單閉環(huán)磁盤驅(qū)動(dòng)讀取系統(tǒng)性能分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題 目: 單閉環(huán)磁盤驅(qū)動(dòng)讀取系統(tǒng)性能分析與參數(shù)設(shè)計(jì) 初始條件：磁盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 圖1 磁盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)物理示意圖R(s)-C(s)AmplifierCoilLoad傳感器N(s)-圖2 磁盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖圖2中，Amplifier模塊代表控制器，此處用比例控制器，coil模塊代表執(zhí)行機(jī)構(gòu)，此處為電機(jī)，該模塊的傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化為,load環(huán)節(jié)代表荷載，該模塊的傳遞函數(shù)為。要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）（1） 求出系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)傳遞函數(shù)，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如果系統(tǒng)穩(wěn)定，求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；（

2、2） 分析磁盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出單調(diào)上升時(shí)，放大環(huán)節(jié)的放大系數(shù)Ka的變化范圍，并用Matlab畫出其根軌跡；（3） 分析Ka變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的影響，并進(jìn)行計(jì)算；（4） 設(shè)計(jì)系統(tǒng)在單位階躍信號(hào)作用下超調(diào)小于4.3%時(shí)的Ka值，計(jì)算對(duì)應(yīng)的其它動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)；分析系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)；（5） 分析系統(tǒng)是否能跟蹤單位斜坡輸入和單位加速度輸入；（6） 分析干擾信號(hào)N（s）為單位階躍信號(hào)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)性能的影響；（7） 對(duì)上述任務(wù)寫出完整的課程設(shè)計(jì)說明書，說明書中必須寫清楚分析計(jì)算的過程，并包含Matlab源程序或Simulink仿真模型，說明書的格式按照教務(wù)處標(biāo)準(zhǔn)書寫。時(shí)間安排： 任務(wù)時(shí)間（天）指導(dǎo)老師下達(dá)任務(wù)

3、書，審題、查閱相關(guān)資料2分析、計(jì)算2編寫程序1撰寫報(bào)告2論文答辯1指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要I單閉環(huán)磁盤驅(qū)動(dòng)讀取系統(tǒng)性能分析與參數(shù)設(shè)計(jì)11設(shè)計(jì)的目的及意義11.1設(shè)計(jì)目的11.2設(shè)計(jì)意義12原系統(tǒng)性能分析22.1磁頭控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖22.2校正前系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)22.3校正前系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)22.4校正前系統(tǒng)穩(wěn)定性能分析23設(shè)計(jì)系統(tǒng)43.1設(shè)計(jì)系統(tǒng)思路43.2設(shè)計(jì)步驟43.2.1系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的分析思路43.2.2分析N(s)與R(s)的不同情況43.2.3系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)73.3分析跟蹤單位斜坡輸入93.4分析跟蹤單位加速度輸入114再議穩(wěn)定性12

4、總結(jié)13參考文獻(xiàn)14摘要在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動(dòng)控制系統(tǒng)起著越來越重要的作用。近幾十年來隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在宇宙航行、機(jī)器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)以及核動(dòng)力等高新技術(shù)中，自動(dòng)控制計(jì)數(shù)具有特別重要的作用。自控是系統(tǒng)設(shè)計(jì)，現(xiàn)代控制，電機(jī)調(diào)速等后續(xù)學(xué)科的基礎(chǔ)。俗話說：“萬丈高樓平地起?！迸c自動(dòng)化相關(guān)的專業(yè)，其專業(yè)課程必設(shè)計(jì)自控原理；從工程角度講，被控制的對(duì)象一般接收的信號(hào)都是模擬信號(hào)，這就有一定的物理意義，而物理學(xué)是一種理論性較強(qiáng)的學(xué)科。未來自動(dòng)化的設(shè)備將會(huì)應(yīng)用更加廣泛，自動(dòng)化設(shè)備也會(huì)更加智能，這些都是建立在自控原理之上的。磁盤可以方便有效的儲(chǔ)存信息。磁盤驅(qū)動(dòng)器則廣泛用于從便攜式計(jì)算機(jī)

