随动系统
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1 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
原理框图可描述如图1所示 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lab311.gfkd.mtn
2 化这种现象就称为随动
图1 位置随动系统原理框图 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旋转变压器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应用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发送电位器RPT和输出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图3 用电位器测量系统位移误差
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3 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有限的系统中 2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Uj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D1相的夹角用θ1表示接收机输出绕组对定子D1’相的夹角用θ2表示θ1θ2就是发
送机接收机激磁绕组轴线的夹角差值经推导后可得出输出绕组中产生的感应电势的有
效值为 E2=E2max cosδ 式中δ=θ1θ2
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 E2=E2max cosδ= E2max 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 U2=U2maxsin γ 在γ角很小时sinγ=γ U2=U2max 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
因有电容的隔直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W1W2 用来限制输出信号主要目的是为了保护交放电路 交流放大器的输入Usr旋转变压器的角差信号通过
耦合变压器输出到交流放大器的输入端交流放大器的输
出Usc解调环节的输入信号
交流放大器的放大倍数为
131RRK=
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4 自整角机 图5 旋转变压器
图6 交流放大器 lab311.gfkd.mtn
4 三解调环节
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T1T2 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T1T2 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份
工作原理Ut 上正下负Vbe 反偏T1T2 截止Usr 不能通过Ut 上负下正Vbe 正
偏又因为Usr<
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R2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
sTK
VV
ss
so+=1
其中221122)//(,CRRTRRRKss=+=
可见它是一个一阶惯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 四脉宽调制
脉宽调制PWM变换器是是一个电压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9U为三角波发生器输出
的信号Us为控制器输出的直流控制电压波形图如图10所示 Us=0Usc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 Us>0Usc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 Us<0Usc的正半波宽度
Usc的脉冲宽度正比于Us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关频率f应高于调速系统的最高工作频率通频带fc一般希望f10fc同时还应当高于系统中所有回路的谐振频率以防引起共振但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7 解调环节
图8 解调环节的等效电路
图9 脉宽调制
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5 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 La很小可以忽略电机的传递函数为
1)()(
+=Ω
sTK
sUs
mm
a
式中Ω为电机转速Km是电机增益常
数Tm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
13 超前校正网络
对有源校正其传递函数为
A C1
R1 R2
Usc Usr C1
R1 R2 Usc Usr
()()11+=sTKsGpc111CRT=12RRKp−=图11 控制电枢式直流电机 lab311.gfkd.
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6 对无源网络其传递函数为
()
111
11
++=sTsTsG
iic
αα 其中 1
221>+=RRRiα111CRT=
若1Ti>>α则()()111+≈sTsGicα
