自控课程设计--雷达系统

雷达天线伺服控制系统第1页/共12页目录1雷达天线伺服控制系统简介........................................................................................................21.1概述...........................................................................................................................................................21.2系统的组成...................................................................................................................................................31.3工作原理.......................................................................................................................................................32雷达天线伺服控制系统主要元部件........................................................................................42.1位置检测器...................................................................................................................................................42.2电压比较放大器...........................................................................................................................................52.3可逆功率放大器...........................................................................................................................................52.4执行机构.......................................................................................................................................................63系统的开环增益的选择和系统的静态计算........................................................................74系统的动态分析....................................................................................................................................95校正设计.................................................................................................................................................106结论......................................................................................................................................................12雷达天线伺服控制系统第2页/共12页1雷达天线伺服控制系统简介1.1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雷达天线伺服控制系统第3页/共12页1.2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、可逆功率放大器、执行机构。以上四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：工作机械（雷达天线）。2、被控量：角位置m。3、干扰：主要是负载变化（f及LT）。4、给定值：指令转角*m。5、传感器：由电位器测量m、*m，并转化为U、*U。6、比较计算：两电位器按电桥连接，完成减法运算*UUe（偏差）。7、控制器：放大器，比例控制。8、执行器：直流电动机及减速箱。1.3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，当两个电位器1RP和2RP的转轴位置一样时，给定角*m与反馈角m相等，所以角差*mmm0，电位器输出电压*UU，电压放大器的输出电压ctU0，可逆功率放大器的输出电压dU0，电动机的转速n0，系统处于静止状态。当转动手轮，使给定角*m增大，m0，则*UU，ctU0，dU0，电动机转速n0，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2RP的转轴，使m也增大。只要*mm，电动机就带动雷达天线超着缩小偏差的方向运动，只有当*mm，偏差角m0，ctU0，dU0，系统才会停止运动而处在新的稳定状态。如果给定角*m减小，则系统运动方向将和上述情况相反雷达天线伺服控制系统第4页/共12页2雷达天线伺服控制系统主要元部件2.1位置检测器位置检测器作为测量元件，由电位器1RP和2RP组成位置（角度）检测器。在控制系统中,单个电位器用作为信号变换装置，一对电位器可以组成误差检测器，空载时，单个电位器的电刷角位移()t与输出电压()ut的关系曲线在进行理论分析时可以用直线近似，于是可得输出电压为0()()utKt式中0maxKE，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是电位器最大工作角。对上式求拉氏变换，并令()[()]UsLut，()[()]sLt，可求得电位器传递函数为0()()()UsGsKs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。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()Xs就是()s，输出()Cs就是()Us，()Gs就是0K。用一对相同的电位器组成误差检测器时，其输出电压为120120()()()[()()]()utututKttKt式中0K是单个电位器的传递系数；12()()()ttt是两个电位器电刷角位移之差。称为误差角。因此，误差角为输入时，误差检测器的传递函数与单个电位器传递函数相同，即为0()()()UsGsKs雷达天线伺服控制系统第5页/共12页2.2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：*ctct()UKUU其中ct10KRR，又因*UUe（偏差），所以上式可以写成ctctUKe，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ctct()()()UsGsKEs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所示的方框图表示图2-2电压比较器方框图其中ct()GsK。2.3可逆功率放大器本设计用到的功率放大器由晶闸管或大功率晶体管组成功放电路，由它输出一个足以驱动电动机SM的电压和电流。分析可知，对该环节做近似处理，可得ddctUKU对式子两边同时做拉氏变换，得可逆功率放大器的传递函数为ddct()()()UsGsKUs用图2-3所示的方框图表示。G(s)U(s)ctUd(s)图2-3可逆功率放大器方框图其中d()GsK。E(s)Uct(s)G(s)雷达天线伺服控制系统第6页/共12页2.4执行机构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。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mmm1d2()()()()dtTtKutKMtdt式中()Mt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()ut到m()t和()Mt到m()t的传递函数，以便研究在d()ut和()Mt分别作用下电动机转速m()t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()0Mt时和在零初始条件下，即'mm(0)(0)0时，对上式各项求拉氏变换，并令mm()[()]sLt，dd()[()]UsLut，则得s的代数方程为mm1d(1)()()TssKUs由传递函数的定义，于是有m1dm()()()1sKGsUsTs()Gs便是电枢电压d()ut到m()t的传递函数，mT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()1KGsTs。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'()()()gNsGsKNs其中g1/Ki。雷达天线伺服控制系统第7页/共12页3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经电位器变成给定信号*U，被控量经电位器变成反