自动控制原理磁盘读取系统(1)

硬盘驱动读写系统的建模与时域分析第二章、第三章知识综合应用一、硬盘驱动读写系统工作原理简介主要内容二、数学模型的建立三、二阶模型时域分析四、三阶模型时域分析一、硬盘驱动读写系统工作原理简介WD400硬盘西部数据公司(WesternDigitalCorp)WD400硬盘是用两张单碟容量为20GB的盘片组合而成的，容量为40GB，缓冲存储器2MB，转速7200rpm，平均寻道时间8.9ms。硬盘驱动读写系统结构示意图硬盘驱动读写控制系统实物图硬盘驱动读写系统采用永磁直流电机驱动读写手臂的转动。磁头安装在一个与手臂相连的簧片上，磁头读取磁盘上各点处不同的磁通量，并将信号提供给放大器，弹性金属制成的簧片保证磁头以小于100nm的间隙悬浮于磁盘之上。硬盘驱动读写系统的目标是将磁头准确定位，以便准确读取磁盘上磁道的信息，因此需要进行精确控制的变量是安装在滑动簧片上的磁头位置。硬盘驱动读写系统初步控制方案%5%%)2(50msts3102.5系统设计要求为：单位阶跃响应超调量单位阶跃响应调节时间单位阶跃扰动作用下的最大响应二、系统数学模型的建立暂时不考虑扰动的影响，假定簧片是完全刚性的，不会出现明显弯曲。作为足够精确的近似，采用电枢控制直流电机模型来对永磁直流电机建模。电枢控制直流电机原理图如下：+_ifΦdSMRL+_ViaEa负载wmMmMcJ,f,Km,Ce)(1)(sWssCm磁头位置1、系统三阶模型的建立)(tv)(tia)(tia)(tMm直流他励电动机的工作实质是将输入的电能转化为机械能，也就是由输入的电枢电压，在电枢回路中产生电枢电流，再由电枢电流与励磁磁通相互作用，产生电磁转矩，从而拖动手臂运动。（1）电枢回路电压平衡方程：（2）电动机轴上的转矩平衡方程：（3）电量与机械量联系方程：aaaEtiRdttdiLtv)(.)()()()()()(tMtMtwfdttdwJcmmmmeawCE)(tiKMamm0eC))(()()()()(20RLsfJsKRfsRJLfLJsKsVSWsGmmm在空载情况下，并考虑，则有由于有)(1)(sWssCm，故))((])([)()()(2RLsfJssKRfsRJLfLJssKsVsCsGmm将磁盘驱动读写系统的典型参数代入上式，有)1000)(20(5000)()()(ssssVsCsG当考虑干扰影响时，系统框图如下：磁盘驱动读写系统三阶模型框图2、系统近似二阶模型的建立)1)(1(/)(TssTsfRKsGLmmsfJTL50/msRLT1/TLT三阶模型还可以写为，其中。由于，因此T可略去不计（即不考虑电枢电感的影响），则有)20(5)105.0(25.0)1)(1(/)(sssTssTsfRKsGLm当考虑干扰影响时，系统框图如下：磁盘驱动读写系统二阶模型框图三、系统二阶模型时域分析只具有比例控制器时二阶闭环系统结构框图开环传递函数闭环传递函数)20(5)()(ssKsGKsWaakaaKssKsRsCs5205)()()(2放大器增益为100010Ka0sNssR1)(1、当，时：输入信号作用下：（1）稳定性分析；（2）和确定；（3）动态性能分析；（4）稳态性能分析。干扰信号作用下：（1）动态性能分析。分析过程n，00.10.20.30.40.50.600.20.40.60.811.21.4System:sysTime(sec):0.104Amplitude:1.35System:sysTime(sec):0.154Amplitude:1.21System:sysTime(sec):0.373Amplitude:0.98System:sysTime(sec):0.236Amplitude:1.05StepResponseTime(sec)AmplitudeKa=200Ka=100当Ka=100和Ka=200时输入信号作用下二阶模型单位阶跃响应曲线(MATLAB仿真曲线)当Ka=100和Ka=200时扰动信号作用下二阶模型单位阶跃响应曲线(MATLAB仿真曲线)200100和aK时硬盘驱动读写系统二阶模型的性能3102.531042.231035.1性能指标要求指标Ka=100时的实际指标Ka=200时的实际指标超调量5%21%35%调节时间50ms374ms236ms单位扰动最大响应由表可知，只有比例控制器时，除系统的单位扰动最大响应满足要求以外，超调量、调节时间等性能指标不满足要求。因此有必要设计其他控制器以使系统的响应能够满足既快速又不大幅震荡的要求。