自动控制原理课程设计-雷达天线伺服控制系统要点

雷达位置伺服系统校正班级： 0xx班学号： xx姓名： xx指导老师： x老师—2011.12雷达位置伺服系统校正一、雷达天线伺服控制系统(一) 概述用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。

又称随动系统。

在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。

伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。

它是由若干元件和部件组成的并具有功率放大作用的一种自动控制系统。

位置随动系统的输入和输出信号都是位置量，且指令位置是随机变化的，并要求输出位置能够朝着减小直至消除位置偏差的方向，及时准确地跟随指令位置的变化。

位置指令与被控量可以是直线位移或角位移。

随着工程技术的发展，出现了各种类型的位置随动系统。

由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，并成功应用在雷达天线。

伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。

此外，也可采取附加措施来提高系统的精度，采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。

通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道，直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。

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。

本设计——雷达天线伺服控制系统实际上就是随动系统在雷达天线上的应用。

系统的原理图如图1-1所示。

图1-1 雷达天线伺服控制系统原理图(二) 系统的组成从图1-1可以看出本系统是一个电位器式位置随动系统，用来实现雷达天线的跟踪控制，由以下几个部分组成：位置检测器、电压比较放大器、执行机构。

以上部分是该系统的基本组成，在所采用的具体元件或装置上，可采用不同的位置检测器，直流或交流伺服机构等等。

现在对系统的组成进行分析： 1、受控对象：雷达天线； 2、被测量：角位置m θ；3、给定值：指令转角*m θ；4、传感器：由电位器测量m θ,并转化为U ；5、控制器：放大器，比例控制；6、执行器：直流电动机及减速箱。

（三）工作原理现在来分析该系统的工作原理。

由图1-1可以看出，当输入一个指定角m θ经过指令信号电位计，将角位移转换为电位计的电压输出，电压经过计算机系统输出到运放的输入端，在经过电压放大器输出到电动机的两端。

驱动雷达天线转动，当转动到指定位置*m θ，停止。

如果*m m m 0θθθ∆=-=，则反馈信号为0，不需要调整。

如果m 0θ∆>。

则经过反馈电位计将角位移信号转换为反馈电压输出，进行调整，只要输入与输出之间存在角度的差值，则就会有反馈电压信号的输出，直至输出的位置信号等于*m θ=m θ。

同理可得：如果给定角*m θ减小，则系统运动方向将和上述情况相反。

二、雷达天线伺服控制系统主要元部件（一） 位置检测器位置检测器作为测量元件，由指令信号电位计和反馈电位计组成位置（角度）检测器，两个电位器均由同一个直流电源S U 供电，这样可将位置直接转换成电量输出。

在控制系统中,单个电位器用作为信号变换装置，其输出与输入的函数关系为：0()()u t K t θ=式中0max K E θ=，是电刷单位角位移对应的输出电压，称为电位器传递系数，其中E 是电位器电源电压，max θ是电位器最大工作角。

对上式求拉氏变换，并令()[()]U s L u t =，()[()]s L t θθ=，可求得电位器传递函数为：0()()()U s G s K s θ== 可以看出电位器的传递函数是一个常值，它取决于电源电压E 和电位器最大工作角度max θ。

电位器可用图2-1的方框图表示。

图2-1 电位器方框图其中输入()X s 就是()s θ，输出()C s 就是()U s ，()G s 就是0K 。

我们认为反馈电位计的传递函数与指令信号电位计的相同在使用电位器时要注意负载效应。

所谓负载效应就是指在电位器输出端接有负载时所产生的影响。

当电位器接负载时，一般负载阻抗比较大，所以可以将电位器视为线性元件，其输出电压与电刷角位移之间成线性关系。

（二） 电压比较放大器电压比较放大器由1A 、2A 组成，其中放大器1A 仅仅起倒相的作用，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（正反相位）的能力。

电压比较放大器实际上是比较元件和一部分放大元件的组合，其职能是把测量元件检测到的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差，并经过电压型集成运算放大器的放大作用，将偏差信号放大。

具体说来就是：*ct ct ()U K U U =-其中ct 10K R R =-，又因*U U e -=（偏差），所以上式可以写成ct ct U K e =，对该式两边同时进行拉氏变换，可得电压比较运算放大器的传递函数为ct ct ()()()U s G s K E s == 从式子可以知道电压比较放大器的传递函数也是一个常值。

电压比较放大器可以用图2-2所示的方框图表示：E(s)U ct (s)G(s)图2-2 电压比较器方框图其中ct ()G s K =。

（三） 执行机构执行机构即执行元件，它的职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。

一般用来作为执行元件的有控制阀、电动机、液压马达等。

虽然随着科技的发展，近些年来，交流电动机在控制系统特别是调速系统中应用越来越广，使直流电动机的地位受到了严重的挑战。

但目前直流电动机在控制系统中仍占主要地位。

对于调速范围不大，动态响应要求不高的系统，可以使用普通直流电动机。

对于调速范围大，动态响应要求快的系统，特别是伺服系统（随动系统），则应采用直流伺服电动机。

直流伺服电动机是专门为控制系统特别是伺服系统设计和制造的一种电机。

它的转子的机械运动受输入电信号控制作快速反应。

直流伺服电动机的工作原理、结构和基本特征与普通直流电动机没有原则区别，但为了满足控制系统的要求，在结构和性能上做了一些改进，具有如下特点：1、采用细长的电枢以便降低转动惯量，其惯量大约是普通直流电动机的1/31/2。

