辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计 目录 1、前言 (1) 1.1设计目的 (1) 1.2设计内容 (1) 2、伺服系统的基本组成原理及电路设计 (2) 2.1伺服系统基本原理及系统框图 (2) 2.2 伺服系统的模拟PD+数字前馈控制 (4) 2.3 伺服系统的程序 (6) 3、仿真波形图 (9) 结论 (12) 心得与体会 (13) 参考文献 (14)
1、前言 1.1设计目的 1、使学生进一步掌握电力拖动自动控制系统的理论知识，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力； 2、使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力； 3、熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。 1.2设计内容 1、分析和设计具有三环结构的伺服系统，用绘图软件（matlab）画原理图还有波形图； 2、分析并理解具有三环结构的伺服系统原理。
2、伺服系统的基本组成原理及电路设计 2.1伺服系统基本原理及系统框图 伺服系统三环的PID控制原理: 以转台伺服系统为例,其控制结构如图2-1所示,其中r为框架参考角位置输入信号, 为输出角位置信号. 图2-1 转台伺服系统框图 伺服系统执行机构为典型的直流电动驱动机构,电机输出轴直接与负载-转动轴相连,为使系统具有较好的速度和加速度性能,引入测速机信号作为系统的速度反馈,直接构成模拟式速度回路.由高精度圆感应同步器与数字变换装置构成数字式角位置伺服回路. 转台伺服系统单框的位置环,速度环和电流环框图如图2-2,图2-3和图2-4所示. 图2-2 伺服系统位置环框图 图2-3 伺服系统速度环框图
此文档下载后即可编辑 随机数字信号处理期末大作业（报告） 基于卡尔曼滤波器的雷达目标跟踪 Radar target tracking based on Kalman filter 学院（系）：创新实验学院 专业：信息与通信工程 学生姓名：李润顺 学号：21424011 任课教师：殷福亮 完成日期：2015年7月14日
大连理工大学Dalian University of Technology
摘要 雷达目标跟踪环节的性能直接决定雷达系统的安全效能。由于卡尔曼滤波器在状态估计与预测方面具有强大的性能，因此在目标跟踪领域有广泛应用，同时也是是现阶段雷达中最常用的跟踪算法。本文先介绍了雷达目标跟踪的应用背景以及研究现状，然后在介绍卡尔曼滤波算法和分析卡尔曼滤波器性能的基础上，将其应用于雷达目标跟踪，雷达在搜索到目标并记录目标的位置数据，对测量到的目标位置数据（称为点迹）进行处理，自动形成航迹，并对目标在下一时刻的位置进行预测。最后对在一个假设的情境给出基于卡尔曼滤波的雷达目标跟踪算法对单个目标航迹进行预测的MATLAB仿真，对实验的效果进行评估，分析预测误差。 关键词：卡尔曼滤波器；雷达目标跟踪；航迹预测；预测误差；MATLAB 仿真 - 1 -
1 引言 1.1 研究背景及意义 雷达目标跟踪是整个雷达系统中一个非常关键的环节。跟踪的任务是通过相关和滤波处理建立目标的运动轨迹。雷达系统根据在建立目标轨迹过程中对目标运动状态所作的估计和预测，评估船舶航行的安全态势和机动试操船的安全效果。因此，雷达跟踪环节工作性能的优劣直接影响到雷达系统的安全效能[1]。 鉴于目标跟踪在增进雷达效能中的重要作用，各国在军用和民用等领域中一直非常重视发展这一雷达技术。机动目标跟踪理论有了很大的发展，尤其是在跟踪算法的研究上，理论更是日趋成熟。在跟踪算法中，主要有线性自回归滤波、两点外推滤波、维纳滤波、加权最小二乘滤波、β α-滤波和卡尔曼滤波，其中卡尔曼滤波算法在目标跟踪理论中占据了主导地位。
液压伺服系统工作原理 1.1 液压伺服系统工作原理 液压伺服系统以其响应速度快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。 电液伺服系统通过使用电液伺服阀，将小功率的电信号转换为大功率的液压动力，从而实现了一些重型机械设备的伺服控制。 液压伺服系统是使系统的输出量，如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地跟随输入量的变化而变化，与此同时，输出功率被大幅度地放大。液压伺服系统的工作原理可由图1来说明。 图1所示为一个对管道流量进行连续控制的电液伺服系统。在大口径流体管道1中，阀板2的转角θ变化会产生节流作用而起到调节流量qT的作用。阀板转动由液压缸带动齿轮、齿条来实现。这个系统的输入量是电位器5的给定值x i。对应给定值x i，有一定的电压输给放大器7，放大器将电压信号转换为电流信号加到伺服阀的电磁线圈上，使阀芯相应地产生一定的开口量x v。阀开口x v使液压油进入液压缸上腔，推动液压缸向下移动。液压缸下腔的油液则经伺服阀流回油箱。液压缸的向下移动，使齿轮、齿条带动阀板产生偏转。同时，液压缸活塞杆也带动电位器6的触点下移x p。当x p所对应的电压与x i所对应的电压相等时，两电压之差为零。这时，放大器的输出电流亦为零，伺服阀关闭，液压缸带动的阀板停在相应的qT位置。 图1 管道流量（或静压力）的电液伺服系统 1—流体管道；2—阀板；3—齿轮、齿条；4—液压缸；5—给定电位器；6—流量传感电位器；7—放大器；8—电液伺服 阀 在控制系统中，将被控制对象的输出信号回输到系统的输入端，并与给定值进行比较而形成偏差信号以产生对被控对象的控制作用，这种控制形式称之为反馈控制。反馈信号与给定信号符号相反，即总是形成差值，这种反馈称之为负反馈。用负反馈产生的偏差信号进行调节，是反馈控制的基本特征。而对图1所示的实例中，电位器6就是反馈装置，偏差信号就是给定信号电压与反馈信号电压在放大器输入端产生的△u。 图2 给出对应图1实例的方框图。控制系统常用方框图表示系统各元件之间的联系。上图方框中用文字表示了各元件，后面将介绍方框图采用数学公式的表达形式。 液压伺服系统的组成 液压伺服系统的组成 由上面举例可见，液压伺服系统是由以下一些基本元件组成；