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
14 超前校正网络
有源滞后网络的传递函数为
()()
()⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=+==sTKsTT
ssT
sUsUsGpsrscc222211111
ττ
其中
12RRKp−=21CR=τ222CRT=
无源滞后网络的传递函数为
()()
()()
()11
22
12++===sTsT
sXsX
sUsUsG
jsrsccα
其中
221RRRj+=α222CRT=
3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θ(t)输出电压Usc(t)如图15所示
传递函数
csccKssUsG==)()()(θKc为发电机系数
为了使测速电机的输出电压可调常常通过一个电位器进行分压再输出 A C2
R1 R2
Usc Usr
C2 R1 R2 Usc Usr
图15 速度校正 图16 速度校正
一种用于高精度随动控制系统的轨迹预测方法
一种用于高精度随动控制系统的轨迹预测方法
巫佩军;杨文韬;余驰;杨耕
【摘 要】For high precision servo control, discontinuities of target
trajectory or/and long-periodic in-structions lead to slow response and
bad characteristics in servo system. A trajectory prediction method was
proposed. Targets were classified according to its differentiability and
fitting polynomials with proper orders for different kinds of trajectories
were chosen, and prediction with improved least square method based on
trajectory classification was made. Simulation and experiment with two-phase hybrid stepper mo-tor have been actualized to analyze the
prediction result and prove the feasibility of this method, which can reduce
the maximum tracking error and tracking system latency.%针对一类高精度随动控制系统中，跟踪目标轨迹短时不连续、跟踪指令的给定周期过大，导致随动系统跟踪响应变慢、特性变差的问题，提出了一种跟踪轨迹预测算法。该方法首先对被跟踪轨迹进行简单判定与分类，然后针对不同类型的轨迹，选择合适阶次的拟合多项式，采用改进最小二乘算法，对目标的未来轨迹进行预测。针对不同类型的轨迹，通过仿真确定了其合适的拟合多项式阶次；针对复杂的轨迹，通过仿真验证了预测算法的可行性；采用混合式两相步进电机系统进行实机试验，分析比较了轨迹预测效果。实验结果表明，采用轨迹预测方法，可以减小系统最大跟踪误差与跟踪延时。
数控加工系统的随动控制研究
第３６卷第４期 北京交通大学学报 Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．４ ！ 篁堡 ！！ 墼 ！！！ ！ ； ！
文章编号：１６７３—０２９１（２０１２）０４—０１６９—０４
数控加工系统的随动控制研究
陈志鸿，房海蓉，方跃法
（北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京１０００４４）
摘要：基于西门子８４０Ｄ数控系统，提出一种随动加工控制的原理和方法，控制系统通过测距传
感器反馈值直接控制刀具随动进给，实现对大型自由曲面表面非金属涂层的等厚加工．为使工件表
面非金属涂层加工平整、等厚，加工过程中需保持刀具到工件表面等距．设计中在刀具轨迹前放置
测距传感器，实时检测工件表面位置，控制刀具随动进给，实现工件表面非金属涂层的等厚加工．实
验结果验证了该控制方法的有效性．
关键词：数控系统；随动控制；加工路径规划
中图分类号：ＴＰ２７５ 文献标志码：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗ－ｕｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ＣＮＣ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
ＣＨＥＮ Ｚｈｉｈｏｎｇ，ＦＡＮＧ Ｈａｉｒｏｎｇ，ＦＡＮＧ Ｙｕｅｆａ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｎｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｆｏｌｌｏｗ—ｕｐ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ ８４０Ｄ
ＣＮＣ ｓｙｓｔｅｍｓ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｈｅ ｎｏｎ—ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｏｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ’Ｓ ｆｒｅｅ—ｆｏｒｍ ｓｕｒｆａｃｅ ｅ—
ｑｕａ［一ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｔｈｅ ｔｏｏｌ ｉｓ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｔｏ ｆｏｌｌｏｗ－ｕｐ ｆｅｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎ
