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[摘要]对自动控制系统电位器式位置传动系统进行计算机仿真分析。主要讨论控制系统的动态仿真及应用。
[关键词]自动控制传动系统 SIMULINK 仿真
中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1671－7597 (2008) 0120026－02
本文以所做的一个电位器式位置传动系统的SIMULINK仿真研究为例：
一、系统的组成
（一）首先系统的结构原理图如下
（二）该系统由以下几部分组成
1.Rp1，Rp2组成位置传感器。Rp1给定位置传感器，其转轴与操纵轮连接，发出转角给定信号θm*；Rp2是反馈位置传感器，其转轴通过传动机构与负载的转轴相连，得到转角反馈信号θm。两个电位器由同一个直流电源Us供电，是电位器输出电压U*和U，直接将位置信号转换成电压量。误差电压?U=U*-U反映给定与反馈的转角误差θm=θm*-θm，通过放大器等环节拖动负载，最终消灭误差。
2.电压比较放大器(A)。两个电位器输出的电压信号U*和U在放大器A中比较与放大，发出控制信号Uc。由于U是可正可负的，放大器必须具有鉴别电压极性的能力。输出的控制电压Uc也是可逆的。
3.电力电子变换器(UPE)。它主要起功率放大作用（同时也放大了电压），而且必须是可逆的，在小功率直流随动系统中多用P-MOSFET或IGBT桥式PWM变换器。
4.伺服电机(SM)。在小功率直流随动系统中多用永磁式直流伺服电机，在不同情况下也可采用其他直流或交流伺服电机。有伺服电机和电力电子变换器构成可逆拖动系统是位置随动系统的执行机构。
5.减速器与负载。在一般情况下负载的转速是很低的，在电机与负载之间必须设有传动比为i的减速器。
二、位置随动系统的具体分析
非线性系统框图如下：
本例系统框图为：
系统的开环增益是影响随动系统的静态、动态指标的重要参数之一。例如在一般情况下，数控机床伺服系统的增益取20～30。通常把K<20范围的伺服系统称为低增益或软伺服系统，多用于点位控制。而把K>20的系统称为高增益或硬伺服系统，应用于轮廓加工。
（一）位置随动系统不稳定状态
1．原系统未作任何改善时的情况：
（1）其中：T=0.2为伺服电机的时间常数， 开环增益K=50。
（2）通过SIMULINK系统仿真运行结果如下：
分析：该系统显然不符合所需要的控制要求超调量为0.6太大；振荡次数太多。
（3）存在自持震荡。
2．对系统进行改善：
（1）适当降低系统增益如下图：
（2）其中：改变开环增益K从50变为5。
（3）通过SIMULINK系统仿真运行结果如下：
分析：在降低系统增益以后，系统的稳定性和动态性能有明显改善，而且振幅减小，振荡次数减少，超调量也减小。
若想让该系统无超调输出，可继续减小开环放大增益试取k=1.5如下图：
（4）通过SIMULINK系统仿真运行结果如下：
分析：该系统超调量变为0，达到目的。
（二）考虑传动齿轮的间隙
1．间隙（滞环）特性
在元件开始动作、输入信号小于a时，元件无输出信号。只有输入信号大于a时，元件输出信号才随输入信号线性变化。
当元件反向动作时，元件的输出则保持在运动方向发生变化瞬间的值上，直到输入信号反向变化达到a的两倍以后，输出信号才又随输入信号线性变化。
2．在系统中加入间隙特性再进行分析得
通过SIMULINK系统仿真运行结果如下：
分析：该系统明显滞后，并且最终未达到目标值。
3．对系统进行改善
试在该系统中串入微分环节并改变放大倍数后可得：
通过SIMULINK系统仿真得到如下波形图：
（三）考虑死区特性
1．当考虑调节器或执行机构的死区特性时，使用Matlab进行分析如下图:
得到仿真波形如下图：
分析：超调量为0.48，很显然在死区范围有滞后现象，并且在相对稳定之后依然存在震荡。
2．对该系统进行改善
由于用一个非线性环节并联到另一个非线性环节可使两个非线性环节变成线性环节。所以，试并联一饱和特性环节非线性可得：
通过SIMULINK系统仿真运行结果如下：
分析：显然系统性能有了明显的改善.其超调量为0.3，震荡现象也有所改善。
参考文献：
[1]胡寿松主编，自动控制原理简明教程.北京:科学出版社，2003.
[2]戴忠达主编，自动控制理论.北京:清华大学出版社，1991.
