ｋ；Ｐｏｅ —ａ ｓｎ ｎ ｎｔ ｌ ｓ ｉ ｇ ｍｅ ；Ｒｅ ｕ ｅ ｍｅ ｓｏ ｄ ｃ ｄ Ｄｉ ｎ ｉ ｎ Ｏｂｓｒ ｅ ｅｖ
膛中， 分别起拉制单晶棒和支撑坩锅的作用。坩锅
１ ＝ ４ ． ６； ２ ５ ２ ＝ ９ ４ １ ２ ． ６；
作者简介 ： 李建新 （９４一） 湖南常宁人 ， 士 ， １５ 男， 硕 副教授 、 高级工程师。研究方 向： 光电检测 。
维普资讯
总第 １４期 ２
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｎ ｏｄｅ ｏ Ｉ ｒ ｖ ｈｅ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｆ ｐ ｓｔ ｎ ｓ ｒ ｏ ｏ ｒ ｌ ｓ ｓｅ ， ｔｃ ｎ ｌ ｇｅ ， ｓ ｃ ｓ ｓａｅ ｓｒ ｃ ：Ｉ ｒ ｒ ｔ ｍｐ ｏ ｅ ｔ ｅｆ ｒ ｎ ｅ ｏ ｏ ｉｉ ｅ ｖ ｃ ｎｔｏ ｙ ｔｍ ｏ ｅ ｈ ｏｏ ｉ ｓ ｕ ｈ ａ ｔｔ ｆｅ ｂ ｃ ｅ ｄ ａ ｋ。ｐ ｌ ａ ｓｇ ｍｅ ｔａ ｄ ｏ ｓ ｒ ｅ ｒ ｔ ｉｅ ｏ ｃ ｎ ｒｌｍｕ ｔ ｓａ ｅ ｖ ｒａ ｌｓ ｉ ｌ ｓ ｄ — ｌｏ ． Ｂｅ ａ ｓ ｏｅ— ｓ ｉｎ ｎ ｎ ｂ ｅ ｖ ｒａ ｅ ｕ ｉ ｚ ｄ ｔ ｏ ｔｏ ｌ ｔ ｔ ａ ｉｂ ｅ ｎ ｃｏ ｅ ｌ ｉ ｏｐ ｃｕｅ
学模型 ：
一
本 文以一 单晶炉 的炉膛 为例 ， 如图 ２所 示 。在
（ ） 一ｓ １ ２ ｓ ＋ ｓ＋ Ｕ （ ｓ ）
：
高温高压的炉膛内有一坩锅 ， 拉制单晶的物质溶液
盛与坩锅 内。另 有籽 晶杆 和 坩锅 杆 由外部 伸 人炉
基于自整角机的位置随动系统设计与分析
1、位置随动系统的简介1.1 随动系统的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出被控机械的实际位移，也把它转换成具有一定精度的电量，与指令进行比较，把比较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【3】。
下面我们结合实际，介绍一个位置随动系统的一般工作过程。
原理图如图1所示。
图1 位置随动系统原理框图工作过程：因为系统存在惯性，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——使被控对象朝着消除误差的方向运动，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量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【3】。
1.2 位置随动系统的分类随着科学技术的发展，出现了各种类型的随动系统。
由于位置随动系统的基本特征体现在位置环上，体现在位置给定信号和位置反馈信号及两个信号的综合比较方面，因此可根据这个特征将它划分为两个类型，一类是模拟式随动系统，另一类是数字式随动系统【4】。
模拟式随动系统的各种参量都是连续变化的模拟量，其位置检测器可用电位器，自整角机，旋转变压器，感应同步器等。
负载是雷达天线的模拟式位置随动系统的原理图见图2，一般是在调速系统的基础上外加一个位置环组成，它是最常见的。
图2 模拟式随动系统原理框图由于模拟式检测装置的精度收到制造上的限制，不可能做的很高，从而影响了整个模拟式随动系统的精度。
位置随动系统设计
前言自动控制技术已广泛应用于制造业、农业、交通、航空及航天等众多产业部门，极大地提高了社会劳动生产率，改善了人们的劳动条件，丰富和提高了人民的生活水平，再今天的社会生活中，自动化装置无处不在，在人类文明进步做出了重要贡献：20世纪90年代，实现了万米深海探测；通信和金融业已接近全面自动化；哈勃太空望远镜为研究宇宙提供了前所未有的机会；美国研制的探路者小车胜利的完成对火星表面的实地探测。
在控制技术需求要求的推动下，控制理论本身也取得了显著的进步。
从线性近似到非线性系统的研究取得了新的成就，借助微分几何的固有非线性框架来研究非线性系统的控制，已成为目前重要的研究方向之一；离散事件动态理论的形成，扩展了对离散系统的描述和分析能力等等很多方面都取得了惊人的成就。