液压伺服系统 液压伺服系统是以高压液体作为驱动源的伺服系统，是使系统的输出量，如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地跟随输入量的变化而变化，与此同时，输出功率被大幅度地放大。液压伺服系统以其响应速度快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。 一、液压伺服系统的基本组成 液压伺服系统无论多么复杂，都是由一些基本元件组成的。如图就是一个典型的伺服系统，该图表示了各元件在系统中的位置和相互间的关系。 （1）外界能源—为了能用作用力很小的输入信号获得作用力很大的输出信号，就需要外加能源，这样就可以得到力或功率的放大作用。外界能源可以是机械的、电气的、液压的或它们的组合形式。 （2）液压伺服阀—用以接收输入信号，并控制执行元件的动作。它具有放大、比较等几种功能，如滑阀等。 （3）执行元件—接收伺服阀传来的信号，产生与输入信号相适应的输出信号，并作用于控制对象上，如液压缸等。 （4）反馈装置—将执行元件的输出信号反过来输入给伺服阀，以便消除原来的误差信号，它构成闭环控制系统。 （5）控制对象—伺服系统所要操纵的对象，它的输出量即为系统的被调量(或被控制量)，如机床的工作台、刀架等。 二、液压伺服系统的分类 液压伺服系统是由液压动力机构和反馈机构组成的闭环控制系统，分为机械液压伺服系统和电气液压伺服系统（简称电液伺服系统）两类。 电液伺服系统 电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。最常见的有电液位置伺服系统、电液速度控制系统和电液力（或力矩）控制系统。 如图是一个典型的电液位置伺服控制系统。图中反馈电位器与指令电位器接成桥式电路。反馈电位器滑臂与控制对象相连，其作用是把控制对象位置的变化转换成电压的变化。反馈电位器与指令电位器滑臂间的电位差（反映控制对象位置与指令位置的偏差）经放大器放大后，加于电液伺服阀转换为液压信号，以推动液压缸活塞，驱动控制对象向消除偏差方向运动。当偏差为零时，停止驱动，因而使控制对象的位置总是按指令电位器给定的规律变化。 电液伺服系统中常用的位置检测元件有自整角机、旋转变压器、感应同步器和差动变压器等。伺服放大器为伺服阀提供所需要的驱动电流。电液伺服阀的作用是将小功率的电信号转换为阀的运动，以控制流向液压动力机构的流量和压力。因此，电液伺服阀既是电液转换元件又是功率放大元件，它的性能对系统的特性影响很大，是电液伺服系统中的关键元件。液压动力机构由液压控制元件、执行机构和控制对象组成。液压控制元件常采用液压控制阀或伺服变量泵。常用的液压执行机构有液压缸和液压马达。液压动力机构的动态特性在很大程度上决定了电液伺服系统的性能。 为改善系统性能，电液伺服系统常采用串联滞后校正来提高低频增益，降低系统的稳态误差。此外，采用加速度或压力负反馈校正则是提高阻尼性能而又不降低效率的有效办法。
两者的设计思路和用途不同。普通缸主要作往复运动，某些有定位功能；伺服缸是为控制设计的，更看重动态性能。楼上挺幽默，在液压中控制元件是阀，动力元件是泵，缸和马达属于执行元件。 懂伺服，国内像704所等伺服阀做的也还行，伺服液压的核心是控制不是液压，只是因为液压是传动功率体积比最大的方式，更符合大力带小负载（相对），提高响应的原则才选择了液压传动，其实伺服液压跟伺服电机什么的都类似，重点是在控制上。当今液压系统的核心问题是提高传动效率，节能，所以才有什么负载敏感，闭式系统的出现，而伺服系统是典型的低效率系统，以效率换动态响应，正好相反，当然伺服系统也希望效率越高越好。各位可以好好看看机械手册，液压和伺服液压明显是两大块，就是因为二者的侧重点完全不同。东西并不是看上去相似就没多大区别，就像有翅膀的不一定是天使，也可能是鸟人。 两者的设计思路和用途不同。普通缸主要作往复运动，某些有定位功能；伺服缸是为控制设计的，更看重动态性能。楼上挺幽默，在液压中控制元件是阀，动力元件是泵，缸和马达属于执行元件。 伺服缸要考虑磨擦力，在伺服系统中它影响了系统的动态响应，控制精度，稳定性等等 在伺服缸设计中要选取用低磨擦系数的密封件，而运动面要比普通的更加精密。 电液伺服控制系统工作原理 电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。最常见的有电液位置伺服系统、电液力（或力矩）控制系统。液压伺服系统以其响应速度快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。 电液伺服系统通过使用电液伺服阀，将小功率的电信号转换为大功率的液压动力，从而实现了一些重型机械设备的伺服控制。 电液伺服控制系统是使系统的输出量，如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地跟随输入量地变化而变化，输出功率却被大幅度地放大。 液压缸的组成：基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置和排气装置五部分组成。 伺服液压缸的要求 低摩擦、无爬行、有较高的频率响应。低内外泄露。通常对其摩擦副作特殊处理。 钢筒：内摩擦面镀硬铬后抛光或精密衍磨。 活塞密封:用玻璃微珠填充的聚乙烯制的O型圈。 活塞杆密封：用丁腈橡胶制预加唇形密封圈，也有用内圆带很小圆锥度的导向套静动压密封圈。
