位置随动系统设计与仿真 - 图文

第二章雷达天线位置随动系统的设计

2.1位置随动系统概述

随动系统的共性就是输出量快速而准确地复现给定量。随动系统的另一个名称“伺服系统”也很好的体现了这个共性，而位置随动系统的被控量是位置，一般用线位移或角位移表示。当位置给定量作某种变化时，该系统的主要任务就是使输出位移快速而准确地复现给定量位移。在生产实践中，位置随动系统的应用领域非常广泛。例如，船舵的自动操纵控制，雷达天线的自动跟踪控制，宇航设备的自动驾驶，火炮方位的自动跟踪，数控机床的定位控制和加工轨迹控制等等。随着机电一体化技术的发展，位置随动系统现已成为工业、国防和高科技领域中不可缺少的设备，是电力拖动自动控制系统的一个重要分支。

随动系统和调速系统一样都是反馈控制系统，通过对系统的输出量和给定量进行比较，组成闭环控制。位置随动系统不同于调速系统，其位置给定是经常变化的，是一个随机变量，它要求输出量能够准确的跟随给定量的变化，系统稳定是前提，在保证稳定性的情况下，输出响应的快速性、灵活性、准确性是位置随动系统的主要特证，所以位置随动系统必定是一个位置反馈控制系统。本文我们以雷达天线位置跟随系统为例，介绍系统的工作过程，设计原理，并对其进行仿真。

2.2雷达天线位置随动系统的工作原理 2.2.1系统的基本组成

图2—1为位置随动系统的实物图，用来实现雷达天线的跟踪控制。

图2-1雷达天线位置随动系统实物图

这个系统由位置检测器 、电压比较放大器 、可逆功率放大器 、执行机构等几个部分组成，其原理图如图2-2所示：

图2-2雷达天线位置随动系统原理图

该随动系统中各部分的元件选择及其功能介绍：

1、测量元件：其只能是检测被控制对象的物理量，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；热

电偶用于检测温度转换成电压；测速发电机用于检测电动机的速度转换成电压等。

位置随动系统要控制的量一般是直线位移或角位移, 组成位置环时必须通过检测装置将它们转换成一定形式的电量，这就需要位移检测装置。这里的位移检测装置我们选用电位器，由电位器RP1和RP2组成角度检测器，其中电位器RP1的转轴与手轮相连，作为转角给定，电位器RP2的转轴通过机械机构与负载部件相连接，作为转角反馈，两个电位器均由同一个直流电源供电，这样便实现了将位置直接转换成电量输出。

（2）放大元件：其职能是将偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。可用晶体管、晶闸管等组成的电压放大级和功率放大级将偏差信号放大。

该系统中我们应用电压比较放大器 和可逆功率放大器，电压比较放大器由放大器1A、2A组成，其中放大器1A仅起倒相作用，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的能力。为了推动随动系统的执行电动机，只有电压放大是不够的，还必须有功率放大，功率放大由晶闸管或大功率晶体管组成整流电路，由它输出一个足以驱动电动机SM的电压。

（3）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阀、电动机等。这个系统中选用永磁式直流伺服电动机SM作为带动负载运动的执行机构。

直流伺服电动机SM实物图如图2-3所示

图2-3直流伺服电动机SM实物图

（4）减速器：其职能是实现执行元件与负载之间的匹配。由于执行元件为高转

速、小转矩的电动机，而负载雷达天线是低转速的，所以在电机和负载之间需要引入减速器，以达到两者之间的平衡。减速器常用一个齿轮组。

2.2.2该位置随动系统的工作原理

如果两个电位器RPl和RP2的转轴位置相同，即给定角θ1与反馈角θ2相等，此时角差 Δθ=θ1－θ2=0,两个电位器的输出电压U*=U，所以电压比较放大器的输出电压Uct=0，可逆功率放大器的输出电压Ud=0，SM电动机的转速n=0，系统处于静止状态。

但系统存在惯性，若输入θ1（t）变化，输出θ2(t)难以立即复现，此时θ2(t)≠θ1（t），如当给定角θ1 增大，Δθ>0，则U1>U2，Uk>0，Ud>o，电动机转速 n >0，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RP2的转轴，使θ2相应增大。只要θ2<θ1，SM电动机就一直带动雷达天线朝着缩小偏差的方向运动，当达到θ1=θ2，偏差角Δθ=0，Uk=0，Ud=0时，系统才会停止运动，在新的状态重新稳定下来。当给定角θ1减小，则系统运动方向将和上述情况相反。显而易见，这个系统完全能够实现被控制量θ2准确跟踪给定量θ1 的变化，这种现象就称为随动。