CNC齿轮测量机中随动控制系统的设计
ＣＮＣ齿轮测量机中随动控制系统的设计
杨慧枯，劳奇成
（西安工业大学机电工程学院，陕西西安７１００３２）
摘要：针对现有的ＣＮＣ齿轮测量中心在测量过程中遇到的２大问题，提出了增加随动控制系统的
构想，使得在没有齿轮理论方程或齿轮误差超出测头微位移计量程时仍然可以进行测量，从而拓展了现
有齿轮测量机的工作范围。设计选用ＴＩ公司的ＴＭｓ３２ＯＬＦ２４Ｏ７Ａ型ＤＳＰ芯片为系统的核心芯片，搭建
了硬件结构，并给出了软件设计方案。
关键词：ＣＮＣ；齿轮测量；ＤＳＰ；随动控制
中图分类号：ＴＰ ２７５；ＴＧ ８６ 文献标志码：Ａ
Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｅｒｖｏ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＣＮＣ Ｇｅａｒ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ
ＹＡＮＧ Ｈｕｉｚｈｅ．ＬＡ０ Ｑｉｃｈｅｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ＇ａｎ Ｔｅｃｈｎｏ１ｏ ｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ ７１００３２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＣＮＣ ｇｅａｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ
ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｒｅｓｅｎｔ ＣＮＣ ｇｅａｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒ．Ａｆｔｅｒ ａｄｄｉｎｇ ｔｈｅ ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ＣＮＣ ｇｅａｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒ
ｃｏｕｌｄ ｗｏｒｋ ｕｎｄｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｅａｒｓ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ｃｕｒｖｅ ｗａｓ ｕｎｋｎｏｗｎ ｏｒ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｅｘｃｅｅｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｂｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｅｓｅｎｔ ＣＮＣ ｇｅａｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒ ｄｉｄ ｎｏｔ ａｔｔａｉｎ．Ａ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ
机电控制工程基础综合练习解析(2019-5)
1 机电控制工程基础综合练习解析
一、填空
1. 自动控制就是 没有 人直接参与的情况下， 使生产过程的输出量按照给定的规律运行或变化 。
2．系统的稳定性取决于 系统闭环极点的分布 。
3. 所谓反馈控制系统就是的系统的输出 全部或部分 地返回到输入端。
积分环节的相频特性)(为 90°。
4. 给定量的变化规律是事先不能确定的，而输出量能够准确、迅速的复现给定量，这样的系统称之为随动系统 。
5. 在 零初始条件 下，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比称为线性系统（或元件）的 传递函数 。
6. 单位积分环节的传递函数为 1/s 。
7．一阶系统11Ts，则其时间常数为 T 。
8．系统传递函数为W(s)，输入为单位阶跃函数时，输出拉氏变换Y(s)为 ssW)( 。
9．单位负反馈系统开环传函为)1(9)(sssG，系统的阻尼比ξ=0.167、无阻尼自振荡角频率ωn为 3 ，调节时间ts（5％）为 6 秒。
10．反馈信号(或称反馈)：从系统(或元件)输出端取出信号，经过变换后加到系统(或元件)输入端，这就是反馈信号。当它与输入信号符号相同，即反馈结果有利于加强输入信号的作用时叫 正反馈 。反之，符号相反抵消输入信号作用时叫 负反馈 。
11．Ⅰ型系统 不能 无静差地跟踪单位斜坡输入信号。
12. 某环节的传递函数为2s，则它的幅频特性的数学表达式是 ，相频特性的数学表达式是 。2ω；90o
13.单位反馈系统的开环传递函数为)3)(2()(*sssKsG，根轨迹的分支数为 3 。
14. 负反馈结构的系统，其前向通道上的传递函数为G(s)，反馈通道的传递函数为H(s)，则该系统的开环传递函数为 ，闭环传递函数为
水箱液位控制系统(二)正文部分
水箱液位控制系统(二)正文部分
前 言
自古以来，水就在人们的日常生活中扮演了重要的角色。水是生命的源泉、农业的命脉、工业的血液！一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护 的给水系统是值得我们研究的课题。
在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（水位）进行自动控制。比如自动控制水箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同。但其原理都大同小异。特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的基本要求。因此如何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。