5、到大型計(jì)算機(jī)等各類計(jì)算機(jī)中，是控制工程的一個(gè)重要應(yīng)用實(shí)例。本次任務(wù)是如何讓磁盤系統(tǒng)精確讀取。關(guān)鍵字：自動(dòng)控制 自動(dòng)化 磁盤系統(tǒng)II武漢理工大學(xué)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書單閉環(huán)磁盤驅(qū)動(dòng)讀取系統(tǒng)性能分析與參數(shù)設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)的目的及意義1.1設(shè)計(jì)目的1、通過本次課程設(shè)計(jì)，能夠培養(yǎng)自己理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)思想，訓(xùn)練自己綜合運(yùn)用經(jīng)典控制理論和相關(guān)課程知識(shí)的能力。2、掌握自動(dòng)控制原理中各種校正裝置的作用及用法，根據(jù)不同的系統(tǒng)性能指標(biāo)要求進(jìn)行合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并調(diào)試滿足系統(tǒng)的指標(biāo)。3、進(jìn)一步加深對(duì)MATLAB軟件的認(rèn)識(shí)和理解，學(xué)會(huì)使用MATLAB語言來進(jìn)行系統(tǒng)建模、系統(tǒng)校正中的性能參數(shù)的求解、以及系統(tǒng)仿真與調(diào)試。4

6、、此外，還可以通過本次設(shè)計(jì)來鍛煉獨(dú)立思考和動(dòng)手解決控制系統(tǒng)實(shí)際問題的能力。1.2設(shè)計(jì)意義通過對(duì)磁盤驅(qū)動(dòng)器磁頭控制系統(tǒng)的校正，可以保證磁頭的精確位置，可以減小參數(shù)變化和外部振動(dòng)對(duì)磁頭定位造成的影響。作用于磁盤驅(qū)動(dòng)器的擾動(dòng)包括物理振動(dòng)、磁盤轉(zhuǎn)軸軸承的磨損和擺動(dòng)，以及元件老化引起的參數(shù)變化等。2原系統(tǒng)性能分析2.1磁頭控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 R(s)-線圈負(fù)載N(s)-圖2-1磁頭控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2校正前系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)由初始條件可得：其開環(huán)傳遞函數(shù)為：Gs=Ka4s(s1000+1)(s20+1)此時(shí)可得 K=Ka42.3校正前系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：s=Ka4ss1000+1s20+1+Ka4

7、2.4校正前系統(tǒng)穩(wěn)定性能分析該閉環(huán)函數(shù)的特征方程為:Ds=s3+1020s2+20000s+5000Ka列出相應(yīng)的勞斯表：s3120000s210205000Kas1b1s05000Ka表2-1系統(tǒng)勞斯表其中b1=1020*20000-5000Ka1020當(dāng)Ka=4080時(shí)，b1=0，出現(xiàn)臨界穩(wěn)定情況。有勞倫斯可得輔助方程1020s2+5000*4080=0解其方程得系統(tǒng)的一對(duì)純虛根為s1,2=±141.4j。顯然，此時(shí)使系統(tǒng)穩(wěn)定的Ka值范圍應(yīng)取0<Ka<4080穩(wěn)態(tài)誤差為：ess=limssEs=4(4+ka)根軌跡如下圖：圖2-2 K=20時(shí)的系統(tǒng)根軌跡此時(shí)開環(huán)傳遞函