第一章伺服系统概述 伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化，因此又称之为随动系统或自动跟踪系统。机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。 近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统。 目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。 1.1伺服系统的基本概念 1.1.1伺服系统的定义 “伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行停止。 伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。 1.1.2伺服系统的组成 伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由检测部分、误差放大部分、部分及被控对象组成。
1.1.3伺服系统性能的基本要求 1）精度高。伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。 2）稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。 3）快速响应。响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。 4）调速范围宽。调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。 5）低速大转矩。在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。 6）能够频繁的启动、制动以及正反转切换。 1.1.4 伺服系统的种类 伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；按照功能的不同可分为计量伺服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位置伺服、速度伺服和加速度伺服系统等。 电器伺服系统根据电气信号可分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类。交流伺服系统又有感应电机伺服系统和永磁同步电机伺服系统两种。 1.2 伺服系统的发展过程 伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程，电器伺服系统的发展则与伺服电机的不同发展阶段具有紧密的联系，伺服电机至今已有50多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段。 第一发展阶段（20世纪60年代以前）：此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制多为
全数字舵机用无刷直流电机伺服系统的设计 发表时间：2008-12-28 李金飞秦海鸿陈志辉王慧贞严仰光来源：《伺服控制》网络版 关键字：伺服系统全数字永磁无刷直流电动机舵机 信息化调查找茬投稿收藏评论好文推荐打印社区分享 本文基于TI公司的高性能DSP-TMS320F2812设计了全数字舵机用伺服系统,采用电流环内环,速度外环，位置最外环的三闭环控制结构。并设计了带有电压泵升电路的主功率电路以及功率管驱动电路,软件采用C语言模块化编程，对速度计算的改进提高了速度的计算精度和抗干扰能力。试验结果表明，分析正确，设计合理。 近年来，随着稀土永磁材料、电力电子技术的发展以及微处理器dsp性能的提高，永磁无刷直流电动机（permanent magnet brushless dc motor， pmbldcm）以其控制简单、输出转矩大、动态响应好、惯量小、可靠性高等优点而得到越来越广泛的研究和应用。尤其作为中小功率高性能调速电机和伺服电机，在航空航天、军事、家电及工业领域有广阔的应用前景和研究价值。 模拟伺服系统存在很多缺陷，如控制线路体积大、限制了先进控制方法的运用、电路参数受环境影响大、可靠性差以及不易更改。随着dsp性能的提高，全数字控制得以引入伺服控制器中，使得系统简化，不易受环境影响，可靠性高。本文设计了以ti公司高性能 dsp-tms320f2812为核心的舵机用伺服控制器，包括硬件和软件设计。 一、伺服系统的基本原理 图1给出永磁无刷直流电动机伺服系统的结构框图，该系统由电机本体、电子换向器及位置传感器三部分组成，其中电子换向器包括逆变器和控制器。永磁无刷直流电动机的定子上放置了电枢绕组，转子上安装了永磁体，提供电机的励磁，并在转子上同轴安装位置传感器，会输出有规律的位置信号。经逻辑处理后去控制逆变器中电子开关的通断，从而建立起旋转的定子磁场，并且使定子磁场与转子永磁磁场始终保持90°左右的电角度，产生转矩推动转子旋转。 图1 永磁无刷直流电动机结构框图 为增加电机出力，永磁无刷直流电机的反电势设计成120°梯形波，三相互差120°，相应的采用三相六状态工作方式。为了实现精确的定位，保证系统的稳定、快速，伺服系统采用三环控制，如图2所示系统控制框图。电流环作为内环，速度环作为外环，位置环作为最外环。位置给定与位置反馈形成偏差，经位置调节后产生速度参考量，它与速度反馈量的