水箱液位控制系统是进行控制理论与控制工程教学、实验和研究的平台，可以方便地构成一阶系统对象（双容水箱）和两阶系统对象（三容水箱）。用户可通过经典的PID控制器设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。各种控制器的控制效果通过水位的变化直观地反映出来，同时通
过液位传感器对水位的精确检测，方便地获得瞬态响应指标，准确评估控制性能。开放的控制器平台，便于用户进行自己的控制器设计，满足创新研究的需要。这种系统不仅适用于工业用水的控制，也适用于日常生活和农业生产上的液位控制。
1 系统结构原理
1.1自动控制系统的组成
（1）自动控制系统是由被控对象和控制装置组成的一个有机总体。被控对象的输出
量即被控量是要求严格加以控制的物理量；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理组成的反馈控制系统。在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务。
基于MEMS的角位置无线随动控制系统设计
１２２ 传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ） ２０１３年第３２卷第９期
基于ＭＥＭＳ的角位置无线随动控制系统设计 任强，周升良，孙玉国 （上海理工大学光电信息与计算机工程学院。上海２０００９３） 摘要：角位置随动控制系统在数控机床、火炮自动控制中有重要应用，目前多采用自整角机实现。在布 线困难的特殊场合下，有必要采用无线的方式实现对远端机械结构随动控制。设计了一个无线随动控制 系统，并对系统的抗干扰性和跟随精度问题进行了实验研究。利用ＡＲＭ微控制器对ＭＥＭＳ陀螺仪和加 速度计获取的动态角位置信号进行自适应互补滤波处理，对ｎＲＦ２４Ｌ０１无线传输模块进行跳频编程，进一 步提高了系统的抗干扰性。此外，利用直流伺服电机驱动跟随机构，通过加装无线视频模块实现了远程可 视化遥控。实验结果表明：设计的角位置无线随动系统运行稳定，角位置跟随误差小于０．３。，随动响应时 间小于１５ｍｓ，无线随动距离５００ｍ（通视）。 关键词：随动控制；ＭＥＭＳ传感器；无线遥控；自适应互补滤波；抗干扰性 中图分类号：ＴＰ２７５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－９７８７（２０１３）０９－－０１２２－０３ １ｒ、 ‘ ｎ ● ’ Ｊ ’ ・－● ’ ＪＪｅｓｉ￣ｎ ｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｒｖｏ－Ｃ０ｎｔｒ０１ ｓｙｓｔｅｍ ｏＩ ａｎ￣ｕｌａｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ０ｎ ＭＥＭＳ ０ｎ ＭＥＭ ＲＥＮ Ｑｉａｎｇ，ＺＨＯＵ Ｓｈｅｎｇ—ｌｉａｎｇ，ＳＵＮ Ｙｕ—ｇｕｏ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ－Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｅｒｖｏ—ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｎｇｕｌａｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ＣＮＣ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａｒｔｉｌｌｅｒｙ， ａｎｄ ｕｓｕａｌｌｙ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｓｅｌｓｙｎ．Ｏｎ ｓｐｅｃｉａｌ ｏｃｃａｓｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｗｉｒｉｎｇ，ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ａｄｏｐｔ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｗａｙ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｎ ｒｅｍｏｔｅｄ—ｅｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ａｎｔｉ— ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ．Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ａｎｇｕｌａｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｃｑｕｉｒｅｄ ｂｙ ＭＥＭＳ ｇｙｒｏ ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｍｅｔｅｒ ｉｓ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｂｙ ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｏｎ ＡＲＭ ＭＣＵ．Ｔｈｅ ａｎｔｉ—ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｈｏｐｐｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｏｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ｎＲＦ２４Ｌ０１．