2、具有优良的换向性能，在大的峰值电流冲击下仍能保持良好的换向条件。

3、机械强度高，能够承受住巨大的加速度造成的冲击力作用。

4、电刷一般都安排在几何中性面上，以确保正、反转特性对称。

本系统就是采用直流伺服电动机SM 作为带动负载运动的执行机构，系统中的雷达天线即为负载，电动机到负载之间通过减速器匹配。

直流伺服电动机在控制系统中广泛用作执行机构，用来对被控对象的机械运动实现快速控制，通过简化处理后的直流伺服电动机的微分方程为m mm 1d 2()()()()d t T t K u t K M t dtωω+=- 式中()M t 可视为负载扰动转矩。

根据线性系统的叠加原理，可分别求d ()u t 到m ()t ω和()M t 到m ()t ω的传递函数，以便研究在d ()u t 和()M t 分别作用下电动机转速m ()t ω的性能，将他们叠加后，便是电动机转速的响应特性。

所以在不考虑负载扰动转矩的条件下，即()0M t =时和在零初始条件下，即'm m (0)(0)0ωω==时，对上式各项求拉氏变换，并令m m ()[()]s L t ωΩ=，d d ()[()]U s L u t =，则得s 的代数方程为m m 1d (1)()()T s s K U s +Ω=由传递函数的定义，于是有m 1d m ()()()1s K G s U s T s Ω==+ ()G s 便是电枢电压d ()u t 到m ()t ω的传递函数，m T 是系统的机电常数。

这可以用图2-4所示的方框图来表示图2-4 直流伺服电动机方框图其中1m ()1K G s T s =+。

设减速器的速比为i ，减速器的输入转速为n ，而输出转速为'n ，则减速器的传递函数为'()()()g N s G s K N s == 其中g 1/K i =。

三、系统的开环增益的选择和系统的静态计算系统的原理框图可简化成如图3-1所示图3-1 雷达天线伺服控制系统原理框图给定角*m θ经电位器变成给定信号*U ，被控量经电位器变成反馈信号U ，给定信号与反馈信号产生偏差信号e ；偏差信号经放大器（电压比较放大器）得到d U ，d U 通过执行机构（直流伺服电动机）作用到雷达天线上，减小偏差，最终实现*m m θθ=。

这就是控制的整个过程。

，在不考虑干扰力矩的条件下，并适当的变换，就会得到雷达天线伺服控制控制系统的结构图，如图3-2所示：图3-2 雷达天线伺服控制系统结构图其中()R s 就是*m ()s θ，()C s 就是m ()s θ，g 1/K i =。

将方框图进行化简处理，可得系统的开环传递函数：m *m m ()()()()()(1)s C s KG s R s s s T s θθ===+ 其中0ct d 1g K K K K K K =。

简化后的系统方框图如图3-3所示：Km/(Tm*s+1)k 0Kw/(Tw*s+1)1/Iss θ（）W s （）*s θ（）U图3-3 系统简化方框图因系统的开环传递函数为：22Ks =S (105)(10)m T K K S θ+++（）其中K 为开环增益，m T 为直流伺服电动机的时间常数。

选取m 0.1T s =的直流伺服电动机作为执行机这是一个二阶系统，在没有校正设计前，取系统的阻尼比为0.5ζ=，代入m 0.1T =，由二阶系统的标准形式有：22K/(105)s =S (10)/(105)m m T K K T K Sθ++++（）2(10)/(105)n m W K T K ζ=++ 22K/(105)n m W T K =+计算得到：K=4.4 系统的开环传递函数为：20.38s =0.63S Sθ+（）这可以用系统的参数方框图表示，如图3-4所示：20.38s =0.63S Sθ+（）R(s)C (s)B(s)图3-4 系统参数方框图可以看出1ν=，是一型系统。

静态位置误差系数lim ()()p s K G s H s →==∞得到系统在阶跃输入作用下的稳态误差1101lim ()()1ss ps e G s H s K →===++四 系统的动态分析（一） 时域分析在第三章选择了系统的开环增益，并进行了静态计算，知道了系统的稳态误差为0，现在对系统进行动态分析。

在典型输入信号作用下，任何一个控制系统的时间响应都由动态过程和稳态过程两部分组成，动态分析就是对动态过程的分析。

动态过程又称过渡过程或瞬态过程，指系统在典型输入信号作用下，系统输出量从初始状态到最终状态的响应过程。