现代制造技术与装备 ２００７第２期总第１７７期 国内在液压的精密控制领域，采用传统的电液伺服控制系统，由于其结构复杂，传动环节多，不能由电脉冲信号直接控制。对于现代液压伺服控制需考虑：①环境和任务复杂，普遍存在较大程度的参数变化和外负载干扰；②非线性的影响，特别是阀控动力机构流量非线性的影响；③有高的频宽要求及静动态精度的要求，须优化系统的性能；④微机控制与数字化及离散化带来的问题；⑤如何通过“软件伺服”达到简化系统及部件的结构。［１］ 因此发达国家已应用数字控制———即数控液压伺服系统来取代电液伺服控制系统，经过几年的努力，设计并研制成功自己的数控液压伺服系统，超越传统的电液伺服控制系统，大大提高控制精度。本文仅就该系统作简要介绍。 １数控液压伺服系统的组成 系统由数控装置、数控伺服阀、数控液压缺或液马达、液压泵站四大部分组成。系统框图如图１所示： １．１数控装置：包括控制器，驱动器和步进电机。 之所以要采用步进电机，是由于计算机技术的飞速 发展，使步进电机的性能在快速性和可靠性方面能够满足数控液压系统的要求，而其价格低廉，又由于 数控液压系统结构的改进，所需步进电机功率较小，不需采用宽调速伺服电机等大功率伺服电机系统，就能大大降低成本。 １．２液压缸、液马达和液压泵站是液压行业的老 产品，只要按数控液压伺服系统的要求选取精度较高的即可应用。 １．３伺服控制元件是液压伺服系统中最重要、最 基本的组成部分，它起着信号转换、功率放大及反馈等控制作用［２］。所以整个数控液压伺服系统的关键部件就是数控伺服阀，它必需将电脉冲控制的步进电机的角位移精确地转换为液压缸的直线位移（或液马达的角位移）也可以说，只要有了合格的数控伺服阀，就能获得不同的数控液压伺服系统。 数控液压伺服系统设计原理与应用 孙如军 （德州学院机电工程系，德州２５３０２３） 摘 要：为了提高液压系统控制精度，一改传统的电液伺服控制，应用数字控制———即数控液压伺服 系统。充分利用计算机技术的飞速发展，采用ＰＬＣ控制步进电机，不仅能够满足数控液压系统的快速性和可靠性要求，而且大大降低成本。 关键词：润滑保养 地下铲运机 设备管理 ＴｈｅＰｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＤｅｓｉｇｎａｎｄＵｓｅｏｆＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌＨｙｄｒａｕｌｉｃＳｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍ ＳＵＮＲｕｊｕｎ （ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤｅｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄｅｚｈｏｕ２５３０２３） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍｃｏｎｔｒｏｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｗｅｃｈａｎｇｅｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙ－ｄｒａｕｌｉｃｓｅｒｖｏ－ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｎｕｍｅｒａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｔａｂｓｉｓｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｅｒｖｏ．Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｅｕｓｅｔｈｅＰＬＣｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｔｅｐｐｉｎｇｍｏｔｏｒ，ｎｏｔｏｎｌｙｃａｎｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｒａｐｉｄｉｔｙａｎｄｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍ，ｂｕｔａｌｓｏｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｃｏｓｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｉｎｓｔａｌｌｍｅｎｔ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｅｒｖｏｂｒａｋｅ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｒｖｏｃｙｌｉｎｄｅｒ 图１ 数控液压伺服系统的组成 ６２
1 绪论 1.1 课题背景及目的 目标跟踪问题实际上就是目标状态的跟踪滤波问题，即根据传感器已获得的目标量测数据对目标状态进行精确的估计[1]。它是军事和民用领域中一个基本问题，可靠而精确地跟踪目标是目标跟踪系统设计的主要目的。在国防领域，目标跟踪可用于反弹道导弹的防御、空防预警、战场区域监视、精确制导和低空突防等。在民用领域，则用于航空和地面交通管制、机器人的道路规划和障碍躲避、无人驾驶车的跟踪行驶、电子医学等。作为科学技术发展的一个方面，目标跟踪问题可以追溯到第二次世界大战的前夕，即1937年世界上出现第一部跟踪雷达站SCR-28的时候。之后，许多科学家和工程师一直努力于该项课题的研究，各种雷达、红外、声纳和激光等目标跟踪系统相继得到发展并且日趋完善。 运动目标的机动会使跟踪系统的性能恶化，对机动目标进行跟踪是人们多年来一直关注的问题。随着现代航空航天技术的飞速发展，机动目标在空间飞行的速度、角度、加速度等参数不断变化，使得目标的位置具有很强的相关性，因此，提高对这类目标的跟踪性能便成为越来越重要的问题，迫切需要研究更为优越的跟踪滤波方法。机动目标的跟踪研究，已成为当今电子战的研究热点之一。今天，精密跟踪雷达不仅广泛应用于各类武器控制和各类实验靶场，而且还广泛应用于各种空间探测、跟踪和识别领域，以及最先进的武器控制系统。 跟踪模型和匹配滤波是机动目标跟踪的两个关键部分，机动目标的精确跟踪在过去和现在都是一个难题，最根本原因在于跟踪滤波采用的目标动力学模型和机动目标实际动力学模型不匹配，导致跟踪滤波器发散，跟踪性能严重下降。本文将机动目标作为研究对象，从目标的运动建模和匹配滤波算法入手，提出或修正跟踪算法，从而实现对机动目标的精确跟踪。 1.2 机动目标跟踪技术及其发展状况 目标机动是指运动当中的目标，其运动方式在不断地发生变化，从一种形式变化为另一种形式，目标的运动可能从匀速到变速，也可能送直线到转弯，它的运动方式并不会从一而终。通俗地说，就是“目标速度的大小和方向发生变化”。 一般情况下，机动目标跟踪方法概括来讲可以分为以下两类：具有机动检测的跟踪算法和无需机动检测的自适应跟踪算法。机动目标的跟踪需要综合运用统计决策、滤波