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｕｓｅ ＤＣ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ ｔｏ ｄｒｉｖｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａｎｄ ｒｅｍｏｔｅ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｖｉｄｅｏ ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｏｒｋｓ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｇｕｌａｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｅｒｒｏｒ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ０．３。，ｓｅＹｖｏ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １５ｍｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｒｖｏ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｉｓ ５００ ｍ（ｉｎｔｅｒｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ）． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｅｉｗｏ—ｃｏｎｔｒｏｌ；ＭＥＭＳ ｓｅｎｓｏｒｓ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ；ａｎｔｉ—ｉｎｔｅｒ— ｆｅｒｅｎｃｅ ０引 言 角位置随动系统是一种反馈控制系统，被随动物体旋 转时，跟随物体随之同步旋转，两者的旋转速度与位置保持 一致 。在战斗平台和火炮自动控制中，随动控制系统能 提高武器命中概率；在高空作业和排爆现场，随动控制可以 对工程机械进行远程控制，避免给操作人员带来危险 。 目前，角位置随动控制多采用有线连接自整角机的方式实 现，在一些布线困难的特殊场合（譬如：核辐射，地质灾害 区等），有必要利用无线传输的方法实现物体旋转运动的 收稿日期：２０１３－０２－２５ ｝基金项目：上海市研究生创新基金资助项目（ＪＷＣＸＳＬ１２０２） 跟随控制 。 针对上述工程背景，本文利用ＭＥＭＳ惯性传感器拾取 旋转平台的动态角加速度和角速度信号，经ＡＲＭ芯片进 行角度计算和自适应滤波处理后，通过ｎＲＦ２４０１无线模块 传递同步控制指令，实现了直流伺服电机的角位置无线随 动控制。此外，为了实时观察随动控制效果，在跟随端添加 了无线视频采集模块。实验研究表明，本文设计的角位置 无线随动控制系统运行稳定可靠，随动精度较高，可望在特 殊场合下替代自整角机，实现机械结构的远程随动控制。
基于单片机的随动控制系统设计
基于单片机的随动控制系统设计
朱华，宋柏，薛永刚
（西安科技大学，西安７１００５４）
摘要：介绍了以５１单片机为控制核心的数字式随动控制系统的硬件组成及软件设计。整个系统为一
个三闭环的复杂多功能控制系统。其中两个模拟内环为电流环和速度环，数字外环（位置环）
采用三只高精度的１ ４位绝对式轴角编码器作为角位移传感器。该系统具有结构简单，接口功
能强大，通用性强等特点，可广泛应用于负载较大的机电设备的伺服控制中。
关键词：随动控制；复合控制；轴角编码器；ＰＩＤ
中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：８ 文章编号：１ ００９—０１ ３４（２００７）０４—００５９—０３
Ａ ｎｏｖｅｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｉｃｒｏ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｕｎｉｔ
ＺＨＵ Ｈｕａ，ＳＯＮＧ Ｂａｉ，ＸＵＥ Ｙｏｎｇ ｇａｎｇ
（ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００５４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｉｃｒｏ
ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｕｎｉｔ．Ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈｒｅｅ ｓｅｒｉａｌ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐｓ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｗｏ
ａｎａｌｏｇ ｉｎｎｅｒ ｌｏｏｐｓ ｗｅｒｅ ａ ｃｕｒｒｅｎｔ￣ｅｄｂａｃｋ ｌｏｏｐ ａｎｄ ａ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌｏｏｐ；ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ
ｏｕｔｅｒ ｌｏｏｐ（ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ￣ｅｄｂａｃｋ ｌｏｏｐ）ｗａｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｒｅｅ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ １４－ ｂｉｔｓ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｒｏｔａｒｙ ｅｎｃｏｄｅｒｓ ａｓ ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｍａｎｙ
火炮随动控制系统监控仪设计
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火炮随动控制系统监控仪设计
作者：蔡荣立,谭番琼
来源：《现代电子技术》2010年第09期