而作为当代自动化专业的学生，在今后的工作和学习中对控制理论的要求会非常高。
以前看到一个控制系统只能知道它怎样操作，但是经过一年对《自动控制原理》的学习，我们就可以对这个控制系统进行研究、分析。
对它的控制方式就会有一定的认识和了解。
除此以外我们也可以自己设计控制系统，如果设计出来的系统不满足要求，也可以进行校正。
这次的课程设计我就是选择的这方面的题目。
1、 位置随动系统原理及结构图设位置控制系统如图1-1所示，其任务是控制有粘性摩擦和转动惯量的负载，使负载位置与输入手柄位置协调。
图1-1位置随动系统原理图图中a L 和a R 分别为电动机电枢绕组的电感和电阻；m C 为电动机的转矩系数；b K 为与电动机反电势有关的比例系数；s K 为桥式电位器的传递函数；a K 为放大器增益；i 为减速器速比；J 和f 分别为折算到电动机轴上的总转动惯量和总粘性摩擦系数。
首先，考虑负载效应应分别列写各元部件的运动方程并在零初始条件下进行拉什变换,于是有该系统各部分微分方程经拉氏变换后的关系式为：)()()(s s s c r e θθθ-= (a))()(s K s U e s s θ= (b))()(s U K s U s a a = (c)aa b a a R s L s E s U s I +-=)()()( (d))()(s I K s M a m d = (e)Bs)()()(2+-=Js s M s M s L d m θ (f))()(s s K s E m e b θ= (g))(1)(s is m c θθ= (h)图1-2作出每个子方程的结构图，如图1-2(a)～(h)所示。
位置随动系统课程设计
位置随动系统课程设计引言：位置随动系统是一种能够根据外部环境和任务需求自动调整位置和姿态的系统。
在本文中，我将介绍一个关于位置随动系统的课程设计。
通过这个课程设计，学生们将能够深入了解位置随动系统的原理、设计和应用，并通过实践项目提升他们的实践能力和团队合作能力。
一、引入位置随动系统位置随动系统是一种智能系统，能够通过传感器和控制算法实现自动调整位置和姿态。
它可以广泛应用于工业生产、医疗器械、机器人等领域，提高生产效率和工作质量。
二、课程设计目标本课程设计的主要目标是让学生们了解位置随动系统的基本原理和设计方法，培养他们的创新思维和实践能力。
通过项目实践，学生们将能够独立设计和实现一个简单的位置随动系统，并通过团队合作完成一个应用案例。
三、课程设计内容1. 位置随动系统原理介绍：学生们将学习传感器原理、控制算法和运动规划等基础知识，了解位置随动系统的工作原理。
2. 设计与建模：学生们将学习如何设计和建模一个位置随动系统，包括选择合适的传感器、控制器和执行器，以及进行系统建模和仿真。
3. 控制算法设计：学生们将学习如何设计合适的控制算法，以实现位置和姿态的自动调整，并优化系统的性能。
4. 系统实现与调试：学生们将利用硬件平台和软件工具，实现他们设计的位置随动系统，并进行调试和优化。
5. 应用案例实践：学生们将以小组为单位，选择一个实际应用场景，设计和实现一个位置随动系统的应用案例，并进行演示和评估。
四、课程设计亮点1. 实践导向：本课程设计注重实践能力的培养，通过项目实践，学生们将能够将所学知识应用于实际问题的解决。
2. 团队合作：学生们将以小组为单位进行项目实践，培养他们的团队合作和沟通能力。
3. 创新思维：学生们将面临真实的问题和挑战，在解决问题的过程中培养创新思维和解决问题的能力。
五、总结通过本课程设计，学生们将能够全面了解位置随动系统的原理、设计和应用，并通过实践项目提升他们的实践能力和团队合作能力。
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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。
3.令输出机械位移自动、精确地跟随电流信号，例如记录仪和指示仪表等。