机电一体化液压伺服系统 设计 Newly compiled on November 23, 2020
液压伺服系统设计 专业：机电一体化技术 年级： 学生姓名： 指导教师： 摘要 机电一体化是以机械技术和电子技术为主题，多门技术学科相互渗透、相互结合的产物；是正在发展和逐渐完善的一门新兴的边缘学科。机电一体化使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化使工业生产由“机械电气化”迈入了以“机电一体化”为特征的发展阶段。 本设计中提到的微机数控机床是利用单板或单片微机对机床运动轨迹进行数控及对机床辅助功能动作进行程序控制的一种自动化机械加工设备。采用微机数控机床进行机械加工的最大优点是能够有效地提高中、小批零件的加工生产率保证加工质量。此外，由于微型计算机具有价格低、体积小、性能可靠和使用灵活等特点微机数控机床的一次性投资比全功能数控机床节省得多，且又便于一般工人掌握操作和维修。因此将专用机床设计成微机数控机床已成为机床设计的发展方向之一。本设计中用到的步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件具有快速起动和停止的特点。其驱动速度和指令脉冲能严格同步；具有较高的重复定位精度并能实现正反转和平滑速度调节。它的运行速度和步距不受电源电压波动及负载的影响，因而被广泛应用于数模转换、速度控制和位置控制系统。 目录
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第1章总体方案设计 总体分析 本次设计实现的是一两座标步进电机驱动运动工作台控制系统的设计。设计采用单片机对系统进行控制，单片机的包括键盘与显示的控制、与PC机的串口通讯、以及电机输入输入输出信号的控制。电机的输入信号包含报警监测，在机床边缘运用一个接近开关即可实现此目的。 方案框图 单片机作为控制的核心：一方面对机床的运动方向和位移量进行控制，另外还将与键盘对应的位移信息显示在LED上，并实现与PC机的通信。 第2章单元模块设计 键盘与显示模块 随着电子及计算机技术的飞速发展，涌现出了许多的智能型芯片，ＩＮＴＥＬ、ＡＴＭＥＬ、ＭＩＣＲＯＣＨＩＰ、ＭＯＴＯＲＯＬＡ和ＰＨＩＬＰＳ等公司都推出了一系列满足不同行业多种需求的单片机芯片，ＣＰＵ的价格也从９０年代初的成百元降至如今最便宜的芯片只有数元，而一些功能单一的外围接口芯片，越来越多地被功能强大、灵活方便的智能型芯片所代替。我们使用ＡＴＭＥＬ公司生产的８９Ｃ２０５１设计出了键盘ＬＥＤ显示模块，功能上比传统的键盘显示接口芯片８２Ｃ７９强，而成本仅有后者的１／３。ＡＴ８９Ｃ２０５１简介,ＡＴ８９Ｃ２０５１属于ＭＣＳ５１家族，它同大家熟悉的８０３１单片机相比，Ｉ／Ｏ口减少到１５个，其它配置和性能不减，指令完全兼容，片内具有２Ｋ字节的ＦＬＡＳＨ存贮器，电擦写编
液压伺服控制系统的优缺点 参考资料：https://www.doczj.com/doc/df10132076.html,/s/blog_71facf0001010n63.html 液压伺服控制系统，是在液压传动和自动控制理论基础上建立起来的一种自动控制系统。近年来,随着自动控制的发展,无论是电气或液压伺服系统,在所有的工业部门中都开始得到应用,并普遍地为人们所熟知起来。由于其具有结构紧凑、尺寸小、重量轻、出力大,刚性好,响应快,精度高等特点，因而在工业上获得了广泛的应用。 一、液压伺服控制系统的优点 现对液压伺服控制系统在设计和应用中体现的优缺点进行一下归纳和总结。同机电伺服系统、气动伺服系统相比较，液压伺服系统具有以下的突出特点，以致成为采用液压系统而不采用其他控制系统的主要原因： 1、重量比大 在同样功率的控制系统中，液压系统体积小，重量轻。这是因为对机电元件，例如电动机来说，由于受到激磁性材料饱和作用的限制，单位重量的设备所能输出的功率比较小。液压系统可以通过提高系统的压力来提高输出功率，这时只受到机械强度
和密封技术的限制。在典型的情况下，发电机和电动机的功率比仅为16.8W/N，而液压泵和液压马达的功率——重量比为 168W/N，是机电元件的10倍。在航空、航天技术领域应用的液压马达是675W/N。直线运动的动力装置更加悬殊。 这个特点，在许多场合下，在采用液压伺服而不采用其他伺服系统的重要原因，也是直线运动系统控制系统中多用液压系统的重要原因。例如在航空、特别是导电、飞行器的控制中液压伺服系统得到了很广泛的应用。几乎所有的中远程导弹的控制系统都是采用液压控制系统。 2、力矩惯量比大 一般回转式液压马达的力矩惯量比是同容量电动机的10倍至20倍，一般液压马达为61x10Nm/Kgm2。力矩惯量比大，意味着液压系统能够产生大的加速度，也意味着时间常数小，响应速度快，具有优良的动态性能。因为液压马达或者电动机消耗的功率一部分来克服负载，另一部分消耗在加速液压马达或者电动机本身的转子。所以一个执行元件是否能够产生所希望的加速度，能否给负载以足够的实际功率，主要受到它的力矩惯量比的限制。 这个特点也是许多场合下采用液压系统，而不是采用其他控制系统的重要原因。例如火箭炮武器的防真系统中，要求平台