[3]孟宪蔷主编，控制系统工程.北京:航空工业出版社，1992.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
[关键词]自动控制传动系统 SIMULINK 仿真
中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1671－7597 (2008) 0120026－02
本文以所做的一个电位器式位置传动系统的SIMULINK仿真研究为例：
一、系统的组成
（一）首先系统的结构原理图如下
（二）该系统由以下几部分组成
1.Rp1，Rp2组成位置传感器。Rp1给定位置传感器，其转轴与操纵轮连接，发出转角给定信号θm*；Rp2是反馈位置传感器，其转轴通过传动机构与负载的转轴相连，得到转角反馈信号θm。两个电位器由同一个直流电源Us供电，是电位器输出电压U*和U，直接将位置信号转换成电压量。误差电压?U=U*-U反映给定与反馈的转角误差θm=θm*-θm，通过放大器等环节拖动负载，最终消灭误差。
2.电压比较放大器(A)。两个电位器输出的电压信号U*和U在放大器A中比较与放大，发出控制信号Uc。由于U是可正可负的，放大器必须具有鉴别电压极性的能力。输出的控制电压Uc也是可逆的。
3.电力电子变换器(UPE)。它主要起功率放大作用（同时也放大了电压），而且必须是可逆的，在小功率直流随动系统中多用P-MOSFET或IGBT桥式PWM变换器。
4.伺服电机(SM)。在小功率直流随动系统中多用永磁式直流伺服电机，在不同情况下也可采用其他直流或交流伺服电机。有伺服电机和电力电子变换器构成可逆拖动系统是位置随动系统的执行机构。
5.减速器与负载。在一般情况下负载的转速是很低的，在电机与负载之间必须设有传动比为i的减速器。
二、位置随动系统的具体分析
非线性系统框图如下：
本例系统框图为：
系统的开环增益是影响随动系统的静态、动态指标的重要参数之一。例如在一般情况下，数控机床伺服系统的增益取20～30。通常把K<20范围的伺服系统称为低增益或软伺服系统，多用于点位控制。而把K>20的系统称为高增益或硬伺服系统，应用于轮廓加工。
（一）位置随动系统不稳定状态
1．原系统未作任何改善时的情况：
（1）其中：T=0.2为伺服电机的时间常数， 开环增益K=50。
（2）通过SIMULINK系统仿真运行结果如下：
分析：该系统显然不符合所需要的控制要求超调量为0.6太大；振荡次数太多。
（3）存在自持震荡。
2．对系统进行改善：
（1）适当降低系统增益如下图：
（2）其中：改变开环增益K从50变为5。
（3）通过SIMULINK系统仿真运行结果如下：
分析：在降低系统增益以后，系统的稳定性和动态性能有明显改善，而且振幅减小，振荡次数减少，超调量也减小。
若想让该系统无超调输出，可继续减小开环放大增益试取k=1.5如下图：
（4）通过SIMULINK系统仿真运行结果如下：
分析：该系统超调量变为0，达到目的。
（二）考虑传动齿轮的间隙
1．间隙（滞环）特性
在元件开始动作、输入信号小于a时，元件无输出信号。只有输入信号大于a时，元件输出信号才随输入信号线性变化。
当元件反向动作时，元件的输出则保持在运动方向发生变化瞬间的值上，直到输入信号反向变化达到a的两倍以后，输出信号才又随输入信号线性变化。
2．在系统中加入间隙特性再进行分析得
通过SIMULINK系统仿真运行结果如下：
分析：该系统明显滞后，并且最终未达到目标值。
3．对系统进行改善
试在该系统中串入微分环节并改变放大倍数后可得：
通过SIMULINK系统仿真得到如下波形图：
（三）考虑死区特性
1．当考虑调节器或执行机构的死区特性时，使用Matlab进行分析如下图:
得到仿真波形如下图：
分析：超调量为0.48，很显然在死区范围有滞后现象，并且在相对稳定之后依然存在震荡。
2．对该系统进行改善
由于用一个非线性环节并联到另一个非线性环节可使两个非线性环节变成线性环节。所以，试并联一饱和特性环节非线性可得：
通过SIMULINK系统仿真运行结果如下：
分析：显然系统性能有了明显的改善.其超调量为0.3，震荡现象也有所改善。
参考文献：
[1]胡寿松主编，自动控制原理简明教程.北京:科学出版社，2003.
[2]戴忠达主编，自动控制理论.北京:清华大学出版社，1991.
[3]孟宪蔷主编，控制系统工程.北京:航空工业出版社，1992.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”