1.2随动系统发展方向及特点随动控制系统作为自动化系统的一种，其研究和应用领域非常广泛。
从早期的模拟直流系统，到八十年代后期的数字交流系统，随动系统大量应用于工业和军事领域。
新的控制方式和技术不断出现，同时各种新算法（如：最优控制、自适应控制、模糊控制、人工智能控制、神经网络等）也在不断涌现。
从实现手段上来看，它起初只是用一些硬件机械，直流电机等，后来随着计算机技术的发展，人们开始由模拟信号控制转为数字控制，由硬件机械转为用单片机、PLC等实现。
总的来说，随动系统的发展方向可概括为以下这几个方面：(1)全数字化软件随动控制逐渐取代原有的硬件随动控制，以模拟电子器件为主的控制单元将全部被新型的采用高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的随动控制单元全面代替这样就使得应用现代控制理论的先进算法成为可能，同时也实现了系统的全数字化的随动控制。
(2)专用化和多样化尽管市场上仍存在很多通用化的伺服产品，但是专门为某些特定场合应用而设计制造的伺服系统已经越来越多。
随着不同形状、不同粘接结构、不同性能的磁性材料的出现以及分割式铁芯结构工艺的使用，已经实现了无刷永磁式伺服电机的大批、高效、自动化的生产，这加快了专业化与多样化的进程。
（3）高度集成化以前的伺服系统是应用多个伺服单元模块构成一个整体来使用，现在新的随动系统应用的是单一的、高度集成化的、多功能的控制单元模块，对于一个控制单元，应用软件设置不同的系统参数，就能够得到不同性能的模块，这种高度的集成化的设计很大程度的缩小了整个控制系统的体积，令系统的安装工作以及调试都变得简单了很多。
(4) 采用新型的电力电子器件如今随动系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型半导体器件，比如功率场效应管(MOSFET)、大功率的晶体管(GTR)和绝缘门极晶体管(IGPT)等。
这些先进晶体管等器件的应用使得执行电机的驱动变得简单，大大降低了随动控制单元输出回路的功率损耗，降低了系统运行过程中的噪声，显著提高了系统在各种不同信号下的响应速度。
(5)智能化随着新型数字化随动控制单元的使用与发展，智能型产品也越来越多的应用于随动控制系统，这些智能型产品通常都具有记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过软件设置，然后被保存在控制单元内部，可供我们查阅与读取，必要时在运行途中也可以通过通信接口由上位计算机对这些参数进行修改，另外这些新型元件都具有故障自诊断与分析功能，若系统出现了故障，它们会将故障的类型以及引起故障的可能原因显示出来，便于人们维修和调试。
第二章雷达天线位置随动系统的设计2.1位置随动系统概述随动系统的共性就是输出量快速而准确地复现给定量。
随动系统的另一个名称“伺服系统”也很好的体现了这个共性，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。
在生产实践中，位置随动系统的应用领域非常广泛。
例如，船舵的自动操纵控制，雷达天线的自动跟踪控制，宇航设备的自动驾驶，火炮方位的自动跟踪，数控机床的定位控制和加工轨迹控制等等。
随着机电一体化技术的发展，位置随动系统现已成为工业、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。
随动系统和调速系统一样都是反馈控制系统，通过对系统的输出量和给定量进行比较，组成闭环控制。
位置随动系统不同于调速系统，其位置给定是经常变化的，是一个随机变量，它要求输出量能够准确的跟随给定量的变化，系统稳定是前提，在保证稳定性的情况下，输出响应的快速性、灵活性、准确性是位置随动系统的主要特证，所以位置随动系统必定是一个位置反馈控制系统。
本文我们以雷达天线位置跟随系统为例，介绍系统的工作过程，设计原理，并对其进行仿真。
2.2雷达天线位置随动系统的工作原理2.2.1系统的基本组成图2—1为位置随动系统的实物图，用来实现雷达天线的跟踪控制。