伺服驱动系统设计方案 伺服电机的原理： 伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90°电角度。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动控制的u／V／W三相电形成电磁场转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度{线数)。 伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降作用：伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确。 交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： 1、起动转矩大 由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。 图3 伺服电动机的转矩特性
第二章 液压放大元件 习题 1. 有一零开口全周通油的四边滑阀，其直径m d 3 108-?=，径向间隙m r c 6105-?=，供油压力Pa p s 51070?=，采用10号航空液压油在40C ?工作，流量系数62.0=d C ，求阀的零位系数。s pa ??=-2104.1μ3/870m kg =ρ 解：对于全开口的阀，d W π= 由零开口四边滑阀零位系数 s m p w C K s d q /4.1870/107010814.362.02530=????=?=-ρ ()s p m r K a c c ??=???????=?=----/104.410 4.13210814.310514.3323 122 3620μπ m p K K r p C K a c q c s d p /1018.332110 02 0?== ?= πρ μ 2. 已知一正开口量m U 3 1005.0-?=的四边滑阀，在供油压力Pa p s 51070?=下测得零位泄漏流量min /5L q c =，求阀的三个零位系数。 解：正开口四边滑阀零位系数ρ s d q p w c k 20= s s d co p p wu c k ρ = ρ s d c p wu c q 2= s m q K c q /67.11005.060/1052 3 30 =??==--ν s a s c c p m p q K ?--?=???==/1095.51070260/10523125 30 m p K K K a c q p /1081.2110 00?==
3. 一零开口全周通油的四边滑阀，其直径m d 3 108-?=，供油压力Pa p s 510210?=，最大开口量m x m 30105.0-?=，求最大空载稳态液动力。 解：全开口的阀d W π= 最大空载液动力： 4.11310 5.010********.343.043.035300=???????=??=--?m s s x p W F 4. 有一阀控系统，阀为零开口四边滑阀，供油压力Pa p s 510210?=，系统稳定性要求阀的流量增益s m K q /072.22 0=，试设计计算滑阀的直径d 的最大开口量m x 0。计算时取流量系数62.0=d C ，油液密度3 /870m kg =ρ。 解：零开口四边滑阀的流量增益： 870 /1021014.362.0072.25 0????=??=d p W C K s d q ρ 故m d 3 1085.6-?= 全周开口滑阀不产生流量饱和条件 67max >v X W mm X om 32.0=
第十章液压伺服系统 一、名词解释 1、伺服控制 2、液压伺服控制系统 3、滑阀的压力-流量特性 4、滑阀的流量放大系数 5、滑阀的压力放大系数 二、问答题 1、液压伺服系统有由哪几部分组成？各部分的功能是什么？ 2、伺服系统的基本类型有哪些？ 3、为什么说伺服阀是液压伺服系统的最关键元件？ 4、液压伺服阀有哪几种？滑阀式液压伺服阀与换向滑阀有什么本质区别？ 5、滑阀式液压伺服阀的阀口与换向阀的阀口有什么不同？ 6、电液伺服阀由哪几部分组成（以二级放大式为例）？各部分的作用是什么 7、液压仿形刀架的液压伺服系统为何将伺服滑阀的阀体和液压缸的缸体固连成一体？若将它们分成 两部分，仿形刀架能否工作？为什么？ 8、何为伺服阀的零位特性？为什么零位阀系数对液压伺服系统的稳定性是至关重要的？ 9、在力反馈电液伺服阀中，什么叫力反馈？力反馈是通过什么元件实现的？ 三、计算题 1、已知一电液伺服阀在线性区内工作，当输入电流为20mA、伺服阀的压降为5Mpa时，输出的负载流量为60L/min，则当输入电流为100mA、伺服阀的压降为10Mpa时，其输出流量为多少？ 2、如图所示的电液位置控制系统为轧机辊缝调节控制系统,它由辊缝调节螺钉1、支撑辊2、轧辊 3、板材 4、电液伺服阀 5、调整油缸 6、伺服放大器 7、同位素测厚仪8等组成。板材经轧机连轧后由厚板变为薄板，轧后板材的厚度由测厚仪检测出来，若加工后板材的厚度与要求不符，则由电液伺服阀控制调整油缸驱动支撑辊和轧辊，调节轧辊间的距离。写出其控制原理方块图，标明控制信号的传递过程，并说明系统工作原理。如图所示的电液位置控制系统为轧机辊缝调节控制系统,它由辊缝调节螺钉1、支撑辊2、轧辊3、板材4、电液伺服阀5、调整油缸6、伺服放大器7、同位素测厚仪8等组成。板材经轧机连轧后由厚板变为薄板，轧后板材厚度由测厚仪检测出来，若加工后板材的厚度与要求不符，则由电液伺服阀控制调整油缸驱动支撑辊和轧辊，调节轧辊间的距离。写出 其控制原理方块图，标明控制信号的传递过程，并说明系统工作原理。速度均为0.075m/s，工作进 - 1 -