8、數(shù)有0個(gè)零點(diǎn)，三個(gè)極點(diǎn)，分別為0，-20，-1000。3設(shè)計(jì)系統(tǒng)3.1設(shè)計(jì)系統(tǒng)思路為了使磁頭控制系統(tǒng)的性能滿足要求，需要進(jìn)行在不同Ka值下用MATLAB對(duì)超調(diào)量的計(jì)算。3.2設(shè)計(jì)步驟3.2.1系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的分析思路在控制工程中，幾乎所有的控制系統(tǒng)都是高階系統(tǒng)，即用高階微分方程描述的系統(tǒng)。對(duì)于不能用一、二階系統(tǒng)近似的高階系統(tǒng)來說，其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的確定是比較復(fù)雜的。工程上常采用閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)的概念對(duì)高階系統(tǒng)進(jìn)行近似分析，或直接應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行高階系統(tǒng)性能分析。通過計(jì)算及繪制根軌跡圖得出系統(tǒng)閉環(huán)根軌跡特性，通過其階躍響應(yīng)可知其穩(wěn)定性。3.2.2分析N(s)與R(s)的不同情況1）當(dāng)N(s)=0

9、,R(s)=1/s時(shí)誤差信號(hào)E(s)=11+KaG1(s)G2(s)Rs于是limte(t)=lims0s11+KaG1(s)G2(s)1s=0上式表明系統(tǒng)在單位階躍輸入作用下的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差為零。這一結(jié)論與Ka取值無關(guān)。當(dāng)N(s)=0時(shí)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：s=CsRs=KaG1sG2s1+KaG1sG2s=5000Kass+20s+1000+5000Ka=5000Kas3+1020s2+20000s+5000Ka此時(shí)分別取Ka=10、Ka=30和Ka=60利用MATLAB文本繪制響應(yīng)曲線圖3、圖4和圖5當(dāng)Ka=10時(shí)此時(shí)的程序文本和圖形如下：num=50000；den=1,1020,20000,5

10、0000；step(num,den)圖3-1 Ka=10時(shí)的階躍響應(yīng)曲線由圖形可得此時(shí)的超調(diào)量小于4.3%。當(dāng)Ka=30時(shí)，此時(shí)的程序文本和圖形為：num=150000；den=1,1020,20000,150000；step(num,den) 圖3-2 Ka=30時(shí)的階躍響應(yīng)曲線當(dāng)Ka=60時(shí)，此時(shí)的程序文本和圖形為：num=300000；den=1,1020,20000,300000；step(num,den)圖3-3 Ka=60時(shí)的階躍響應(yīng)曲線C(s)=G2(s)1+KaG1(s)G2(s)N(s)Ka=60利用MATLAB文本繪制響應(yīng)曲線圖4校正前的伯德圖在matlab中的程序如下：G

11、=zpk(,0 -1000 -20,7.5*1000*20); sys=feedback(G,1); figure(1);margin(G);grid figure(2);bode(sys);grid figure(3);step(sys);系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻和相頻曲線伯德圖如下圖：圖3-5系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻和相頻曲線伯德圖系統(tǒng)閉環(huán)對(duì)數(shù)幅頻和相頻曲線如下圖：圖3-6 系統(tǒng)閉環(huán)對(duì)數(shù)幅頻和相頻曲線閉環(huán)系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線如下圖：圖3-7閉環(huán)系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線由伯德圖可得：原傳遞函數(shù)的截至頻率為：c=141rad/s 原傳遞函數(shù)的穿越頻率為：g=7.07rad/s原傳遞函數(shù)的相角裕度為：=70.1deg 原傳遞函數(shù)的幅值裕度為：Gjc=42.7db3.3分析跟蹤單位斜坡輸入在控制系統(tǒng)中，要求r(t)=Rt,其中R為輸入階躍函數(shù)的幅值，其值為1，則Rs=R/s2。將R(s)代入，算出各型系統(tǒng)在斜坡輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差：ess=, =0RK=常數(shù),=10, 2誤差計(jì)算：由系統(tǒng)給定的開環(huán)傳遞函數(shù)可得：10課程設(shè)計(jì)題目：?jiǎn)伍]環(huán)磁盤驅(qū)動(dòng)讀取系統(tǒng)性能分析與