图2-1雷达天线位置随动系统实物图这个系统由位置检测器、电压比较放大器、可逆功率放大器、执行机构等几个部分组成，其原理图如图2-2所示：图2-2雷达天线位置随动系统原理图该随动系统中各部分的元件选择及其功能介绍：1、测量元件：其只能是检测被控制对象的物理量，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；热电偶用于检测温度转换成电压；测速发电机用于检测电动机的速度转换成电压等。
位置随动系统要控制的量一般是直线位移或角位移, 组成位置环时必须通过检测装置将它们转换成一定形式的电量，这就需要位移检测装置。
这里的位移检测装置我们选用电位器，由电位器RP1和RP2组成角度检测器，其中电位器RP1的转轴与手轮相连，作为转角给定，电位器RP2的转轴通过机械机构与负载部件相连接，作为转角反馈，两个电位器均由同一个直流电源供电，这样便实现了将位置直接转换成电量输出。
（2）放大元件：其职能是将偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。
可用晶体管、晶闸管等组成的电压放大级和功率放大级将偏差信号放大。
该系统中我们应用电压比较放大器和可逆功率放大器，电压比较放大器由放大器1A、2A组成，其中放大器1A仅起倒相作用，2A则起电压比较和放大作用，其输出信号作为下一级功率放大器的控制信号，并具备鉴别电压极性的能力。
为了推动随动系统的执行电动机，只有电压放大是不够的，还必须有功率放大，功率放大由晶闸管或大功率晶体管组成整流电路，由它输出一个足以驱动电动机SM的电压。
（3）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阀、电动机等。
这个系统中选用永磁式直流伺服电动机SM作为带动负载运动的执行机构。
直流伺服电动机SM实物图如图2-3所示图2-3直流伺服电动机SM实物图（4）减速器：其职能是实现执行元件与负载之间的匹配。
由于执行元件为高转速、小转矩的电动机，而负载雷达天线是低转速的，所以在电机和负载之间需要引入减速器，以达到两者之间的平衡。
减速器常用一个齿轮组。
2.2.2该位置随动系统的工作原理如果两个电位器RPl和RP2的转轴位置相同，即给定角θ1与反馈角θ2相等，此时角差Δθ=θ1－θ2=0,两个电位器的输出电压U*=U，所以电压比较放大器的输出电压Uct=0，可逆功率放大器的输出电压Ud=0，SM电动机的转速n=0，系统处于静止状态。
但系统存在惯性，若输入θ1（t）变化，输出θ2(t)难以立即复现，此时θ2(t)≠θ1（t），如当给定角θ1 增大，Δθ>0，则U1>U2，Uk>0，Ud>o，电动机转速 n >0，经减速器带动雷达天线转动，雷达天线通过机械机构带动电位器RP2的转轴，使θ2相应增大。
只要θ2<θ1，SM电动机就一直带动雷达天线朝着缩小偏差的方向运动，当达到θ1=θ2，偏差角Δθ=0，Uk=0，Ud=0时，系统才会停止运动，在新的状态重新稳定下来。
当给定角θ1减小，则系统运动方向将和上述情况相反。
显而易见，这个系统完全能够实现被控制量θ2准确跟踪给定量θ1 的变化，这种现象就称为随动。
第三章系统的建模与仿真3.1 MATLAB语言简介3.1.1MA丁LAB语言概述MATLAB是由MATrix LABoratory（矩阵实验室）两词的前三个字母组合而成，是美国MathWorks公司出品的大型数学计算软件，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。
现在MATLAB己经成为应用最广的电子仿真计算机辅助设计的软件工具，它不仅仅是一个“矩阵实验室’，更是一种全新的计算机高级程序语言。
它能够实现对各种控制系统的仿真，仿真结果可以直观的反应控制的效果，因此用Matlab对雷达天线随动控制系统进行仿真可以检测系统设计的正确性和实用性。
Simulink是MATLAB软件的扩展，是一个实现动态系统建模与仿真的软件包，内部安装有多种基本的系统模块，它们都是按功能分类，存在不同文件夹下，我们只要知道模块的功能及输入输出，将它们按顺序连接起来构成所需系统模型，从而进行仿真，再对结果进行分析就可以了。