随机数字信号处理期末大作业（报告） 基于卡尔曼滤波器的雷达目标跟踪 Radar target tracking based on Kalman filter 学院（系）：创新实验学院 专业：信息与通信工程 学生姓名：李润顺 学号：21424011 任课教师：殷福亮 完成日期：2015年7月14日 大连理工大学 Dalian University of Technology
摘要 雷达目标跟踪环节的性能直接决定雷达系统的安全效能。由于卡尔曼滤波器在状态估计与预测方面具有强大的性能，因此在目标跟踪领域有广泛应用，同时也是是现阶段雷达中最常用的跟踪算法。本文先介绍了雷达目标跟踪的应用背景以及研究现状，然后在介绍卡尔曼滤波算法和分析卡尔曼滤波器性能的基础上，将其应用于雷达目标跟踪，雷达在搜索到目标并记录目标的位置数据，对测量到的目标位置数据（称为点迹）进行处理，自动形成航迹，并对目标在下一时刻的位置进行预测。最后对在一个假设的情境给出基于卡尔曼滤波的雷达目标跟踪算法对单个目标航迹进行预测的MATLAB仿真，对实验的效果进行评估，分析预测误差。 关键词：卡尔曼滤波器；雷达目标跟踪；航迹预测；预测误差；MATLAB仿真
1 引言 1.1 研究背景及意义 雷达目标跟踪是整个雷达系统中一个非常关键的环节。跟踪的任务是通过相关和滤波处理建立目标的运动轨迹。雷达系统根据在建立目标轨迹过程中对目标运动状态所作的估计和预测，评估船舶航行的安全态势和机动试操船的安全效果。因此，雷达跟踪环节工作性能的优劣直接影响到雷达系统的安全效能[1]。 鉴于目标跟踪在增进雷达效能中的重要作用，各国在军用和民用等领域中一直非常重视发展这一雷达技术。机动目标跟踪理论有了很大的发展，尤其是在跟踪算法的研究上，理论更是日趋成熟。在跟踪算法中，主要有线性自回归滤波、两点外推滤波、维纳 α-滤波和卡尔曼滤波，其中卡尔曼滤波算法在目标跟踪滤波、加权最小二乘滤波、β 理论中占据了主导地位。 雷达跟踪需要处理的信息种类多种多样。除了目标的位置信息外，一般还要对目标运动速度进行估计，个别领域中的雷达还要对目标运动姿态进行跟踪。雷达跟踪的收敛速度、滤波精度和跟踪稳定度等是评估雷达跟踪性能的重要参数。因此提高雷达跟踪的精度、收敛速度和稳定度也就一直是改善雷达跟踪性能的重点。随着科技的发展，各类目标的运动性能和材质特征有了大幅度的改善和改变，这就要求雷达跟踪能力要适应目标特性的这种变化。在不断提高雷达跟踪性能的前提下，降低雷达跟踪系统的成本也是现代雷达必须考虑的问题。特别是在民用领域中由于雷达造价不能过高，对目标跟踪进行快收敛性、高精度和高稳定性的改良在硬件上是受到一些制约的，因此雷达跟踪算法的研究就越来越引起学者们的关注。通过跟踪算法的改进来提高雷达的跟踪性能还有相当大的挖掘潜力。考虑到雷达设备的造价，民用雷达的跟踪系统首要的方法就是对于雷达的跟踪算法进行开发。
基于扩展卡尔曼滤波的雷达目标在线跟踪轨迹的算法摘要：目标跟踪是指根据传感器（如雷达等）所获得的对目标的测量信息，连续地对目标的运动状态进行估计，进而获取目标的运动态势及意图。目标跟踪理论在军、民用领域都有重要的应用价值。在军用领域，目标跟踪是情报搜集、战场监视、火力控制、态势估计和威胁评估的基础；在民用领域，目标跟踪被广泛应用于空中交通管制，目标导航以及机器人的道路规划等行业。本文利用差分方程模型计算目标点的速度与加速度，基于卡尔曼滤波算法建立扩展型卡尔曼滤波算法的目标跟踪模型。 0 引言 目前，对机动目标的跟踪滤波与预测算法主要有线性自回归滤波、两点外推滤波、维纳滤波、加权最小二乘滤波、与滤波、简化的卡尔曼滤波和卡尔曼滤波。线性自回归滤波完全忽视了状态噪声对估值的影响；两点外推滤波利用最后一个数据点和最后两个数据点分别确定目标位置与目标速度，因此，之前所测的数据点并不能起到预测作用；维纳滤波不适合机动目标的瞬间变化过程，从而在一定程度上限制了它的应用范围；与滤波是两种简单并且易于工程实现的常增益滤波方法，最大优点在于其增益矩阵可以离线计算，而且在每次滤波循环中可节约大约70%的计算量；卡尔曼滤波与预测执行的是均方根误差最小准则，并且通过协方差矩阵可以很方便的对估计精度进行度量，目前应用较多而且误差相对较小的目标跟踪算法是卡尔曼滤波算法。但基本的卡尔曼滤波算法在跟踪机动目标时存在不足：当系
统达到稳态时，其预测协方差很小，使得滤波器的增益也趋于极小值，此时若目标发生机动，系统残差增大，预测的协方差和滤波器的增益不能随残差随时改变，系统将不能保证对突变状态的跟踪能力。 1用扩展卡尔曼滤波算法预测机动目标轨迹 首先由目标初始准确的状态对下一状态进行预测，得到下一状态的预测值，同时由计算所得的对应于初始状态的协方差得到下一状态的协方差预测值；接着由雷达观测误差、状态向量及所得协方差预测值可以得到卡尔曼增益值，进而最终得到下一状态的最优估算值，同时更新对应的协方差。至此，第一轮目标轨迹预测已完成，同理，进行下一轮的目标轨迹预测。模型的具体方程如下：本时刻系统的状态向量由上一时刻系统的最优预测状态向量求得，初始状态需要知道目标的状态向量。这里通过差分方程数学模型计算出目标在三个坐标上速度变化情况： 其中、、表示所测数据第i时刻速度沿着方向三个的速度分量值。 然后使用卡尔曼滤波预测目标的运动轨迹，假定离散时间控制系统状态方程和观测方程为： 式中是k时刻的非线性实值状态向量，是k时刻的系统量测向量，表示系统状态噪声，表示系统测量噪声，A和B为状态向量，H为非线性函数。 由公式4和公式5构成的系统状态方程和测量方程均为线性方程，其过程噪声都为高斯白噪声，可用标准卡尔曼滤波算法进行滤波。
