毕业设计 4

摘要 伺服控制系统是自动控制系统的一个重要分支,伺服控制系统的控制对象各种各样,比如天线、火炮、光学瞄准装置等。我们接触最多的被控对象是天线装置,此种伺服控制系统是测控雷达、卫星通信站、炮瞄雷达等大系统的重要组成部分。所有伺服控制系统的设计与调试都是基于自动控制原理进行的。本文研究的是雷达天线伺服系统的设计，利用采取附加措施来提高系统的精密度，采用这种方案的高伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。本系统设计包括硬件电路设计以及软件设计，硬件电路设计主要有位置检测器、电压比较放大器、可逆功率放大器、执行机构。软件设计包括雷达天线伺服控制系统、校正设计，通过对系统工作原理的分析，进行了方案和主要元部件的选择。对系统的开环增益和静态误差进行了计算，对系统进行了动态分析，了解了系统在没有进行校正设计时的动态性能，最后进行了校正设计并再次进行动态分析。 本设计主要建立在调节器、直流放大器直流伺服电动机自动角机的数学模型上，有传递函数进行稳态性能分析，求出各种情况下稳态误差，并进行校正。采用校正的方式，根据设计使系统稳定且满足各种性能指标提高了系统的稳态精度。

【关键词】：伺服控制系统 雷达 天线 自动跟踪 1

目录 1雷达天线伺服控制系统的介绍 ........................................... 2

1.1 概 述 ................................................................ 2

1.2 系统的组成 .......................................................... 3 1.3 工作原理 ............................................................ 4 2 雷达天线伺服控制系统主要元部件 ...................................... 4

2.1 位置检测器 .......................................................... 4 2.2 电压比较放大器 ...................................................... 5 2.3 可逆功率放大器 ...................................................... 6 2.4 执行机构 ............................................................ 7 3 系统的开环增益的选择和系统的静态计算 ............................... 9

4系统的动态分析 ......................................................... 12

5 校正设计 ............................................................... 14

6 结 论 ................................................................. 16

参考文献 ................................................................. 17 2

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—— 3

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 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。 4

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*U>U，ctU0，

dU0，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。

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，其中电位器1RP的转轴和手轮相连，作为转角给定，电位器2RP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SU供电，这样可将位置直接转换成电量输出。 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， 5

()[()]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。电位器可用如下表示。

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



在使用电位器时要注意负载效应。所谓负载效应就是指在电位器输出端接有负载时所产生的影响。当电位器接负载时，一般负载阻抗比较大，所以可以将电位器视为线性元件，其输出电压与电刷角位移之间成线性关系。

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 6

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所示的如下表示 E(s)U

ct

(s)

G(s)

其中ct()GsK。 2.3 可逆功率放大器 为了推动随动系统的执行机构，即执行电动机，只有电压放大是不够的，还必须有功率放大，这样才能驱动电动机SM。可逆功率放大器也是放大元件。 由于在控制系统中，控制信号不能提供驱动执行元件的功率，所以必须进行功率放大。只有这样，才能使电动机（执行元件）按着期望的方向和速度运行。可以说，功率放大元件把具有固定电压的电源变成了由信号控制的能源，即电压或电流随控制信号而变化的电源。根据所要驱动的电动机的不同，功率放大元件分为直流伺服功率放大器和交流伺服功率放大器两种。前者驱动直流电动机，后者驱动交流电动机。控制系统中目前应用最广的功率放大元件是直流功率放大器。系统对直流功率放大器一般有下述基本要求： 1、能够输出足够高的电压和足够大的电流，能输出足够大的电功率。 2、线性度好。 3、可靠的限流装置。 4、能够吸收电动机的回输能量。 5、应具备电流负反馈线路。 常用的直流功率放大器有三种：线性（比例式）功率放大器、开关式功率放大器和晶闸管功率放大器。 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