摘 要:介绍基于嵌入式PC104计算机和MCS-51单片机的火炮随动控制系统监控仪设计。该系统要求实时显示火炮高低和方位主令曲线及火炮位置反馈曲线,并且实时监控火炮的极限位置。采用PC104模块实现主令发送及曲线显示,单片机实时检测火炮极限位置,单片机和PC104模块与火炮随动系统之间通过CAN总线通信,单片机与PC104模块之间通过串口进行数据设置及状态信息传送。该设计不仅利用PC104模块实现了强大的计算及图形显示功能,同时采用单片机又保证了整体系统的实时性。
关键词:随动系统; PC104; CAN总线; 串行通信
中图分类号:TP275 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)09-0032-03
Design of Monitoring Apparatus in Mobile Servo-control System of Artillery
CAI Rong-li, TAN Fan-qiong
(Xi’an Technological University, Xi’an 710032, China)
Abstract:The design of the monitering apparatus in the molile servo-control system for artillery
based on the embedded PC104 computer and MCS-51 monolithic integrated circuit is introduced. The
requirements to carry out the real-time display of the master curves of elevation and azimuth,
基于单片机的电机随动控制系统
基于
曹亢谭功全储海兵
低速伺服系统在机械加工、通讯、雷达、火炮、航天航空等领 域的研发和应用中不断深入和扩展，系统低速性能和精度要求 也不断提高。基于模拟器件设计的直流电机控制电路，在电网电 压波动和元件参数分散性条件下，各触发器移相特征不一致，破 坏了三相触发脉冲对称性，控制效果大受影响，此外，模拟电路 中元器件的老化也会导致工作不正常。 本文设计的全数字、低速电机随动控制系统以单片机最小 系统为基础，对目标电机和被控电机速度均采用光电数字式测 量，通过单片机ＰＩ控制算法以及一定同相措施对可控硅实施调 节，达到调压控速目的，使得整个系统具有较好低速性能和控制 精度，同时，有效解决了模拟控制电路易受元件影响的缺陷，提 高了工作稳定性，延长了使用寿命。
系统 还 系统结构框图如图１所示，由单片机最小系统、人机交互模 块、电机模块、信号输入模块以及信号输出模块等模块组成。 单片机最小系统包括ＡＴＭＥＬ公司的ＡＴ８９Ｃ５２、复位电路 以及扩展有ＥＥＰＲＯＭ存储器的看门狗芯片Ｘ５０４５Ｐｉ人机交互 模块配置了典型工业仪表用的１２８ ６４液晶板，右列５个按键作 为操作输入，按键与单片机之间通过７４ＬＳ１６５连接。 电机模块包括一个目标电机和一个被控电机，其中，目标电 机通过调节电位器改变速度，被控电机通过单片机控制以跟随 目标电机变化。本次设计使用了额定转速为６０转／分的直流减 测量环节 对跟踪控制系统而言，首要任务是测量待跟随量和被控量， 即系统中的目标电机和被控电机的转速。本文采用光电传感测 速，两电机的转动轴上各套有如 ２所示的套件，套件横跨红外 光电门，转轴每旋转一周，套件凹槽透光一次；当目标电机和被 控电机的光电信号被采集后，通过７４ＬＳ００将目标电机和被控电 机信号合并送入单片机中断引脚Ｐ３．３，同时，为区分两个中断， 将两个电机光电检测信号再分别接入Ｐ０．０和Ｐ０．１引脚，相邻 两次中断计时反映了电机转速，本文使用７４ＬＳ１４进行信号处 理，７４ＬＳ１４为具有斯密特触发功能的集成电路，能够消除光电 信号采集中的干扰，如毛刺现象，速度测量模块电路如图３所 不Ｏ 电机额定转速为６０转／分，则电机转速信号的两次中断的 间隔在１Ｓ左右，定时器１计时长度不能直接满足需要，因此，将 定时器１设为一定值，每次计数溢出将计数单元值加一，根据计 数单元值则可计算出电机转速，实际测试中发现，将定时器１的 定时值选为１ ０ｍｓ时，既能保证测速精度，同时又具有一定的抗 干扰性能。、
基于单片机的电机随动控制系统 2
第５期（总第１４４期） ２００７年１Ｏ月 机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ８Ｌ ＡＵＴ０ＭＡＴ１０Ｎ ＮＯ．５ ０ｃｔ．
文章编号：１６７２—６４１３（２００７）０５—０１１９－０３
基于单片机的电机随动控制系统
曹 亢 ，谭功全ｈ ，储海兵
（１．东南大学自动化学院，江苏 南京 ２１００９６；２．四川理工学院电信系，四川 自贡 ６４３０００）
摘要：介绍了一种基于单片机的电机随动控制系统，目标电机和被控电机速度采用光电数字式测量，通过单片 机ＰＩ控制算法以及一定同相措施对可控硅实施调节，达到调压控速目的。同时介绍了系统结构和控制参数。试 验运行表明，本设计能够获得比较满意的性能。 关键词：直流电机；随动控制；可控硅 中图分类号：ＴＭ３３：ＴＰ２７５ 文献标识码：Ａ
０ 引言
当前，低速伺服系统在机械加工、通讯、雷达、火 炮、航天航空等领域的研发和应用不断深入，对系统
低速性能和精度要求也不断提高。
基于模拟器件设计的直流电机控制电路，在电网
电压波动和元件参数分散性条件下，由于各触发器移
相特征不一致破坏了三相触发脉冲对称性，控制效果
大受影响［１］。此外，模拟电路中元件老化也会导致工作
不正常。
本文设计了以单片机最小系统为基础的全数字低
速随动系统。它的采样、跟随和校正都是数字式的，同
时速度和相位都有反馈，使得整个系统具有较好的低
速性能和控制精度，有效解决了模拟控制电路易受元
件影响的缺陷，提高了工作稳定性，延长了使用寿命。
１电机随动控制系统
图１为电机随动控制系统结构框图。它由单片机
最小系统、人机交互模块、电机模块、信号输入模块
以及信号输出模块组成。
单片机最小系统包括ＡＴＭＥＩ 公司的ＡＴ８９Ｃ５２、
复位电路以及扩展有ＥＥＰＲＯＭ存储器的看门狗芯片
Ｘ５０４５Ｐ。人机交互模块配置了典型工业仪表用１２８ ｘ
６４的液晶板，右列５个按键作为操作输入，按键与单