基于自适应微分跟踪器的位置伺服系统 陆一浩１一胡建华１一王云宽１一郑一军１一秦晓飞２ １．中国科学院自动化研究所,北京,１００１９０一一２．上海理工大学,上海,２０００９３ 摘要:为兼顾永磁同步电机位置控制的快速响应能力和无超调特性,在分析传统微分跟踪器的基础上,设计了一种自适应微分跟踪控制器.该控制器用微分跟踪器对位置指令安排过渡过程,采用最小二乘法拟合滤波因子h 和输入阶跃脉冲数s 的一次函数关系.此外,该控制器可以在运行过程中根据不同范围的阶跃信号自适应地选择最优过渡过程参数,实现了对阶跃指令大范围无超调的快速响应.实验结果验证了该控制器的可行性及优越性. 关键词:永磁同步电机;位置控制;超调;微分跟踪器;自适应中图分类号:TP２７６;TM３５１ DOI :１０．３９６９/j ． issn．１００４-１３２X．２０１６．２１．０１３Position Servo S y stem Based on Ada p tive Trackin g -differentiator Controller Lu Hao １一Hu Jianhua １一Wan g Yunkuan １ 一Zhen g Jun １一Qin Xiaofei ２１．Institute of Automation ,Chinese Academ y of Sciences ,Bei j in g ,１００１９０２．Universit y of Shan g hai for Science and Technolo gy ,Shan g hai ,２０００９３ Abstract :The g eneral control strate g ies were often unable to meet the fast res p onse without over -shoot for the p osition control of PMSM ,to resolve these p roblems ,on the basis of anal y sis of tradi -tional trackin g -differentiator ,an ada p tive trackin g -differentiator controller was p ro p osed herein．The desi g ned controller would arran g e transient p rocess for p osition commands and use the least s q uare method to fit the linear function of a curve of p luse ste p in p ut s and filterin g factor h in transient p rocess．Furthermore ,this controller mi g ht ada p tivel y choose the o p timum p arameters of the transient p rocess accordin g to the different curves of p luse ste p and mi g ht achieve the fast res p onse without overshoot for the wide ran g e of ste p commands．The ex p erimental results demonstrate the feasibilit y and advanta g es of the p ro p osed controller． Ke y words :p ermanent ma g net s y nchronous motor (PMSM ) ;p osition control ;overshoot ;trackin g -differentiator ;ada p tive 收稿日期:２０１５ １０ ２３ 基金项目:国家 十二五 科技重大专项(２０１３ZX０４００７-０１１) ０一引言 永磁同步电机(PMSM ) 以其高功率因素二高转矩电流比等优越性能被广泛应用于数控系统二 机器人等领域[１-２] .在这些应用场合中,系统对永 磁同步电机位置控制性能有严格要求:稳态误差为零;阶跃响应不能出现超调;具有快速的跟随 性能[ ３] .采用传统的比例前馈位置控制在恒速阶段 稳态误差为０,但对于大阶跃信号会引起超调.为实现永磁同步电机位置控制快速且无超调的动态性能和稳态精度,国内外一些学者将智能控制算法运用于永磁同步电机的位置控制中.Lai 等 [４] 二方斯琛等[５]采用滑模变结构控制进行位置 控制和速度控制的一体化设计,较好地实现了永磁同步电机的误差跟踪和速度控制;Tsai 等 [６] 采 用迭代学习控制对位置参考信号进行迭代学习,通过不断修改参考信号的值来提高系统的位置跟 踪精度;赵希梅等[７] 将零相位误差跟踪器和干扰 观测器相结合,提高了系统的鲁棒性且系统具有 良好的跟随性能;郑颖等[８] 采用线性自抗扰技术, 实现了火箭炮位置伺服系统响应快二无超调的位置跟踪,且具有较强的抗干扰能力和良好的动态性能.但是这些方法较为复杂,运算量大,实现困难. 为了便于实现,简化计算,针对位置阶跃的超调问题,一些学者采用微分跟踪器对位置指令安 排过渡过程[９-１０],该方法很好地解决了阶跃信号 的超调和快速性间的矛盾.但是微分跟踪器的跟踪速度由快速因子r 和滤波因子h 决定,对于不 同的阶跃信号,固定的快速因子r 和滤波因子h 不仅会降低控制系统的响应速度,甚至可能会引起系统振荡. 针对现有方法的不足,笔者在分析传统微分跟踪器的基础上,设计了一种自适应微分跟踪控制器,所设计的控制器在原有的比例前馈控制器的基础上增加微分跟踪器对位置指令安排过渡过程,并用最小二乘法对微分跟踪器中的滤波因子h 和给定的阶跃脉冲数s 进行一次函数关系拟合,根 . ５１９２.基于自适应微分跟踪器的位置伺服系统 陆一浩一胡建华一王云宽万方数据